新型全自動高精度板材貼膜機設計

李茂華， 平文卉， 尹冬冬， 袁 旗

(1.南通金輪研發(fā)中心有限公司， 江蘇 南通 226009； 2.南通市疾病預防控制中心， 江蘇 南通 226009)

不銹鋼平板廣泛應用于電梯、家電及建筑裝飾等領域，在其運輸和進一步深加工的過程中，經(jīng)常出現(xiàn)表面劃傷和表面污漬等現(xiàn)象，因此需要在其表面貼附一層或多層薄膜，以達到預防和保護不銹鋼表面的目的[1]。目前，我國的貼膜機行業(yè)發(fā)展比較緩慢，尤其在不銹鋼板材加工行業(yè)，仍處于半自動半人工的狀態(tài)。操作設備的人員素質(zhì)參差不齊，這就會造成貼膜的質(zhì)量和效率低下，因此有待進一步完善及改進[2]。學者們對貼膜機進行了不少研究。張鎬等提出了一種高效的壓膜、貼膜及切膜機構(gòu)的設計方法[3]；馬巖等對半自動貼膜機進行了參數(shù)化設計研究，為貼膜機的設計提供借鑒[4]；馬巖等介紹了貼膜機的氣動裝置，研究了貼膜機氣動裝置的參數(shù)設計[5]；陸敏智等研究了機器視覺在貼膜機定位中的應用，介紹了一種基于機器視覺設計的貼膜機控制系統(tǒng)[6]；郭紫貴等研究了貼膜過程中工作部件的位置誤差及靈敏度，為貼膜機的精度設計提供了參考[7]。目前，研究大多集中于手機貼膜領域，而對于不銹鋼板材的貼膜研究相對較少，因此筆者針對目前主流的板材貼膜機在實際使用過程中存在的諸多問題，提出了關于不銹鋼板材貼膜機的改進方法，以達到減少用工成本，提高生產(chǎn)效率的目的。

1 傳統(tǒng)設備現(xiàn)狀及改進需求

圖1所示為目前主流板材所用的貼膜機，能夠?qū)崿F(xiàn)板材連續(xù)貼膜及自動割膜動作。其動作原理為：根據(jù)不銹鋼板材進給的方向，通過機架及薄膜放卷裝置將薄膜拉緊，薄膜內(nèi)部產(chǎn)生張力(第1次貼膜時，人工需先起頭將張緊的薄膜貼于板材頭部)，之后2個貼膜輥同步旋轉(zhuǎn)，不銹鋼板處于2個壓膜輥的間隙之間，通過互相擠壓鋼板，保護膜平穩(wěn)地貼合于不銹鋼板表面；待第1張板材即將完成貼膜動作時，三角刃割膜機構(gòu)自動裁剪掉2張板材之間的多余的薄膜，從而實現(xiàn)貼膜及割膜的動作，如圖2所示。

圖1 主流板材貼膜機整體結(jié)構(gòu)Figure 1 Overall structure of mainstream plate film sticking machine

圖2 主流板材貼膜機割膜部件Figure 2 Film cutting parts of mainstream plate film sticking machine

雖然該貼膜機能夠?qū)崿F(xiàn)板材連續(xù)貼膜及多余薄膜的自動割斷，節(jié)省了部分人力，但在實際生產(chǎn)過程中，該種貼、割膜方式往往會在基材表面刮出毛刺，傷害基材表面；刮出的毛刺有可能會附著在薄膜上，此時基材需要返修處理；同時割出的薄膜余料難以收集，往往會粘附在貼膜輥和板材上，會對下次貼膜造成一定的影響。

若采用該種貼膜方式，貼出來的薄膜往往會超出鋼板的基材尺寸，在實際搬運、堆積時，鋼板之間會因為露出的薄膜兩兩粘附在一起，影響客戶的滿意度。

2 新型設備結(jié)構(gòu)設計及特點

新型全自動高精度板材貼膜機改變了市面上傳統(tǒng)的貼膜機貼膜及割膜方式，采用真空吸附的方式進行貼膜；在原先的橫切割膜基礎上，增加了板材兩邊自動割膜的裝置(縱切)，能同時滿足板材進給方向及寬度方向的割膜操作，以適應不同規(guī)格板材的貼膜要求。

新型板材貼膜機采用“先切后貼”的原理與傳統(tǒng)貼膜機的貼膜原理不同，即預先設定好每一塊板材所需的薄膜長度，通過PLC進行精準控制，以便達到貼膜的要求，避免了薄膜超出基材邊界的現(xiàn)象，同時也解決了割出的廢料難以收集的問題。

新型全自動高精度板材貼膜機的工作原理如圖3所示。

圖3 新型板材貼膜機工作原理Figure 3 Working principle of new plate film sticking machine

新型全自動高精度板材貼膜機按板材流經(jīng)的進給方向及工序主要分為入口輸送定位工位、自動貼膜及割膜工位和出口輸送工位，并由各工位組成單獨的結(jié)構(gòu)部件系統(tǒng)。由于入口輸送定位工位和出口輸送工位結(jié)構(gòu)無較大的創(chuàng)新，故文中不作敘述。新型板材貼膜生產(chǎn)線總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 新型板材貼膜生產(chǎn)線總體結(jié)構(gòu)Figure 4 Overall structure of new plate film production line

2.1 自動貼膜及割膜工位

當板材經(jīng)入口輸送定位工位流經(jīng)貼膜裝置時，貼膜機開始工作：薄膜卷開始放卷，真空貼膜裝置及自動割膜裝置開始動作，完成貼膜及割膜。其總體結(jié)構(gòu)如圖5示。

圖5 新型板材貼膜機貼膜及割膜工位Figure 5 Film sticking and film cutting station of new plate film sticking machine

設備根據(jù)功能可分為：機架、驅(qū)動輥組件、真空吸附貼膜裝置和自動割膜裝置。機架由不同規(guī)格型材焊接而成，用于安裝各部件同時還起支撐的作用；驅(qū)動輥組件由驅(qū)動輥、氣缸和伺服減速電機組成，其作用一為牽引輸送鋼板，作用二是對剛貼附的薄膜進行滾平碾壓，使薄膜貼附更加平整。

2.1.1 真空吸附貼膜裝置

真空吸附貼膜裝置為貼膜機的核心部件，區(qū)別于傳統(tǒng)的貼膜裝置，該裝置采取真空吸附的方式對薄膜進行起頭貼膜，除第1張來料鋼板貼膜需要人工參與之外，剩余來料鋼板均可實現(xiàn)自動貼膜。

如圖6所示，真空吸附貼膜裝置主要分為：安裝支架、真空吸附腔體和動力驅(qū)動裝置。安裝支架由各類型材焊接安裝而成，對其它零部件起安裝和支撐的作用。真空吸附腔體分為上吸附腔和下吸附腔，吸附型腔的表面有微型吸附孔，對放卷薄膜起著吸附的作用，增加薄膜內(nèi)部張力；上、下吸附腔內(nèi)部均分隔成密閉的吸附型腔，各型腔均可單獨供氣；由于薄膜內(nèi)外壓力的不同，薄膜吸附于上、下吸附腔體表面。動力驅(qū)動裝置由伺服驅(qū)動機構(gòu)和步進驅(qū)動機構(gòu)組成。伺服驅(qū)動機構(gòu)由伺服電機、行星減速機、滾珠絲桿及直線導軌組成，用于驅(qū)動上吸附腔體的直線往返運動；步進驅(qū)動機構(gòu)有2組，主要由步進絲桿電機和絲杠螺母等部件組成，用于驅(qū)動下吸附腔體橫向往返的運動。動力驅(qū)動系統(tǒng)采用西門子PLC技術，進行時序、動作控制，使得運動和定位精度更高[8]。

圖6 真空吸附貼膜部件Figure 6 Vacuum adsorption film components

當PLC控制系統(tǒng)收到貼膜信號時，上、下2個吸附腔體開始吸氣動作，薄膜吸附于上、下2個吸附腔表面；步進驅(qū)動機構(gòu)動作，驅(qū)動下吸附腔沿板材進給方向往前做直線運動，吸附了下吸附腔的薄膜就隨之往后運動，在運動過程中，由于上吸附腔的吸附力大于下吸附腔的吸附力，粘附于下吸附腔的薄膜就吸附于上吸附腔體底部；隨后伺服驅(qū)動機構(gòu)開始動作，通過伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠，然后將動力傳遞至上吸附腔體，帶動薄膜往下動作，將薄膜料頭豎直壓在板材表面；由于黏性力的作用，薄膜料頭粘附在板材上表面，隨著板材往進給方向運動，完成貼膜動作[8-10]。其動作時序圖，如圖7所示。

圖7 自動貼膜及割膜動作時序圖Figure 7 Sequence diagram of automatic film sticking and film cutting

2.1.2 自動割膜裝置

自動割膜裝置根據(jù)功能的不同，分為橫向割膜裝置及縱向割膜裝置。

1) 橫向割膜裝置

當每一張鋼板即將完成貼膜時，控制計算系統(tǒng)會計算此張鋼板剩余所需的薄膜量，橫向割膜裝置動作，完成割膜，此后開始另一張鋼板的貼膜。如圖8所示，橫向割膜裝置由單軸直線模組、割刀組件和限位導向裝置等組成。單軸直線模組采用伺服電機驅(qū)動，轉(zhuǎn)速高，控制精準，保證了割膜效率和割膜精度；割刀組件安裝于單軸直線模組上，由直線模組驅(qū)動完成直線往返運動；限位導向裝置由齒輪、圓形齒條及限位滾輪等組成，保證切割圓刀橫向切割的精確度，以滿足薄膜切割處的直線度要求。

圖8 橫向割膜部件Figure 8 Transverse film cutting part

2) 縱向割膜裝置

縱向割膜裝置置于薄膜料卷之上，在薄膜放卷時，對膜兩側(cè)多余材料進行自動切割，適應不同寬度板材的要求。如圖9所示，縱向割膜裝置由2組分切圓刀組件、調(diào)節(jié)定位組件及配質(zhì)量部件組成。在放卷時，工人根據(jù)來料板材的規(guī)格，調(diào)節(jié)薄膜需要切割的量，切完的余料置于膜卷上，待料卷用完之后，再進行收集。薄膜放卷時，分切圓刀由于摩擦力的作用，被動反向圓周運動，完成對薄膜的切割動作。

圖9 縱向割膜部件Figure 9 Longitudinal film cutting part

3 結(jié)語

針對目前主流的板材貼膜機存在自動化程度低、貼膜效率低及貼膜質(zhì)量低等問題，筆者提出了一種新型全自動高精度板材貼膜機設計：采用真空吸附貼膜的裝置進行自動貼膜；采用單軸機械手驅(qū)動滾刀等結(jié)構(gòu)的方式實現(xiàn)自動橫向割膜；采用2組分切圓刀等結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了自動縱向割膜。目前該新型板材貼膜機已在相關企業(yè)投入使用，貼膜質(zhì)量及精度較高，薄膜貼合效果在長度及寬度方向均未超出板材范圍，留白量控制在2 mm以內(nèi)，表面無氣泡及毛刺殘留。貼膜速率為6 張/min板材(以長度2.5 m板材為例)，貼膜效率大幅度提升， 為現(xiàn)有貼膜機效率的3倍多。改進后的貼膜機節(jié)省了企業(yè)用工成本，提高了經(jīng)濟效益。筆者所提出的貼膜機設計僅適用于不銹鋼板材的單層薄膜貼附，未考慮到雙層或多層薄膜貼附的情況，后續(xù)將對此作深入研究，推動不銹鋼板材貼膜行業(yè)的發(fā)展。