基于a d a m s 的全自動圓壓平模切機的研究 摘要 本課題是根據國內中小型印刷企業印后加工需求，受咸陽某包裝企業委 托，對現有圓壓平半自動模切機進行全自動化的設計及研究。課題以提高模 切加工生產效率、操作簡單方便、加工過程安全可靠為目的，結合現代c a e 技術對圓壓平模切機進行了整體設計，并對高速模切環境下的工作臺系統進 行了多體動力學分析。 長期以來，我國印刷業使用的各種印刷、印后、印前加工機械的設計方 法多采用靜態設計為主，根據同類產品的相關資料和經驗公式方法進行計算 和設計，沒有有效的動態仿真設計新方法。本課題在印后加工機械研制過程 中引入虛擬樣機技術，采用a d a m s 軟件實現模切機主要運動機構在各種 工況下隨載荷變化的運行狀態及隨時間變化過程的仿真模擬，得到仿真輸出 參數和結果，以此來準確推斷實際運行的各種數據，對印后機械進行動態分 析和計算有一定參考價值，也為重要的金屬結構部分的強度提供一定的分析 依據。從而為將來印刷及包裝行業進行計算機平臺下虛擬設計的研發奠定基 礎，為模切機的創新設計和優化設計提供先進的技術支持，對于加快機械研 制周期、降低研制成本，也具有重要的意義。 根據圓壓平模切機自動化的需求特點，確定了系統的總體方案，包括自 動供料設計、自動模切部分設計及其為了實現模切滾筒及工作臺線速度一致 的傳動部分設計；確定了模切工作臺的運動特點，并對實現該運動的交流變 頻調速控制技術進行了可行性論證；針對圓壓平模切高速模切的特點，有必 要對模切工作臺的運動特性進行分析，以排除產生極大動量與慣性力的情 況。本課題主要利用p r o e 、a d a m s 軟件平臺，建立了模切機工作臺運行 系統的三維數字化虛擬樣機，并對其進行了較為系統的多體系統動力學仿真 分析，實現了計算機對工作臺系統按原定運行速度曲線工作時對機器的沖擊 力及隨時間變化過程的仿真模擬；以a d a m s 仿真結果為依據，利用a n s y s 軟件對機架進行有限元分析，對應力集中及易發生變形的部分結構進行改進 或者設置加強裝置。 關鍵詞：圓壓平模切機，自動供料，a d a m s ，多體動力學分析，有限元 r e a s e r c ho ft h ef u l la u t o m a t i c f l a t b e dc y l i n d e rd i e c u t t i n g m a c h i n eb a s e do na d a m s a b s t r a c t t h er e s e a r c hm e e t st h ep o s t - p r e s s r e q u i r e m e n to fd o m e s t i cs m a l la n d m e d i u m - s i z e dp r i n t i n ge n t e r p r i s e s c o m m i s s i o n e db yap a c k a g i n ge n t e r p r i s ei n x i a n y a n g ，w ei m p r o v e dt h ee x i s t i n gs e m i a u t o m a t i cd i e - c u t t i n gm a c h i n e t oaf u l l a u t o m a t i ce q u i p m e n t f o rt h ep u r p o s eo fi m p r o v i n gp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , b e i n g e a s yt oo p e r a t ea n ds a f ep r o c e s s ，t h eo v e r a l ld e s i g nw a sc a r d e do u ta n dt h e w o r k b e n c hs y s t e mi nh i g h - s p e e dc u t t i n ge n v i r o n m e n tw a sa n a l y z e db yt a k i n g m o d e mc a et e c h n o l o g y f o ral o n gt i m e ，b e c a u s et h ed e s i g nm e t h o do f p r i n tm a c h i n e ，w h i c hi n c l u d e p r i n t i n gp r e s s ，p o s t - p r e s s ，p r e p r e s s ，m o s ta d o p t st h es t a t i cd e s i g na n dh a s1 1 0 v a l i dm e t h o do fd y n a m i ce m u l a t i o n ，t h es i m i l a rp r o d u c t s i n f o r m a t i o nt o a c c o m p l i s hd e s i g na n dc a l c u l a t i o n t h ed e s i g no fp o s t - p r e s sm a c h i n eh a s n t a d o p t e de f f e c t i v ed y n a m i ca n a l y s i sm e t h o d i f t h et e c h n i q u eo fv i r t u a lp r o t o t y p e i si n t r o d u c e di ns t u d yo fp o s t - p r e s sm a c h i n e r y , i tc a nr e a l i z ee m u l a t i o nt h a tt h e r u n n i n gs t a t e o fe a c hm e c h a n i s mu n d e rv a r i o u s w o r k i n gc o n d i t i o n sw h i c h c h a n g ew i t hl o a da n d o rc h a n g ew i t ht i m e r e s u k sf r o mt h ee m u l a t i o na r eu s e d t oe s t i m a t ea n dj u d g ed i f f e r e n td a t ao fa c t u a lm o v e m e n t , w h i c hp r o v i d e ss o m e r e f e r e n c ev a l u ef o rt h ed y n a m i ca n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no f p o s t - p r e s sm a c h i n e r y i ta l s os u p p l i e st h ea n a l y s i so ft h ei m p o r t a n tm e t a l l i cp a r tw i t hb a s i s w h a th a v e m e n t i o n e da b o v ep r o v i d e st h ef o u n d a t i o nf o rs i m u l a t i o nd e s i g ns t u d yo fp r i n t a n d p a c k a g i n g ，p r o v i d e st e c h n i q u es u p p o r t f o rt h ec r e a t i v e d e s i g n a n d o p t i m i z a t i o n ，a n dp l a y sa ni m p o r t a n tp a r ti ne x p e d i t i n gt h ed e v e l o p m e n tc y c l e a n dr e d u c i n gt h ec o s t a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ef u l la u t o m a t i cf l a t - b e dc y l i n d e r d i e c u t t i n gm a c h i n e ，t h ef i n a lp r o j e c tw a sc o n f i r m e d ，w h i c hi n c l u d et h ed e s i g no f t h ef e e d i n gs y s t e m ，c u t t i n gp a r ta n dt h et r a n s m i s s i o ns y s t e mw h i c hi n s u r et h e l i n e a rv e l o c i t y sc o h e r e n c eb e t w e e nt h ed i e c u t t i n gr o l l e ra n dt h ew o r k t a b l e t h e w o r k t a b l e so p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c si nh i g hs p e e dc i r c u m s t a n c ew a sa n a l y z e di n i o r d e rt oa v o i dt h eh u g em o m e n t u ma n di n e r t i a u t i l i z e ds o f t w a r ep l a t f o r mo f p r o e ，a d a m s ，t h et h r e e d i m e n s i o n a ld i g i t i z e dv i r t u a lp r o t o t y p eo fw o r k t a b l e s y s t e mw a se s t a b l i s h e da n ds y s t e m a t i c a l l ym a d ea n a l y s i so fd y n a m i c se m u l a t i o n o fm u f t i b o d ys y s t e m i tr e a l i z e dt h a te m u l a t i o no fw o r k t a b l es y s t e mu n d e r c e r t a i nw o r k i n gc o n d i t i o n s a c c o r d i n gt ot h er e s u l t sf r o ma d a m s ，t h eh o u s i n g s m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r ea n a l y z e d ；m e a s u r e sw e r et a k e nt or e d u c es t r e s s c o n c e n t r a t i o na n dd e f o r m a t i o n k e yw o r d s ：f l a t b e dc y l i n d e rd i e c u t t i n gm a c h i n e ，a u t o m a t i cf e e d i n g s y s t e m ，a d a m s ，m a n y b o d yd y n a m i ca n a l y s i s ，t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i v 基于a d a m s 的全自動圓壓平模切機的研究 原創性聲明及關于學位論文使用授權的聲明 原創性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立進行 研究所取得的成果。除文中已經注明引用的內容外，本論文不包含任何其他 個人或集體已經發表或撰寫過的科研成果。對本文的研究做出重要貢獻的個 人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律責任 由本人承擔。 論文作者簽名：日期至q q2 生旦 關于學位論文使用授權的聲明 本人完全了解陜西科技大學有關保留、使用學位論文的規定，同意學校 保留或向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱 和借閱；本人授權陜西科技大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有 關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文和匯編本 學位論文。同時授權中國科學技術信息研究所將本學位論文收錄到中國學 位論文全文數據庫，并通過網絡向社會公眾提供信息服務。 ( 保密論文在解密后應遵守此規定) 論文作者簽名導師簽名：型日期：2 q q z 生月 基于a d a m s 的全自動圓壓平模切機的研究 1 緒論 1 1 研究背景 模切機主要用于紙品包裝裝潢工業中的商標、紙盒、紙板、賀卡等的模切、壓痕和 冷壓凸作業，是印后包裝加工成型的重要設備。模切機的工作原理是利用鋼刀、鋼線( 或 鋼板雕刻成的模版) ，通過壓印版施加一定的壓力，將印品或紙板軋切成一定形狀。若是 將整個印品壓切成單個產品稱作模切；若是利用鋼線在印品上壓出痕跡或者留下彎折的 槽痕稱作壓痕；如果利用陰陽兩塊模板，在印品表面壓印出具有立體效果的圖案稱為凸 凹壓印，以上可以統稱為模切技術【l 】。 隨著我國對外貿易的迅速擴大，包裝印刷更引起人們的重視。不斷擴大的市場需求， 使得模切壓痕，凹凸壓印技術及設備越來越廣泛應用于包裝盒、紙箱、商標的制作。模 切機尤其是自動模切獲得了空前的發展機遇，國產自動模切機已經成為印后加工設備中 發展程度最高，與國外先進機器差距最小的印后加工設備之一。 圓壓平模切機一直是中小型企業的首選，目前國內圓壓平模切機的自動化程度很低， 需要人工上料，模切完成后由人工將模切紙板上的廢料剔除。針對東南亞發展中國家包 裝及印刷工業的生產需求，研制全自動圓壓平模切機不僅能滿足巨大的市場需求，更能 推進我國及東南亞一些發展中國家印后設備自動化的快速發展，具有良好的市場應用前 景。 在設計過程中充分利用現代設計方法，包括虛擬樣機技術及有限元分析技術： a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m ) 是美國m d i ( m e c h a n i c a l d y n a m i c si n c ) 公司開發的虛擬樣機仿真軟件。通過a d a m s 軟件可以建立任意復雜系統 的多體動力學虛擬樣機模型，可進行產品概念設計、方案論證、詳細設計、產品方案修 改、優化、試驗規劃甚至故障診斷等高精度的仿真計算分析。機架在一臺機器的總質量 中占很大比例部分且在很大程度上影響著機器的抗振性能及工作精度，而高速模切產生 的沖擊將對機架甚至整個機器性能產生極為不利的影響，通過a d a m s 對工作臺系統進 行多體動力學分析，分析結果也將為機架的設計提供可靠依據，在產品的設計階段保證 了方案的可實施性。虛擬樣機技術將成為機械設計在產品設計階段不可缺少的部分；同 時以虛擬樣機的分析結果為依據，對關鍵受力部分進行有限元分析，在產品的設計階段 保證了產品質量及強度，充分體現了綠色設計的原則。 1 2 國內外模切技術現狀及發展趨勢 模切機根據壓印形式的不同，主要分為圓壓圓、圓壓平、平壓平三種類型。從功能 陜西科技大學碩士學位論文 上講，除了模切之外，還有燙金功能，稱作燙印模切機，有的帶有自動清廢功能，稱作 清廢模切機1 1 1 。 1 2 1 平壓平模切機 ( 1 ) 平壓平模切機工作原理 平壓平模切機的模切版臺和壓切機構的形狀都是平板狀的。模切版被固定在平整的 版臺上，被加工板料放在壓板( 下壓盤) 上。工作時，模切版臺固定不動，壓板通過連 桿作用往復運動，使得版臺與壓板不斷地分離、壓合，每壓合一次便實現一次模切。常 見的平壓平型模切機有立式模切機和臥式模切機兩種，圖1 1 所示為平壓平模切原理示 意圖。 8 ) 立式平壓平 b ) 臥式平壓平 l 模切版臺；2 一模切紙板；3 一壓板 圖1 1 平壓平模切原理 f i g l - lp r i n c i p l eo f p i n g - p i n gp r e s s u r ed i e - c u t t i n gm a c h i n e ( 2 ) 平壓平模切機發展現狀 平壓平模切機是目前應用最廣泛的最普遍的類型，也是國內外生產廠家最多的機型。 國內有上海亞華、唐山玉印、北人集團公司、河南新機集團、北京勝利偉業印刷機械有 限公司等生產廠家；國外有瑞士b o b s t 、德國i m g 、日本a s a h i 、美國標準紙盒機械 公司、西班牙i b e r i c a 、韓國y o u n g s h i n 機械有限公司、日本i u i m a 以及海德堡等生 產廠家。 國內比較典型的設備是2 0 0 3 年北人集團公司開發的t y m 7 5 0 燙印模切機。該機是 目前具有國內外先進水平的印后設備，它具有模切和燙金兩種功能，整個模切和燙印過 程從給紙、模切或燙金，到收紙全部自動完成，操作簡便、自動化程度高，廣泛應用于 紙張、卡板紙的燙印、壓凸和模切，也可以應用于一些其它承印材料的模切和燙印。因 其技術先進，自動化程度高，相應地產品價格偏高，目前該產品在國內的推廣比較困難， 主要銷售到歐美國家腳糾。 ( 3 ) 平壓平模切機特點 2 基于a d a m s 的全自動圓壓平模切機的研究 由于平壓平型模切機比其它模切設備結構簡單、維修方便、便于操作、容易更換模 切壓痕版、適合不同克重的板料、模切精確等一系列優點，所以具有廣泛的市場。 它的不足是工作時需要有很大的壓力，從而導致勞動強度大、生產效率低。當前， 我國中小企業主要使用的立式平壓平模切設備，其人工供料系統與工人的操作熟練程度 有很大關系，每分鐘工作次數低于1 0 - - 3 0 次，嚴重限制企業生產效率。并且容易出現咬 手事故，其操作安全性極差，國外一些國家已明令禁止老虎機的生產，國內由于經濟條 件的限制，一些中小型企業仍在使用。 1 2 2 圓壓圓模切機 ( 1 ) 圓壓圓模切機工作原理 圓壓圓型模切機的模切版臺和壓切機構( 壓力滾筒) t 作部分的形狀都是圓筒狀的， 模壓原理類似于膠印印刷機( 如圖1 2 ) 。將一個或兩個弧度與模切版臺基體( 即模切版 滾筒) 相同的半圓形模切版( 或金屬模切輥) 固定于模切版滾筒上，在壓力滾筒表面裹 上一層保護模切刀口的聚酯塑料。模壓時，送料輥將加工板料送到模切版滾筒和壓力滾 筒之間，兩者將其夾住對滾模壓，模切版滾筒旋轉一周就完成一次模切任務。 卜壓力滾筒；2 一紙板；3 一模切版臺 圖l - 2 圓壓平模切原理 f i g l - 2p r i n c i p l eo fr o u n d - r o u n dp r e s s u r ed i e - c u t t i n gm a c h i n e ( 2 ) 圓壓圓模切機發展現狀 國產聯機模切設備尚處于起步階段，國外的聯機模切技術已相當成熟，主要有 b o b s t 、b h s 、g a l l u s ，在機械噪聲、模切精度控制、故障顯示和自我診斷等方面都 達到相當高的水平。在聯機設備中，圓壓圓模切采用弧形木板、滾筒刀制作，對模切刀 的強度要求較高( 常見厚度為1 4 2 r a m ，使用壽命為6 0 萬次) ，在精度方面隨著機械精 度的提高以及附屬裝備的應用，已達到絕大部分紙箱用戶可以接受的程度1 4 1 峒。 圓壓圓型模切機主要用于瓦楞產品的模切和商標聯機模切等，目前的市場占有率很 低。但隨著科學的發展、技術的進步，該模切機的發展步伐勢不可擋，因為它適應未來 陜西科技大學碩士學位論文 印后加工工藝的機械化、聯動化和自動化的要求，人們可以根據需要將模壓機構和印刷 機械連成一條生產線，實現聯機化操作，這樣能有效地減少勞動力的需求、縮短工藝流 程、降低工藝過程中的損耗，從而提高生產效率、降低勞動成本、獲得更大的利潤空間。 ( 3 ) 圓壓圓模切機特點 圓壓圓模切機工作時滾筒是連續運轉的，因此它的工作效率相對于其它模切機來說 是最高的，特別適合于大批量的生產。采用線接觸原理來完成模壓工作，所以在模切時 只需較小的壓力，且壓力分布較均勻，因而機器的負載比較平穩。 但是它的模切版是彎曲成曲面的，因此制版和裝版比較繁瑣，技術難度比較大，制 版成本也比較高，圓壓圓輪轉模切裝置所需要的模切版比平壓平模切版成本高出2 5 - 一 1 0 0 。并且由于版臺與滾筒均為圓曲面，該類模切機的精度比較低。 1 2 3 圓壓平模切機 ( 1 ) 圓壓平模切機工作原理 圓壓平模切機與平臺凸版印刷機極為相似，主要由做往復運動的平面形版臺和轉動 的圓筒形壓力滾筒組成，如圖1 3 所示：工作原理類似于海德堡早期圓壓平型印刷機， 它的工作臺是平板狀的，模切版臺被固定在其上表面，工作臺可做前后回程運動，工作 時，在模壓滾筒運轉的同時，版臺隨之向前運動，壓力滾筒壓住紙板，并以與版臺線速 度相同的表面線速度轉動，對紙板進行模切和壓痕。在叼紙牙續下一張紙之前，版臺作 回程運動重新回到起始位置( 版臺一般不與模壓滾筒的工作面相接觸) ，便于下一次模切 工作。 l 卜滾筒；2 模切版臺；3 一移動工作臺；4 - 紙板 圖1 - 3 圓壓平模切原理 f i g l - 3p r i n c i p l eo f t h ef l a t - b e dc y l i n d e rd i e - c u t t i n gm a c h i n e ( 2 ) 圓壓平模切機發展現狀 目前在市場上的應用很少，國內沒有專業生產廠家，主要原因是這類模切機很難實 現自動化，且模切版與模壓滾筒相互對滾容易導致刀線變形和移位，加之國內的自主研 發技術水平及研發意識相對薄弱，使得圓壓平模切技術水平一直處于初級階段。 國內市場上供應的半自動圓壓平模切機主要是人工將紙板放在模切版上，沒有定位 精度可言，供料完畢后啟動模切機，自動模切，模切完成后關閉電源，人工取下模切后 4 基于a d a m s 的全自動圓壓平模切機的研究 的紙板并將廢料剔除，對于紙板寬度大于l m 的模切過程，需要至少4 人負責，生產效 率受到工人操作熟練程度的限制，生產速度一般低于1 0 3 0 p i e r a i n 。大大限制了生產效 率的提高，人工上料使得產品定位精度極差。 ( 3 ) 圓壓平模切機特點 該類模切機在平壓平模切的基礎上做了很大改進，具有平壓的各種特點，采用平板 刀模，制作成本和難度不高，模切精度較高；圓壓平的線接觸特點與圓壓圓相同，具備 圓壓設備的種種優點，機器在模切時只需較小的壓力，因而機器的負載比較平穩。 由于模切版與模壓滾筒相互對滾容易導致刀線變形和移位，其應用范圍相對狹窄， 一般只適合克重小于4 0 0 9 詹的紙板的模切；另外由于該類模切機回程為空行程的特點， 使其速度較慢，在技術、成本上投入很大，不利于大規模生產。 隨著現代經濟市場對紙包裝箱技術要求的提高和需要量的增大，國產模切燙印設備 正朝著提高成形精度、速度及生產的可靠性、安全性的方向發展。當前國內的自動平壓 平燙印模切設備，精度高，但效率較低。圓壓圓自動模切機，生產效率高，但精度較低， 設備成本也高。圓壓平模切機，其精度和經濟性高于圓壓圓模切機，生產效率高于平壓 平模切機。圓壓平模切機適合于大幅面產品的模切。實現它的自動化可以提高生產效率 及加工精度。所以，研制全自動圓壓平模切機已成為中、小型包裝及印刷企業的迫切需 要。 1 4 課題研究的內容及意義 綜合考慮平壓及圓壓的特點，全自動圓壓平模切機將在成本和效率問題上有突出的 優勢，與圓壓圓相同的線接觸效果保證了與圓壓圓模切技術具有相同的工作特性，使用 平壓模切版又將顯著降低制造成本，這種機器不需要高級技工操作，安全性能好。因此 對該類模切機的研究具有重要的實際應用價值。 為了有效地解決現有市場上圓壓平模切機存在的問題，本課題將研究重點放在全自 動圓壓平模切機的機械部分設計及對產品的動態分析研究，具體包括以下內容： ( 1 ) 整體結構設計 該部分主要解決現有圓壓平模切機人工供料的問題，因此重點放在自動供料系統的 設計；由于人工及自動供料產生的區別，自動模切部分的設計應考慮將供料系統與傳動 系統進行有效結合；通過對整體傳動系統設計將各個模塊組成一個有機的整體。設計過 程中重點考慮人機親和性、減少工人勞動強度和提高生產效率。 ( 2 ) 控制部分總體方案確定 考慮該機型以后將通過改進與印刷設備進行聯線生產，本機采用p l c 進行控制，變 頻控制器調速。進行聯線生產時可加入p o d 程序控制操作顯示器( 人機界面) 。 5 陜西科技大學碩士學位論文 ( 3 ) 工作部分的虛擬裝配及運動仿真 機械產品的配合性和可裝配性是設計人員容易出錯的地方，以往要到產品最后裝配 時才能發現，導致零件的報廢和周期的延誤，采用計算機輔助設計和計算機仿真技術， 再現模切機在工作過程中各個運動機構的工作狀況。在設計階段解決運動構件工作時的 運動協調關系、運動范圍設計、可能的運動干涉等問題。采用虛擬技術的外形設計，也 可隨時更改、評測，確定后方案的建模數據可直接用于設計、仿真、加工，甚至用于廣 告和宣傳。 ( 4 ) 關鍵部分動力學及有限元分析 為了保證產品的動力學性能、強度、剛度等問題，需要對模切機工作臺的運動平穩 性進行動力學分析，對機架的強度及剛度進行有限元分析。 目前，我國自動模切機的設計制造很大程度來源于國外先進產品的測繪，采用經驗 的、類比的、靜態的方法進行生產設計，沒有采用先進的現代化設計方法對產品進行動 態的分析研究。從而使得國產自動模切機的整體性能無法與國外的匹敵，造成設計制造 廠家在開發高檔次的產品時缺乏有效的理論依據。因此，對模切機機構的分析研究、虛 擬樣機的制作、提高我國自動模切機的設計質量和整體性能具有重要意義。 1 5 關鍵技術及創新點 1 5 1 關鍵技術 虛擬樣機技術f 、，i m l a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y ) 是當前設計制造領域的- f - j 新技術，涉及 多體系統動力學、計算方法與軟件工程等學科。它利用軟件建立機械系統的三維實體模 型和力學模型，分析和評估系統的性能，從而為物理樣機的設計和制造提供參數依據。 在圓壓平模切機的設計過程中引入虛擬樣機技術，在產品的概念設計階段就可以對 重要系統甚至整個模型進行完整的分析，可以觀察并試驗各組成部件的相互運動情況。 使用系統仿真軟件a d a m s 在各種虛擬環境中真實地模擬系統的運動，它可以在計算機 上方便的修改設計缺陷，仿真試驗不同的設計方案，對整個系統進行不斷改進，直至獲 得最優設計方案以后，再做出模切機的物理樣機，大大節約了設計成本及時間。 同時結合有限元分析軟件，以虛擬樣機軟件分析結果為依據，對復雜的重要結構件 進行綜合性的力學性能分析，并對其結構優化提供參數依據。 1 5 2 創新之處 ( 1 ) 自動供料系統設計：真空技術的長足發展給吸盤吸附表面粗糙物體提供了技術 支持，本設計采用吸盤供料方式，撓性連接件與吸盤的連接可以實現吸盤在0 到1 5 。范 圍內的任意擺動，完全適應傾斜式儲料倉的特點；吸盤在模切過程始終與紙板相吸并與 模切板一起完運動提高了系統整體的定位的精度，系統一經定位后在模切過程中不會對 6 基于a d a m s 的全自動圓壓平模切機的研究 系統精度造成負面影響，且緩解了刀線刃口的變形和移位。 ( 2 ) 傳動系統設計：傳動系統最主要的任務是實現滾筒與版臺的模切一致性，綜合 現代無軸傳動技術與巧妙的機械創新設計思想，設計的傳動系統保證了應有的功能，并 且原理簡單，盡量選用標準件及通用件，大大降低制造成本。 ( 3 ) 自動模切設計：由于采用了吸盤隨模切紙板同步模切的供料裝置，自動模切部 分的設計應考慮將吸盤與模切工作臺之間進行有效的聯結，通過巧妙的結構設計實現吸 盤的間距可調性、吸盤與工作臺的同步模切性。 7 基于a d a m s 的全自動圓壓平模切機的研究 2 全自動圓壓平模切機結構設計 全自動就是要求模切過程中的給紙、模切、收紙及清廢各個環節均實現自動化，主 要包括以下幾方面： ( 1 ) 實現與瓦楞紙板生產線的聯結：瓦楞紙板生產線的最后個環節是根據廠家提 供的技術參數將紙板切割為固定大小，經過印刷過程后這些堆疊的紙板將作為模切生產 的原料。應實現瓦楞紙板生產線與印后模切設備的聯結。 ( 2 ) 給紙、模切的自動化：現在使用的圓壓平模切機都是半自動的，人工給紙，自 動模切，且為了保證紙板與模切臺的相對位移較小而使模切臺前端面與滾筒軸線偏斜一 定角度。這樣極大的降低了生產效率及加工精度。 ( 3 ) 自動收紙與自動清廢：目前許多模切機都已經有了自動清廢的功能，本設計考 慮供料部分采用吸盤，為了節省資源，收紙部分也采用吸盤，這樣可與供料部分共用一 個真空系統。 以下各節將針對圓壓平模切機實現自動化情況介紹各環節的設計過程及最終方案。 2 1 全自動圓壓平模切機設計的主要依據參數 咸陽某包裝企業提供圓壓平模切機技術參數如下： ( 1 ) 最大模切尺寸：1 0 0 0 m m 1 2 0 0 r a m ( 2 ) 模切速度 3 0v k m i n ( 3 ) 模切紙板的厚度：0 6 - - - 5 r a m ( 4 ) 調整高度范圍0 8 0 m m 設計完成后整體結構如圖2 1 所示： 。一 模切滾筒 機架 一 圖2 - 1 圓壓平模切機整體結構圖 f i 醇1t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo f t h ef l a t - b e dc y l i n d e rd i e - c u t t i n gm a c h i n e 機器整體包括三大部分：供料部分、滾筒安裝部分、傳動系統。 9 陜西科技大學碩士學位論文 2 2 自動供料系統的總體方案設計 人工供料速度及精確度受到很大限制，實現模切自動化的第一個環節就是要解決如 何自動供料的問題。設計過程中應設法減少各運動副接觸面的摩擦阻力，同時設法防止 誤動作及卡滯等缺陷嘲，用。 2 2 1 對自動供料部分的基本要求 ( 1 ) 較高的供料、輸紙速度，以適應主機的需要。 ( 2 ) 能平穩、可靠而準確地將紙張運動至套準裝置并進行正確定位。 ( 3 ) 當紙板的品種、規格發生變化時，能方便地進行調整。 ( 4 ) 保證紙張正確分離，應設防止雙張裝置。當出現雙張、紙張歪斜或殘紙等故障 時，要有可靠的自動停機安全裝置。 ( 5 模切過程中，做到不停機補充紙板 ( 6 ) 輸紙過程中，不能損傷紙板表面。 ( 7 ) 結構簡單，操作方面，占地面積小。在機器運轉過程中能進行必要的調整。 2 2 2 供料系統總體方案 供料部分包括板料分離和板料輸送兩部分。目前大多數印刷及模切設備的給紙部分 都采用氣動自動給紙裝置。其工作原理是利用氣泵先由吹氣嘴把壓縮空氣吹入紙堆上面 的數張紙之間，再由吸嘴把紙堆表面的紙板吸起與紙堆分離并傳遞。隨著科學技術的不 斷進步，吸盤在壽命、力學性能、安全可靠性方面已有很大程度的提高，本課題將脫離 傳統送料模式，不采用吹氣嘴對板料對吹的方式，而憑借吸盤現有的承受較大吸持力的 特點，直接使用吸盤供料。 該系統的設計參考了板料供送裝置中下部吸出式的吸盤送料及傾斜式的儲料滑槽。 總體方案如圖2 - 2 所示： 卜儲料倉2 一紙板；3 一支撐輥；4 - 模切板；5 一工作臺；6 - 吸盤；7 模壓輥；8 一可調閘門 圖2 - 2 紙板供送系統結構示意圖 f i 醇- 2s k e t c hm a po f t h et r a n s f e r - c ：a ：r d b o a r d 1 0 基于a d a m s 的全自動圓壓平模切機的研究 該系統具有下部推出式板料供送裝置的特點，運送的紙板結構幅面大、厚實、挺括。 根據紙板厚度調節可調閘門8 到適當位置，模切板4 固定在可移動工作臺5 上。吸盤6 從儲料倉1 底部的開口部分吸住底層板料后沿箭頭所示供送方向將板料運送到模壓輥7 下的模切位置，與此同時模切板4 也移動到相應位置，三者均到位后開始模切。在模切 的同時吸盤6 始終吸住紙板并與模切板4 一起完成模切過程，以防在模切過程中板料由 于相對摩擦而發生竄動。模切過程結束后吸盤6 與板料脫離，清廢后回到原位，至此一 個工作循環過程結束。 2 2 3 定位裝置 板料在隨吸盤進行模切之前的定位情況直接影響產品的模切精度，本設計將在板料 進入儲料倉的環節對產品進行定位。 目前使用的各類模切機一般均采用擋規定位，擋規定位的原理如圖2 3 所示： 。鋤，。，；，女，。輸紙梗鋤 圖2 - 3 擋規定位原理圖 輔 走毒羲 一 f i 醇- 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h eg a u g ep o s i t i o n i n gm e c h a n i s m 凸輪的旋轉運動帶動輥子上下運動，從而使檔紙板進行間歇擺動完成對板料的前定 位作用。這種裝置在高速供料環境下紙板與前規定位裝置之間的碰撞可能導致紙板跳動， 造成定位不準確。由于需要根據擋紙板運動規律對凸輪進行設計，而凸輪的設計繁瑣， 加工成本也高。 本設計采用氣缸定位，定位系統中各部件選型后均直接購買，通過簡單裝配及焊接 后形成一個整體。氣缸定位裝置如圖2 4 所示： 放置堆疊板料的過程中，前擋板完成板料的前后方向定位，傾斜的儲料倉及吸盤高 速供料產生的振動有利于板料的前定位。左右兩邊氣缸的頻繁伸縮使得推板對紙堆兩側 同步進行對齊動作。在瓦楞紙板模切現場的試驗表明該裝置具有定位可靠，定位精度完 全符合要求的特點。 前規定位梗 紙1 走簪 輔 囂規定位扳 陜西科技大學碩士學位論文 氣缸接撬棍集 圖2 - 4 氣缸定位裝置 f i 9 2 - 4c y l i n d e rp o s i t i o n i n gs y s t e m 2 2 4 供料系統特點 ( 1 ) 儲料倉l 傾斜可以減輕底層紙板所承受的壓力，有利于吸盤6 吸附及供送紙板。 ( 2 ) 采用支撐輥3 變滑動摩擦為滾動摩擦可減小紙板下部的摩擦，減小吸盤載荷。 ( 3 ) 吸盤6 在模切過程始終與紙板相吸并與模切版運動保持一致，提高了定位的精 度，系統一經定位后在模切過程中不會對系統精度造成負面影響，且緩解了刀線刃口的 變形和移位。 ( 4 ) 選擇下部推出式紙板供送可保證底層紙板的平直度，有利于真空吸盤吸附。 ( 5 ) 由于真空吸盤需要穿過刀模吸住紙板，所以該設計要求在設計刀模時，在非工 作區域加工出吸盤的工作孔，并且要求吸盤間距可調。 ( 6 ) 氣缸定位裝置結構及工作原理簡單，設計及生產成本低。 2 3 吸盤的選擇 在產品包裝、物體傳輸和機械裝配等自動作業線上，使用真空吸盤來抓取物體的案 例越來越多。柔而有彈性的吸盤可以很方便地實現諸如工件的吸持、脫離、傳遞等搬運 功能，并確保不損壞其作用對象。而吸持力靠真空系統維持，真空的產生可以是由電動 1 2 基于a d a m s 的全自動圓壓平模切機的研究 機、真空泵以及各種真空器件所組成的真空系統來提供，也可以由壓縮空氣通過真空發 生器所產生的二次真空來提供i 川。用真空吸盤來抓取物體，還可以根據物體的不同形狀 實現任意角度的傳遞，本課題需要吸盤與吸持物體問允許有1 15 。的角度差。本節的 內容即為選擇吸盤的過程，也為供料系統方案可行性的論證過程。 2 3 1 吸盤基本形狀嗍 真空吸盤是用來提升、搬運、翻轉物體的一種真空執行元件，是真空發生器和工件 之間的連接部件，因此，真空吸盤的外觀形狀、材料和其它技術參數都非常重要。 由表2 一l 可知：扁平吸盤及波紋吸盤都可以用來搬運紙箱板，紙板屬于輕度粗糙、 表面平整且有可能輕度彎曲的物體，考慮到生產效率，本課題選擇扁平吸盤作為真空執 行元件。 表2 - 1 真空吸盤的類別及特點 t a b 2 1t h eb a s i cs h a p ea n dc a r i c a t u r eo f t h ev a c u u ms u c k e r 2 3 2 吸盤材料選擇 使用不同的材料可提高或改善吸盤的性能。吸盤材料的詳細說明可參考吸盤的材質 性能表2 2 。該表只針對包裝業及與本課題的工作條件相關的幾種吸盤材料進行性能比 較，選擇合適材料。 紙板屬于輕度粗糙表面，且在送料過程中，吸盤所受切向力較大，要求吸盤能承受 較高負載，并具有一定抗拉強度、耐磨損性及抗永久變形能力，應選擇特種聚氨酯或聚 氨酯材料的圓形吸盤。 1 3 陜西科技大學碩士學位論文 表2 - 2 真空吸盤材質性能表 t a b 2 - 1m a t e r i a lp r o p e r t i e so f t h ev a c u u ms u c t i o n 2 3 3 吸盤直徑確定 a 剪切力求解 在整個紙板供送過程中，要靠吸盤將底層紙板供送到模切工位，就要克服施加在底 層紙板上的各種摩擦力。下面對底層紙板進行力學分析，確定吸盤參數： 由于在供料過程中，上層紙堆對底層紙板的正壓力逐漸減小，兩者問的滑動摩擦力 也隨之減小，只要克服最大靜滑動摩擦力就可保證底層紙板連續供送。 如圖2 5 所示： 圖2 - 5 底層紙板受力圖 f i 9 2 - 5m e c h a n i c a lc i r c u m s t a n c ef o rr o c k - b o t t o mc a r d b o a r d 取底層紙板為受力體，設f o 為底層紙板上表面與上層紙板下表面的最大靜滑動摩擦 1 4 基于a d a m s 的全自動圓壓平模切機的研究 力，則： f o = ( 一1 ) g 幣c 口 n o = ( n - d a 式中： 堆積紙板層數； 函單張紙板重力( n ) ； 聲其接觸面的靜摩擦系數； o 匕層紙板對底層板的正壓力( 。 設支撐輥與底層紙板的滾動摩擦力為f l ， 輥子承受的滾動摩擦計算公式為： 。 6n g w r l = 一一 r以 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 同樣隨著供料的進行而逐漸減小，則單個 ( 2 - 3 ) 式中： p _ 輥子半徑( 皿n ) ； ，廣- 輥子數量； 萬滾動摩擦系數； 由力的平衡原理可得吸盤對底層紙板的剪切力為： fc=fo+fl+gwsina(2-4) 將( 2 - 1 ) 、( 2 3 ) 式帶x ( 2 - 4 ) 式，為了確保送料過程順利進行，應增加安全系數出，因 此： r 叫( - 1 ) g , r f i c o s o t + 妄等4 - g , , s i n 口】( 2 - 5 ) 以上參數均應結合單位實際需要的情況確定。要做到整個系統安全可靠，選擇參數 時應盡量使所求結果偏大。根據包裝機械企業要求( 模切長度1 2 0 0 m m ；模切寬度 1 0 0 0 m m ) 生產速度3 0 p i e c e s m i n ) ，查閱相關資料，確定適合該企業的參數值如表2 3 所示。 表2 - 3 剪切力求解各參數值 t a b 2 3p a r a m e t e rv a l u e sf o rs o l v i n gt h es h e a r i n gf o r c e 將各參數帶入式( 5 ) ，求得：f c = 2 6 7 5 n ( 取大值) 。 b 吸盤直徑計算 垂直方向用力時，吸盤直徑( e r a ) 尺寸計算公式1 1 2 1 如式( 2 6 ) ： 陜西科技大學碩士學位論文 ，一r 百, w x b d = 1 1 2 石 各參數意義及取值參看表2 - 4 ： 表格2 - 4 求解吸盤直徑所需參數 t a b 2 - 4p a r a m e t e rv a l u e sf o rs o l v i n gt h ed i a m e t e ro f t h es u c t i o np a d ( 2 - 6 ) 真空度的選擇依據如下： 高真空的產生并不與輸入的高能量成正比，如圖2 - 6 所示： 口1 四硼硼棚硼娜刪椰棚- l m 缸。羹空細婦盯l i 圖2 - 6 真空度與所需能量關系圖 f i 醇- 6t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nv a c u u m e de n e r g yr e q u i r e m e n t s 把真空從6 0 0m b a r 升高到9 0 0m b a r 可增加1 5 倍的吸力，但所需的抽吸時間和能量 卻增加3 倍。 很顯然，在真空搬運技術中使用過高的真空度是很不經濟的。 通常使用的真空度為： ( 1 ) 用于氣密性材料：金屬、塑料等 選用真空度為6 0 哆仁- 8 0 ( - 6 0 0m b a 卜一8 0 0m b a r ) ( 2 ) 用于透氣性材料：紙板、木渣板、m d f 薄板等 2 0 - - 6 0 ( - 2 0 0m b a 卜一6 0 0m b a r ) 在此真空度范圍中，所需的吸力是靠提高真空發 生器的抽吸能力和提高真空吸盤的有效面積來實現的。 本課題中真空吸盤的吸力計算以最經濟的真空度6 0 0m b a r 為依據。 各參數帶入式( 2 6 ) 求得d = l1 9 5 c m ，根據企業提供模切尺寸，考慮吸盤與模切板 同步動作進行模切且不與其他部件發生干涉以及整體的美觀性，吸盤直徑應1 5 0 m m 。 最終吸盤直徑范圍：1 2 c m d 15 c m 。 c 吸