新型模切機單張紙輸紙機氣動化方案設計研究

謝云杰，王燕，宋鑫

（北京印刷學院機電工程學院，北京 102600）

當今社會，電子商務已經越來越普及，在這個過程中，幾乎所有的商品在進行存儲、運輸和交易時都要用到包裝。許多大的電商平臺還會把包裝物作為宣傳途徑，在包裝物上印刷精美的廣告以擴大產品知名度[1]。而在生產這些包裝物時，需要先對其成型，使其能夠按照產品規格要求做出符合的包裝。在這過程中，模切工藝是必不可少的印后加工環節。絕大多數的產品都需要通過模切成型，這就需要利用模切機來實現，所以模切機的市場也隨著包裝業的發展而迅速成長，而提高模切機的工作性能對行業發展來說具有重大的意義[2]。

模切機正常工作時，首先要把模切的紙張放在輸紙臺上，然后在分離頭即飛達的作用下，輸紙臺上的紙張被送達到接紙輪和接紙輥上，在接紙輪和接紙輥的作用下，紙張被帶到輸紙板上，在輸紙板壓紙輪和輸紙布帶的作用下，將紙張送到規定部位，進行紙張定位后到主機部模切，清廢部后清廢，最后到收紙部完成收紙碼垛。在模切機模切紙張的過程中，一般模切機上平臺是不動的，在上平臺裝上鋼刀、鋼線（或鋼板雕刻成的模板），此時紙張通過導軌和牙排已經到達下平臺上，下平臺向上運動觸碰到上平臺，并保持一定的壓力，從而將紙張或紙板等產品軋切成特定的形狀，滿足產品的需要。

1 輸紙機氣動化方案簡述

1.1 傳統輸紙機的問題

模切機實現模切時并不是勻速運動的，因為其在模切過程中，需要一定的保壓時間，使紙張能夠在模切板的壓力作用下，得到充分的模切，所以模切的過程是通過間歇機構來實現的，一般通過凸輪或者雙肘桿機構來實現對下平臺的驅動。因此在輸紙機進行輸紙的時候，一般是通過凸輪軸上的凸輪來配合模切紙張的運動規律[3]。通過在軸上安裝多個凸輪，以此來控制分離頭的運動狀態。但由于凸輪軸上有多個凸輪，瞬時的載荷常有變化，為克服這種載荷不勻的狀況，要求傳動齒輪嚙合準確。倘若不符合這個基本要求，或者傳動機件磨損過度，會導致凸輪軸運轉時搖搖擺擺，必然影響輸紙效果，經常需要調節或修配準確，比較麻煩，對正常的生產經營產生來比較大影響。

1.2 自動化技術對輸紙機的影響

隨著相關科學技術的不斷發展，自動化技術也逐漸進入了印刷領域，通過光纖傳輸和計算機的控制，可以簡化印刷設備的傳動機構部分。把多個領域的技術集成到當代印刷設備中，朝著智能化，優質化以及高速化方向發展[4]，模切機行業自然也在其中。通過自動化控制，可以對模切機的工作要求和性能做出更好的調整。為了滿足當代模切的需求，單紙張印刷設備里面所應用到的輸紙結構也開始加入了電氣自動控制來控制分離頭的運動狀態[5]。

1.3 輸紙機氣動化設計方案

氣動技術主要是將壓縮氣充當介質，來完成動力傳動以及控制的技術。表現出的優勢在于高效節能，不存在污染，成本低，可靠性好，結構緊湊。其在工業領域中應用十分廣泛[6]。輸紙機主要由輸紙平臺、紙張分離裝置、配氣系統、動力傳動四大部分組成，在紙張分離裝置中，還可以分為遞紙、分紙、壓紙、其他四個小部分。對單張紙輸紙機分離頭進行了功能樹分析，其中，總功能是從紙堆里分離出單張紙，一級分功能是紙堆存儲與單張紙分離，而一級單張紙分離分功能的二級分功能是紙堆供給和紙張分離。分離頭工作時吹嘴吹松紙張后，分紙吹嘴吸起最上面的紙張，然后壓紙吹嘴壓住下面的第二張紙，這個時候遞紙吸嘴吸住由分紙吸嘴分離出來的紙，完成紙張交接后，將紙張向前傳給輸紙板上的接紙輥。分離頭流程如圖1 所示。

圖1 分離頭示意圖

結合典型輸紙機構工作機理開展分析能夠推斷，松紙吹嘴會把圖1 中紙堆上面的多張紙吹起松動；分紙吸嘴能夠由前面吹送的紙張中，將位于最上面的1張紙分離開；通過壓紙腳對沒有被分離出來的紙張壓緊；遞紙吸嘴這時將分離后的單張紙進行輸送；對紙堆上面的紙張進行整理保持齊平；遞紙吸嘴繼續保持鑲嵌的運動，把紙張輸入到指定點后并進行定位。對于輸紙機構的運動方式可進行分解，得到壓紙、分紙以及遞紙三種運動方式，其運動規律如圖2 所示。

圖2 輸紙機分離頭工作循環示意

2 輸紙機分離頭結構設計

新型模切機輸紙機分離頭是這樣工作的：通過布置在紙張前緣與拖梢的分紙吸嘴同時將紙張吸起，可以實現紙張在沒有吹嘴的情況下能保持水平的狀態，之后分紙吸嘴與遞紙吸嘴進行交接（僅在紙張前緣位置），從而實現分紙吸嘴與遞紙吸嘴交接紙張順利，很少出現因分紙吸嘴與遞紙吸嘴交接紙張失敗導致的機器停機故障。由于紙張可以在沒有吹嘴的情況下能保持水平的狀態，故壓紙吹嘴、壓紙腳都可以不安裝使用，僅用帶復位彈簧的分紙壓板壓在紙堆上表面即可保證紙張不出現錯亂，分紙吸嘴僅需克服復位彈簧彈力即可實現紙張的分離。

2.1 壓紙氣動機構設計

在輸紙機構內，壓紙吸嘴機構十分關鍵，能夠確保輸出紙張的過程都是單張形式關鍵環節，傳統的方式是依賴于凸輪機構實現的，在本設計中是借助于兩個氣缸來完成動作壓紙吹嘴的動作。如圖3 所示，能推斷對壓紙噴嘴擺動的實現是氣缸Ⅲ的運動來實現，可以有效防止遞紙以及分紙兩個吸嘴過程中，紙張和壓紙吸嘴的互相干擾。小氣缸Ⅳ則是確保壓紙吸嘴能夠在上下方向上直動，避免出現紙張的搓動，從而出現亂張問題。

圖3 壓紙氣動機構示意圖

2.2 分紙吸嘴氣動機構設計

分紙吸嘴機構實現對紙張的分離，需要借助壓紙吹嘴的配合，同時運動也有相應的規律。參照圖4，不難發現利用啟動機構能夠代替傳統結構形式，來滿足相同功能。

圖4 分紙吸嘴氣動機構示意圖

參照圖4，氣缸I 能夠同時控制幾個分紙吸嘴上下運動，從而確保分紙吸嘴能夠在觸碰紙張以后，讓其能夠和紙堆脫離開。氣缸II 則可以確保分紙吸嘴把紙張吸起來后，馬上翻轉一定角度，從而防止發生帶出多余的紙張。

2.3 遞紙吸嘴氣動機構設計

遞紙吸嘴機構所產生的運動軌跡實現需要依賴于3 個獨立的氣缸完成，如圖5 所示，第一步是氣缸Ⅴ對遞紙吸嘴的控制，讓其往下運動，一直到紙面上，這個時候會控制氣閥開啟，然后把紙張吸附住，接著就要通過氣缸Ⅶ來對吸嘴的控制，完成紙張往上運動以及吸嘴方向上的運動。通過這種方式來讓在兩個吸嘴中的紙張松弛開，來防止把紙張撕裂。氣缸Ⅵ則是用于實現遞紙吸嘴的控制，讓其帶動紙張朝著輸紙臺的方向運動。

圖5 遞紙吸嘴氣動機構示意圖

在本文的輸紙機氣動化設計中，使用較多的氣缸作為分離頭的驅動工具，若是按照以往的借助繼電器控制則可靠性無法得到保證。由于PLC 可靠性高，安裝簡單，維護方便，因此可以采用PLC 來實現對氣缸的控制。使用PLC 控制方式，可以讓氣動化結構更加的緊湊，反應更加靈敏，使用過程也更加安全可靠[7]。借助于PLC 作為控制中樞可以較好的完成壓紙、分紙和遞紙三個吸嘴機構的協調控制。

3 結論

氣動結構則能夠讓傳統分離頭上的傳動結構簡化，不僅能夠提升輸紙機構的運動性能，還能夠確保在PLC 的控制下，能夠很好的完成各分離頭的協調運動工作。在與之配合的無軸化直線模組結構上，則利用直線導軌結構取代了凸輪軸，使之進一步避免了傳動過程中凸輪軸上載荷分布不均而抖動的問題。因此相對于傳統結構，有了很大程度上的簡化，所以也讓其成本大幅縮減，取代凸輪機構后也讓設備的動態特性提升，降低了很多的隱患，能夠更好滿足模切機輸紙機正常工作的需求