转烟器蜘蛛手烟包实时同步传送控制装置的改进设计

李华文 沈涛 倪骏 赵宇 李金剑 王熠 唐磊

摘要：为解决C600原机“烟包异位”故障频发问题，防止出现原机抓取过程中产生的夹坏缺陷烟引起六角轮卡阻或流入市场等问题，在不改变原机机械传动的基础上，采用激光测距技术与伺服控制技术相结合的方法，设计了一套转烟器蜘蛛手烟包实时同步传送控制装置。该装置主要由激光位移传感器、伺服驱动器、伺服电机、人机交互界面、报警器等部件组成，可以准确测量烟包与转烟器蜘蛛手的相对位置，实时调整转烟器入口皮带运行速度，确保转烟器蜘蛛手能够同步抓取烟包，相关数据信息显示于人机界面，用于维修、调整。试验结果表明：改进后实现了转烟器蜘蛛手准确抓取烟包精度，蜘蛛手与烟包相对位移量的精确控制能力大幅提高了约67%，可以从改进前较难控制的±6mm精准控制到±2mm，相应卡阻次数平均每班减少了98%。

Abstract： In order to solve the frequent problem of "cigarette pack out of place" failures of the original C600 machine， and to prevent causing the hexagonal wheel to block or defect cigarette pack flow into the market， which caused by the defective cigarette caught in the process of grabbing by the original machine， based on the combination of laser ranging technology and servo control technology， a set of real-time synchronous transmission control device for cigarette packet and spider hand of cigarette rotator was designed without changing the mechanical transmission of the original machine. The device is mainly composed of laser displacement sensor， servo driver， servomotor， human-computer interaction interface， alarm and other components. It can accurately measure the relative position of the cigarette pack and the spider hand of the cigarette rotator， and adjust the running speed of the belt at the entrance of the cigarette rotator in real time， to ensure that spider hand of the cigarette rotator can grab the cigarette pack synchronously， the relevant data information is displayed on the man-machine interface for maintenance and adjustment. The test results show that the accuracy of the spider's hand grasping the cigarette packet is achieved after the improvement. The precision control ability of the relative displacement between the spider's hand and the cigarette packet is greatly improved by about 67%， which can be controlled from ±6mm which is difficult to control before the improvement to ±2mm and the number of jamming is reduced by 98% on average per shift.

關键词：转烟器;烟包异位;激光测距;实时同步

Key words： cigarette rotator;cigarette pack out of place;laser ranging;real-time synchronization

中图分类号：TS43                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）21-0149-05

0  引言

C600包装机是卷烟厂硬包高速生产线的重要设备。该机大多采用蜘蛛手机构实现烟包90°平移转向，但受辅料变换、设备配合精度降低等因素的影响，在长期的生产过程中，“烟包异位”故障频繁发生，夹坏烟包，引起机器卡阻，引发质量隐患。为此在不改变原机机械传动的基础上，采用激光测距技术和伺服控制方法，设计一套转烟器蜘蛛手烟包实时同步传送控制装置，以期降低故障率，增加生产效率。

目前国内还没有在C600机型中采用激光测距和伺服系统完成入口烟包位置控制的功能的案例，此设计项目开展能为该类型包装机型“烟包异位”问题的研究开阔思路，意义重大。

1  转烟器结构及故障情况分析

1.1 CH转烟器结构概况

烟包由输入通道进入C600包装机组 CH转烟器，经蜘蛛手吸取、释放过程，完成90°平移转向，送入烟包包装通道，如图1所示。

转烟器转向装置利用行星齿轮机构传动原理，将输入通道送来的烟包通过星齿轮结构的转向轮输出到包装通道，转向轮轴上安装有“蜘蛛手”吸风板，转向过程中，通过真空负压系统将烟包吸附在吸风板上，转至包装通道位置后释放烟包，完成90°平移转向。

转烟器转向装置主要由齿轮、圆隔板、转盘、支架、轴套、吸风板等部件组成，如图2所示。

1.2 CH轉烟器故障分析

由于烟包辅料材质的变化，导致材料表面摩擦力的变化或皮带夹紧力量的变化，以及20年设备使用年限，导致蜘蛛手和入口输送带机械传动配合精度下降，因此，实际包装生产过程吸风板（“蜘蛛手”）吸附抓取烟包时，会出现抓取位置与烟包送达位置不匹配，引起烟包输送的“滑差”， 形成烟包形变，蜘蛛手交接出现阻塞，导致烂烟包进入六角折叠轮造成质量问题烟流入市场，烂烟包进入六角折叠轮还会导致严重卡阻，造成六角轮错位、停机。

某卷烟厂生产部有五组G.D121-G.DX2000机组，“烟包异位”故障情况统计，见表1。

表1选取的数据是发生该故障时的连续维修时间、单班平均停机次数和单班最大停机次数，从中可以看出，不同品种烟包，不同状态机台，一旦发生故障时造成的停机频率高低不一，一个生产班少则十几次，多则几十次。“烟包异位”故障的出现具有偶发性，没有有效的检测手段判断故障原因，调整维修方法单一，导致故障维修困难，维修时间长，是设备维护和生产运行中一个较为复杂的技术难点。

2  改进方法

C600包装机组转烟器烟包与蜘蛛手位置出现不同步问题是导致“烟包异位”故障的根本原因，根据烟包和蜘蛛手的相对位置实时调整入口烟包传送机的位移量，使其匹配，对超出合适位置的烟包发出报警指令使主机停机。检测相对位置是解决问题的关键，在转烟器合适位置分别布置两台激光位移传感器来检测蜘蛛手上烟包和蜘蛛手的相对位置，然后通过伺服驱动调整入口烟包传送机的位移量。伺服驱动器接收由激光位移传感器测量得到的烟包位置和蜘蛛手位置的距离差值信号，根据二者实际偏差与校准过的标准位置偏差作比较，进而做出相应调整，调整量通过输送传动系统和控制算法确定，并可在人机交互界面调整。

2.1 系统结构

同步控制系统布置如图3。

在烟盒输送轨道运行方向正前方，安装两个激光位移传感器，一上一下分别检测获取烟盒位置信号和蜘蛛手位置信号，两个传感器通过一个控制单元，自动计算两者之间的距离差值，为自动调整给出依据。

通过上位机实现人机交互功能，操作界面可显示系统与主机的联机状态，可以查看伺服系统当前相关状态和伺服器 CANBUS通信状态，设置相关控制参数，手动调节伺服电机。

2.2 功能设计

①实时测量烟包与转烟器蜘蛛手的位置并调整入口烟包位置功能。

烟包与蜘蛛手距离差值测量：

在烟包和蜘蛛手前端安装两组半导体激光位移传感器，分别测量烟包和转烟器蜘蛛手到激光位移传感器的距离，然后经激光位移传感控制器输出给上位机处理分析，将两者的相对位移差值信号与标准差值信号比较，对PLC控制器发出指令，调整入口皮带伺服电机转速。

图5显示的是C600入口电机调整烟包位置的处理过程。由两个激光位移传感器分别测量烟包与蜘蛛手的位置，并通过和激光位移传感器匹配的控制单元计算出两者间的相对位移差值，计算公式为：

d=A-B， d：两者之间的差值;A：激光位移传感器到蜘蛛手的距离;B：激光位移传感器到烟包的距离;当d=Δd 时认为烟包和蜘蛛手间的相对位置满足要求，伺服电机不动作;d<Δd 时伺服电机正转，入口皮带加速，烟包位置前移;d>Δd 伺服电机反转，入口皮带减速，烟包位置后移。（Δd 为系统内设置烟包和蜘蛛手间距离的理想差值）

伺服系统调整烟包位置功能：

伺服系统接收激光位移传感器输出的差值信号后，与设定好的标准值比较。根据比较结果并结合C600主机的机速调整入口皮带的速度，实现自动调整入口烟包位置功能。

②伺服控制与C600主机联机功能。

正常运行时，伺服控制系统接收主机的运行、速度信号，根据主机信号调整电机运行参数，烟包与蜘蛛手相对位置超出范围时输出报警信号，主机接收到烟包位置超限信号后停机，并显示报警信息“CH 转烟器：烟包异位”。主机在启动前需要检测伺服控制功能是否正常，功能正常主机可以正常启动，不正常时主机不能启动。

跑空车时，免除伺服控制系统入口烟包控制，同时屏蔽“CH 转烟器：烟包异位”报警。

③入口烟包零点校准功能。

系统改造后保留原机入口烟包零点校准功能，这个功能分为两部分，一是复产时入口烟包零点位置校准;二是入口烟包位置超出报警范围停机后，通过手动校准恢复入口烟包初始位置。

④人机交互功能。

通过人机交互界面实时显示烟包和转烟器蜘蛛手距离的差值，入口电机的转速和方向，根据实际运行情况，既可以自动调整伺服电机运行参数，也可以手动调节伺服电机运行参数。同时实现历史数据查询。

2.3 实验方法

在烟盒输送轨道运行方向正前方，安装两组激光位移传感器，一上一下分别检测烟包位置信号和蜘蛛手位置信号。将原入口皮带电机更换为伺服电机。根据包装机主轴编码器信号，获取机器运动相位，在合理相位计算烟盒与蜘蛛手的位置偏差，对皮带电机进行速度和位置控制。

①试验设备。

伺服电机：选用LENZE（伦茨）MSC系列同步伺服电机，电机额定转速4050rpm。

伺服驱动器：LENZE（伦茨）8400系列伺服驱动器，2路AO，2路AI，4路DI，4路DO，通信自带CANbus，可扩展PROFIBUS DP、EtherCAT、Ethernet、CANopen、DeviceNet等。

激光位移传感器：奥泰斯公司型号为CD5-W150的位移传感器以及CD5控制器，可根据实际情况调整传感器采样周期，激光强度，检测灵敏度，模拟量输出范围。

控制单元：选用西门子（Siemens）S7-1511CPU模块，内置运动控制功能。

显示屏：威纶通eMT3070B，7英寸，带以太网和CANbus接口。

②试验平台。

模拟测试激光测量烟包及蜘蛛手位置的效果，确定激光位移传感器的检测距离和检测范围满足系统需要，激光光斑远小于检测面的面积，同时满足激光位移传感器的采样周期比一包烟的可测量周期小的多。考量激光位移传感器测量得到的距离精确度，输出的差值电压值与距离差值成比例关系，使激光测距系统的输出值可直接用于伺服系统。

③烟包的前后位置。

在机器相位200度到50度之间实现多次测量每包烟包与转烟器蜘蛛手的位置差值，参与在一个烟包周期最大调整范围内实时调整下一包烟包的前后位置，同时连续调整多包烟包的前后位置，动态实现蜘蛛手抓取烟包位置处于理想范围内。（图6）

④系统输出“CH 转烟器：烟包异位”报警信号，手动调节伺服量，改变烟包输送带行程，实现人为烟包位置零点校准。

3  改进效果

实现了：实时测量烟包与转烟器蜘蛛手的位置并调整入口烟包位置，伺服控制与C600主机与的联机，校准对位，人机交互，可以查询烟包和蜘蛛手相对位置历史趋势数据，伺服驱动器历史调整数据。

3.1 烟包与转烟器蜘蛛手相对位移变化对比

改进前，随机测量5分钟2500个烟包正常传送过程中烟包与转烟器蜘蛛手二者的相对位移变化，得到一组数据，见图7所示“改进前烟包和蜘蛛手相对位移变化”，观察到二者相对位移摆动区间比较宽，达到偏差±6mm时报警，对输入传送带速度进行修正，原机依赖光电管判断是否超差，无法精确量化处理，出现更大偏差超出-7mm或者+15mm后，无法及时修正，就会发生“烟包异位”故障。

改进后，再次随机测量5分钟2500个烟包正常传送过程中烟包与转烟器蜘蛛手二者的相对位移变化，得到新的一组数据，其相对位移变化见图7所示“改进后烟包和蜘蛛手相对位移变化”，位移传感器一旦感知有偏差发生，即刻通过伺服控制单元对传送带速度进行精细调节，保证两者相对位移控制在很小区间摆动，从而很难再发生“烟包異位”故障，如果一旦超过最大允许位移，立刻报警停机，避免出现卡堵。

3.2 6#实验机五周试运行期间烟包和蜘蛛手距离相对位移量及同步介入修正

改进后，对试验机连续五周的运行数据进行分析，对每个班次的烟包和蜘蛛手最大相对位移、最小和平均相对位移量进行统计，各个班次位移数据均控制在原机±6mm报警范围以内，另外对伺服同步介入调速次数分析，每个班次每小时的调速次数达到300～400次，表明精确检测的相对位移量变化有效传送到伺服系统，使得改进后的调速功能敏感快速，确保了蜘蛛手在允许抓取烟包的容错范围内抓取烟包，从原来的很难保证的±6mm精确到可以确保的±2mm，相对位移量的精确控制能力大幅提高了约67%。试运行数据见表2，对比分析见图8。

3.3 6#实验机五周试运行期间烟包异位故障大幅减少

对6#实验机五周试运行期间烟包异位引起的卡阻停机次数进行统计分析，得到表3，卡阻停机次数平均每班为1次以下，单班最大停机次数为1次，连续维修时长仅在第一周出现过一天，其他时间内实时修复，对比改进前原机的卡阻停机次数（表1），改进后单班平均停机次数由原来的约19.6次减少到约0.32次，减少了98%，单班最大停机次数由原来的15～50减少到1次，详情对比见图9。

4  结论

本实时同步传送控制装置在C600包装机上实现了：实时测量烟包与转烟器蜘蛛手的位置并调整入口烟包位置功能;主机与伺服控制器的联机功能;人机交互功能。

改进后，实现了转烟器蜘蛛手准确抓取烟包，卡阻停机次数平均每班由原先的19.6次减少到0.32次，平均减少了约98%，蜘蛛手与烟包相对位移量的精确控制能力大幅提升了约67%，可以从改进前较难控制的±6mm精准控制到±2mm，能够大范围兼容材料的变化和牌号变更频次，保障产品交接的完整性，提升了系统运行的连续性和稳定性。本装置设计样机在某卷烟厂的C600包装机上进行了试用考核，完全可以将该设计应用到其它相同或相近配置机型，比如G.DX1、G.DX2机组。

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