随着中式卷烟特色工艺的深入开展及应用，各卷烟厂开始采用箱式储存来支撑精细加工、分组加工和柔性生产[1]。箱式储存工艺通过装箱站实现自动装箱。在装箱过程中，烟箱首先经取盖机取盖，在装箱位装入烟叶后，经加盖机加盖后进入库区储存[2]。但由于箱盖材质、装置结构等原因，使加取盖装置在运行过程中时常出现掉盖现象，影响了装箱效率。近年来已有相关技术人员对加取盖装置进行了研究改进，徐伟民[3]等所设计的装箱系统采用了昆船公司的MQ21型加取盖机，主要采用吸盘吸取箱盖；方海宁[4]等所改造的加盖机主要用于箱盖的纠偏，实现箱盖与箱体的契合，但对于掉盖问题的相关研究较少。为此，通过分析加取盖装置结构原理，对加取盖装置进行了改进，以期改善掉盖问题，提高装箱效率。
1 问题分析
1.1 加取盖装置工作原理
如图1所示，加取盖装置为龙门结构(1)。取盖过程如下：当烟箱到位后，吹气阀(9)打开，对箱盖表面进行吹气清洁，然后夹具升降气缸(3)驱动加取盖夹具(6)下降，吸盘组1(7)和吸盘组2(8)接触箱盖到位后，两组真空系开始抽真空，当检测到系统真空度达到要求时，吸盘吸住箱盖，夹具升降气缸驱动夹具上升。行走机构电机(4)动作，使夹具横移至放盖位，夹具下降，真空发生器(5)动作，破真空，吸盘释放箱盖后回到初始位置。加盖过程与之相反。
1.2 加取盖夹具结构
图1 加取盖装置结构
1.龙门架；2.行走机构；3.夹具升降气缸；4.行走机构电机；5.多级真空发生器；6.加取盖夹具；7.吸盘组1(真空泵)；8.吸盘组2(真空发生器)；9.吹气阀
加取盖装置夹具主要由负压检测开关、吸盘、吸盘弹簧杆、升降气缸电磁阀、真空发生器、吹气电磁阀及磁感应开关等组成。8个吸盘有两路负压来源，其中一组(4个吸盘为一组)来自于真空泵，一组来自于真空发生器。因此，真空系统分成两组且分别控制。即使某个吸盘或是真空系统发生故障，或有一组吸盘接触的箱盖表面有裂缝，无法建立真空时，仍能保证另一组的4个吸盘牢牢吸住箱盖，如果两组吸盘接触的箱盖表面都有裂缝，无法建立真空，则会出现掉盖。
1.3 存在问题
由于烟箱箱体和箱盖都使用橡木板制作，在温度和湿度变化大时，容易造成木材开裂，出现缝隙，如图2所示。为统计裂缝位置，抽取了20个有裂缝的箱盖，以X轴为标准，记录裂缝所在箱盖的位置。如果裂缝位置处于25cm～50cm，80cm～105cm位置处，则裂缝就处于吸盘范围内，会导致吸盘漏气。如果两组吸盘都漏气，则会出现掉盖。由统计结果可知，20个箱盖中有13个箱盖的裂缝会造成两组吸盘漏气，最终导致掉盖。
图2 吸盘位置与箱盖裂缝
1.吸盘与箱盖接触面；2.箱盖裂缝
2 改进方法
2.1 钩爪设计
为防止掉盖，如图3所示，运用SolidWorks机械仿真设计软件设计钩爪，用于钩住箱盖。钩爪边缘加装聚氨酯缓冲垫，用于减震和防滑。
图3 钩爪设计图
2.2 夹具改进
改进后的夹具保持了原夹具的整体性，主要是在夹具边缘加装了钩爪，如图4所示。为控制钩爪的动作，在夹具上加装了4个气缸(7)、4个磁感应开关(9)、电磁阀(10)，钩爪初始状态为张开。
图4 改进后的加取盖夹具结构
1.真空泵；2.多级真空发生器；3.吸盘组 2；4.吸盘组 1；5.钩爪；6.加取盖夹具；7.钩爪气缸；8.合页；9.磁感应开关；10.电磁阀
图5 钩爪动作流程
2.3 PLC程序改进
机械结构改进完成后，编写了钩爪动作的PLC程序，钩爪动作流程图如图5所示。改进完成后的加取盖装置取盖过程如下：当烟箱到位后，吹气阀打开，对箱盖表面进行吹气清洁，然后夹具升降气缸驱动加取盖夹具下降，吸盘组1和吸盘组2接触箱盖到位后，两组真空系开始抽真空，当检测到系统真空度达到要求时，吸盘吸住箱盖，钩爪气缸驱动钩爪闭合，磁感应开关检测到钩爪闭合后，夹具升降气缸驱动夹具上升。行走机构电机动作，使夹具横移至放盖位，夹具下降，真空发生器(5)动作，破真空，钩爪张开、吸盘释放箱盖后回到初始位置。加盖过程与之相反。
3 结论
通过分析装箱站龙门加取盖装置的结构原理，基于SolidWorks机械仿真设计软件设计了钩爪、电路、气路图，编写PLC控制程序，并选择合适的元件对装置进行了改进。有效解决了因箱盖裂缝造成吸盘漏气导致掉盖的问题。以20个箱盖开裂的烟箱为对象，对改进前后加取盖装置的性能进行了测试，结果表明：改进后加取盖装置掉盖次数降为0次，降低了操作人员的劳动强度，提高了装箱效率，保障了生产的连续性和稳定性。该方法可在龙门加取盖装置上推广应用，也可以为解决类似掉盖问题提供借鉴。
参考文献：
[1]吴兴强.自动箱式储丝系统的设计与应用[J].烟草科技，2006(6)：16-19.
[2]装箱系统用户手册[Z].昆明豪原特自控有限公司，2012.
[3]徐伟民，金伟，董劲.膨胀烟丝两用装箱系统的开发与应用[J].烟草科技，2012(9)：19-21.
[4]方海宁，孙晋叶，沈俊儒.XGJ型加盖机的升级改造[J].轻工科技，2018，34(1)：49-50.
[5]濮良贵，纪明刚.机械设计[M].8版.北京：高等教育出版社，2006.
[6]廖常初.S7-300/400PLC应用技术[M].4版.北京：机械工业出版社，2016.
