全自動塑料片材中心收卷機(jī)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計

葉鎮(zhèn)波，羅慶青，鄭建雄

（1.廣東達(dá)誠機(jī)械有限公司，廣東汕頭 515061；2.汕頭市機(jī)械工程學(xué)會，廣東汕頭 515000）

0 前言

全自動塑料片材中心收卷機(jī)主要應(yīng)用于擠出塑料片材的收卷，使成卷的片材適合在氣壓熱成型機(jī)、印刷機(jī)等設(shè)備上進(jìn)行再加工。由于其能適合較厚片材的自動換卷、自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)，今后將在塑料擠出片材設(shè)備上得到廣泛的應(yīng)用。

根據(jù)材料的分類，厚度0.25 mm 以下的統(tǒng)稱為薄膜，厚度0.25 mm～2.5 mm 之間的統(tǒng)稱為片材，厚度2.5 mm以上的統(tǒng)稱為板材[1]。由于板材厚度比較厚，難以卷繞成卷，所以沒有成卷的包裝方式；成卷包裝方式，主要應(yīng)用于片材及薄膜的加工上。

我國全自動塑料片材中心收卷機(jī)生產(chǎn)廠家很少，主要采用鋸齒式砍刀快速砍斷，只適合于0.3mm 以下厚度的片材或者薄膜的收卷，普通的收卷機(jī)一般都采用力矩電機(jī)傳動、人工手動切斷換卷的方式加工片材，目前國內(nèi)未見到用于較厚片材的全自動塑料片材中心收卷機(jī)的相關(guān)報道。

全自動塑料片材中心收卷機(jī)采用換卷工位自動切換、速度張力控制、飛刀切割、自動卷片等，有效保證換卷過程中，片材的工位自動切換、飛刀切斷、自動貼片、線速度同步、自動收卷等，從而滿足片材的自動換卷過程。采用PLC程序控制、觸摸屏操作，自動化程度高。國內(nèi)一些比較有影響力的塑料片材加工廠已經(jīng)定購了配套有全自動塑料片材中心收卷機(jī)的片材生產(chǎn)線，并且正常運(yùn)轉(zhuǎn)2年多，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 全自動塑料片材中心收卷機(jī)的工作原理

全自動塑料片材中心收卷機(jī)是塑料片材擠出生產(chǎn)線的重要設(shè)備之一，其工作原理如圖1所示。

圖1 全自動塑料片材中心收卷機(jī)工作原理圖

正常工作情況下，一個工位處于工作狀態(tài)，另一個處于預(yù)備狀態(tài)，當(dāng)片材卷繞長度達(dá)到設(shè)定長度時，翻轉(zhuǎn)電機(jī)啟動，帶動轉(zhuǎn)盤順時針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)盤上的微動開關(guān)接觸塊碰到行程開關(guān)后，輸出信號，指示翻轉(zhuǎn)電機(jī)停止，此時預(yù)備工位來到了工作位置，準(zhǔn)備開始工作；接著接膜裝置上的收卷接膜氣缸伸出，使接膜裝置處于預(yù)備工作狀態(tài)，此時氣缸上的磁性感應(yīng)開關(guān)會輸出一個信號，提示可以進(jìn)行下一個動作，同時也提示在此狀況下，轉(zhuǎn)盤不允許旋轉(zhuǎn)。

換卷時，收卷前的牽引電機(jī)暫停工作，使片材輸送暫時停止，無桿氣缸動作，帶動切刀完成飛刀切割動作，當(dāng)切刀無桿氣缸工作到預(yù)定位置，把片切斷后，此時接觸到一個行程開關(guān)，輸出一個信號，提示貼片輥擺動氣缸可開始動作，使貼片輥弧形擺動，將片材貼緊在紙芯上，此時擺動氣缸輸出一個信號，指示收卷前的牽引電機(jī)開始緩慢啟動，同時工作位置上的空卷氣漲軸帶動紙芯也開始緩慢啟動。延時到設(shè)定時間后，貼片輥氣缸伸出，使貼片輥回到初始位置，此時氣缸上的磁性感應(yīng)開關(guān)會輸出一個信號，使收卷接膜氣缸縮回，使整個接膜裝置回到初始位置。當(dāng)接膜裝置回到初始位置后，此時氣缸上的磁性感應(yīng)開關(guān)會輸出一個信號，提示可以進(jìn)行下一個動作，同時轉(zhuǎn)盤也可以旋轉(zhuǎn)，此時切刀無桿氣缸開始動作，使其回到原來的初始位置，同時，壓輥擺氣缸也工作，使壓輥回到初始位置。此時整個換卷的動作完成。由于采用無桿氣缸，通過采用大缸徑及加大氣壓等，使鋒利的切刀可以切斷較厚的片材，有效地解決了鋸齒式砍刀無法砍斷的問題，從而實(shí)現(xiàn)了片材的自動換卷。

2 全自動塑料片材中心收卷機(jī)機(jī)械系統(tǒng)各部件設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)組成

圖2為全自動塑料片材中心收卷機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖。該機(jī)主要由料軸機(jī)構(gòu)部分、收卷翻轉(zhuǎn)架部分、支撐底架部分、傳動機(jī)構(gòu)部分、導(dǎo)片部分、收卷張力輥部分、收卷接膜部分、電氣控制部分等組成。

圖2 全自動塑料片材中心收卷機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

2.2 料軸機(jī)構(gòu)部分設(shè)計

為了確保收卷平整，料軸機(jī)械采用一端定位，另一端通過方形連接，以傳輸動力。當(dāng)需要將氣漲軸卸出時，將活動套上的固定螺栓擰松，然后將活動套往兩端移動，從而使氣漲軸可以吊離，實(shí)現(xiàn)卸卷等操作。圖3 為料軸機(jī)構(gòu)部分簡圖，其中1 為同步帶輪，2 為固定螺栓，3 為活動套，4為氣漲軸，5為紙芯。

圖3 料軸機(jī)構(gòu)部分簡圖

2.3 收卷翻轉(zhuǎn)架部分設(shè)計

收卷翻轉(zhuǎn)架部分如圖4 所示，主要由翻轉(zhuǎn)齒輪1，導(dǎo)片鋁導(dǎo)輥2，支撐管3，壁板4，傳動齒輪5 等組成。翻轉(zhuǎn)齒輪采用大模數(shù)設(shè)計，以滿足大扭矩旋轉(zhuǎn)要求，與其相配合的齒輪采用低齒數(shù)，從而形成一級減速作用，配合翻轉(zhuǎn)減速電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，以確保在翻轉(zhuǎn)過程中，線速度小于前面牽引的線速度，避免出現(xiàn)片材因?yàn)槔?，而?dǎo)致片材跑偏，收卷不整齊的現(xiàn)象；導(dǎo)片鋁導(dǎo)輥主要起到翻轉(zhuǎn)時，片材不會刮到支撐管而使片材表面刮花；傳動齒輪采用雙齒結(jié)構(gòu)，確保翻轉(zhuǎn)過程中動力的傳輸。

圖4 收卷翻轉(zhuǎn)架部分簡圖

2.4 支撐底架部分設(shè)計

支撐底架部分如圖5 所示，主要是由翻轉(zhuǎn)減速電機(jī)1，壁板2，翻轉(zhuǎn)齒輪3，加強(qiáng)板4，底架5，機(jī)腳6，減速機(jī)安裝座7 等組成。翻轉(zhuǎn)減速電機(jī)與翻轉(zhuǎn)齒輪直聯(lián)，翻轉(zhuǎn)時，通過翻轉(zhuǎn)齒輪帶動收卷翻轉(zhuǎn)架上的大齒輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動；減速機(jī)安裝座用于固定收卷氣漲軸的傳動減速電機(jī)；壁板上通過安裝配對的徑向及軸向軸承，用于支撐整個翻轉(zhuǎn)架，使其能平穩(wěn)地旋轉(zhuǎn)在上面；機(jī)腳通過與底架的連接，利用螺栓進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)，以確保整體的水平，從而有效保證收卷不發(fā)生兩端松緊不一的現(xiàn)象，進(jìn)而影響收卷的質(zhì)量。

圖5 支撐底架部分簡圖

2.5 傳動機(jī)構(gòu)部分設(shè)計

傳動機(jī)構(gòu)部分如圖6 所示，主要是由傳動減速電機(jī)1，一級張緊裝置2，同步帶3，傳動齒輪4，二級張緊裝置5，同步帶輪6 等組成。傳動減速電機(jī)采用螺旋傘齒輪減速箱與變頻電機(jī)直聯(lián)，通過變頻器進(jìn)行速度調(diào)整及控制，通過同步帶輪二級傳動，將動力傳輸?shù)搅陷S機(jī)構(gòu)；由于傳動齒輪采用雙齒輪結(jié)構(gòu)，可以使得料軸機(jī)構(gòu)繞著傳動齒輪的中心進(jìn)行自由轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)料軸的翻轉(zhuǎn)與動力傳輸?shù)耐竭M(jìn)行[2]。

圖6 傳動機(jī)構(gòu)部分簡圖

2.6 收卷張力輥部分設(shè)計

收卷張力部分如圖7 所示，主要是由低摩擦摩片氣缸1，擺臂2，鋁導(dǎo)輥3，支撐軸4，擺動軸5，帶座軸承6等組成。外部氣源通過電氣比例閥進(jìn)入低摩擦摩片氣缸，從而使穿過鋁導(dǎo)輥的片材得到一個反作用力，當(dāng)收卷線速度與牽引的線速度同步時，氣缸的推力與片材的張力相等，當(dāng)片材的張力大于氣缸的推力時，此時鋁導(dǎo)輥擺動，同時通過齒輪傳動將信號傳輸?shù)絇LC 進(jìn)行收卷速度的調(diào)整，以達(dá)到片材張力與氣缸推力平衡，最終實(shí)現(xiàn)片材的恒張力收卷[3]。

2.7 收卷接膜部分設(shè)計

圖7 收卷張力輥部分簡圖

收卷接膜部分如圖8 所示，主要是由收卷接膜擺動氣缸1，帶座軸承2，擺動軸3，貼片輥擺動氣缸4，壓輥擺動氣缸5，支撐軸6，壓輥7，無桿氣缸8，切刀9，貼片輥10，貼片輥安裝板11等組成。此部分為整個自動換卷的關(guān)鍵，氣缸都需帶有磁性開關(guān)，以確保一個動作完成后，及時將信號傳輸，以便進(jìn)行下一個動作。無桿氣缸通過接近開關(guān)反饋動作完成情況，同時排氣口裝有快速排氣閥，以實(shí)現(xiàn)快速切割動作的完成。

圖8 收卷接膜部分簡圖

2.8 機(jī)械系統(tǒng)總裝

圖9 為全自動塑料片材中心收卷機(jī)樣機(jī)。整個機(jī)械部分采用模塊式設(shè)計，分部分組裝。整個機(jī)器加工和安裝有以下幾個關(guān)鍵點(diǎn)。

片材在穿片時，需保證進(jìn)入張力輥與出張力輥的角度一樣，以保證張力的平衡。

接膜裝置擺動氣缸伸出時，需保證接膜裝置上的壓合膠輥與收卷氣漲軸上的紙芯保持一定距離，以使壓合膠輥的擺動氣缸伸出時，使壓合膠輥能壓緊紙芯。

貼片輥初始位置，需保證無桿氣缸上的切刀中心，與片材厚度的中心在一條直線上，以確保飛刀切割時，不會出現(xiàn)拉扯，而產(chǎn)生片材切不斷的現(xiàn)象。

貼片輥工作時，需保證弧形擺動到終點(diǎn)時，與紙芯貼緊，以確保片材與紙芯緊密貼合。

翻轉(zhuǎn)架上的微動開關(guān)觸動塊及行程開關(guān)，安裝時需保證當(dāng)翻轉(zhuǎn)架停止時，兩條氣漲軸在同一個水平面上。

圖9 全自動塑料片材中心收卷機(jī)樣機(jī)

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

在片材擠出機(jī)連線生產(chǎn)后，連續(xù)完成了0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2.0 mm等不同厚度片材的收卷及換卷過程，在20次的換卷過程中，都很好的實(shí)現(xiàn)片材的自動切割、自動搭片，整個過程動作流暢、片材切口平整，成卷的片材，外觀平整、端面誤差小于1 mm。各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計要求。

4 結(jié)論

設(shè)計的全自動塑料片材中心收卷機(jī)結(jié)構(gòu)合理、自動化程度高、操作簡易，可以進(jìn)行推廣使用。

經(jīng)過了用戶2 年多的連續(xù)使用，該機(jī)運(yùn)行良好、自動換卷順利、自動化程度高，各項(xiàng)性能指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計要求。

［1］姚祝平.塑料擠出成型工藝與制品缺陷處理［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［2］《機(jī)械設(shè)計手冊》編委會.機(jī)械設(shè)計手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［3］（德）F.漢森主編.郭奕崇譯.塑料擠出技術(shù)［M］.北京：中國輕工業(yè)出版社，2001.