高速凸版瓶蓋曲面印刷機(jī)減振機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

許中明，王鴻博，王昌佑，夏偉

(1.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東佛山 528333;2.廣東隆興包裝實(shí)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(diǎn)，近年來(lái)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(dòng)了市場(chǎng)對(duì)相關(guān)印刷設(shè)備的大量需求。國(guó)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(dòng)化程度低;國(guó)外廠家如意大利OMSO 公司、CALF 公司以及韓國(guó)GCM 公司等，已采用技術(shù)更為先進(jìn)的高速凸版曲面膠印工藝［3-4］。然而國(guó)外進(jìn)口設(shè)備價(jià)格昂貴，國(guó)內(nèi)絕大部分包裝印刷企業(yè)無(wú)力購(gòu)買。因此，對(duì)高速凸版瓶蓋曲面印刷機(jī)進(jìn)行自主研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，能大大提升國(guó)內(nèi)瓶蓋印刷設(shè)備的技術(shù)水平，促進(jìn)國(guó)內(nèi)包裝生產(chǎn)企業(yè)設(shè)備與技術(shù)的升級(jí)換代。在高速凸版瓶蓋曲面印刷機(jī)的自主研發(fā)中，減振機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是其中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它對(duì)印刷速度、精度等主要性能指標(biāo)有重要影響。

1 高速凸版瓶蓋曲面印刷機(jī)的系統(tǒng)組成與工作原理

高速凸版瓶蓋曲面印刷機(jī)由傳動(dòng)系統(tǒng)、輸送檢測(cè)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(jī)和承印裝置兩部分組成，如圖1 所示。

圖1 瓶蓋曲面印刷機(jī)印刷固化系統(tǒng)的工作原理圖

印刷主機(jī)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(jìn)分度轉(zhuǎn)盤1、安裝在分度轉(zhuǎn)盤上的模把2 及驅(qū)動(dòng)料盤步進(jìn)旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)裝置組成，模把2 上安放承印件。印刷主機(jī)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(dòng)，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(jī)的承印裝置與基座固定，而印刷主機(jī)則通過(guò)滑塊和直線導(dǎo)軌副安裝在基座上，可通過(guò)位于主機(jī)底部的絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)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(jī)的振動(dòng)分析

瓶蓋曲面印刷機(jī)工作轉(zhuǎn)速較低時(shí)，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(shí)，印刷主機(jī)振動(dòng)已變得很大。由于主機(jī)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(dòng)對(duì)印刷質(zhì)量影響很大，甚至?xí)?dǎo)致無(wú)法印刷。

根據(jù)印刷主機(jī)的振幅與轉(zhuǎn)速相關(guān)這一現(xiàn)象，可判斷該振動(dòng)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(dòng)時(shí)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(duì)印刷主機(jī)振動(dòng)的影響程度，需對(duì)主機(jī)進(jìn)行受力分析，見圖2。由于印刷主機(jī)整體比較重，Y 方向通常不會(huì)產(chǎn)生很大振動(dòng)，振動(dòng)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(jī)受力分析圖

印刷主機(jī)水平方向受到3 個(gè)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(jī)滑塊受到的與運(yùn)動(dòng)方向或其趨勢(shì)相反的摩擦力ff，絲桿對(duì)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(dòng)角速度，ω=2πn/60;e 為偏心距。

可根據(jù)GB/T 9239.1-2006 (ISO1940-2003) 《機(jī)械振動(dòng) 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(jī)的使用要求，選定轉(zhuǎn)印大鼓輪平衡精度等級(jí)為G100 (即eper× ω=100)［5］，該等級(jí)允許的最大偏心距

將瓶蓋印刷機(jī)主機(jī)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(gè)/min 計(jì)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(dòng)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(jì)算時(shí)為安全起見取0.02［6］;N1、N2為壓力;G 為印刷主機(jī)重力。

將μ=0.02，G=12 000 N 代入式(2)，得ff=240 N。

(3)絲桿對(duì)螺母的作用力Fs

印刷主機(jī)縱向位置的調(diào)整是通過(guò)安裝在其底部的絲桿螺母機(jī)構(gòu)來(lái)完成的，因此在主機(jī)移動(dòng)過(guò)程中，絲桿對(duì)螺母有一個(gè)作用力，但該力只是在螺母和絲桿有接觸時(shí)存在，大小與接觸變形成正比，由于印刷機(jī)工作時(shí)，絲桿位置保持不變，因此該力并非導(dǎo)致印刷主機(jī)振動(dòng)的原因。

上面計(jì)算結(jié)果表明:印刷主機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，所受到的離心力大于靜摩擦力，因此主機(jī)會(huì)朝離心力作用方向移動(dòng)。由于印刷主機(jī)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(dòng)產(chǎn)生的一個(gè)重要條件。由于底部傳動(dòng)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(jī)每次朝螺紋有間隙一側(cè)移動(dòng)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(dòng))。因此，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，印刷主機(jī)會(huì)在絲桿螺母副間隙范圍內(nèi)作周期性來(lái)回竄動(dòng)。

3 減振機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由上面的分析可知，要降低瓶蓋曲面印刷機(jī)在高速工作時(shí)的振動(dòng)可從兩方面著手:(1)減小轉(zhuǎn)印大鼓輪質(zhì)量中心相對(duì)其回轉(zhuǎn)中心的偏心距，從而減小引起振動(dòng)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(guò)靜平衡試驗(yàn) (由于D/l≥5，因此只需進(jìn)行靜平衡［5，7］)進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)印大鼓輪平衡精度等級(jí);而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，可增加絲桿螺母間隙消除機(jī)構(gòu)。由于提高平衡精度等級(jí)成本高，且很難完全消除不平衡，因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上重點(diǎn)考慮增加絲桿螺母間隙消除機(jī)構(gòu)。

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

圖3 開合螺母機(jī)構(gòu)

圖4 調(diào)整片雙螺母機(jī)構(gòu)

圖5 齒輪齒條雙螺母機(jī)構(gòu)

圖6 氣動(dòng)減振機(jī)構(gòu)

圖6 中，電機(jī)7 安裝在基座2 上，通過(guò)裝在其輸出軸上的齒輪9 將運(yùn)動(dòng)傳至齒輪10 和11，齒輪10 和11 分別安裝在對(duì)稱布置于電機(jī)7 兩側(cè)的兩個(gè)絲杠螺母機(jī)構(gòu)3 和5 的絲桿軸上，該絲杠螺母機(jī)構(gòu)的螺母安裝在安裝板6 上，而安裝板6 與印刷機(jī)主機(jī)底座相連接，因此通過(guò)控制電機(jī)7 的轉(zhuǎn)動(dòng)，就可以沿縱向移動(dòng)印刷主機(jī)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(jī)構(gòu)間隙的消除是通過(guò)兩對(duì)稱布置的氣缸8、氣缸12 的作用來(lái)實(shí)現(xiàn)，這兩個(gè)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(jī)位置時(shí)，先通過(guò)可編程控制器控制電機(jī)7 的轉(zhuǎn)動(dòng)，將主機(jī)移動(dòng)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(gè)適當(dāng)?shù)淖饔昧Γ撟饔昧傻窒椒较螂x心力的作用，從而避免主機(jī)來(lái)回竄動(dòng)。

間隙消除機(jī)構(gòu)對(duì)稱分布的兩個(gè)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(jī)的振動(dòng)迅速衰減，因此這種氣動(dòng)減振機(jī)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(jī)構(gòu)。

氣動(dòng)減振機(jī)構(gòu)應(yīng)用于高速凸版瓶蓋曲面印刷機(jī)后，印刷主機(jī)的振動(dòng)大大降低，目前主機(jī)框架頂部振幅不超過(guò)1.39 mm，優(yōu)于國(guó)內(nèi)同行廠家。

4 結(jié)束語(yǔ)

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

(2)氣動(dòng)減振機(jī)構(gòu)不但可以消除絲桿螺母機(jī)構(gòu)的間隙，而且可對(duì)振動(dòng)進(jìn)行衰減，效果優(yōu)于開合螺母、雙螺母等剛性間隙消除機(jī)構(gòu)。

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