全自動釘箱機雙釘頭系統

吳春紅

（上海平信機電有限公司，上海 201106）

全自動釘箱機雙釘頭系統

吳春紅

（上海平信機電有限公司，上海 201106）

紙箱工藝的最后一道工序是接合，而釘接是目前普遍采用的接合方法之一。在釘接工序中，最關鍵的部件是釘箱機中的釘頭系統。對雙釘頭系統的研發，對產品完善和企業發展十分必要。

全自動釘箱機 釘頭系統工作流程 雙釘頭系統

瓦楞紙箱是一種十分優良的包裝材料，可以代替木質包裝、代替塑料包裝，是綠色、環保、可以回收再利用的包裝材料，符合國家發展規劃，具有良好的發展前景。隨著我國國民經濟的發展，全社會對紙箱包裝的需求量越來越大。在20世紀80年代以前，我國紙箱機械還很落后，處于人工或半人工單機生產狀態。從20世紀90年代起，我國的紙箱行業逐步改變落后局面。目前，已經進入一個初級工業化階段。在包裝機械的發展上，歐美等發達國家已聯動生產線時代，正朝著高速、高效、寬幅、低耗、無污染、智能化、多功能方向發展。我國紙箱機械的發展與發達國家相比，尚存在很大的差距。因此，市場潛力巨大，機會與挑戰并存。

紙箱工藝的最后一道工序是接合，目前主要有3種形式：訂接、粘接、膠帶外貼。訂接法以其粘結牢固可靠而成為瓦楞紙箱，是大規格紙箱最普遍采用的接合方式。在釘箱機接合工序中，最關鍵的部件是釘箱機中的釘頭系統。因此，對于雙釘頭系統的研究、開發、改進包裝機械產品，是完善產品種類、與時俱進、維持生存和良好發展的必要途徑。

1 全自動釘箱機雙釘頭系統工作流程的確定

通常，瓦楞紙模切成型后，從紙模到紙箱的生產過程如圖1所示。

圖1 全自動釘箱機工作流程圖

釘箱部處于機器的中間環節，是關鍵部位之一。釘頭系統的優劣直接決定機器的整個性能。日常生活中，手動訂書機的工藝流程包括裝釘、壓釘、打釘、送釘等環節。以此流程為參照，全自動釘箱機釘頭系統所不同的是加工對象為瓦楞紙板；通過送絲機構將釘用金屬絲送出，并經釘頭系統拉制、剪切加工成型后輸出。整個動作過程則通過驅動系統、傳動系統、控制系統等部分的分工、合作、配合完成。工作流程如圖2所示。

圖2 釘頭系統工作流程圖

2 釘頭系統方案的確定

本次項目以厚度范圍為4～16mm、可加工規格1400mm×3200mm～330mm×720mm的瓦楞紙板對象，最高釘箱速度要求能達到1000釘／分；采用U型釘加工，釘距20～80mm，釘與釘之間可在120～999mm范圍內間歇打釘。

從加工對象、設計的可靠性、承載力、安全系數等方面，主要考慮以下幾種方案。

單釘訂接法。這是比較普遍的、常用的、傳統的瓦楞紙箱接合方法之一。但是，對于1400mm×3200mm這種較大規格尺寸的瓦楞紙箱來說，存在釘接接合力度不夠，不夠牢固，生產而成的紙箱會產生脫釘、包裝強度不夠等問題。

單釘接方式形成雙釘距法。這種方式生產而成的紙箱接合強度和牢固程度均會有大幅度提高，適合本設計中的1400mm×3200mm規格尺寸的瓦楞紙箱的釘接。但是，此種方式為了形成短距雙釘、長距間歇打釘的效果，是一種短距—長距輪換交替方式，增加了電器控制系統的難度。和單釘釘接法相比，同等釘箱速度下，出箱量降低一半。

雙釘釘接法。這種方法通過一次動作、兩釘同時成形的方式完成紙板的釘接。成型的瓦楞紙紙板接合力度比較高，紙箱牢固度比較好，釘型統一、整齊、美觀。出箱量和單釘釘接法不相上下。電器控制模塊的編程也相對比較簡單，易于操作設置。

通過三種方案的比較，決定采用雙釘釘接法的全自動雙釘頭系統。

3 雙釘頭系統結構設計

3.1 雙釘頭系統驅動、傳動部分的設計

根據U型釘尺寸參數，最大規程U型釘總長42mm，釘腳長13.5mm，釘絲厚度為0.5～0.7mm，所加工瓦楞紙板最大厚度為8mm，雙層重疊的厚度則為16mm。假設釘腳與所加工瓦楞紙板最上層平面間距為40mm，可推測：系統中釘頭切刀的單向行程為13.5+0.7+16+40=70.2（mm），保守取見，取72mm；由于打釘過程是循環往復運動的，則釘頭切刀動作行程為72×2=144（mm/次）；又由于系統最高打釘速度要求是1000釘/分，即電機最高速運轉情況下，釘頭所能達到的打釘速度，因此以1000釘／分的打釘速度為設計參考。

于是，可以算出釘頭系統的打釘平均速度為：

V=S/t=144÷（60/1000）=2400mm/s=2.4m/s；

一個常規釘頭系統打釘所需的力約為300～400N，以400N為計算參考。

根據功率的計算公式，系統完成一次打釘動作所需的功率為：

P0=F·V=400×2.4=960（W）=0.96kW

同步帶是一種兼有鏈、齒輪、三角皮帶優點的傳動零件，其傳動效率可以達到98%～99.5%，比較適合應用于釘頭系統。

因此，系統輸出的有效功率為：

P=P0/η=0.96/(0.98×0.98)=0.999kW≈1.0kW。

可見，電機所需功率P電≥1.0kW。考慮到系統與一些引進設備的配套，傳動軸空間位置的安放等方面，決定采用同步帶輪二級傳動。

初步釘頭系統的傳動比為3，則電機的轉速最高應能夠達到3000轉/min。

至此，系統所需的伺服電機選型參考功率為P電≥1.0W，最高轉速為3000轉/min。

為了使系統結構緊湊，滿足動態性能和提高傳動精度的要求，本設計的雙釘頭系統計劃采取2級傳動。按照傳動比“先小后大”的分配原則，初定i1=1.5，i2=2。在第一級傳動中，考慮傳動裝置傳動的精確性、傳遞的扭矩大、傳動功率損失小、使用壽命長等因素，選用圓弧齒同步帶；在第二級傳動中，采用更經濟、簡便、通用的梯齒同步帶。雙釘頭傳動系統簡化如圖3所示。

圖3 雙釘頭傳動系統

3.2 雙釘頭系統工作流程的設計

全自動釘箱機雙釘頭系統的工作流程可以概括為三個部分：連桿控制部分、送絲部分、打釘部分。

3.2.1 連桿控制部分的動作設計

在雙釘頭系統的設計中，打釘動作需要準確的方向和行程控制；釘絲拉切成型部分需要方向及行程控制；打釘底托部分需要配合打釘部件的同步和位置準確的要求。因此，將釘頭系統的連桿控制部分分為三個部分組成——切刀運動控制的連桿機構、釘絲拉絲成型控制的連桿機構、打釘底托聯動控制的連桿機構，如圖4所示。

圖4 三部分連桿機構組合示意圖

在連桿機構設計中，要實現預期的確定運動，自由度的計算非常重要。在自由度公式W=3n-2P5-P4中，n為機構的活動構件數；P4、P5分別為五級運動副及作平面運動的高副數。

W應滿足：（1）W＞0；（2）W數等于機構的主動件。

本雙釘頭系統三部分連桿機構的自由度計算如下：

切刀運動控制部分的連桿機構中，n=4，P5=5，P4=1；自由度W=3×4-2×5-1=1。

釘絲拉絲成型控制連桿機構中，n=4，P5=5，P4=1；自由度W=3×4-2×5-1=1。

打釘底托聯動控制連桿中n=5，P5=6，P4=2；自由度W=3×5-2×6-2=1。

為了使這三部分連桿機構的同步、同速、準確、協調地工作，用偏心軸來實現其高副的運動。此軸既為系統動力傳動部分的二級傳動軸，又是連桿機構的動力源。

3.2.2 送絲機構的動作設計

由于機器高速運轉的特點，最高送紙速度可以高達每小時5000張或更高。無論是單釘頭系統還是雙釘頭，使用市場上既已成型的釘型產品，顯然不能實現高速運轉的要求，釘子的高速頻繁的裝載也是難以克服的課題，而獨立的送絲機構則是比較可靠的方案。

送絲部分主要需要考慮釘絲卷的固定、釘絲輸送過程中的方向控制和張緊調節等問題。在釘絲卷固定架的設計上，仿真樹枝丫的形式。而定絲輸送過程中的方向控制上，使用了龍嘴型設計和彈簧管，通過可調節旋鈕來完成釘絲張緊力調節。

3.2.3 打釘機構的動作設計

圖5為雙釘頭系統結構模型圖。

圖5 雙釘頭系統結構模型圖

打釘機構由釘頭切刀裝置和打釘底托部分組成。當釘絲被送入內切通道，經釘絲切刀切斷，隨后拉絲成U型送入釘頭端口，隨切刀升降桿的下降動作完成打釘的動作過程，循環往復。

釘頭切刀裝置由固定架、釘絲成型升降桿、切刀升降桿、釘絲壓桿、釘絲切刀等部分組成。釘絲成型升降桿以固定架為支撐，通過固定架中的滑槽滑動；切刀升降桿以釘絲成型升降桿為依托，在釘絲成型升降桿的滑槽內上下滑動；釘絲壓桿的作用是將輸入的釘絲壓入到位，防止釘絲偏移影響切斷效果，同時在切刀升降桿下降時，能夠外彈為下降桿提供下降通道。

打釘底托裝置由底架、打釘托、連接固定架、壓紙彈片等組成。底架起支撐瓦楞紙箱板和固定打釘托的作用；打釘托與落下的釘頭位置對準，以便釘箱成型；壓紙彈片壓著紙箱板的上表面，起壓紙定型作用；連接固定架則為固定壓紙彈片、固定聯動控制連桿機構等部分而設。

4 實踐與總結

經過測試，具有雙釘頭系統的全自動釘箱機的生產速度最高可達5000箱/小時，是人工產能的百倍。綜上所述，雙釘頭系統的全自動釘箱機更能適合包括大型紙板在內的釘接接合，牢固度更高、更可靠、釘型美觀、品質高。

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Double Nail Head System of Fully Automatic Nail Box Machine

WU Chunhong
(Shanghai Pingxin electromechanical Co. Ltd, Shanghai 201106)

The last working procedure of carton technology is bonding, and the bonding is one of the common methods used in the paper. In the process of nail joint, the most important part is the nail head system. The research and development of the twin screw head system is very necessary for the improvement of the product and the development of the enterprise.

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