基于几何放大法的SDJ型连续翻箱机定位检测装置的研究

头部广 告

摘要：为解决SDJ型连续翻箱机定位检测装置精度鲁棒性不足导致的翻箱角度偏移引起的成品烟箱输送故障，本文设计了一种基于几何放大原理的定位检测优化装置。该装置通过扩大定位分度盘检测半径并增加辅助调整结构，利用圆的径向弧差几何放大原理，将护烟臂末端微小位移转换为更易分辨与控制的宏观弧长变化，精准反馈翻转角度的偏移状态。实践应用表明，优化后的翻箱机构定位检测装置复位时间从30min降至5min，夹烟或倾倒故障率由4%降至0%，解决了SDJ型连续翻箱机定位检测精度鲁棒性不足的技术瓶颈，其基于几何原理的“微调放大”设计思路与轻量化改造模式，也为同类连续翻转输送设备的运行稳定性提升提供了可借鉴的技术参考。

关键词：连续翻箱机；定位检测；几何放大；分度盘

作者：徐钟阳 高文斌 朱勋亮 廉小钰 马清华 沈智祥 江智勇

云南中烟红云红河烟草（集团）有限责任公司曲靖卷烟厂

一

背景

SDJ型连续翻箱机是成品件烟高速分拣输送线的关键设备，主要完成机器人拆垛后的件烟从立箱向平箱状态的快速翻转，确保物料以平稳姿态汇入后续输送线。在实际生产布局中，成品垛烟由20件立箱与8件平箱构成，立箱占比超过三分之二。因而，SDJ型连续翻箱机长期处于高频次，高负荷的运转状态，其定位检测装置的精度受到设备机械部件持续振动影响、定位偏差存在累积放大的风险。

现有针对翻箱机设备的维护研究多集中于结构强度分析与常规电气控制优化[1-5]，主要着眼于翻箱机运行效率的提升与寿命延长。但对于SDJ型连续翻箱机定位检测装置精度鲁棒性不足这一核心问题——特别是定位偏差在运行过程中逐步累积进而诱发翻箱角度偏移，最终导致夹烟、卡烟及烟箱损坏等问题——缺乏系统性的分析与改进研究。在件烟翻转输送过程中，由于翻箱机构的实时位置的角度偏移未能被及时发现与修正，导致故障频发，复位调整耗时较长，严重制约了成品件烟的发货效率。

几何放大原理可将微小物理量变化转换为宏观可测位移，具有结构简单、原理清晰、对微角度运动分析更加直观易测的特点[6-7]，为提升SDJ型连续翻箱机定位检测的稳定性提供了一种新思路。因此，本研究选用翻箱托架的末端位移为监测对象，基于几何放大原理优化SDJ型连续翻箱机定位检测装置，以期从根本上提升定位检测精度，减少因定位偏差引发的夹烟、卡烟等故障，同时也能实现故障后的快速复位，降低设备故障排查耗时，保障成品烟箱高速分拣输送线的稳定运行。

二

SDJ型连续翻箱机的工作原理

SDJ型连续翻箱机是高架库发货环节中实现机器人拆垛后成品件烟翻转输送的关键设备，在电控系统控制下按预定流程完成立箱向平箱的翻转与输送，平稳状态下翻箱速度可达14件/分钟，如图1所示。翻箱机构主要由驱动电机、翻箱托架（护烟臂）、定位分度盘及光轴宽度为1.2mm×0.8 mm的叉形光电检测器组成，如图2所示。驱动电机通过连接轴带动翻箱托架与分度盘同步旋转，翻箱托架上四组互呈直角的护烟臂每旋转90°完成一次烟箱的倒立翻转；分度盘上对应设有四个呈直角的U型槽口，当槽口旋转至叉形光电检测器位置时，表明护烟臂已到达与输送辊齐平的预定位置，光电检测器触发信号使驱动电机停止转动。该定位方式主要依赖于分度盘与光电检测器的配合精度，是决定翻箱机构能否准确停止的关键因素。

图1 发货时烟箱翻转和输送流程

图2 SDJ型连续倒立机的翻箱机构示意图

三

定位偏差故障的原因分析

SDJ型连续翻箱机通过检测分度盘槽口位置来控制翻箱托架的到位停止，使护烟臂停留在预定位置。当翻转机构到位时，要求护烟臂末端需保持与输送辊相对平行，误差范围在±2mm内，超过误差范围将会造成输送故障。由此，对分度盘与护烟臂末端旋转轨迹弧长的几何放大效应进行分析。

圆的弧长与直径关系为：

式中：l表示弧长，φ表示直径，θ表示圆心角。

根据弧长公式可得公式（2）：

式中：l1为护烟臂末端旋转弧长，单位为mm；l2为检测位置旋转轨迹弧长，单位为mm；φ1为护烟臂直径，单位为mm；φ2为检测位置旋转轨迹直径，单位为mm。

图3 原有分度盘图

经测量，原分度盘半径为50mm（如图3所示）；护烟臂末端距轴心的旋转半径为350mm，光电管检测位置半径为25mm（如图4所示）。以分度盘检测点旋转位移弧长1mm为例，由公式（2）可得，护烟臂末端旋转弧长相对于分度盘检测位置被放大了14倍，在所要求的护烟臂末端±2mm定位精度条件下，检测区间允差为±0.14mm。

图4 旋转轨迹放大示意图

现有定位检测装置以叉形光电检测器的“到位/未到位”信号为控制依据，设备运行中的机械振动使护烟臂的停留角度产生偏移，在定位检测过程中，护烟臂停止时的几毫米位移偏差映射至分度盘检测位置后易产生误差积累的情况，从而造成护烟臂定位偏差。当定位偏差叠加烟箱规格变化、辊子输送不平稳、减速箱齿轮间隙及驱动电机停止减速时间设定不同等因素时，导致立箱传送姿态偏移超过一定范围，虽进入光电感应区域触发翻转信号，但因烟箱未完全到位，定位检测装置缺乏对烟箱实际位置的准确判断，翻箱托架仍按预设角度执行翻转动作，导致夹烟现象发生（如图5所示）。经现场统计，约78%的夹烟、卡烟等问题由此类定位偏差引发。

图5 翻箱机构工位烟箱倾倒

四

优化方案设计

为解决因定位检测装置精度鲁棒性不足导致的翻箱角度偏移、夹烟故障频发及复位耗时长等问题，以SDJ型连续翻箱机定位检测装置为核心研究对象，利用圆的径向弧差几何放大原理，开展定位机构优化策略研究。通过扩大检测区域半径可有效降低护烟臂末端位移与分度盘旋转位移的比值，使微小的角度偏差转换为更易分辨与控制的宏观弧长变化，提升定位检测装置的分辨率。

具体优化实施步骤如下：首先，设定不同检测区域半径的尺寸方案进行对比验证，综合考虑放大倍率、复位难度及改造成本，确定最优参数；其次，在分度盘上设计腰型槽结构以辅助定位安装，降低复位调试难度。

1.方案设定与参数优选

为确定分度盘检测区域半径的最优参数，本研究设计了四组不同尺寸方案进行对比验证，分别考量各组方案下旋转轨迹放大倍率、复位时间及改造难度等关键指标。四组方案的具体参数及对比结果如表1所示。

表1 方案对比

由表1可知，随检测区域半径增大，旋转轨迹放大倍率及复位难度均呈下降趋势。方案三与方案四在各项指标上表现较优，但方案四检测区域半径过大，需大幅改造设备，改动成本高且存在与周边设备干涉的风险；方案三在保证优化效果的同时兼顾了安装便捷性与改动可行性。综合优化效果、安装空间及改造成本，最终选定方案三（分度盘半径100mm）为最优策略。

2.腰型槽辅助定位设计

在确定检测区域半径最优参数的基础上，针对原有定位机构安装调整耗时长的问题，在分度盘上设计腰型槽结构（如图6所示）。该结构可在一定范围内实现分度盘的连续位置调节，使安装调试过程更加灵活便捷，降低因安装误差导致的角度偏差，减少复位调整所需时间。

图6 分度盘设计图

五

应用效果

根据设计方案制作新分度盘，安装在SDJ型连续翻箱机构上（如图7所示）。改造前，分度盘检测区域半径仅25mm，护烟臂末端位移与分度盘弧长的放大倍率达14倍。运行过程中，机械振动引发的分度盘定位波动被同比放大，致使翻箱机构停止角度产生明显偏移，护烟臂末端翘起高度高达±7mm。改造后，同等振动条件下，护烟臂末端的偏移量大幅减小，翘起高度可稳定控制在±2mm以内，输送平稳性显著改善（如图8所示）。扩大后的检测区域有效降低了机械振动对定位信号的干扰，翻转停止角度的波动范围大幅收窄，设备抗干扰能力增强，定位失准问题得到根本性改善。该方案在不改变设备主体结构的前提下，从定位检测环节切断了偏差累积与放大的传递路径，为翻箱机构的长周期稳定运行提供了保障。

图7 改造后分度盘现场应用图

使用原有分度盘进行复位调节，需要30min左右的调整时间；改造后，复位调整时间缩短至5min，维修效率提高约83%。改造后，实施25垛成品件烟拆垛输送实验，实验过程中夹烟或倾倒故障率由4%降低到0%（详见表2）。

表2 改造前后故障情况对比分析

六

结论

针对SDJ型连续翻箱机定位检测装置精度鲁棒性不足导致的翻箱角度偏移及复位耗时长等问题，本文基于几何放大原理，通过扩大分度盘检测区域半径并增设腰型槽辅助定位结构，对翻箱机构定位检测装置进行了优化。改进后方案在不改变设备主体结构的前提下，将护烟臂末端微小偏移转换为更易控制的宏观弧长变化，显著提升了定位检测分辨率与复位操作可控性，有效降低了因定位偏差引发的夹烟等故障发生率及单次复位耗时。其基于几何原理的“微调放大”设计思路与轻量化改造模式，也为同类连续翻转输送设备的运行稳定性提升提供了可借鉴的技术参考。

参考文献:

[1]李冬.移动翻箱机在烟丝物流系统中的应用与研究[D].北京工业大学,2016.

[2]章圆珍.变频器在翻箱机上的应用[J].铸造设备与工艺,2012,(04):50-51+64.

[3]栾云凯,陈晶,朱勋亮,等.烟草制丝车间翻箱机开关门检测装置的研发与应用[J].物流技术与应用,2024,29(02):114-117.

[4]岳盛强.烟丝库翻箱机故障分析与改进[J].内燃机与配件,2017,(17):83-84.DOI:10.19475/j.cnki.issn1674-957x.2017.17.043.

[5]洪凯强.烟丝库翻箱机的使用与改进[J].科技信息,2012,(29):180-181.

[6]杨勇勇,王金星,朱宽宽,等.位移测量技术的研究进展与展望[J].化工自动化及仪表,2025,52(04):481-489.DOI:10.20030/j.cnki.1000-3932.202504001.

[7]郑伟智,辛洪兵.微位移放大机构位移损失分析[J].机械设计,2003,(08):25-26.DOI:10.13841/j.cnki.jxsj.2003.08.009.

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