印后智能制造

王小強+武吉梅+劉琳琳

項目背景

我國制造業發展參差不齊，有些行業的產業化水平比較高，可能已經達到了數字化和智能化，但是有些行業還處在一個水平比較低端的人工作業階段，如書刊印刷裝訂行業。

長期以來，我國書刊印刷裝訂與印刷存在著嚴重的不平衡狀態，產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展落后于印刷機的發展。

近幾年，隨著印刷行業對印后市場的關注度增加，以及勞動力成本越來越高，推動了書刊印后設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、質量穩定以及裝訂美觀等特點，成為書刊裝訂的主流工藝，其主要生產設備——配頁膠訂聯動生產線正朝著自動化、數字化、智能化、功能多樣化的方向發展。

目前8開試卷類教材教輔持續熱銷和快速增長，而國內外只有普通規格的（16開、32開）配頁膠訂聯動線，8開、大8開書刊只能人工刷膠裝訂和單機生產。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90°，轉換成短邊朝下，才能進入膠訂機膠訂。

項目研發過程

南通三精機械制造有限公司根據客戶的要求，定制了大8開配頁聯動線，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動。但8開試卷需要人工翻轉90°才能進入膠訂機膠訂，為此客戶要求解決8開試卷自動翻轉問題。

普通工業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以下的工業機器人。在大量了解機器人設計資料基礎上，終于設計出模擬人工翻轉8開試卷的專用機器人：利用氣動手指抓放8開試卷，采用旋轉氣缸加擺臂讓抓取8開試卷的氣動手指來回擺動，實現翻轉，并用小旋轉氣缸實現手腕的小幅往復擺動，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開紙張已經遠離配頁機的撥桿，避免紙張翻轉過程中與撥桿產生干涉。如圖1、圖2所示。

由于旋轉氣缸達到每分鐘25次以上時，工作頻率高，其油壓緩沖器在短時間內失效，導致翻轉擺動震動大，不穩定，無法保證正常連續翻轉工作，找遍了國內外生產油壓緩沖器的廠家，都解決不了這個問題。為此，又設計了用伺服電機驅動的共軛凸輪機構實現連續翻轉擺動，這樣集成到生產線上，形成順序型控制工業機器人，有3個旋轉自由度和1個移動自由度，經過兩個用戶的工業性試驗，完成模擬人工在配頁膠訂生產線上連續翻轉8開試卷進入膠訂機膠訂。

主要裝訂工藝流程

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

書芯翻轉機器人總體設計

如圖4所示：人機界面為上位機，完成參數設置，工作模式選擇，運行命令給定。如工作模式選擇設置為單配頁、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，如通過旋轉編碼器位置檢測，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，“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，驅動共軛凸輪機構擺桿擺動，從而帶動氣動手指和抓取的8開書芯翻轉；“氣動電磁閥2”工作在氣動手指松開8開書芯時，手腕小旋轉氣缸小幅擺動，快速放下8開書芯；這樣連續實現8開書芯加速—氣動手指夾緊—共軛凸輪機構擺動帶動氣動手指和8開書芯翻轉，然后已翻轉成垂直狀態的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不工作，擺桿不擺動，書芯翻轉機器人不工作，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。

結束語

“基于工業機器人的大八開膠訂生產線”，應用工業機器人技術，自主設計研制成功書芯翻轉機器人，從而實現了大8開試卷配頁與膠訂全自動聯動，該生產線為國內外首創，熱熔膠膠訂，牢固美觀，比手工節省10人，人均生產效率提高5倍；比單機節省5人，生產周期縮短一半，人均生產效率提高2倍，必將取代手工和單機生產，為用戶“機器換人”成為可能。

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