印后智能制造

王小強+武吉梅+劉琳琳

項目背景

我國制造業(yè)發(fā)展參差不齊，有些行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化水平比較高，可能已經(jīng)達到了數(shù)字化和智能化，但是有些行業(yè)還處在一個水平比較低端的人工作業(yè)階段，如書刊印刷裝訂行業(yè)。

長期以來，我國書刊印刷裝訂與印刷存在著嚴(yán)重的不平衡狀態(tài)，產(chǎn)生的原因主要有以下幾個方面：首先，印刷工序單一，而裝訂工序繁多，造成工作量相差懸殊；第二，書刊的品種規(guī)格和紙張及裝訂材料的變化幅度大，也使裝訂工作量大大增加；第三，書刊印刷裝訂機械的發(fā)展落后于印刷機的發(fā)展。

近幾年，隨著印刷行業(yè)對印后市場的關(guān)注度增加，以及勞動力成本越來越高，推動了書刊印后設(shè)備一直保持著快速增長的趨勢。

書刊熱熔膠膠訂工藝具有工序少、速度快、周期短、質(zhì)量穩(wěn)定以及裝訂美觀等特點，成為書刊裝訂的主流工藝，其主要生產(chǎn)設(shè)備——配頁膠訂聯(lián)動生產(chǎn)線正朝著自動化、數(shù)字化、智能化、功能多樣化的方向發(fā)展。

目前8開試卷類教材教輔持續(xù)熱銷和快速增長，而國內(nèi)外只有普通規(guī)格的（16開、32開）配頁膠訂聯(lián)動線，8開、大8開書刊只能人工刷膠裝訂和單機生產(chǎn)。16開、32開的紙張膠訂位置就是長邊，在配頁機中配頁時，只需要將16開、32開的紙張按照長邊在底端從配頁機中出來，直接膠訂長邊，不需要翻轉(zhuǎn)90°，而8開試卷需要膠訂短邊，在配頁機中配頁時，只能將長邊放在底端，從配頁機中出來，必須翻轉(zhuǎn)90°，轉(zhuǎn)換成短邊朝下，才能進入膠訂機膠訂。

項目研發(fā)過程

南通三精機械制造有限公司根據(jù)客戶的要求，定制了大8開配頁聯(lián)動線，成功研制了8開試卷進書機械手，將8開配頁機與圓盤膠訂機聯(lián)動。但8開試卷需要人工翻轉(zhuǎn)90°才能進入膠訂機膠訂，為此客戶要求解決8開試卷自動翻轉(zhuǎn)問題。

普通工業(yè)機器人需要十幾萬元甚至二十幾萬元，且速度慢，集成成本高。在市場上也沒有找到我們需要的1kg以下的工業(yè)機器人。在大量了解機器人設(shè)計資料基礎(chǔ)上，終于設(shè)計出模擬人工翻轉(zhuǎn)8開試卷的專用機器人：利用氣動手指抓放8開試卷，采用旋轉(zhuǎn)氣缸加擺臂讓抓取8開試卷的氣動手指來回擺動，實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，并用小旋轉(zhuǎn)氣缸實現(xiàn)手腕的小幅往復(fù)擺動，便于快速放開8開紙張。采用加速裝置在氣動手指抓取8開紙張之前進行加速和定位，在氣動手指到達抓取位置時，8開紙張已經(jīng)遠離配頁機的撥桿，避免紙張翻轉(zhuǎn)過程中與撥桿產(chǎn)生干涉。如圖1、圖2所示。

由于旋轉(zhuǎn)氣缸達到每分鐘25次以上時，工作頻率高，其油壓緩沖器在短時間內(nèi)失效，導(dǎo)致翻轉(zhuǎn)擺動震動大，不穩(wěn)定，無法保證正常連續(xù)翻轉(zhuǎn)工作，找遍了國內(nèi)外生產(chǎn)油壓緩沖器的廠家，都解決不了這個問題。為此，又設(shè)計了用伺服電機驅(qū)動的共軛凸輪機構(gòu)實現(xiàn)連續(xù)翻轉(zhuǎn)擺動，這樣集成到生產(chǎn)線上，形成順序型控制工業(yè)機器人，有3個旋轉(zhuǎn)自由度和1個移動自由度，經(jīng)過兩個用戶的工業(yè)性試驗，完成模擬人工在配頁膠訂生產(chǎn)線上連續(xù)翻轉(zhuǎn)8開試卷進入膠訂機膠訂。

主要裝訂工藝流程

如圖3所示，書帖經(jīng)配頁機自動配頁集成書芯，經(jīng)過輸送翻轉(zhuǎn)和氣動剔除，16開、32開書芯直接通過聯(lián)動輸送帶，自動進入膠訂機膠訂，而8開書芯要經(jīng)過書芯翻轉(zhuǎn)機器人翻轉(zhuǎn)后才能進入膠訂機膠訂。

書芯翻轉(zhuǎn)機器人總體設(shè)計

如圖4所示：人機界面為上位機，完成參數(shù)設(shè)置，工作模式選擇，運行命令給定。如工作模式選擇設(shè)置為單配頁、單膠訂、連線；8開，16開、32開；PLC作為下位機，完成開關(guān)量控制，以及與變頻器、電磁閥線圈、伺服電機控制器通訊的實現(xiàn)，如通過旋轉(zhuǎn)編碼器位置檢測，反饋信號給PLC、再由PLC給伺服控制器動作信號。

選擇“8開”狀態(tài)，“伺服電機2”工作，將8開書芯加速；氣動電磁閥1工作，氣動手指夾緊8開書芯；“伺服電機1”工作，驅(qū)動共軛凸輪機構(gòu)擺桿擺動，從而帶動氣動手指和抓取的8開書芯翻轉(zhuǎn)；“氣動電磁閥2”工作在氣動手指松開8開書芯時，手腕小旋轉(zhuǎn)氣缸小幅擺動，快速放下8開書芯；這樣連續(xù)實現(xiàn)8開書芯加速—氣動手指夾緊—共軛凸輪機構(gòu)擺動帶動氣動手指和8開書芯翻轉(zhuǎn)，然后已翻轉(zhuǎn)成垂直狀態(tài)的8開書芯在配頁機撥桿帶動下，通過過橋輸送帶輸送進入膠訂機膠訂。

選擇“16開、32開”，伺服電機1、2不工作，氣動電磁閥1、2不工作，氣動手指和共軛凸輪機構(gòu)不工作，擺桿不擺動，書芯翻轉(zhuǎn)機器人不工作，16開或32開書芯在配頁機撥桿帶動下，直接通過過橋輸送帶輸送進入膠訂機膠訂。

結(jié)束語

“基于工業(yè)機器人的大八開膠訂生產(chǎn)線”，應(yīng)用工業(yè)機器人技術(shù)，自主設(shè)計研制成功書芯翻轉(zhuǎn)機器人，從而實現(xiàn)了大8開試卷配頁與膠訂全自動聯(lián)動，該生產(chǎn)線為國內(nèi)外首創(chuàng)，熱熔膠膠訂，牢固美觀，比手工節(jié)省10人，人均生產(chǎn)效率提高5倍；比單機節(jié)省5人，生產(chǎn)周期縮短一半，人均生產(chǎn)效率提高2倍，必將取代手工和單機生產(chǎn)，為用戶“機器換人”成為可能。

印刷行業(yè)特別是印刷裝訂廠仍處于“工業(yè)2.0”（電氣化）的后期階段，“工業(yè)3.0”（自動化）有待普及或補缺，“工業(yè)4.0”（數(shù)字化、智能化）剛剛開始，因此，轉(zhuǎn)型升級向印后“智”造發(fā)展，將大有作為。endprint