一種床墊卷包機預壓機構的設計

摘要：針對床墊卷包機生產過程中會造成彈簧無紡布袋破損，且上一張床墊卷包完成后要停機才可投放下一張床墊，不能連續生產，效率低下等問題，根據實際情況分析原因，設計出了皮帶預壓機構，詳細介紹了該機構的具體結構與功能，解決了卷包生產過程中所存在的問題。

關鍵詞：彈簧床墊；卷包機；無紡布；預壓

中圖分類號：TH122? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）17-0044-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.17.012

0? ? 引言

從設計到生產，再從生產到改良和優化，如今各行各業的機械化生產越來越普及[1]。床墊卷包機主要是在無紡布袋裝彈簧床墊生產廠家中使用，作用是把袋裝彈簧粘膠機粘接出來的半成品床墊進行多張壓縮，卷包為一卷（比如10張2 000 mm×2 000 mm×200 mm的半成品床墊可以壓縮卷包為1卷外徑700 mm×2 000 mm長的圓柱體），很大程度上方便生產廠家的存儲、運輸，從而節省倉儲空間，降低運輸成本。

1? ? 床墊卷包機的工作原理

床墊卷包機改良前結構如圖1所示，卷包工作主要有以下三個動作流程：

（1）卷包前動作流程：無紡布卷開卷后從主機架內穿過，通過主機架內部安裝的無動力滾筒纏繞減少無紡布的松弛，繞到床墊入料平臺上，在卷包主軸上纏繞數圈，使無紡布繞緊卷包主軸不會松脫。卷包氣缸把卷包皮帶升起到貼近卷包主軸的位置，壓板氣缸把壓板升起。準備就緒，開始投放床墊進行卷包。

（2）卷包時動作流程：操作員把床墊投放到入料平臺上，床墊壓著無紡布，把床墊推到貼著卷包主軸，壓板機構的氣缸推動壓板下壓床墊，卷包主軸機構轉動，拖動無紡布移動，同時無紡布把床墊帶入主軸，開始卷包床墊。卷包過程中，卷包氣缸機構保持頂升狀態，卷包越卷越大，卷包的壓力大于氣缸的推力，倒推卷包氣缸降低。床墊彈簧被卷包壓縮后有很大的反彈力，卷包氣缸始終頂著卷包皮帶，使卷包被壓緊不會返松。當每張床墊的前段進入卷包后，壓板機構氣缸推動壓板上升，一張床墊卷包完成后，操作員繼續投放下一張床墊，壓板機構氣缸推動壓板下壓，重復以上流程繼續卷包。

（3）卷包后動作流程：當要卷包的床墊卷包完后，卷包主軸轉動數圈，讓無紡布把卷包纏繞緊，無紡布裁切機構把無紡布切斷。卷包主軸繼續轉動把無紡布收卷完，操作員在無紡布上纏繞多圈透明膠帶防止卷包返松，完成卷包。開始脫料，卷包主軸表面安裝有鏈條，床墊是卷包在主軸鏈條上的，鏈條移動，把床墊卷包推出，完成脫料。主軸鏈條退回零位后，重復以上流程繼續下一卷包。

2? ? 床墊卷包機存在的問題與解決方案

2.1? ? 存在的問題

根據生產使用部門的反饋，總結出改良前床墊卷包機在卷包過程中存在以下主要問題：

（1）壓板機構下壓床墊時，有時會把床墊彈簧的無紡布袋壓破，損壞床墊。

（2）每次卷包一張床墊的前端部分時，床墊是被繞在卷包機構上的無紡布拖動，而壓板是不移動的，造成開始卷包時是床墊的下面先移動，再帶動上面移動，床墊就會傾斜，造成不是垂直壓縮，有時彈簧過度傾斜會擠破無紡布袋，損壞床墊。

（3）完成前一張床墊卷包，主軸要停機等待，等投放下一張床墊，壓板重新下壓后，才能繼續卷包，停機投料降低了生產效率。

2.2? ? 解決方案

根據改良前卷包機生產過程中出現的問題，研究了對應的解決方案，總結出以下幾點：

（1）壓板下壓床墊時，容易把床墊彈簧的無紡布袋壓破，是因為壓板與床墊接觸面積小，而且是直接壓縮到位的。如果是逐漸增加壓縮量，并且增大接觸面積，可解決此問題。

（2）床墊不是垂直壓縮，導致彈簧過度傾斜時會擠破無紡布袋，如果床墊的上下面都以相同速度移動，床墊就可以垂直壓縮，從而解決此問題。

（3）停機投料，生產效率低，如果壓板面積大，上一張床墊未卷包完成前即可投放下一張床墊，就可以連續生產，解決此問題。

根據以上方案的分析總結，取消原有壓板機構，通過設計增加皮帶預壓機構來解決存在的問題。

3? ? 皮帶預壓機構的結構分析與具體結構設計

3.1? ? 皮帶預壓機構的結構分析

結合解決方案總結，皮帶預壓機構主要由以下4個部分組成：

（1）皮帶機構：選型普通平帶，其特點是抗拉強度較大，預緊力保持性能較好，帶長可根據需要截取，價廉[2]。皮帶安裝在兩根輥軸上，一根主動，一根從動。主動輥軸表面增加網紋滾花，滾花的實質是用滾花刀在原本光滑的工件表面擠壓，使其產生塑性變形而形成凸凹不平但均勻一致的花紋[3]，用于增加輥軸摩擦力以驅動皮帶。為防止皮帶跑偏，在皮帶兩側各增加一條導條。為承受皮帶壓縮床墊彈簧的較大壓力，皮帶內部安裝支撐架，由空心型鋼焊接為骨架，表面平鋪2 mm厚經過折彎加工的Q235鋼板，使整個支撐架能夠平整地支撐皮帶。皮帶與入料平臺呈傾斜結構安裝，左低右高，床墊從右邊進入皮帶預壓，預壓好后從皮帶左邊出來，進入卷包主軸卷包。設計皮帶入口高270 mm，可滿足高260 mm以下的床墊使用。

（2）電機驅動機構：因為要保證預壓皮帶速度實時變化，選用伺服電機作為驅動。為與卷包的速度匹配，選用蝸輪蝸桿減速機。為適合整體結構，減速機出來后通過鏈條驅動皮帶主動輥軸，選用10A鏈條。

（3）編碼器機構：因為皮帶預壓后的床墊都是供應給卷包主軸卷包的，床墊卷包越卷越大，而主軸轉速不變，外徑越大的床墊卷包，對應的線速度也越大。要使床墊能夠垂直壓縮不傾斜，要求預壓皮帶要能夠實時調整速度與卷包線速度相等，床墊的上下面以相同速度移動，這樣床墊就可以垂直壓縮，預壓機構供應給主軸卷包的床墊也不會產生拉拽或堆擠，實現平順卷包。所以增加編碼器機構來保證速度相等，安裝一根隨動輥軸浮動靠壓著卷包主軸，當主軸卷包轉動時，隨動輥軸就會貼著卷包跟隨同速轉動，無論卷包的大小，隨動輥軸的線速度都與卷包外徑的線速度一致。在隨動輥軸的一端安裝編碼器，實時讀取輥軸轉速，然后通過PLC控制預壓皮帶的伺服電機，從而實現預壓皮帶與卷包速度的一致。

（4）氣缸機構：預壓機構需要保持靠近卷包，才能夠保證預壓后的床墊彈簧沒有多余的回彈空間就已進入卷包。卷包是越卷越大的，所以設計整個預壓機構浮動靠近卷包。整個預壓機構通過直線軸承安裝在兩根直徑50 mm的鍍鉻硬光軸上，選用兩個SAU63氣缸將整個預壓機構推向卷包主軸。編碼器機構的隨動輥軸靠壓在卷包上，卷包轉動時也就帶動隨動輥軸轉動而讀取速度。當卷包卷大后，卷包的力大于氣缸的推力，會倒推隨動輥軸后退，整個預壓機構也就后退。此時兩個氣缸也是一直把整個預壓機構往卷包主軸方向推，只是氣缸推力小于卷包倒推隨動輥軸的力，所以整個預壓機構雖然后退，但也還是會被兩個氣缸推著浮動壓著卷包。

3.2? ? 皮帶預壓機構的具體結構設計

經過以上對皮帶預壓機構的分析，用三維軟件裝配模擬，設計皮帶預壓機構如圖2所示，具體結構設計如下：

（1）皮帶機構：皮帶安裝在兩根輥軸上，輥軸兩端各安裝一個帶座軸承，均安裝在兩個內側板上。兩個輥軸中間增加由空心型鋼焊接而成的皮帶托架，用來承受壓縮床墊時的壓力，皮帶托架兩端安裝在內側板上。皮帶托架是焊接而成，兩端面會因為焊接應力與焊接誤差而無法保證平行度；螺栓鎖緊后，兩內側板的平行度也無法保證。輥軸兩端的帶座軸承是調心軸承，保證輥軸可以正常運轉。皮帶托架焊接兩層空心型鋼，下層支撐皮帶，兩側避空皮帶導條。主動輥軸的兩個帶座軸承，其對應的內側板上加工出長槽孔，用于皮帶張緊。

（2）電機驅動機構：電機工作時是單向運轉，此結構要求精度不高，選蝸輪蝸桿RV減速機比較經濟適用，伺服電機與減速機的安裝法蘭不匹配，不能夠直聯安裝。故增加一個減速機座來過渡安裝，因為減速機座同心度加工精度不夠高，且電機與減速機價格相對較高，可增加安裝聯軸器防止因不同心而損壞。減速機是孔輸出，設計一根臺階軸，一端安裝在減速機上，另外一端安裝在主動鏈輪上，臺階軸兩端都增加鍵槽安裝平鍵來傳遞動力。從動鏈輪安裝在主動輥軸的臺階軸頭上，安裝一個隔套，用螺栓墊片把從動鏈輪通過隔套一起壓緊在帶座軸承的內圈上。增加一個鏈輪來張緊鏈條，鏈輪設計為帶臺階軸，臺階軸安裝兩個深溝球軸承，軸承外圈安裝一個軸承套后用螺栓鎖緊在內側板上，通過在內側板上增加長槽孔來調節鏈條張緊。鏈輪鏈條處為防止傷人增加防護罩。

（3）編碼器機構：隨動輥軸兩端安裝調心軸承，設計軸承安裝座低于輥軸面，避免摩擦卷包。輥軸一端加工螺紋孔，設計一根帶外螺紋的小軸，為防止編碼器軸因不同心容易損壞，小軸通過一個小聯軸器連接編碼器，編碼器安裝在鈑金支架上。鈑金支架與軸承座統一安裝在由空心型鋼焊接而成的固定件上，固定件兩端通過螺栓鎖緊在兩內側板上，這樣隨動輥軸安裝在了整個預壓機構的最前端，與卷包接觸后跟隨轉動。

（4）氣缸機構：內外側板通過銷軸與隔套安裝連接，這樣可以將皮帶傾斜角度微調至與主軸匹配，再用螺栓鎖緊。外側板安裝兩個直線軸承座，軸承座內直線軸承使用端蓋壓緊。鍍鉻硬光軸由兩個支撐座安裝在入料平臺上。入料平臺上安裝氣缸座，通過可擺動角度的A座與B座安裝氣缸，氣缸軸安裝Y型接頭，外側板安裝伸出板，與氣缸接頭連接，這樣整個皮帶機構通過氣缸推動可以在光軸上往返運動。

4? ? 應用效果

根據存在的問題，通過設計增加皮帶預壓機構，床墊卷包機改良后如圖3所示。改良后應用效果顯著，主要體現在以下幾點：

（1）進入主軸卷包前的床墊，用皮帶來進行卷包前預壓，預壓皮帶左低右高的傾斜口，可以緩慢遞增床墊彈簧的壓縮量，解決了壓板機構壓破床墊彈簧無紡布袋的問題。

（2）控制預壓皮帶的速度與耗材無紡布被收卷的速度相同，床墊上下兩面的線速度相同，實現床墊彈簧的均勻垂直壓縮，解決了彈簧被拖拽傾斜的問題。

（3）預壓皮帶是持續運轉的，床墊可以連續投放至入料平臺上連續預壓，實現了卷包主軸不停機連續卷包，提高了生產效率。

（4）卷包質量穩定，根據卷包生產部門反映，沒有再出現擠破無紡布袋的情況。

5? ? 結束語

本文主要針對床墊卷包機生產過程中容易出現彈簧無紡布袋破損，且停機投料效率低的問題，設計出了能夠解決上述問題的皮帶預壓機構，改良了床墊卷包機，提高了卷包機的生產質量與效率，也為同行業此類設備的結構設計提供了理論參考與實踐案例支持。

[參考文獻]

[1] 王芳.機械自動化中的運動控制技術應用研究[J].中國設備工程，2022（19）：207-209.

[2] 北京英科宇科技開發中心.機械工程師設計手冊：電子版[M].北京：電子工業出版社，2016.

[3] 楊家富，陳美宏.工程訓練[M].南京：東南大學出版社，2019.

收稿日期：2023-05-08

作者簡介：范桂才（1988—），男，廣東清遠人，助理工程師，研究方向：機械設計。