提高自動貼標(biāo)機(jī)出標(biāo)精度的設(shè)計(jì)探討

摘 要：對自動貼標(biāo)機(jī)的供標(biāo)及收卷機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)分析，找出了影響恒張力的因素，并且對造成貼標(biāo)機(jī)出標(biāo)位置差異的供標(biāo)及收卷機(jī)構(gòu)部分進(jìn)行了改進(jìn)性設(shè)計(jì)，解決了當(dāng)前貼標(biāo)機(jī)貼標(biāo)位置不夠精確的難點(diǎn)，提高了貼標(biāo)質(zhì)量和效率，能夠滿足快速生產(chǎn)需求，提升市場競爭力。

關(guān)鍵詞：自動貼標(biāo)機(jī)；恒張力機(jī)構(gòu)；驅(qū)動輥；永磁制動器

引言

自動貼標(biāo)機(jī)是現(xiàn)代包裝不可缺少的組成部分，是產(chǎn)品包裝實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動化的根本保證。目前我國生產(chǎn)貼標(biāo)機(jī)的種類正在逐步增加，技術(shù)水平也有了很大的提高，無論是平面類還是側(cè)面類貼標(biāo)機(jī)在完成平面粘貼，包裝物的單側(cè)面或多側(cè)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(shí)現(xiàn)貼標(biāo)機(jī)的高速、高精度的自動化貼覆，這就要求對貼標(biāo)機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足快速精確生產(chǎn)的需求。文章通過對貼標(biāo)機(jī)的供標(biāo)機(jī)構(gòu)、收卷機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)分析，提出了改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，力求以恒定張力送標(biāo)、收卷，從而達(dá)到準(zhǔn)確貼標(biāo)的目的。

1 貼標(biāo)機(jī)的結(jié)構(gòu)概述

（1）放卷機(jī)構(gòu)。為被動輪，用于安放卷筒標(biāo)簽。通常裝有可調(diào)節(jié)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(wěn)輸紙。（2）緩沖輪。是放卷張力的回復(fù)機(jī)構(gòu)，可往復(fù)擺動。目的是當(dāng)裝置啟動時能吸收標(biāo)帶的張緊力，恢復(fù)標(biāo)帶放卷張力。（3）導(dǎo)向輥。由幾個組成，起標(biāo)帶的導(dǎo)向和定位作用。（4）標(biāo)帶制動機(jī)構(gòu)。由一導(dǎo)向滾筒和一彈性壓片構(gòu)成，標(biāo)帶穿越滾筒與壓片之間，壓片的壓力由彈簧調(diào)節(jié)。壓力不同，標(biāo)帶所受的摩擦力也不同，此摩擦力也是標(biāo)帶張力的一部分。（5）驅(qū)動機(jī)構(gòu)。由一組主動的摩擦輪組成。通常一個為包膠驅(qū)動輪，一個為金屬輥，底紙?jiān)谄溟g通過，作用是驅(qū)動標(biāo)簽帶，實(shí)現(xiàn)正常貼標(biāo)。（6）收卷機(jī)構(gòu)。為帶摩擦傳動裝置的主動輪，作用是復(fù)卷貼標(biāo)后的底紙。收卷輪的轉(zhuǎn)動收紙同驅(qū)動輪的標(biāo)帶牽引同步傳動。（7）剝離機(jī)構(gòu)。目的是使底紙?jiān)诮?jīng)過剝離板改變方向時，標(biāo)簽脫離底紙、順利出標(biāo)，實(shí)現(xiàn)同貼標(biāo)物體接觸。（8）壓標(biāo)輥。將脫離底紙的標(biāo)簽均勻、平整地貼覆在待貼物品上。

2 影響貼標(biāo)機(jī)出標(biāo)精度的分析及對策

2.1 供標(biāo)機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析

由上式可知，實(shí)現(xiàn)標(biāo)帶張力的控制實(shí)質(zhì)上就是控制V2-V1的速度差，如果V2>V1，則標(biāo)帶被拉伸，標(biāo)帶的張力變大，如果V2

在實(shí)際生產(chǎn)線中，自動貼標(biāo)機(jī)總是以間隙方式工作，每貼一枚標(biāo)簽都有啟動、停止的過程，因此，標(biāo)帶中的張力T總是處于急劇變化中。分析標(biāo)帶的張力T變化規(guī)律，當(dāng)貼標(biāo)機(jī)開始貼標(biāo)時，首選是啟動驅(qū)動機(jī)構(gòu)的牽引輥拉動標(biāo)帶，收卷機(jī)構(gòu)上的標(biāo)簽盤受到拉力作用就要轉(zhuǎn)動，此時標(biāo)簽盤在慣性作用下，送標(biāo)速度V1>牽引速度V2，其送標(biāo)的長度會大于一個步距，如圖1所示，會使BCDE段的標(biāo)帶完全處于松弛狀態(tài)，即此段標(biāo)帶的張力就由拉動標(biāo)帶盤所需的張力T一下變到零張力，由于標(biāo)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(biāo)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(fù)到原設(shè)定的放卷張力。此外，產(chǎn)生標(biāo)帶放卷張力的裝置，都裝有扭力彈簧，其扭矩由人工設(shè)定，在整個運(yùn)行過程中是一個定值。但是，在貼標(biāo)機(jī)運(yùn)行過程中，隨著標(biāo)簽盤的直徑不斷地減小，放卷張力會逐漸增大，因此，貼標(biāo)機(jī)在工作時放卷張力并不恒定。當(dāng)標(biāo)帶松弛后，緩沖輪在扭力彈簧的作用下，逐步恢復(fù)放卷張力，在此過程中，緩沖輪對標(biāo)帶張緊力的影響變化復(fù)雜，上述張力變化、調(diào)整的過程并不能與貼標(biāo)機(jī)的節(jié)拍同步，特別在高速貼標(biāo)的過程中，其張力的調(diào)整周期遠(yuǎn)大于貼標(biāo)周期，因此，在每個貼標(biāo)周期中，標(biāo)帶中張力的變化規(guī)律都不一樣。這種張力變化的不恒定，就導(dǎo)致貼完一個標(biāo)后，下一個預(yù)備被貼的標(biāo)簽在剝離板前端的停止位置不同，使得貼標(biāo)位置誤差加大，也即很難將標(biāo)簽精確地帖于被貼物指定的位置上，這就是影響當(dāng)前各種貼標(biāo)機(jī)貼標(biāo)位置精度的原因之一。

如圖1所示作進(jìn)一步分析，考察EFG段標(biāo)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(chǎn)生的摩擦力。因BCDE段的張力的變化規(guī)律在每個貼標(biāo)周期中都是不同的，而牽引力及制動彈簧片產(chǎn)生的摩擦力是恒定的，故EFG段標(biāo)帶中張力在每個貼標(biāo)周期中的變化規(guī)律的不同，是由BCDE段標(biāo)帶張力變化規(guī)律不同造成的。這種不同的張力變化規(guī)律將造成一個標(biāo)簽貼完后，下一個預(yù)備貼的標(biāo)簽在貼標(biāo)頭剝離板的前端停止位置產(chǎn)生偏差，導(dǎo)致貼覆位置精度降低。

2.2 恒張力機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)探討

為克服現(xiàn)有技術(shù)中貼標(biāo)機(jī)的貼標(biāo)位置精度不高的缺陷，擬改進(jìn)供標(biāo)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖3所示，在CDE段增加一個恒張力機(jī)構(gòu)，恒張力機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)的引入，處于松弛狀態(tài)，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(biāo)帶制動機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的摩擦力來確定，這種牽引力、制動摩擦力在每個貼標(biāo)周期的張力變化規(guī)律是一樣的，使得每個預(yù)貼標(biāo)簽在貼標(biāo)頭剝離板的停留等待位置相同，這樣就極大地減小了貼標(biāo)位置的誤差，提高自動貼標(biāo)機(jī)的貼標(biāo)位置精度。為使DE段張力趨近為零，要求恒張力機(jī)構(gòu)在控制時滿足如下條件：恒張力機(jī)構(gòu)的線速度V3要大于等于標(biāo)帶驅(qū)動機(jī)構(gòu)的牽引線速度V2（V3≥V2），恒張力機(jī)構(gòu)在每個貼標(biāo)周期牽引輸送的標(biāo)帶長度要大于等于標(biāo)帶牽引機(jī)構(gòu)的輸送長度，即標(biāo)帶步距L。只要所控制的恒張力機(jī)構(gòu)滿足上述條件，就能保證EFG段的張力變化規(guī)律在所有貼標(biāo)周期中都相同，從而使得貼標(biāo)機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中預(yù)貼標(biāo)簽在剝離板位置相同，以此提高標(biāo)簽貼覆精度。

如圖4所示，恒張力機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動輥、偏心輥、支柱、鉤形壓板、軸承座A、B、電機(jī)等，其中驅(qū)動輥一端連有滾珠軸承，另一端通過軸承座A與步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)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(zhuǎn)動手柄偏心輥可繞軸承座B旋轉(zhuǎn)，當(dāng)鉤形壓板套入滾珠軸承后即偏心輥緊壓在驅(qū)動輥上，此時通過其間的標(biāo)帶隨即被緊壓，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)驅(qū)動驅(qū)動輥轉(zhuǎn)動時，標(biāo)帶在摩擦力的作用下被牽引，精確移動一個標(biāo)簽距。為增加摩擦力防止標(biāo)帶打滑，通常在驅(qū)動輥表面燒結(jié)有黑色聚氨酯，偏心輥表面做噴砂面處理。

2.3 收卷機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析

由于標(biāo)帶相對較薄且對貼一個標(biāo)簽來說，半徑變化較小，因此可認(rèn)為收卷盤是勻速轉(zhuǎn)動，也就是說工作時M慣轉(zhuǎn)動慣量距較小，而摩擦力矩M阻考慮為恒定值，又因?yàn)槭站頇C(jī)構(gòu)的收卷軸與驅(qū)動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動輪由伺服電機(jī)同步帶動，所以兩者角速度始終保持一致，隨著收卷機(jī)構(gòu)的標(biāo)簽底紙卷半徑逐漸增大，收卷盤上的標(biāo)簽帶線速度將大于驅(qū)動輪處標(biāo)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(qū)動機(jī)構(gòu)的壓緊力產(chǎn)生，當(dāng)標(biāo)帶的牽引張力大于驅(qū)動機(jī)構(gòu)的壓緊力的情況下很容易造成標(biāo)簽在剝離時底紙斷裂或底紙滑移，影響標(biāo)簽在出標(biāo)時貼覆位置偏差。又因貼標(biāo)機(jī)在貼標(biāo)后，底紙回收后不再有使用價值，往往在收卷機(jī)構(gòu)上采用傳統(tǒng)機(jī)械式調(diào)節(jié)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(chǎn)中采用此方式不能精確控制張力，性能不穩(wěn)定，這也是造成標(biāo)簽剝離時標(biāo)簽在吸標(biāo)板上位置偏移的原因。

2.4 收卷機(jī)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

如何精確控制收卷張力，保證標(biāo)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(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。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(lián)軸器。只要預(yù)設(shè)的扭矩大于收卷所需的扭矩，且標(biāo)帶底紙的牽引力小于驅(qū)動輪的壓緊力，則在收卷時標(biāo)帶張力是恒定的，不會隨著標(biāo)帶底紙半徑的增大而變化，該方式可實(shí)現(xiàn)柔性啟動并傳遞恒定扭矩，保證標(biāo)簽剝離時標(biāo)簽在吸標(biāo)板上位置不受收卷張力的影響。如圖6所示，在設(shè)計(jì)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(jīng)同步帶與驅(qū)動輪的傳動軸相連，驅(qū)動輪的傳動軸又經(jīng)同步帶與伺服電機(jī)連接，即驅(qū)動輪送標(biāo)與收卷互不干擾。當(dāng)卷料底紙半徑變大時，標(biāo)簽帶張力過載產(chǎn)生滑差打滑，維持預(yù)設(shè)恒定張力，從而保證標(biāo)簽底紙收卷更平穩(wěn)，走帶控制更精確。使用永磁制動器調(diào)整標(biāo)簽張力，無需外加控制器或電源、張力控制準(zhǔn)確，性能可靠，壽命長，無磨損，可有效提高生產(chǎn)效率。

3 改進(jìn)后貼標(biāo)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜上所述，貼標(biāo)機(jī)對貼標(biāo)質(zhì)量的主要影響因素之一是能否保證在貼標(biāo)過程中標(biāo)帶的張力恒定。如何保證標(biāo)帶的張力恒定，提高貼標(biāo)機(jī)的出標(biāo)精度，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上作如圖7示改進(jìn)，（1）在放卷與標(biāo)帶制動之間增設(shè)了恒張力機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)工作時，驅(qū)動輥由步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)驅(qū)動，要求其線速度大于或等于驅(qū)動機(jī)構(gòu)牽引標(biāo)帶的線速度，即驅(qū)動輥牽引標(biāo)帶的距離大于或等于標(biāo)簽的步距。在實(shí)際運(yùn)用中，還可通過檢測浮動輪的上下位置感應(yīng)標(biāo)帶的張緊程度，利用反饋系統(tǒng)調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速使其匹配驅(qū)動機(jī)構(gòu)標(biāo)帶的牽引速度，確保標(biāo)帶張力恒定。（2）在收卷機(jī)構(gòu)中加裝永磁制動器來保證收卷張力的恒定，如圖7示，設(shè)計(jì)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(jīng)同步帶與驅(qū)動輪的傳動軸相連，驅(qū)動輪的傳動軸又經(jīng)同步帶與伺服電機(jī)連接，即驅(qū)動輪送標(biāo)與收卷互不干擾。當(dāng)?shù)准埌霃阶兇髸r，標(biāo)簽帶張力過載產(chǎn)生滑差打滑，維持預(yù)設(shè)恒定張力，從而消除因收卷張力的變化影響出標(biāo)精度。

4 結(jié)束語

文章對自動貼標(biāo)機(jī)的供標(biāo)及收卷機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)分析，找出了影響恒張力的因素，并且對造成貼標(biāo)機(jī)出標(biāo)位置差異的供標(biāo)及收卷機(jī)構(gòu)部分進(jìn)行了改進(jìn)性設(shè)計(jì)，不僅解決了當(dāng)前貼標(biāo)機(jī)貼標(biāo)位置不夠精確的難點(diǎn)，而且能提高貼標(biāo)質(zhì)量和效率，滿足快速生產(chǎn)需求，提升市場競爭力。

參考文獻(xiàn)

[1]潘紹明，羅功坤，蔡啟仲.全自動平面貼標(biāo)機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].制造業(yè)自動化，2010（12）.

[2]楊琦云，李為濤.貼標(biāo)機(jī)供標(biāo)機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].包裝工程，2006（5）.

[3]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊編委會.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（第一卷）3版[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004，8.

[4]金屬切削機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊[M].機(jī)械工業(yè)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(shù)有限公司，職務(wù)：機(jī)械設(shè)計(jì)師，研究方向：家電設(shè)備。