現(xiàn)代模切機的傳動與工作機構(gòu)研究

高秀蘭，吳 凡，周 帥，趙升噸，賈 楠

(1．寶雞文理學(xué)院 機械工程學(xué)院，陜西 寶雞721013;2．西安交通大學(xué)，西安710049;3．西安外國語大學(xué)，西安710000)

人民生活水平隨著社會發(fā)展得到很大提升，消費者在購買商品時，不僅僅注重商品的內(nèi)在品質(zhì)，同時還追求高質(zhì)量的外包裝和裝潢［1］。作為印后包裝加工的重要設(shè)備，模切機在紙箱、包裝盒和標(biāo)簽制作過程中廣泛使用，獲得了快速發(fā)展的機遇。

2000年統(tǒng)計的世界紙業(yè)產(chǎn)量中［2］，占到紙制品總量57．2%的是包裝紙和紙板，而我國紙板和包裝紙的消費量占紙制品消費總量的56．9%［1］。紙制品包裝的高速發(fā)展，對設(shè)備的加工能力和質(zhì)量提出了更大考驗。

但我國模切機的技術(shù)水平與國外相比存在較大差距，提高我國模切機的技術(shù)水平已成為亟待解決的問題。模切機按工藝完成動作，只有正確了解材料使用性能和包裝制作工藝，才能更好地提高模切機性能。本文分析了我國包裝產(chǎn)品的現(xiàn)狀，簡介了模切機的用途、類型、功能、工作原理，指出具備平壓平模切工藝的全自動上下料方式的模切機是現(xiàn)代模切機的主要特征，并對其驅(qū)動與傳動及其工作機構(gòu)的先進性進行了系統(tǒng)的研究，從而為我國印刷包裝行業(yè)的模切機裝備水平的提高奠定良好的基礎(chǔ)。

1 模切機的不同類型及其特性分析

按包裝印刷和壓印工藝的不同，將現(xiàn)有模切機分為平壓平模切機、圓壓平模切機和圓壓圓模切機3種類型;根據(jù)送紙自動化程度，又分為自動和半自動(包括手動)模切機［3］。從功能和達到的目的上講，完成燙金功能的，稱作燙金模切機;能自動清廢的，稱作清廢模切機。

圓壓平模切機在市場上應(yīng)用較少，目前常見的是圓壓圓模切機和平壓平模切機。

1.1 圓壓圓模切機

一個滾筒上裝有圓形模切版(刀模)，另一個滾筒為壓印滾筒，用于施加壓力。滾筒刀模有雕刻的金屬模和木質(zhì)模兩大類，金屬滾筒刀模在商標(biāo)或不干膠標(biāo)簽的模切中應(yīng)用廣泛，另一種金屬滾筒刀模主要用于中高檔長線紙品的模切。與滾筒刀模對應(yīng)的壓印滾筒，也有硬性接觸的鋼質(zhì)滾筒和包覆塑膠用于軟切的壓印滾筒之分。兩對滾筒夾住紙板旋轉(zhuǎn)一周，采用壓切或剪切形式完成一個循環(huán)的模切。

圓壓圓模切機的基本原理如圖1所示。該圓壓圓模切機包括刀具輥筒10和壓力輥筒11，刀具12能夠通過狹縫101伸出到刀具輥筒10之外對物料13進行裁切。連桿14徑向貫穿刀具輥筒10的傳動軸102并平行于狹縫101設(shè)置，連桿14可以沿刀具輥筒10徑向移動。為了避免影響刀具輥筒10的旋轉(zhuǎn)，圖1(c)所示的驅(qū)動機構(gòu)位于刀具輥筒10的端面，并隨刀具輥筒10旋轉(zhuǎn)。刀具12通過卡座15和連桿14連接。傳動件17的一端通過轉(zhuǎn)軸18可轉(zhuǎn)動地安裝于所述刀具輥筒10的端面，另一端抵接于連桿14的一端和頂桿16的端部之間。頂桿16能夠驅(qū)動傳動件17轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)使連桿14徑向移動?？蓪㈨敆U16固定在刀具輥筒10之外，不隨輥筒10運動。彈簧20用于給連桿14復(fù)位。

圖1 圓壓圓模切機

1.2 平壓平模切機

紙質(zhì)品模切機行業(yè)應(yīng)用最為廣泛和普遍的是平壓平模切機，國內(nèi)外生產(chǎn)廠家眾多。國內(nèi)有北人集團公司、上海亞華、河南新機集團、唐山玉印、信川機械和北京勝利偉業(yè)等印刷機械廠家;國外著名生產(chǎn)廠家有瑞士BOBST、日本ASAHI、德國IMG、美國標(biāo)準(zhǔn)紙盒機械公司、日本IIJIMA、西班牙 IBERICA和韓國YoungShin機械有限公司等。

平壓平模切機可以用于各種生產(chǎn)類型的模切，有人工續(xù)紙的半自動模切機(清廢功能可選)，也有自動上紙、模切、清廢、收紙的自動模切機，還有和印刷機聯(lián)動的自動模切機，都能用于卡紙、瓦楞紙板、不干膠、模切橡膠、金屬板材、海綿等材料的模切。按動作方式分，立式平壓平模切機有:單擺式和雙擺式。模切時，壓架繞支點擺動，裝有模切版臺的機身不動，擺動的壓架與版臺下部先接觸，繼續(xù)擺動使上部合模，完成模切;結(jié)束后，上部先于下部脫開。切斷時間從下向上，不合理的模切動作，版臺受力不均，使用這一機型的廠家越來越少?，F(xiàn)在使用的立式機大部分是雙擺式的，壓架和機身一起動作，合模接觸之前，壓架平板擺動到和版臺平行，相向移動，保持平行合模的均勻壓力，平行開模脫開，完成一次模切。

從圖2平壓平模切機運動簡圖分析，模切的工藝動作分“走紙”和“模切”兩大部分完成。圖中的1、2鏈傳動組成“走紙”部分，上、下模 5、6組成“模切”部分，4是工作臺面。機器運行，傳動機構(gòu)操縱7推開雙列鏈上安裝的走紙模塊夾緊裝置，夾緊片打開，操作者利用打開的瞬間，將紙板8放入，兩邊規(guī)正紙板8，而后，7退回，紙板被夾緊，雙列鏈步進，將紙板拖送到上下模之間的模切工位，雙列鏈停歇。下模被主傳動中的機構(gòu)推移向上，合模，對紙板實現(xiàn)壓痕、模切。雙列鏈繼續(xù)前行，模切后的紙板到下一工位，打開的夾緊片放開紙板，紙板在這一工位跌落到收紙臺，完成手工續(xù)紙半自動模切的工作循環(huán)。

在各種類型的模切機中，平壓平模切機的應(yīng)用最為廣泛。平壓平模切機因壓版及版臺布置的方向、位置不同，又分為臥式和立式兩種。圖3所示是立式半自動平壓平模切機，圖4所示是臥式全自動平壓平模切機。模切工作原理是將鋼刀、鋼線(或?qū)摪宓窨坛赡０?鑲裝在模切版上，對壓印版和模切版夾持的紙品或紙板，相對施加一定的壓力，將印品或紙板軋切成要求的形狀［4］。對于平壓平模切機來說，有模板壓切和模型壓痕兩種模壓技術(shù)，在定型的模板之內(nèi)，施加一定的壓力，使印刷紙張受力部位壓縮變形或斷裂分離。若是將印品壓切成單個圖形的產(chǎn)品，被稱作模切;若是鑲嵌鋼線在模板上在印刷紙張上壓出痕跡或者壓出彎折的槽痕，被稱作壓痕;如果使用陰陽兩塊模板，在紙張表面壓印出立體效果的圖案，被稱作凸凹壓印。［5］

圖2 平壓平模切機運動簡圖

圖3 立式平壓平模切機

圖4 臥式全自動平壓平模切機

結(jié)構(gòu)簡單的立式平壓平模切機容易掌握，模切壓痕版的更換操作簡單，常用于小批量訂單的生產(chǎn)，所以仍占有相當(dāng)份額的市場。臥式平壓平模切機工作安全可靠，有比較高的自動化程度和生產(chǎn)效率，是平壓平模切機中先進的機型，應(yīng)用較為廣泛。

2 國內(nèi)外現(xiàn)代模切機產(chǎn)品的主要性能分析

自20世紀(jì)80年代以來，我國印刷工業(yè)發(fā)展迅猛，印刷及印后加工技術(shù)不斷更新。手工給紙機和低效率的機器被淘汰，自動化高速機得到很好的發(fā)展。

制造半自動和全自動模切機的國內(nèi)企業(yè)至少超過20家。［6］其中較有規(guī)模的廠家有北人集團、上海亞華、天津長榮、唐山玉印、上海耀科等企業(yè)，而唐山玉印印刷機械有限公司和上海亞華印刷機械有限公司有較強的競爭力。圖5所示為玉印集團MPQ1060型全自動模切機，圖6所示為上海亞華TYM1050型全自動模切機。

生產(chǎn)自動平壓平模切機的國外廠商也很多，他們較早將先進的設(shè)計理念用于產(chǎn)品研發(fā)，研發(fā)和制造水平遠遠超過國內(nèi)［7］。瑞土的 BOBST公司、日本的IIJIMA飯島公司、德國的JAGENBERG公司、日本的SANWA三和公司、西班牙的IBERICA公司等是具有代表性的企業(yè)。其中BOBST公司是印刷包裝業(yè)的領(lǐng)頭兵。圖7所示為瑞士BOBST公司VISIONCUT－106－LE系列全自動模切機。

圖5 玉印集團MPQ1060型全自動模切機

圖6 上海亞華TYM1050型全自動模切機

目前國外的模切、燙印機有下列特點:

(1)自動平壓模切正向著控制智能化、機械操作簡便化的方向發(fā)展，在電氣控制方面人機界面智能化;產(chǎn)量統(tǒng)計和機器運行狀態(tài)直接文字和數(shù)據(jù)顯示;故障檢測和報警等，使操作、維護更為方便。

(2)模切和燙印的最大幅面達到1 060 mm和790 mm，體現(xiàn)了模切、燙印機器的能力。

(3)正在崛起的全息電化鋁燙印機能完成全息防偽燙印。

(4)全自動模切機的功能向全面化發(fā)展，增加了清廢或全清廢機構(gòu)，可以增加堆垛裝置，更是提高了模切機的工作效率。

(5)將印刷、模切和糊盒多機聯(lián)機，組成印、切、折一體加工生產(chǎn)線，減少了機器之間的產(chǎn)品堆放和周轉(zhuǎn)，提高了效率，降低了生產(chǎn)成本。

(6)圓壓圓模切機不僅效率高、模切精度高、速度快，更適合聯(lián)機發(fā)展。

圖7 瑞士BOBST公司VISIONCUT－106－LE系列全自動模切機

國內(nèi)的自動平壓平模切機在可靠性、運行平穩(wěn)度與精度方面和國外的先進機型有著較大差距。表1是國內(nèi)外模切機性能的對比情況。［8］

表1 國內(nèi)外模切機性能對比表

國產(chǎn)自動平壓平模切機高速運行時，模切壓痕精度下降明顯，伴有大量噪聲，磨損嚴重。另外，國外模切機在智能化方面進步明顯，而國內(nèi)在智能化方面明顯落后。

模切精度、速度和運行穩(wěn)定性影響到產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和機器使用壽命［9］，決定模切機這些性能的因素有很多，比如不合理的設(shè)計或使用了制作粗糙的模切版，都會影響模切機的運行［10］。從設(shè)計、制作到裝配，組成模切機的部件精度都會影響整機性能，如間歇機構(gòu)、定位機構(gòu)、鏈條及輸紙牙排、傳動系統(tǒng)、鏈條導(dǎo)軌、施壓機構(gòu)、模切版、橡膠條等［11］。對每一個影響性能的部件進一步優(yōu)化設(shè)計，嚴格把控制造和裝配精度，解決好模切機存在的每個問題，采用先進制造技術(shù)，使模切機向自動化、高精度、高速度、智能化、聯(lián)動化、人性化、系統(tǒng)化方向發(fā)展。

因此，現(xiàn)代模切機發(fā)展的主要特征是采用平壓平模切工藝、全自動上下料方式、高精度機器智能化。國產(chǎn)模切機尤其應(yīng)在模切速度的提高、新型高速自動上下料、高精度模壓與智能控制等方面加大研發(fā)力度，提高模壓機裝備的國際競爭性。

目前，模切機的驅(qū)動動力源主要采用交流異步電動機的驅(qū)動方式，通過皮帶傳動與齒輪減速方式帶動曲柄連桿滑塊機構(gòu)實現(xiàn)模具的直線運動，進行整體平移的模壓工作。如圖8所示，一種半自動平壓模切機，包括殼體1上設(shè)置有工作臺2，所述工作臺2上設(shè)置有送紙機構(gòu)3，所述工作平臺2下方設(shè)置有下模4以及驅(qū)動下模4做上下運動的曲柄機構(gòu)5，所述下模4的四周均設(shè)置有導(dǎo)向板6。

也有的模切機的驅(qū)動動力源不采用交流異步電動機的驅(qū)動方式，而是采用氣液增壓的油缸直線運動方式，這樣可省掉皮帶傳動與齒輪減速機械結(jié)構(gòu)，同樣可實現(xiàn)模具的直線運動，進行整體平移的模壓工作。圖9所示為氣液增壓雙肘桿機構(gòu)的原理圖。［12］

圖8 交流異步電動機驅(qū)動的皮帶與齒輪減速的模壓機

圖9 氣液增壓雙肘桿機構(gòu)的原理圖

圖10 交流變頻電動機驅(qū)動的帶有行星齒輪減速的模切機

現(xiàn)代模切機的驅(qū)動源為交流變頻電動機驅(qū)動，如圖10所示。采用低噪聲的行星齒輪的閉式傳動方式。主傳動裝置包括設(shè)置在機架1上的電動機8，以及皮帶3和飛輪4;主電機8輸出軸上連接有主皮帶輪2，飛輪4同軸設(shè)置有從動皮帶輪6，兩者通過皮帶3相連接，并且從動皮帶輪6的直徑大于主動皮帶輪2;飛輪4上還設(shè)置有氣動離合器5的主動摩擦片;主電機8還連接設(shè)置有變頻調(diào)速器，實現(xiàn)了主電動機8的無極調(diào)速，運行平穩(wěn)，噪聲低，省能源。

3 模切機施壓的工作機構(gòu)及其合理性

圖11是模切機工作原理示意圖。模切機開始工作時，送紙機構(gòu)1將紙板吸起輸送到間歇輸紙機構(gòu)5，機構(gòu)5將紙板拖送到模壓部分2，機構(gòu)2即為施壓機構(gòu)。輸紙機構(gòu)停頓，施壓機構(gòu)動作，安裝模切版的下平臺向上，與靜止的上平臺合模，并保壓一定的時間，紙板處于上下平臺模版之間，按工藝要求的合模壓力、合模時間完成模切或燙印工藝。開模，下平臺下撤到初始位置。輸紙機構(gòu)拖動紙板繼續(xù)步進，經(jīng)過清廢處理，再步進將成品送至出紙堆垛部分4。

圖11 模切機工作原理示意圖

施壓機構(gòu)就是模切機最重要的機構(gòu)，它的運動動力特性是決定模切機工作質(zhì)量的關(guān)鍵之一，現(xiàn)代平壓平模切機的施壓機構(gòu)是雙肘桿機構(gòu)，它由肘桿機構(gòu)演化得到，肘桿機構(gòu)是由曲柄滑塊機構(gòu)與曲柄搖桿機構(gòu)組合而成，其機構(gòu)簡圖如圖12所示。

肘桿機構(gòu)特點就是當(dāng)兩肘桿l3、l4運動到它們之間的夾角θ較小時，輸入曲柄上的力矩快速增加;接近豎直位置的肘桿，只要曲柄l1輸入一個較小的力矩，經(jīng)過連桿l2傳遞，就能在D點的滑塊上產(chǎn)生一個倍增的輸出力［12］。所以，對模切動作來說，肘桿機構(gòu)的滑塊接近這一極限位置時，符合小位移、大壓力的模切動作運動特性。具有這一特性的肘桿機構(gòu)，特別適用于要求變形量小的壓印精壓或凹凸整形等模切工藝［13］。

普通雙肘桿機構(gòu)示意圖［14］如圖13所示。

對稱布置的肘桿機構(gòu)將各關(guān)節(jié)受力對稱分布在肘桿構(gòu)件上，相互作用力與反作用力提高整個機構(gòu)承載能力，也能吸收模切瞬間對機構(gòu)的沖擊能量，減緩模切受力對驅(qū)動電機的沖擊［15］。研究動平臺上升到極限位置的過程，考慮被模切紙板的厚度，在動平臺沒達到極限位置時，合模過程中已經(jīng)產(chǎn)生模切力，將紙板切割或壓痕。當(dāng)動平臺與靜平臺合模接觸時，剛剛完成模切，保持合模接觸時間，可靠的完成壓痕保持和紙板切斷，完成模切。保證肘桿機構(gòu)的動平臺穩(wěn)定地沿著導(dǎo)向平面運動，肘、桿等零件的尺寸精度和關(guān)節(jié)軸承的間隙影響重大。

圖12 肘桿機構(gòu)

圖13 普通雙肘桿機構(gòu)示意圖

普通雙肘桿機構(gòu)動平臺有外固定導(dǎo)向平面，將其改為在動平臺中心加裝擺動滑塊導(dǎo)向，這一改進，使機構(gòu)仍然具有普通雙肘桿機構(gòu)的特點。同時，當(dāng)多種因素(桿長精度、關(guān)節(jié)間隙和運行磨損等)造成動平臺并不能精確的按導(dǎo)向平面平動，產(chǎn)生歪斜，普通肘桿機構(gòu)會在動平臺和導(dǎo)向平面之間產(chǎn)生很大的摩擦力或卡死，惡化機構(gòu)的性能;而改進的擺動滑塊導(dǎo)向塊，就能很好地解決這一問題，更能適合高速度的模切動作，改進機構(gòu)性能，優(yōu)勢明顯。

圖14 模切機雙肘桿機構(gòu)工作原理示意圖

模切機雙肘桿機構(gòu)運轉(zhuǎn)過程中(如圖14所示)，動平臺在到達上部極限位置時，開始模切，直到動、靜平臺接觸，完成模切。模切時，模切版安裝在上版框組成靜平臺，動平臺由主傳動系統(tǒng)驅(qū)動肘桿機構(gòu)從最低點運動上升到上部極限位置，并往復(fù)循環(huán)。模切的紙板有厚度，在動平臺到達上部極限位置過程中，某一位置的模切壓力最大，此時的肘桿接近于伸直，連桿的推力、向下的模切力，共同作用，將壓力接近垂直地傳遞給機座。紙板厚度和壓痕切斷力大小，決定了機構(gòu)對機座的壓力。對稱布置的雙肘桿機構(gòu)能有效降低曲柄和連桿的載荷峰值［12］。整套雙肘桿機構(gòu)桿與桿間、動平臺與桿之間，都存在相對運動，運動副間就有間隙，合理確定間隙，加入能起到緩沖作用的潤滑劑等，就能減弱沖擊和震動，減低噪音，提高模切的速度和精度。

為保證模切質(zhì)量，模切時的動平臺和靜平臺合模后，在接觸平面內(nèi)受力要分布均勻，因此在合模模切時，兩平臺工作面要平行［16］。合理的設(shè)計、優(yōu)化構(gòu)件的長度尤為重要。做出機構(gòu)運動簡圖，對機構(gòu)進行運動學(xué)分析，可以確定機構(gòu)關(guān)鍵位置點的速度和加速度等特性［17］。

圖15和圖16所示為BOBST公司模切機的施壓機構(gòu)及其簡圖。

從模切工藝出發(fā)，根據(jù)動平臺適合模切需要的運動特性要求，選擇適合高速工況的運動規(guī)律，并根據(jù)所選取的運動規(guī)律，對凸輪廓線、連桿長度和鉸接位置等零部件優(yōu)化設(shè)計，求解共軛凸輪的基本尺寸參數(shù)，從而確定主凸輪及封閉凸輪的理論輪廓和實際輪廓，并驗證壓力角和凸輪輪廓的曲率半徑變化［18］。根據(jù)需求開發(fā)設(shè)計的共扼凸輪驅(qū)動方式模切機，和曲柄連桿驅(qū)動方式相比，動平臺運動特性曲線更為光滑、平穩(wěn)、可控，更為合理，有利于提升機器的運行速度。天津長榮印刷設(shè)備股份有限公司開發(fā)了具有知識產(chǎn)權(quán)的共軛凸輪驅(qū)動的模切動平臺。

圖15 BOBST公司模切機的施壓機構(gòu)

圖16 BOBST公司模切機的施壓機構(gòu)簡圖

4 結(jié)論

(1)現(xiàn)代模切機的主要特征是采用平壓平模切工藝、全自動上下料方式、高精度機器智能化。國產(chǎn)模切機尤其應(yīng)在模切速度的提高、新型高速自動上下料、高精度模壓與智能控制等方面加大研發(fā)力度，提高模壓機裝備的國際競爭性。

(2)現(xiàn)代模切機的先進性體現(xiàn)在交流變頻電動機驅(qū)動的方式，采用低噪聲的行星齒輪的閉式傳動方式，實現(xiàn)依據(jù)不同產(chǎn)品類型柔性調(diào)節(jié)模壓機的工作頻次，降低環(huán)境污染與維護工作量。

(3)現(xiàn)代模切機的先進工作機構(gòu)應(yīng)該采用對稱曲柄連桿驅(qū)動的雙肘桿的工作機構(gòu)與共軛凸輪驅(qū)動的雙肘桿機構(gòu)，模壓過程增力效果明顯，可實現(xiàn)平穩(wěn)低速模壓的優(yōu)良效果，提高模壓精度與刀具壽命。

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