摘要：传统烟草装箱过程主要依赖人工操作，由于烟梗与叶片端的厚度不一，极易导致烟箱内物料分布不均，形成“楔形结构”，严重影响烟包的方正度。提出并设计了一种基于三坐标桁架的烟叶自动装箱装置，该装置集成了三维平移桁架、具备水平回转与垂直翻转功能的复合机械手以及带有拨烟功能的初压机构，实现了从烟篮称重、自动输送、精准翻转倒料到烟叶平整预压的全流程自动化。通过建立三坐标桁架运动学模型和引入“头尾交错”码放算法，设计的烟叶自动装箱装置能够显著提升装箱的均匀性，为烟草初加工装备的智能化升级提供了重要的技术支撑。

　　关键词：三坐标桁架；烟叶装箱；机器人；运动学建模；PLC控制；装置设计

　　在卷烟生产的物流链条中，烟叶在打包前需要被装入标准的C 48烟箱进行预压成型，随后由烟箱带动进入终压打包系统[1]。长期以来，烟叶预装箱环节始终是烟草企业自动化水平的薄弱点，传统的装箱方式通常采用人工将多个烟篮内的烟叶倒入烟箱，由于单篮烟叶内烟梗端的密度和厚度远大于叶尖端，人工操作的随机性使得烟梗往往相对集中在烟箱的某一端，容易导致烟箱内形成“一头高、一头低”的楔形断面[2]。这种不规范的物料分布不仅会导致终压打包时受力不均，造成烟包外形呈梯形或平行四边形，还会严重干扰自动化仓库的堆垛作业与长途运输的安全稳定性[3]。因此，研发一种能够实现烟叶精准码放、消除楔形结构并提升作业效率的自动装箱装置已成为提升烟草加工质量的关键。

　　1.装置总体结构设计

　　1.1系统组成概述

　　设计的烟叶自动装箱装置主要由输送机构、三坐标桁架、翻转机械手、初压机械手及控制系统五部分组成。系统在空间布局上采用了跨线式设计，桁架横跨在满料筐输送线与烟箱工位上方，实现物料从水平输送向垂直落料的精准转换。

　　1.2输送机构设计

　　输送机构负责烟篮的物料流转，其设计不仅要满足输送速度，还需集成精确的计量功能。

　　满料筐输送机与单料筐输送机：满料筐输送机位于桁架下方，负责将装有烟叶的烟篮送至抓取点。前端设置的单料筐输送机集成了高精度称重模块，用于对每一篮烟叶进行在线计量，确保入箱烟叶总重量的精准控制。

　　顶升输送机：考虑到不同工位间的高度差，在称重后由顶升输送机将烟篮平稳顶升至满料筐输送轨道的抓取平面。

　　空料筐输送机与叠框机：完成卸料后的空烟篮由翻转机械手运送至空料筐输送机，随后进入末端的叠框机进行自动收集，减少了人工搬运的工作量。

　　1.3三坐标桁架本体结构

　　三坐标桁架作为整个系统的支撑骨架，其动力学响应与定位精度直接决定了装箱质量。

　　机架系统采用大截面方钢焊接而成，顶部设有两个平行布置的纵向移动导轨副（X轴）。

　　横向移动导轨副（Y轴）滑动设置在两个纵向导轨之间，形成稳定的“门式”移动平台。

　　垂直移动导轨副（Z轴）设计了两个独立的Z轴系统，分别挂载翻转机械手和初压机械手。这种双执行机构配置允许在翻转手运送下一篮烟叶时，初压手能够同步对烟箱内的上一篮烟叶进行平整压实。

　　各移动副均采用伺服电机配合高精度丝杠螺母副或高强度链轮链条传动。链传动在长距离输送中具有良好的吸振性和经济性，而丝杠副则保证了垂直方向上的高重复定位精度。

　　1.4主要机械参数指标

　　根据C 48标准烟箱（尺寸约1210 mm×710 mm×1000 mm）的作业需求，三坐标桁架的行程参数设计如表1所示。

　　2.关键机构设计与工作原理

　　2.1翻转机械手的多维度运动机构

　　翻转机械手是烟叶装箱装置实现码放规范化的核心。为了消除烟叶堆积楔形结构，机械手必须具备抓取、水平回转及垂直翻转的协同作业能力。

　　2.1.1回转机构

　　机械手通过回转机构与垂直移动副连接。回转机构由回转架、回转电机及一对精密啮合齿轮组成。回转电机通过驱动回转轴，带动下端的门型框架在水平面内实现0°—180°的任意角度旋转。这一功能是实现烟梗交错排列的关键：通过在相邻两次装箱动作间切换机械手的初始相位，可以使落入烟箱的烟叶呈现“头尾对调”的排布状态。

　　2.1.2翻转与锁固机构

　　门型框架两侧设有垂直翻转机构。转动电机安装在翻转架上，其输出轴连接锁固架。锁固机构采用电动推杆驱动的对称卡爪，能够牢固地夹持烟篮侧壁。在抓取烟篮后，翻转机构驱动烟篮绕水平轴旋转180°,将其由开口向上状态切换为开口向下状态，完成倒料准备。

　　2.1.3门架与封烟板门

　　为了防止翻转过程中烟叶洒落，锁固机构外部集成了一个矩形门架，并铰接有两个对称布置的封烟板门。当机械手抓取烟篮后，伸缩气缸通过连杆机构驱动封烟板门闭合，将烟篮口紧紧封闭。在机械手下降至烟箱内定点位置后，封烟板门受控开启，烟叶受重力作用平稳滑落。这一设计有效避免了物料在翻转过程中的离散现象。

　　2.2初压机械手与拨烟平整装置

　　单纯依靠重力下落的烟叶在烟箱内分布往往呈现随机状态，容易在中心位置形成锥形堆积。初压机械手的设计旨在优化这种空间排布。

　　初压头结构优化：初压头的下底面为平整的压实面，而其顶部两侧设计有特殊的“压头斜面”。这种斜面设计不仅增加了结构的抗弯刚度，更重要的是，当上方烟叶意外掉落至压头顶部时，斜面能诱导烟叶顺势滑入烟箱，避免物料滞留导致系统卡塞。

　　横向拨烟压头：在初压头底面集成了一套微型横向移动机构，搭载拨烟压头。在执行压实动作前或动作中，拨烟压头在烟箱长径方向进行往复运动，将中心堆积的烟叶向烟箱四个角落拨动，从而实现表面平整，彻底杜绝了烟包打包后的“中间鼓包”现象。

　　3.运动学建模与仿真

　　3.1坐标系建立与D-H参数

　　为了实现翻转机械手末端的位姿控制，采用标准的Denavit-Hartenberg（D-H）方法建立运动学模型。三坐标桁架的前三个关节为相互正交的平移关节，末端包含两个旋转关节。

　　定义坐标系O0为固定基座坐标系，其原点设在纵向导轨的一端。根据桁架结构，D-H参数定义如表2所示。

　　通过矩阵乘法运算，可以求得末端执行器在基座坐标系下的位置坐标（Px,Py,Pz）及位姿矩阵。平移分量可简化表达如下：

　　Px=d1+offsetx（3）

　　在实际控制中，由于桁架平移轴是解耦的，运动学逆解直观表现为：

　　d,=x aw

　　d:=yau w

　　ds=z aa（4）

　　这种解耦特性极大降低了控制系统的计算负荷，提高了系统响应速度。

　　3.3雅可比矩阵与灵活性分析

　　雅可比矩阵J(q)建立了关节速度·与末端速度v之间的映射关系：

　　v=J(q)q·（5）

　　由于桁架结构的平移关节始终保持正交，雅可比矩阵的平移子块为单位阵，这意味着系统在整个工作空间内不存在奇异点（Singularity-free），保证了在进行物料翻转倒料时运动轨迹的平滑性。

　　4.自动装箱控制策略与流程

　　4.1控制系统架构

　　系统以可编程逻辑控制器（PLC）为核心，集成总线式驱动技术。

　　感知层：包括安装在输送线上的光电传感器、称重模块、以及机械手末端的位移传感器。

　　控制层：采用西门子S 7-1500系列PLC，通过Profinet总线控制多轴驱动器。

　　执行层：包括伺服电机、气缸电磁阀及电动推杆。

　　4.2交错码放算法设计

　　为彻底消除“楔形结构”，装箱装置引入了基于烟篮序号的“头尾交错”码放算法。

　　初始状态定义：设烟篮内烟梗端位于机械手坐标系的+X方向。

　　奇数篮策略：当检测到装箱序列为第1,3,5,...篮时，回转机构保持00位置，直接执行垂直翻转。

　　偶数篮策略：当检测到装箱序列为第2,4,6,...篮时，回转机构首先水平旋转180°,随后再执行垂直翻转。

　　补偿机制：系统通过实时记录烟箱内已落烟叶的累积重量分布，动态微调翻转时的落点坐标（X,Y偏移量），实现容重的闭环优化。

　　4.3自动化工作流程细节

　　完整的装箱循环如下所述。

　　称重与就位：单烟篮称重合格后，顶升至满料筐输送机，送至桁架抓取位。

　　抓取锁定：翻转机械手下降，卡爪锁定烟篮，封烟板门闭合。

　　翻转输送：机械手提升，同步执行垂直翻转180°与水平回转（根据奇偶序列决定）。桁架移动至烟箱上方。

　　定点倒料：机械手下降至离烟叶表面恒定高度处，开启封烟板门，烟叶由于重力倾倒。

　　同步预压：在翻转手提升复位期间，初压机械手快速移动至烟箱上方，下压平整烟叶，拨烟压头执行横向拨动。

　　空篮回收：空篮由机械手放至空料筐线，进入叠框机。系统返回初始状态等待下一循环。

　　5.结束语

　　开发的基于三坐标桁架的烟叶自动装箱装置实现了机械设计的创新和工艺突破。提出的集回转、翻转、锁固与封烟功能的复合式机械手解决了烟叶在翻转过程中的洒落问题，并为空间位姿调整提供了充足的自由度。此外，通过“头尾交错”码放逻辑与“带斜面拨烟”技术的协同应用，解决了烟叶装箱中顽固的“楔形结构”与“中心鼓包”缺陷，显著提升了装箱容重的均匀性[4]。

　　设计的三坐标桁架烟叶自动装箱装置不仅具备极高的实用价值，其设计理念也为其他易碎、非规则大宗物料的自动化包装提供了借鉴。随着传感器技术与机器视觉的深度融合，烟叶自动装箱装置有望进一步向智能化、自适应化方向迈进，成为现代烟叶智慧复烤厂不可或缺的核心装备。

参考文献：

　　[1]罗瑞林,向涛,张俊,等.烟叶装箱方式优化设计：提升烟草行业装箱效率与质量的创新探索[J].科技与创新,2025(22):81-84.

　　[2]肖然,彭安黎,郑建锋,等.烟叶装箱系统重量动态预测算法的设计与实现[J].科技创新与应用,2025,15(07):110-114.

　　[3]伍华骅,黄俊兵,汪亚君.烟草物流行业高质量运行效率评价及提升路径研究：以四川省为例[J].供应链管理,2025,6(12):42-56.

　　[4]张翰如.关于打造烟草行业高质量绿色物流的几点思考[J].中国航务周刊,2024(48):80-82.