提高自動貼標機出標精度的設計探討

摘 要：對自動貼標機的供標及收卷機構進行動力學分析，找出了影響恒張力的因素，并且對造成貼標機出標位置差異的供標及收卷機構部分進行了改進性設計，解決了當前貼標機貼標位置不夠精確的難點，提高了貼標質量和效率，能夠滿足快速生產需求，提升市場競爭力。

關鍵詞：自動貼標機；恒張力機構；驅動輥；永磁制動器

引言

自動貼標機是現代包裝不可缺少的組成部分，是產品包裝實現機械化、自動化的根本保證。目前我國生產貼標機的種類正在逐步增加，技術水平也有了很大的提高，無論是平面類還是側面類貼標機在完成平面粘貼，包裝物的單側面或多側面粘貼，柱面粘貼，圓筒粘貼，凹陷及邊角部位粘貼等等，均要求實現貼標機的高速、高精度的自動化貼覆，這就要求對貼標機的結構進行優化設計，以滿足快速精確生產的需求。文章通過對貼標機的供標機構、收卷機構進行動力學分析，提出了改進設計方案，力求以恒定張力送標、收卷，從而達到準確貼標的目的。

1 貼標機的結構概述

（1）放卷機構。為被動輪，用于安放卷筒標簽。通常裝有可調節摩擦力的摩擦制動裝置，目的是控制卷筒速度及張緊力，保持平穩輸紙。（2）緩沖輪。是放卷張力的回復機構，可往復擺動。目的是當裝置啟動時能吸收標帶的張緊力，恢復標帶放卷張力。（3）導向輥。由幾個組成，起標帶的導向和定位作用。（4）標帶制動機構。由一導向滾筒和一彈性壓片構成，標帶穿越滾筒與壓片之間，壓片的壓力由彈簧調節。壓力不同，標帶所受的摩擦力也不同，此摩擦力也是標帶張力的一部分。（5）驅動機構。由一組主動的摩擦輪組成。通常一個為包膠驅動輪，一個為金屬輥，底紙在其間通過，作用是驅動標簽帶，實現正常貼標。（6）收卷機構。為帶摩擦傳動裝置的主動輪，作用是復卷貼標后的底紙。收卷輪的轉動收紙同驅動輪的標帶牽引同步傳動。（7）剝離機構。目的是使底紙在經過剝離板改變方向時，標簽脫離底紙、順利出標，實現同貼標物體接觸。（8）壓標輥。將脫離底紙的標簽均勻、平整地貼覆在待貼物品上。

2 影響貼標機出標精度的分析及對策

2.1 供標機構動力學分析

由上式可知，實現標帶張力的控制實質上就是控制V2-V1的速度差，如果V2>V1，則標帶被拉伸，標帶的張力變大，如果V2

在實際生產線中，自動貼標機總是以間隙方式工作，每貼一枚標簽都有啟動、停止的過程，因此，標帶中的張力T總是處于急劇變化中。分析標帶的張力T變化規律，當貼標機開始貼標時，首選是啟動驅動機構的牽引輥拉動標帶，收卷機構上的標簽盤受到拉力作用就要轉動，此時標簽盤在慣性作用下，送標速度V1>牽引速度V2，其送標的長度會大于一個步距，如圖1所示，會使BCDE段的標帶完全處于松弛狀態，即此段標帶的張力就由拉動標帶盤所需的張力T一下變到零張力，由于標帶松弛了，緩沖輪在扭力彈簧力的作用下會向逆時針方向擺動，又重新將標帶拉緊，因此，工作時此段的張力是處于急劇變化中，從放卷張力突然變到零，又逐步恢復到原設定的放卷張力。此外，產生標帶放卷張力的裝置，都裝有扭力彈簧，其扭矩由人工設定，在整個運行過程中是一個定值。但是，在貼標機運行過程中，隨著標簽盤的直徑不斷地減小，放卷張力會逐漸增大，因此，貼標機在工作時放卷張力并不恒定。當標帶松弛后，緩沖輪在扭力彈簧的作用下，逐步恢復放卷張力，在此過程中，緩沖輪對標帶張緊力的影響變化復雜，上述張力變化、調整的過程并不能與貼標機的節拍同步，特別在高速貼標的過程中，其張力的調整周期遠大于貼標周期，因此，在每個貼標周期中，標帶中張力的變化規律都不一樣。這種張力變化的不恒定，就導致貼完一個標后，下一個預備被貼的標簽在剝離板前端的停止位置不同，使得貼標位置誤差加大，也即很難將標簽精確地帖于被貼物指定的位置上，這就是影響當前各種貼標機貼標位置精度的原因之一。

如圖1所示作進一步分析，考察EFG段標帶的張力，EFG段中的張力由兩部分組成，其一是BCDE段的張力，其二是牽引力和制動彈簧片的壓力所產生的摩擦力。因BCDE段的張力的變化規律在每個貼標周期中都是不同的，而牽引力及制動彈簧片產生的摩擦力是恒定的，故EFG段標帶中張力在每個貼標周期中的變化規律的不同，是由BCDE段標帶張力變化規律不同造成的。這種不同的張力變化規律將造成一個標簽貼完后，下一個預備貼的標簽在貼標頭剝離板的前端停止位置產生偏差，導致貼覆位置精度降低。

2.2 恒張力機構的設計探討

為克服現有技術中貼標機的貼標位置精度不高的缺陷，擬改進供標機構設計，如圖3所示，在CDE段增加一個恒張力機構，恒張力機構將ABCDE段分成具有不同張力變化特性的二段，即ABCD′段，DE段。其中ABCD′段的張力變化與之前所述相似，而DE段，由于張力機構的引入，處于松弛狀態，張力趨近于零（也是一種恒定張力）。此時，EFG段的張力就完全由牽引力、標帶制動機構所產生的摩擦力來確定，這種牽引力、制動摩擦力在每個貼標周期的張力變化規律是一樣的，使得每個預貼標簽在貼標頭剝離板的停留等待位置相同，這樣就極大地減小了貼標位置的誤差，提高自動貼標機的貼標位置精度。為使DE段張力趨近為零，要求恒張力機構在控制時滿足如下條件：恒張力機構的線速度V3要大于等于標帶驅動機構的牽引線速度V2（V3≥V2），恒張力機構在每個貼標周期牽引輸送的標帶長度要大于等于標帶牽引機構的輸送長度，即標帶步距L。只要所控制的恒張力機構滿足上述條件，就能保證EFG段的張力變化規律在所有貼標周期中都相同，從而使得貼標機在高速運轉中預貼標簽在剝離板位置相同，以此提高標簽貼覆精度。

如圖4所示，恒張力機構包括驅動輥、偏心輥、支柱、鉤形壓板、軸承座A、B、電機等，其中驅動輥一端連有滾珠軸承，另一端通過軸承座A與步進電機或伺服電機直連。偏心輥一端連接軸承座B，另一端與支柱鉸連，且其芯軸通過鉤形壓板圓孔由螺釘鎖緊，鉤形壓板一端連接固定手柄，轉動手柄偏心輥可繞軸承座B旋轉，當鉤形壓板套入滾珠軸承后即偏心輥緊壓在驅動輥上，此時通過其間的標帶隨即被緊壓，當步進電機或伺服電機驅動驅動輥轉動時，標帶在摩擦力的作用下被牽引，精確移動一個標簽距。為增加摩擦力防止標帶打滑，通常在驅動輥表面燒結有黑色聚氨酯，偏心輥表面做噴砂面處理。

2.3 收卷機構動力學分析

由于標帶相對較薄且對貼一個標簽來說，半徑變化較小，因此可認為收卷盤是勻速轉動，也就是說工作時M慣轉動慣量距較小，而摩擦力矩M阻考慮為恒定值，又因為收卷機構的收卷軸與驅動機構的驅動輪由伺服電機同步帶動，所以兩者角速度始終保持一致，隨著收卷機構的標簽底紙卷半徑逐漸增大，收卷盤上的標簽帶線速度將大于驅動輪處標簽帶的線速度，收卷盤的張力T不斷變大，此時 制動力距主要由驅動機構的壓緊力產生，當標帶的牽引張力大于驅動機構的壓緊力的情況下很容易造成標簽在剝離時底紙斷裂或底紙滑移，影響標簽在出標時貼覆位置偏差。又因貼標機在貼標后，底紙回收后不再有使用價值，往往在收卷機構上采用傳統機械式調節裝置來控制張力的變化，但該方式下的張力隨著卷徑的增大而逐漸變化，特別是在高速生產中采用此方式不能精確控制張力，性能不穩定，這也是造成標簽剝離時標簽在吸標板上位置偏移的原因。

2.4 收卷機構的改進設計

如何精確控制收卷張力，保證標帶底紙拉力在收卷時不會隨著收卷半徑的增大而變化，對收卷機構進行了改進設計。按如圖7所示，在收卷軸上加裝永磁制動器作為離合器使用，即柔性聯軸器。只要預設的扭矩大于收卷所需的扭矩，且標帶底紙的牽引力小于驅動輪的壓緊力，則在收卷時標帶張力是恒定的，不會隨著標帶底紙半徑的增大而變化，該方式可實現柔性啟動并傳遞恒定扭矩，保證標簽剝離時標簽在吸標板上位置不受收卷張力的影響。如圖6所示，在設計上改變原先同步帶的三角形連接形式，將永磁制動器的輸出軸經同步帶與驅動輪的傳動軸相連，驅動輪的傳動軸又經同步帶與伺服電機連接，即驅動輪送標與收卷互不干擾。當卷料底紙半徑變大時，標簽帶張力過載產生滑差打滑，維持預設恒定張力，從而保證標簽底紙收卷更平穩，走帶控制更精確。使用永磁制動器調整標簽張力，無需外加控制器或電源、張力控制準確，性能可靠，壽命長，無磨損，可有效提高生產效率。

3 改進后貼標機的總體結構設計

綜上所述，貼標機對貼標質量的主要影響因素之一是能否保證在貼標過程中標帶的張力恒定。如何保證標帶的張力恒定，提高貼標機的出標精度，在設計結構上作如圖7示改進，（1）在放卷與標帶制動之間增設了恒張力機構，該機構工作時，驅動輥由步進電機或伺服電機驅動，要求其線速度大于或等于驅動機構牽引標帶的線速度，即驅動輥牽引標帶的距離大于或等于標簽的步距。在實際運用中，還可通過檢測浮動輪的上下位置感應標帶的張緊程度，利用反饋系統調節步進電機或伺服電機的轉速使其匹配驅動機構標帶的牽引速度，確保標帶張力恒定。（2）在收卷機構中加裝永磁制動器來保證收卷張力的恒定，如圖7示，設計上改變原先同步帶的三角形連接形式，將永磁制動器的輸出軸經同步帶與驅動輪的傳動軸相連，驅動輪的傳動軸又經同步帶與伺服電機連接，即驅動輪送標與收卷互不干擾。當底紙半徑變大時，標簽帶張力過載產生滑差打滑，維持預設恒定張力，從而消除因收卷張力的變化影響出標精度。

4 結束語

文章對自動貼標機的供標及收卷機構進行動力學分析，找出了影響恒張力的因素，并且對造成貼標機出標位置差異的供標及收卷機構部分進行了改進性設計，不僅解決了當前貼標機貼標位置不夠精確的難點，而且能提高貼標質量和效率，滿足快速生產需求，提升市場競爭力。

參考文獻

[1]潘紹明，羅功坤，蔡啟仲.全自動平面貼標機的系統設計與實現[J].制造業自動化，2010（12）.

[2]楊琦云，李為濤.貼標機供標機構動力學分析及控制系統設計[J].包裝工程，2006（5）.

[3]機械設計手冊編委會.機械設計手冊（第一卷）3版[M].北京：機械工業出版社，2004，8.

[4]金屬切削機床夾具設計手冊[M].機械工業出版社，1987，12.

作者簡介：湛華（1972-），男，四川省綿陽市人，工作單位：四川虹微技術有限公司，職務：機械設計師，研究方向：家電設備。