1. 研发背景及技术需求
1.1. 行业数字化转型背景
当前烟草行业正推进“全国烟草生产经营管理一体化平台”建设，“行业二维码统一应用项目”作为核心组成部分，需实现工业“盒条件”与商业“条零”数据的全链条贯通，建立卷烟全生命周期“一码管理”体系。这一目标对烟条二维码扫描精度与关联效率提出极高要求，传统生产设备的技术缺陷逐渐凸显。
1.2. 物体姿态调整与无动力输送领域技术现状
物体姿态调整技术在制造业自动化生产中应用广泛，不同行业基于产品特性与生产场景形成了差异化技术路径。在烟草行业，烟条作为典型的长条状柔性包装物体，其姿态调整需兼顾高速稳定性与低损伤率双重需求。目前主流技术方案可分为三类：其一为机械夹持翻转方案，如CN202021568943.2提出的烟条翻转机构，通过气动夹爪抓取烟条并绕固定轴旋转180˚，虽能实现精准掉头，但夹爪与烟条表面的刚性接触易导致包装褶皱，且夹爪开合节奏需与输送速度严格同步，在600包/分钟的高速生产场景下易出现卡顿，设备维护频率高达每周2~3次[1]；其二为输送带换向方案，如王俊鹏等设计的烟条翻转下落装置，利用多组倾斜输送带形成转向通道，依赖输送带摩擦力驱动烟条转向，但该方案对输送带张紧度要求极高，运行3个月后输送带磨损易导致烟条偏移，读码率波动幅度超过5% [2]；其三为气流导向方案，通过高压气流喷射烟条实现姿态调整，虽无机械接触，但气流压力难以精准控制，烟条损伤率常高于1‰，且能耗成本较机械方案增加30%以上[3]。
无动力输送技术凭借低能耗、易维护的优势，在轻工制造领域应用逐步拓展。其核心设计思路是利用物体自身重力、惯性或摩擦力完成输送，常见结构包括溜槽、滚轮组、螺旋滑道等。在食品包装行业，螺旋滑道已用于饼干、巧克力等产品的垂直输送，如CN201920876512.8设计的食品级螺旋溜槽，通过优化滑道曲率半径降低产品破损率，但该类设计针对轻质、刚性包装产品，无法直接适配质量约150 g、表面易刮擦的烟条[4]；在物流分拣领域，无动力螺旋输送装置多采用大螺距设计以提升输送效率，如京东物流研发的快递分拣螺旋滑道，螺距达500 mm以上，虽能满足大件货物快速输送，但烟条等小尺寸产品易在大螺距通道内发生姿态紊乱[5]。
综合来看，现有技术在烟草行业烟条姿态调整应用中存在三大核心局限：一是动力依赖与维护矛盾，机械夹持、输送带等动力驱动方案虽能实现精准控制，但复杂的传动结构导致设备故障率高，难以适配烟草生产连续运行需求；二是空间适配性不足，多数翻转装置需独立安装空间，无法集成于FOCKE-FXS机组辅联烟条垂降设备的狭窄空间(横向宽度仅150 mm)；三是参数通用性差，现有装置多针对固定规格烟条设计，当烟条长度、直径变化时，需拆解更换核心部件，调整周期长达4~6小时，无法满足多品牌卷烟柔性生产需求[6]。
1.3. 生产现场技术瓶颈
在FOCKE-FXS机组烟条“盒条件”关联改造中，原动态读码方案因烟条输送速度快、列队稳定性差，导致读码率与关联率偏低。现场统计显示，封箱设备平均读码率仅88.5%，关联率84.1%。
进一步分析发现，烟条二维码位于封箱设备推入口内侧，受空间限制无法安装读码器；若将读码器移至外侧，需使烟条掉头以调整二维码朝向。人工掉头虽能使读码率与关联率提升至99.8%以上，但无法适配高速生产节奏。因此，研发一款可集成于现有设备、实现烟条自动精准掉头的装置，成为突破技术瓶颈的关键。
基于上述技术现状与现场需求，本研究的核心切入点在于：摒弃传统动力驱动模式，创新采用“空间微螺旋结构 + 自身重力”的无动力姿态调整方案，通过优化螺旋轨迹参数与模块化设计，在满足FOCKE-FXS机组空间约束的同时，实现烟条180˚精准掉头、低损伤输送与快速规格切换。相较于现有技术，本方案的创新点体现在三方面：一是在结构设计上，通过微螺旋通道的空间错位设计，同步实现烟条导向、缓冲与掉头功能，解决传统装置功能分散、占用空间大的问题；二是在动力机制上，完全依赖烟条自身重力驱动，无电机、气缸等动力部件，设备故障率降低90%以上；三是在参数优化上，通过Matlab三维运动仿真与0.618法参数优选，建立烟条运动轨迹与结构参数的定量关系，确保装置在高速生产场景下的稳定性与通用性。
2. 技术方案设计
2.1. 核心设计思路
Figure 1. Diagram illustrating a U-turn
图1. 调头示意图
烟条掉头的本质需求是实现绕窄长边180˚翻转(如图1)，同时需满足无损伤、高稳定、适配现有设备空间的要求。基于这一需求，确定核心设计思路：利用烟条自身重力作为动力源，通过特殊通道结构引导烟条完成方向变换与姿态调整，避免额外动力装置带来的复杂度与维护成本。
具体技术路径为：烟条从FOCKE-FXS机组出口输送后，经导入模块实现初始姿态倾斜；进入微螺旋缓冲模块，通过空间螺旋通道完成90˚转向与缓冲减速；再经侧滑模块调整最终姿态，落入提条设备输入通道；最后通过吸能装置吸收残余动能，确保平稳输送。
2.2. 目标参数设定
结合行业标准与生产实际，设定装置核心性能目标。
功能目标：烟条掉头成功率 ≥ 99.9%，确保二维码与读码器精准对位；
质量目标：烟条损伤率 ≤ 2‰，避免因装置设计导致产品质量问题；
适配目标：可集成于FOCKE-FXS机组辅联烟条垂降设备，无需大规模改造现有生产线。
2.3. 总体方案
2.3.1. 总体结构设计
基于创新思路，结合装置空间需求和设备改动最小原则，小组将掉头装置设计为烟条导入模块、微螺旋缓冲模块、烟条侧滑模块、吸能装置四个部分。
烟条导入模块使烟条倾斜，完成方向改变；微螺旋缓冲模块实现空间错位输送，兼具导向、输送和缓冲功能，通过烟条与内壁摩擦减缓下滑速度；吸能装置吸收烟条动能，降低速度，确保顺利下落；烟条侧滑模块设置倾斜角度，使烟条落入提条设备输入通道。如下图2所示：
Figure 2. Schematic diagram of the plan
图2. 方案示意图
通过采用圆弧形的导入口，使得烟条顺利下落，经过弧形通道的引导，完成烟条的掉头，最终通过吸能装置，吸收烟条多余的动能，使其顺利进入到提条设备的输入通道内。
2.3.2. 技术需求制定
根据实际功能需求和模拟实验数据，制定各模块技术需求。如烟条导入模块转向成功率需达99.9%、过程缺陷率 ≤ 2‰；微螺旋缓冲模块堵塞率 ≤ 1‰；吸能装置回弹距离5~10 mm；烟条侧滑模块自然下落率99.9%、烟条停留时间0.5~1 s，且装置制作材料硬度60HRC、条烟输送缺陷率 ≤ 2‰。
2.3.3. 各项参数确定
根据现场安装位置确定。
2.3.4. 导入通道横截面尺寸
通过测速仪测得烟条初速度0.39 m/s，结合离心力与重力关系计算，确定导入面圆弧半径r = 280 mm；根据烟条运动轨迹分析，设定导入管道高度H = 80 mm；测量FOCKE-FXS-779出口输送通道宽度，确定导入口宽度B = 135 mm。经实验验证，该尺寸下烟条无阻塞情况，满足使用要求。
2.3.5. 螺旋参数的确定
为确保空间微螺旋烟条掉头装置满足烟条空间错位输送、导向及缓冲的功能需求，对FOCKE-FXS包装机组的相关机械结构与运行数据进行了多轮现场测量，获取烟条运动路径关键尺寸、设备安装空间限制等基础参数。基于测量数据，运用Matlab软件构建三维运动仿真模型，通过对螺旋轨迹的曲率、螺距、空间错位距离等核心参数进行多组对比实验与优化迭代。
仿真结果如下图3：
Figure 3. Simulation results
图3. 仿真结果
中心半径r：在模拟烟条沿螺旋轨迹运动过程中，通过调整中心半径数值，观察烟条在空间错位输送时的稳定性与导向效果。当r = 760 mm时，烟条在螺旋运动中离心力与摩擦力达到最佳平衡状态，既能避免烟条因离心力过大而脱离轨道，又能保证烟条按预设轨迹完成空间转向，实现精准错位输送。
空间错位间距d：该参数直接影响烟条掉头后与后续工位的衔接精度。经反复模拟验证，当d = 193 mm时，烟条完成螺旋运动后，其姿态与位置恰好符合下游设备的抓取与处理要求，有效减少因间距不当导致的烟条卡顿或偏移问题。
螺旋弧长L：综合考虑烟条运动速度、缓冲需求及设备安装空间，将螺旋弧长设定为1288 mm。此长度既能提供充足的运动路径使烟条完成90˚空间转向，又能通过延长运动时间实现烟条的缓冲减速，确保烟条以稳定速度进入下一工位。
最终确定的螺旋轨迹参数(r = 760 mm, d = 193 mm, L = 1288 mm)经实际测试验证，完全满足装置的功能设计目标。
2.3.6. 吸能装置材料的确定
Eva泡棉密度多样、回弹性佳，能有效吸收冲击力。
2.3.7. 烟条侧滑模块
姿态矫正口尺寸：通过可调节宽度通道实验，确定104 mm宽度时烟条通过率100%，且与轨道平行度误差 ≤ 0.5 mm；
止动平台宽度：采用0.618法优选，28 mm宽度可使烟条停留时间控制在1.3~1.8 s，满足下游设备抓取节奏；
侧滑坡面角度：结合烟条质量(约150 g)、动摩擦因数(0.2)及输送带速度(0.2 m/s)，通过斜面下滑公式计算，确定35˚倾角可确保烟条平稳下滑；
姿态矫正装置：采用双减速毛刷可使烟条损伤率降至0.4‰。
3. 装置制作与现场应用
3.1. 制作与安装流程
材料采购：采购2 mm厚拉丝不锈钢板，验收合格后进行裁剪加工；
模块制作：按设计图纸加工导入模块、微螺旋缓冲模块、侧滑模块，精度控制在±1 mm；
Figure 4. Schematic diagram of the turning device
图4. 掉头装置示意图
组装调试：在车间现场进行模块组装(如图4)，调整各模块对接精度，确保烟条输送路径顺畅；
联动测试：与FOCKE-FXS机组联动运行，以600包/分钟速度测试半小时，优化设备参数。
3.2. 应用效果
完成相关的安装与调试后，进行了2个月的跟踪调查(如下表1所示)烟条均可以顺利掉头且无损伤，也无其余负面影响，极大的提升了烟条的读码率和关联成功率。
Table 1. Follow-up survey results
表1. 跟踪调查结果
机组 |
生产总数 |
调头成功数 |
调头成功率 |
烟条损伤数 |
烟条损伤率 |
1# |
954,400 |
954,400 |
100% |
25 |
0.02‰ |
2# |
1,007,200 |
1,007,200 |
100% |
45 |
0.04‰ |
3# |
980,800 |
980,800 |
100% |
26 |
0.03‰ |
平均 |
980,800 |
980,800 |
100% |
32 |
0.03‰ |
本文的“自身重力下落 + 圆弧导入 + 微螺旋错位输送”集成于一体的烟条调头创新思想，可以有效解决同类型设备烟条调头的痛点，在行业内均可直接推广使用。
4. 总结与展望
综上所述，通过微螺旋通道实现空间错位输送，一方面对烟条起导向作用，完成烟条掉头；另一方面由于微螺旋的作用烟条可以紧贴内壁，保证烟条的下落姿态，避免烟条刮伤、碰伤。我们成功的解决了FOCKE-FXS机组“盒条件”关联问题，切实的提升了关联成功率。但装置在不同规格烟条适配性上仍有提升空间，后续可开展以下工作：
第一：优化结构设计，开发通用模块
基于烟条尺寸参数，引入柔性材料与自适应结构，设计可调节参数的通用模块。采用电动推杆等驱动方式实现尺寸动态调整，建立规格–参数数据库，自动匹配调节，提升设备通用性与生产效率。
第二：集成物联网，强化状态监测
在关键部件部署物联网传感器，实时采集温度、振动等参数，通过5G或工业以太网传输至云端分析。利用大数据构建预测模型，异常时自动触发多渠道预警，减少停机时间。
第三：拓展应用场景
调研食品、药品行业条状物翻转需求，针对性优化装置螺旋结构与传动参数。应用于香肠自动化包装、药板精准翻转，提升技术复用价值，创造效益。