基于薄膜等材料的雙芯可選復卷裝置設計

王曉慧，翁茂榮，馬雷明，徐 杭

（浙江工貿職業技術學院，浙江溫州 325000）

0 引言

目前市場上大部分復卷設備都是針對有芯的繞卷，這些復卷設備的技術都已經比較成熟。但是由于顧客的需求不同，企業也需要生產無芯繞卷。紙筒芯軸作為有芯繞卷的重要組成成分，在環保水平以及資金成本上，使其都劣于無芯繞卷。如圖1所示。

圖1 有芯繞卷和無芯繞卷

在傳統復卷機上，如果要生產出空心卷筒紙[1]，可以利用前卷取輥、后卷取輥、設置導輥，放置好原料卷筒紙，同時運用壓紙輥、芯軸支撐體共同構成空心卷筒紙裝置，實現這個功能需要工人花費較多時間去干預，工作效率低，最終造成生產效率低下[2]。不少廠家為了節約成本，兼顧提高環保水平，取消支撐硬紙筒等支撐機構，此舉反而造成傳統的復卷機構難以運作，故障頻發。市場上也有不少改裝有芯復卷機生產無芯繞卷案例，機器改造后往往出現繞卷結束芯棒回縮脫出、成品橫向移動距離過大等情況，以至于目前市場上一直缺少能夠同時實現無芯繞卷技術和有芯繞卷技術兩用的產品功能的設備[3]。其中有芯復卷工作原理如圖2所示。

圖2 有芯復卷工作原理

福伊特蘇爾壽公司（VOITH SULZER）和美卓公司（Metso）是目前國際上技術領先的復卷機制造及有芯繞卷技術設計應用企業，其有芯繞卷技術已非常成熟，并深深影響到其他國家地區的復卷機制造企業[4]。無芯復卷機制造技術的推廣，要追溯到挪威的Bragerne 公司，該企業設計開發的BM-1005-1000產品，能夠實現每分鐘150卷（450 m）的卷取速度，全程不需工人的額外參與，通過無芯軸實現高速自動復卷。縱觀國內外相關文獻及目前市場常見復卷技術，以有芯繞卷技術設備居多，高效無芯繞卷設備較少見，雙芯兩用功能設備還未見相關產品[5]。

上述利用前卷取輥、后卷取輥，實現無芯復卷工作設備，國內也有產品應用，但其工作原理實際上還是利用氣脹軸作為芯軸[6]，完成復卷工作，后期工人需要手動抽出芯軸，因為非全自動完成，固工作效率降低，復卷設備難以提升速度。目前研究主要是如何把有芯繞卷機器改造為無芯繞卷，幾乎沒有對一臺機器如何實現雙芯兩用的技術進行研究，且有的也只是處于研究報告和理論設計層面之上，而沒有真正能夠用于實際生產上。個別期刊和專利中設計雙芯功能，具有控制不方便，PLC控制成本高[7]，不便于產業化等特點。

工業技術的不斷進步、客戶對產品質量要求的不斷提升、市場對繞卷種類需求的不斷擴大，不斷刺激繞卷復卷設備生產企業朝著功能多樣、高效運作方向不斷開發，行業不斷發展，雙芯可選復卷裝置設計理念也由此產生。

1 自動換卷技術

本文根據雙芯可選復卷裝置要求設計開發了一種雙芯兩用可選復卷裝置，主要用于對各種原料如紙類、薄膜等材料進行繞卷和復卷，從而實現便于運輸和儲存。繞卷復卷等工作在現有的復卷機器上很容易實現，但是由于不同用途的原料所要求的繞卷種類不同，因此目前市場上常見設備要么是有芯復卷裝置[8]，要么是無芯復卷裝置。未見有一臺復卷裝置上實現雙芯兩用可選功能，本課題針對這個難點進行了研究，在同一臺復卷裝置上實現兩芯可選功能，根據需要可以實現有芯復卷和無芯復卷的兩種功能的切換，最終實現降低作業成本，拓展設備適用范圍等特點。

其主要由起卷機構、繞卷結構、收卷機構、傳動機構、退位機構等組成，該產品具有雙芯軸及雙芯軸用軸套，可以實現兩芯切換功能，在選用無芯復卷時，所采用的芯棒是錐形槽軸[9]，因為芯軸錐度太大會導致繞卷時受力不均影響繞卷質量，錐度太小會導致無芯繞卷時退卷不順利從而影響繞卷效率和質量；槽的深度和個數也會影響收卷退卷，槽深和個數也是要經過多次仿真和實驗確定的最佳值，從而確保起卷和繞卷質量。

2 雙芯可選復卷技術機構設計

2.1 總體機構設計

本文所述復卷裝置的設計，其設備結構主要包括轉盤、機架、驅動軸、軸套、下料裝置、卷袋裝置。其中卷袋裝置是主要設計單元。

卷袋裝置包括兩個同軸設置的轉盤2，其中一個固定設置，另一個可轉動。驅動軸3 從兩個同軸線的轉盤中心位置穿插過，利用軸承實現與機架的可活動連接，軸承則通過固定在轉盤2上面的軸套保持空間位置不變，并與驅動軸3完成轉動配合。如圖3所示。

圖3 總體結構設計

2.2 起卷機構設計（無芯起卷）

有芯起卷較為簡單，是裝備所帶；選用無芯繞卷時，則需要進行更換錐形槽軸，并且控制不同的吹氣棒進行吹氣，一個吹氣棒安裝在芯軸的上前方機架上，氣棒上有吹氣孔，吹氣孔有多個，朝向錐形槽軸的槽處進行吹氣（為了退卷順利）[10]，另外兩個則是朝向材料表面的不同位置和角度進行吹氣，利用槽軸摩擦力和氣體壓力使得材料順利起卷。如圖4所示。

圖4 無芯組合件芯軸

2.3 無芯繞卷機構設計（芯軸設計）

為了可以實現雙芯兩用，又能保證無芯繞卷質量和退卷順利，設計了無芯復卷用的錐形槽軸，因為芯軸錐度太大會導致繞卷時受力不均影響繞卷質量，錐度太小會導致無芯繞卷時退卷不順利從而影響繞卷效率和質量；芯桿與中間管設有導向槽配合機構，導向槽的深度和個數也會影響收卷退卷，槽深和個數也是要經過多次仿真和實驗確定的最佳值的導向柱。如圖5所示。

圖5 有芯繞卷芯軸

固定管與中間管在同一軸線、中間管與芯棒也在同一軸線，三者共同構成芯桿機構，轉盤上安裝固定管，中間管在固定管中可轉動，并通過軸承保持徑向位移不變。中間管中放置芯棒，在軸向上，芯棒相對中間管可軸向滑動，且同樣保持徑向位移不變。芯棒長度保證其前后可在中間管兩端伸出。芯棒的軸向移動通過桿身上的彈性限位塊，與靠近中間管活扣一段設置的限位套中的限位凹槽相配合來限制。固限位套的內徑不能小于芯桿的外徑，屬于間隙配合。

2.4 收卷機構設計（可變量程氣缸、退位裝置）

有芯繞卷在完成材料復卷工作后，芯軸需要回縮，并脫出材料，其橫向移動距離有一定要求，由于存在紙管，該橫向距離與無芯繞卷所需距離差別較大[11]。有芯回縮距離較近，無芯繞卷則需要回縮距離較大，因此在收卷退位控制方面換用了可調節行程氣缸控制；并且利用導向桿、驅動架以及氣缸等形成的機構能提供更長距離的橫向移動，可以適用無芯和有芯的繞卷。

氣缸固定在驅動架上，它是作為驅動架在導向桿移動的動力源，其活塞桿與芯桿同軸，另設有U 型活扣，活扣兩端設有橫向限位部，芯桿與活扣靠近的位置，設有連接盤，用于端部連接，對于兩個橫向限位部，要求其間距小于連接盤外徑，但要大于芯桿的外徑，另限位部與U 型扣間距不小于連接盤厚度，U 型扣位置要在芯桿繞轉盤中心旋轉圓形軌跡上。為適用雙芯可用繞卷工作，上述氣缸活塞桿可通過推動連接盤，實現驅動機構的橫向距離隨不同工作場景改變。

2.5 雙用軸套的設計

為了實現雙芯兩用可選，所設計的與無芯繞卷芯軸用軸套孔的長度和精度有非常高的要求，孔的長度太長會使得設備尺寸增加，太短會即降低軸套和芯軸的同軸度，影響繞卷質量；孔的精度也直接影響芯軸在軸套里的跳動量，從而影響退卷和繞卷，因此要求較高。

中心軸和套管設置同軸，但可以獨立旋轉，促使兩個芯桿也能獨立傳動工作，該設計方式既維持機器穩定工作，又優化和節約機器整體空間。如圖6所示。

圖6 兩用軸套

2.6 控制系統設計

有芯繞卷和無芯繞卷采用一體化控制。利用可調行程開關進行繞卷種類選擇；采用光電式開關傳感器對繞卷的位置信息進行采集；利用PLC對起卷和收卷進行直接控制。

3 復卷過程實現

3.1 卷袋具體機構

卷袋裝置包括兩個同軸設置的轉盤2，其中一個固定安裝、一個可旋轉運動。

3.2 卷帶具體實現過程

驅動軸從兩個同軸線的轉盤中心位置穿插過，利用軸承實現與機架的可活動連接，軸承則通過固定在轉盤上面的軸套保持空間位置不變，并與驅動軸完成轉動配合。轉盤的動力則是通過電機驅動機架齒輪-機架齒輪與轉盤邊緣齒牙嚙合-轉盤旋轉，從而實現動力輸入。

兩個芯桿相對于可轉動轉盤的中心對稱設置，可實現周向轉動和軸向運動[12]。套管與中心軸通過圓形軸承套接，共同構成驅動軸，套管軸承外圈、中心軸軸承內圈均固定連接，套管軸承內圈、中心軸軸承外圈非固定連接。

中心軸、套管兩端共設置有4個皮帶輪（皮帶輪一、皮帶輪二、皮帶輪三、皮帶輪四），兩個芯桿也分別設置有兩個皮帶輪（皮帶輪五、皮帶輪六），其中皮帶輪二與皮帶輪六、皮帶輪四與皮帶輪五分別通過皮帶傳動實現動力傳輸。

通過設計兩個獨立的驅動機構（驅動電機），利用皮帶聯動原理，分別驅動皮帶輪一、皮帶輪三，再通過皮帶輪一、皮帶輪三分別驅動中心軸及套管，形成兩個動力傳遞路線。傳遞路線一：驅動電機-皮帶輪一、中心軸-皮帶輪二-皮帶輪六-芯桿；傳遞路線二：驅動電機-皮帶輪三-套管-皮帶輪四-皮帶輪五-芯桿；兩個動力傳遞路線獨立穩定運行，整體驅動設計結構最終節約了空間、實現了驅動距離的橫向可移動，能夠滿足無芯、有芯雙芯可選運行功能。

圖7 驅動機構

4 結束語

通過對現有有芯繞卷裝置的起卷機構（無芯）、繞卷結構、收卷機構、雙芯軸及雙芯軸用軸套的改進和創新設計，實現了兩芯切換功能[12]。最后通過實驗調試驗證本復卷機可以實現有芯復卷和無芯復卷的兩種功能的切換，本產品可適用于塑料袋、薄膜等有芯繞卷和無芯繞卷，穩定性和多功能性得到了足夠的體現，其作用所產生的效益是不可估量的，因此本產品具有很好的經濟效益。具有成本低、適用范圍廣等特點。

適用場合有芯卷（塑料袋、薄膜等）和無芯卷（塑料袋、薄膜等）的分切和復卷，適應不同客戶和不同材質所需繞卷種類的需求，多功能化復卷裝置提高了生產效率和降低了經濟成本；繞卷長度為300～600 mm；繞卷寬度為200～400 mm；制品厚度為0.01 mm；電動機功率為10 kW。