高速凸版瓶蓋曲面印刷機減振機構(gòu)設(shè)計

許中明，王鴻博，王昌佑，夏偉

(1.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，廣東佛山 528333;2.廣東隆興包裝實業(yè)有限公司，廣東潮州 515638)

由于彩印瓶蓋具有圖案色彩艷麗等優(yōu)點，近年來已逐漸取代鍍鋁(金)蓋、鋁旋蓋成為高端瓶蓋的主流，由此帶動了市場對相關(guān)印刷設(shè)備的大量需求。國內(nèi)瓶蓋曲面印刷設(shè)備研發(fā)起步較晚，目前主要采用曲面絲網(wǎng)印刷工藝［1-2］，這類設(shè)備效率低、操作復(fù)雜、自動化程度低;國外廠家如意大利OMSO 公司、CALF 公司以及韓國GCM 公司等，已采用技術(shù)更為先進的高速凸版曲面膠印工藝［3-4］。然而國外進口設(shè)備價格昂貴，國內(nèi)絕大部分包裝印刷企業(yè)無力購買。因此，對高速凸版瓶蓋曲面印刷機進行自主研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，能大大提升國內(nèi)瓶蓋印刷設(shè)備的技術(shù)水平，促進國內(nèi)包裝生產(chǎn)企業(yè)設(shè)備與技術(shù)的升級換代。在高速凸版瓶蓋曲面印刷機的自主研發(fā)中，減振機構(gòu)的設(shè)計是其中的一項關(guān)鍵技術(shù)，它對印刷速度、精度等主要性能指標有重要影響。

1 高速凸版瓶蓋曲面印刷機的系統(tǒng)組成與工作原理

高速凸版瓶蓋曲面印刷機由傳動系統(tǒng)、輸送檢測系統(tǒng)、印刷固化系統(tǒng)三大部分組成，其中印刷固化系統(tǒng)是設(shè)備的核心部分。印刷固化系統(tǒng)由印刷主機和承印裝置兩部分組成，如圖1 所示。

圖1 瓶蓋曲面印刷機印刷固化系統(tǒng)的工作原理圖

印刷主機由設(shè)有轉(zhuǎn)印橡皮布4 的轉(zhuǎn)印大鼓輪3 和與轉(zhuǎn)印大鼓輪配合的各色版輥油墨單元5 (圖1 中僅畫出一色單元)構(gòu)成的。承印裝置由多工位步進分度轉(zhuǎn)盤1、安裝在分度轉(zhuǎn)盤上的模把2 及驅(qū)動料盤步進旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動裝置組成，模把2 上安放承印件。印刷主機和承印裝置均設(shè)置在基座6 上，處于印刷工位的模把軸線與轉(zhuǎn)印大鼓輪的軸線在同一水平面上，轉(zhuǎn)印大鼓輪轉(zhuǎn)動，各色版輥在轉(zhuǎn)印大鼓輪的轉(zhuǎn)印橡皮布4上套色，然后轉(zhuǎn)印到位于印刷工位模把上的承印物上。

曲面印刷機的承印裝置與基座固定，而印刷主機則通過滑塊和直線導(dǎo)軌副安裝在基座上，可通過位于主機底部的絲桿螺母傳動裝置調(diào)整其縱向位置，使轉(zhuǎn)印大鼓輪上的轉(zhuǎn)印橡皮布與承印物的印刷面均勻接觸并保持一定的印刷壓緊力，從而保證印刷質(zhì)量。

2 高速凸版瓶蓋曲面印刷機的振動分析

瓶蓋曲面印刷機工作轉(zhuǎn)速較低時，工作比較平穩(wěn)，然而隨著工作轉(zhuǎn)速的提高，特別是印刷速度在400 件/min 以上時，印刷主機振動已變得很大。由于主機轉(zhuǎn)印大鼓輪上的橡皮布與承印物的印刷面必須均勻接觸并保持一定的壓緊力，因此振動對印刷質(zhì)量影響很大，甚至?xí)?dǎo)致無法印刷。

根據(jù)印刷主機的振幅與轉(zhuǎn)速相關(guān)這一現(xiàn)象，可判斷該振動產(chǎn)生的主要原因是轉(zhuǎn)印大鼓輪軸孔與外圓柱面的同軸度誤差、材質(zhì)的不均勻等導(dǎo)致轉(zhuǎn)印大鼓輪回轉(zhuǎn)中心與其質(zhì)量中心不一致，高速轉(zhuǎn)動時該不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的離心力較大所引起的。

為了研究離心力對印刷主機振動的影響程度，需對主機進行受力分析，見圖2。由于印刷主機整體比較重，Y 方向通常不會產(chǎn)生很大振動，振動主要出現(xiàn)在X 方向(即水平方向)，因此只需分析該方向的受力情況。

圖2 印刷主機受力分析圖

印刷主機水平方向受到3 個力的作用:轉(zhuǎn)印大鼓輪偏心旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力Fr，主機滑塊受到的與運動方向或其趨勢相反的摩擦力ff，絲桿對螺母的作用力Fs。

(1)離心力Fr

式中:m 為轉(zhuǎn)印大鼓輪的質(zhì)量;ω 為轉(zhuǎn)印大鼓輪轉(zhuǎn)動角速度，ω=2πn/60;e 為偏心距。

可根據(jù)GB/T 9239.1-2006 (ISO1940-2003) 《機械振動 恒態(tài)(剛性)轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)要求》確定偏心距e 允許的最大值。按照曲面印刷機的使用要求，選定轉(zhuǎn)印大鼓輪平衡精度等級為G100 (即eper× ω=100)［5］，該等級允許的最大偏心距

將瓶蓋印刷機主機的具體數(shù)值代入，即轉(zhuǎn)印大鼓輪的質(zhì)量m=380 kg，轉(zhuǎn)速按最大印刷速度650 個/min 計算，即從而得到

(2)摩擦力ff

式中:μ 為直線導(dǎo)軌副靜摩擦因數(shù)(動摩擦因數(shù)與靜摩擦因數(shù)相差不大)，通常在0.02～0.05 之間，計算時為安全起見取0.02［6］;N1、N2為壓力;G 為印刷主機重力。

將μ=0.02，G=12 000 N 代入式(2)，得ff=240 N。

(3)絲桿對螺母的作用力Fs

印刷主機縱向位置的調(diào)整是通過安裝在其底部的絲桿螺母機構(gòu)來完成的，因此在主機移動過程中，絲桿對螺母有一個作用力，但該力只是在螺母和絲桿有接觸時存在，大小與接觸變形成正比，由于印刷機工作時，絲桿位置保持不變，因此該力并非導(dǎo)致印刷主機振動的原因。

上面計算結(jié)果表明:印刷主機在高速運轉(zhuǎn)時，所受到的離心力大于靜摩擦力，因此主機會朝離心力作用方向移動。由于印刷主機底部的絲桿螺母間存在間隙，如圖2 的放大圖所示，該間隙是振動產(chǎn)生的一個重要條件。由于底部傳動絲桿所用梯形螺紋的升角小于其摩擦角，即具有自鎖性，所以隨著離心力方向的改變，主機每次朝螺紋有間隙一側(cè)移動至螺母與絲桿牙型另一側(cè)面接觸為止(由于螺紋的自鎖作用，接觸后螺母將不能再繼續(xù)往前移動)。因此，在高速運轉(zhuǎn)時，印刷主機會在絲桿螺母副間隙范圍內(nèi)作周期性來回竄動。

3 減振機構(gòu)設(shè)計

由上面的分析可知，要降低瓶蓋曲面印刷機在高速工作時的振動可從兩方面著手:(1)減小轉(zhuǎn)印大鼓輪質(zhì)量中心相對其回轉(zhuǎn)中心的偏心距，從而減小引起振動的離心力;(2)消除絲桿螺母副存在的間隙。因此，在制造工藝上，可通過靜平衡試驗 (由于D/l≥5，因此只需進行靜平衡［5，7］)進一步提高轉(zhuǎn)印大鼓輪平衡精度等級;而在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，可增加絲桿螺母間隙消除機構(gòu)。由于提高平衡精度等級成本高，且很難完全消除不平衡，因此在產(chǎn)品設(shè)計上重點考慮增加絲桿螺母間隙消除機構(gòu)。

常用的絲桿螺母間隙消除機構(gòu)有開合螺母機構(gòu)(見圖3)、雙螺母機構(gòu)(見圖4、圖5)等，但應(yīng)用到瓶蓋印刷機中效果并不理想，盡管振動有所減小，但未能達到設(shè)計要求。因此，最后改用氣動綜合減振的設(shè)計方案，如圖6 所示。

圖3 開合螺母機構(gòu)

圖4 調(diào)整片雙螺母機構(gòu)

圖5 齒輪齒條雙螺母機構(gòu)

圖6 氣動減振機構(gòu)

圖6 中，電機7 安裝在基座2 上，通過裝在其輸出軸上的齒輪9 將運動傳至齒輪10 和11，齒輪10 和11 分別安裝在對稱布置于電機7 兩側(cè)的兩個絲杠螺母機構(gòu)3 和5 的絲桿軸上，該絲杠螺母機構(gòu)的螺母安裝在安裝板6 上，而安裝板6 與印刷機主機底座相連接，因此通過控制電機7 的轉(zhuǎn)動，就可以沿縱向移動印刷主機的位置，以適應(yīng)不同大小瓶蓋和不同壓力的需要。兩絲杠螺母機構(gòu)間隙的消除是通過兩對稱布置的氣缸8、氣缸12 的作用來實現(xiàn)，這兩個氣缸的活塞桿固定在基座2 的安裝板4 上，缸體則固定在安裝板6 上。調(diào)整印刷主機位置時，先通過可編程控制器控制電機7 的轉(zhuǎn)動，將主機移動至所需的位置，然后再由電磁閥13 控制氣缸8 和12 的活塞桿伸出，從而在螺母上施加一個適當?shù)淖饔昧?，該作用力可抵消水平方向離心力的作用，從而避免主機來回竄動。

間隙消除機構(gòu)對稱分布的兩個氣缸，除了可以起到消除絲桿螺母間隙的作用，還可以起到阻尼器的作用，能使印刷主機的振動迅速衰減，因此這種氣動減振機構(gòu)效果要明顯優(yōu)于圖3—5 所示的剛性絲桿螺母間隙消除機構(gòu)。

氣動減振機構(gòu)應(yīng)用于高速凸版瓶蓋曲面印刷機后，印刷主機的振動大大降低，目前主機框架頂部振幅不超過1.39 mm，優(yōu)于國內(nèi)同行廠家。

4 結(jié)束語

(1)高速下瓶蓋曲面印刷機的振動主要與轉(zhuǎn)印大鼓輪質(zhì)量中心的偏心距以及主機縱向移動裝置絲桿螺母機構(gòu)的間隙有關(guān)。

(2)氣動減振機構(gòu)不但可以消除絲桿螺母機構(gòu)的間隙，而且可對振動進行衰減，效果優(yōu)于開合螺母、雙螺母等剛性間隙消除機構(gòu)。

［1］王子美，劉瑞芳，唐正寧.柔性版印刷:原理與實踐:第一卷［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［2］韓曉良.絲網(wǎng)印刷設(shè)備發(fā)展概況［J］.印刷雜志，2007(6):12 -15.

［3］韓曉良.我國印刷設(shè)備制造的技術(shù)瓶頸與創(chuàng)新方向［J］.印刷雜志，2012(9):1 -3.

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［5］全國機械振動與沖擊標準化技術(shù)委員會.GB/T 9239.1-2006，機械振動 恒態(tài)(剛性)轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)要求 第1 部分:規(guī)范與平衡允差的檢驗［S］.北京:中國標準出版社，2007.

［6］成大先.機械設(shè)計手冊［M］.5 版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［7］全國輕工機械標準化技術(shù)委員會.GB/T 14253-2008 輕工機械通用技術(shù)條件［S］.北京:中國標準出版社，2009.