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基于a d a m s 的全自动圆压平模切机的研究 摘要 本课题是根据国内中小型印刷企业印后加工需求，受咸阳某包装企业委 托，对现有圆压平半自动模切机进行全自动化的设计及研究。课题以提高模 切加工生产效率、操作简单方便、加工过程安全可靠为目的，结合现代c a e 技术对圆压平模切机进行了整体设计，并对高速模切环境下的工作台系统进 行了多体动力学分析。 长期以来，我国印刷业使用的各种印刷、印后、印前加工机械的设计方 法多采用静态设计为主，根据同类产品的相关资料和经验公式方法进行计算 和设计，没有有效的动态仿真设计新方法。本课题在印后加工机械研制过程 中引入虚拟样机技术，采用a d a m s 软件实现模切机主要运动机构在各种 工况下随载荷变化的运行状态及随时间变化过程的仿真模拟，得到仿真输出 参数和结果，以此来准确推断实际运行的各种数据，对印后机械进行动态分 析和计算有一定参考价值，也为重要的金属结构部分的强度提供一定的分析 依据。从而为将来印刷及包装行业进行计算机平台下虚拟设计的研发奠定基 础，为模切机的创新设计和优化设计提供先进的技术支持，对于加快机械研 制周期、降低研制成本，也具有重要的意义。 根据圆压平模切机自动化的需求特点，确定了系统的总体方案，包括自 动供料设计、自动模切部分设计及其为了实现模切滚筒及工作台线速度一致 的传动部分设计；确定了模切工作台的运动特点，并对实现该运动的交流变 频调速控制技术进行了可行性论证；针对圆压平模切高速模切的特点，有必 要对模切工作台的运动特性进行分析，以排除产生极大动量与惯性力的情 况。本课题主要利用p r o e 、a d a m s 软件平台，建立了模切机工作台运行 系统的三维数字化虚拟样机，并对其进行了较为系统的多体系统动力学仿真 分析，实现了计算机对工作台系统按原定运行速度曲线工作时对机器的冲击 力及随时间变化过程的仿真模拟；以a d a m s 仿真结果为依据，利用a n s y s 软件对机架进行有限元分析，对应力集中及易发生变形的部分结构进行改进 或者设置加强装置。 关键词：圆压平模切机，自动供料，a d a m s ，多体动力学分析，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 的全自动圆压平模切机的研究 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任 由本人承担。 论文作者签名：日期至q q2 生旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学 位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名导师签名：型日期：2 q q z 生月 基于a d a m s 的全自动圆压平模切机的研究 1 绪论 1 1 研究背景 模切机主要用于纸品包装装潢工业中的商标、纸盒、纸板、贺卡等的模切、压痕和 冷压凸作业，是印后包装加工成型的重要设备。模切机的工作原理是利用钢刀、钢线( 或 钢板雕刻成的模版) ，通过压印版施加一定的压力，将印品或纸板轧切成一定形状。若是 将整个印品压切成单个产品称作模切；若是利用钢线在印品上压出痕迹或者留下弯折的 槽痕称作压痕；如果利用阴阳两块模板，在印品表面压印出具有立体效果的图案称为凸 凹压印，以上可以统称为模切技术【l 】。 随着我国对外贸易的迅速扩大，包装印刷更引起人们的重视。不断扩大的市场需求， 使得模切压痕，凹凸压印技术及设备越来越广泛应用于包装盒、纸箱、商标的制作。模 切机尤其是自动模切获得了空前的发展机遇，国产自动模切机已经成为印后加工设备中 发展程度最高，与国外先进机器差距最小的印后加工设备之一。 圆压平模切机一直是中小型企业的首选，目前国内圆压平模切机的自动化程度很低， 需要人工上料，模切完成后由人工将模切纸板上的废料剔除。针对东南亚发展中国家包 装及印刷工业的生产需求，研制全自动圆压平模切机不仅能满足巨大的市场需求，更能 推进我国及东南亚一些发展中国家印后设备自动化的快速发展，具有良好的市场应用前 景。 在设计过程中充分利用现代设计方法，包括虚拟样机技术及有限元分析技术： 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 ) 是美国m d i ( m e c h a n i c a l d y n a m i c si n c ) 公司开发的虚拟样机仿真软件。通过a d a m s 软件可以建立任意复杂系统 的多体动力学虚拟样机模型，可进行产品概念设计、方案论证、详细设计、产品方案修 改、优化、试验规划甚至故障诊断等高精度的仿真计算分析。机架在一台机器的总质量 中占很大比例部分且在很大程度上影响着机器的抗振性能及工作精度，而高速模切产生 的冲击将对机架甚至整个机器性能产生极为不利的影响，通过a d a m s 对工作台系统进 行多体动力学分析，分析结果也将为机架的设计提供可靠依据，在产品的设计阶段保证 了方案的可实施性。虚拟样机技术将成为机械设计在产品设计阶段不可缺少的部分；同 时以虚拟样机的分析结果为依据，对关键受力部分进行有限元分析，在产品的设计阶段 保证了产品质量及强度，充分体现了绿色设计的原则。 1 2 国内外模切技术现状及发展趋势 模切机根据压印形式的不同，主要分为圆压圆、圆压平、平压平三种类型。从功能 陕西科技大学硕士学位论文 上讲，除了模切之外，还有烫金功能，称作烫印模切机，有的带有自动清废功能，称作 清废模切机1 1 1 。 1 2 1 平压平模切机 ( 1 ) 平压平模切机工作原理 平压平模切机的模切版台和压切机构的形状都是平板状的。模切版被固定在平整的 版台上，被加工板料放在压板( 下压盘) 上。工作时，模切版台固定不动，压板通过连 杆作用往复运动，使得版台与压板不断地分离、压合，每压合一次便实现一次模切。常 见的平压平型模切机有立式模切机和卧式模切机两种，图1 1 所示为平压平模切原理示 意图。 8 ) 立式平压平 b ) 卧式平压平 l 模切版台；2 一模切纸板；3 一压板 图1 1 平压平模切原理 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 ) 平压平模切机发展现状 平压平模切机是目前应用最广泛的最普遍的类型，也是国内外生产厂家最多的机型。 国内有上海亚华、唐山玉印、北人集团公司、河南新机集团、北京胜利伟业印刷机械有 限公司等生产厂家；国外有瑞士b o b s t 、德国i m g 、日本a s a h i 、美国标准纸盒机械 公司、西班牙i b e r i c a 、韩国y o u n g s h i n 机械有限公司、日本i u i m a 以及海德堡等生 产厂家。 国内比较典型的设备是2 0 0 3 年北人集团公司开发的t y m 7 5 0 烫印模切机。该机是 目前具有国内外先进水平的印后设备，它具有模切和烫金两种功能，整个模切和烫印过 程从给纸、模切或烫金，到收纸全部自动完成，操作简便、自动化程度高，广泛应用于 纸张、卡板纸的烫印、压凸和模切，也可以应用于一些其它承印材料的模切和烫印。因 其技术先进，自动化程度高，相应地产品价格偏高，目前该产品在国内的推广比较困难， 主要销售到欧美国家脚纠。 ( 3 ) 平压平模切机特点 2 基于a d a m s 的全自动圆压平模切机的研究 由于平压平型模切机比其它模切设备结构简单、维修方便、便于操作、容易更换模 切压痕版、适合不同克重的板料、模切精确等一系列优点，所以具有广泛的市场。 它的不足是工作时需要有很大的压力，从而导致劳动强度大、生产效率低。当前， 我国中小企业主要使用的立式平压平模切设备，其人工供料系统与工人的操作熟练程度 有很大关系，每分钟工作次数低于1 0 - - 3 0 次，严重限制企业生产效率。并且容易出现咬 手事故，其操作安全性极差，国外一些国家已明令禁止老虎机的生产，国内由于经济条 件的限制，一些中小型企业仍在使用。 1 2 2 圆压圆模切机 ( 1 ) 圆压圆模切机工作原理 圆压圆型模切机的模切版台和压切机构( 压力滚筒) t 作部分的形状都是圆筒状的， 模压原理类似于胶印印刷机( 如图1 2 ) 。将一个或两个弧度与模切版台基体( 即模切版 滚筒) 相同的半圆形模切版( 或金属模切辊) 固定于模切版滚筒上，在压力滚筒表面裹 上一层保护模切刀口的聚酯塑料。模压时，送料辊将加工板料送到模切版滚筒和压力滚 筒之间，两者将其夹住对滚模压，模切版滚筒旋转一周就完成一次模切任务。 卜压力滚筒；2 一纸板；3 一模切版台 图l - 2 圆压平模切原理 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 ) 圆压圆模切机发展现状 国产联机模切设备尚处于起步阶段，国外的联机模切技术已相当成熟，主要有 b o b s t 、b h s 、g a l l u s ，在机械噪声、模切精度控制、故障显示和自我诊断等方面都 达到相当高的水平。在联机设备中，圆压圆模切采用弧形木板、滚筒刀制作，对模切刀 的强度要求较高( 常见厚度为1 4 2 r a m ，使用寿命为6 0 万次) ，在精度方面随着机械精 度的提高以及附属装备的应用，已达到绝大部分纸箱用户可以接受的程度1 4 1 峒。 圆压圆型模切机主要用于瓦楞产品的模切和商标联机模切等，目前的市场占有率很 低。但随着科学的发展、技术的进步，该模切机的发展步伐势不可挡，因为它适应未来 陕西科技大学硕士学位论文 印后加工工艺的机械化、联动化和自动化的要求，人们可以根据需要将模压机构和印刷 机械连成一条生产线，实现联机化操作，这样能有效地减少劳动力的需求、缩短工艺流 程、降低工艺过程中的损耗，从而提高生产效率、降低劳动成本、获得更大的利润空间。 ( 3 ) 圆压圆模切机特点 圆压圆模切机工作时滚筒是连续运转的，因此它的工作效率相对于其它模切机来说 是最高的，特别适合于大批量的生产。采用线接触原理来完成模压工作，所以在模切时 只需较小的压力，且压力分布较均匀，因而机器的负载比较平稳。 但是它的模切版是弯曲成曲面的，因此制版和装版比较繁琐，技术难度比较大，制 版成本也比较高，圆压圆轮转模切装置所需要的模切版比平压平模切版成本高出2 5 - 一 1 0 0 。并且由于版台与滚筒均为圆曲面，该类模切机的精度比较低。 1 2 3 圆压平模切机 ( 1 ) 圆压平模切机工作原理 圆压平模切机与平台凸版印刷机极为相似，主要由做往复运动的平面形版台和转动 的圆筒形压力滚筒组成，如图1 3 所示：工作原理类似于海德堡早期圆压平型印刷机， 它的工作台是平板状的，模切版台被固定在其上表面，工作台可做前后回程运动，工作 时，在模压滚筒运转的同时，版台随之向前运动，压力滚筒压住纸板，并以与版台线速 度相同的表面线速度转动，对纸板进行模切和压痕。在叼纸牙续下一张纸之前，版台作 回程运动重新回到起始位置( 版台一般不与模压滚筒的工作面相接触) ，便于下一次模切 工作。 l 卜滚筒；2 模切版台；3 一移动工作台；4 - 纸板 图1 - 3 圆压平模切原理 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 ) 圆压平模切机发展现状 目前在市场上的应用很少，国内没有专业生产厂家，主要原因是这类模切机很难实 现自动化，且模切版与模压滚筒相互对滚容易导致刀线变形和移位，加之国内的自主研 发技术水平及研发意识相对薄弱，使得圆压平模切技术水平一直处于初级阶段。 国内市场上供应的半自动圆压平模切机主要是人工将纸板放在模切版上，没有定位 精度可言，供料完毕后启动模切机，自动模切，模切完成后关闭电源，人工取下模切后 4 基于a d a m s 的全自动圆压平模切机的研究 的纸板并将废料剔除，对于纸板宽度大于l m 的模切过程，需要至少4 人负责，生产效 率受到工人操作熟练程度的限制，生产速度一般低于1 0 3 0 p i e r a i n 。大大限制了生产效 率的提高，人工上料使得产品定位精度极差。 ( 3 ) 圆压平模切机特点 该类模切机在平压平模切的基础上做了很大改进，具有平压的各种特点，采用平板 刀模，制作成本和难度不高，模切精度较高；圆压平的线接触特点与圆压圆相同，具备 圆压设备的种种优点，机器在模切时只需较小的压力，因而机器的负载比较平稳。 由于模切版与模压滚筒相互对滚容易导致刀线变形和移位，其应用范围相对狭窄， 一般只适合克重小于4 0 0 9 詹的纸板的模切；另外由于该类模切机回程为空行程的特点， 使其速度较慢，在技术、成本上投入很大，不利于大规模生产。 随着现代经济市场对纸包装箱技术要求的提高和需要量的增大，国产模切烫印设备 正朝着提高成形精度、速度及生产的可靠性、安全性的方向发展。当前国内的自动平压 平烫印模切设备，精度高，但效率较低。圆压圆自动模切机，生产效率高，但精度较低， 设备成本也高。圆压平模切机，其精度和经济性高于圆压圆模切机，生产效率高于平压 平模切机。圆压平模切机适合于大幅面产品的模切。实现它的自动化可以提高生产效率 及加工精度。所以，研制全自动圆压平模切机已成为中、小型包装及印刷企业的迫切需 要。 1 4 课题研究的内容及意义 综合考虑平压及圆压的特点，全自动圆压平模切机将在成本和效率问题上有突出的 优势，与圆压圆相同的线接触效果保证了与圆压圆模切技术具有相同的工作特性，使用 平压模切版又将显著降低制造成本，这种机器不需要高级技工操作，安全性能好。因此 对该类模切机的研究具有重要的实际应用价值。 为了有效地解决现有市场上圆压平模切机存在的问题，本课题将研究重点放在全自 动圆压平模切机的机械部分设计及对产品的动态分析研究，具体包括以下内容： ( 1 ) 整体结构设计 该部分主要解决现有圆压平模切机人工供料的问题，因此重点放在自动供料系统的 设计；由于人工及自动供料产生的区别，自动模切部分的设计应考虑将供料系统与传动 系统进行有效结合；通过对整体传动系统设计将各个模块组成一个有机的整体。设计过 程中重点考虑人机亲和性、减少工人劳动强度和提高生产效率。 ( 2 ) 控制部分总体方案确定 考虑该机型以后将通过改进与印刷设备进行联线生产，本机采用p l c 进行控制，变 频控制器调速。进行联线生产时可加入p o d 程序控制操作显示器( 人机界面) 。 5 陕西科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 工作部分的虚拟装配及运动仿真 机械产品的配合性和可装配性是设计人员容易出错的地方，以往要到产品最后装配 时才能发现，导致零件的报废和周期的延误，采用计算机辅助设计和计算机仿真技术， 再现模切机在工作过程中各个运动机构的工作状况。在设计阶段解决运动构件工作时的 运动协调关系、运动范围设计、可能的运动干涉等问题。采用虚拟技术的外形设计，也 可随时更改、评测，确定后方案的建模数据可直接用于设计、仿真、加工，甚至用于广 告和宣传。 ( 4 ) 关键部分动力学及有限元分析 为了保证产品的动力学性能、强度、刚度等问题，需要对模切机工作台的运动平稳 性进行动力学分析，对机架的强度及刚度进行有限元分析。 目前，我国自动模切机的设计制造很大程度来源于国外先进产品的测绘，采用经验 的、类比的、静态的方法进行生产设计，没有采用先进的现代化设计方法对产品进行动 态的分析研究。从而使得国产自动模切机的整体性能无法与国外的匹敌，造成设计制造 厂家在开发高档次的产品时缺乏有效的理论依据。因此，对模切机机构的分析研究、虚 拟样机的制作、提高我国自动模切机的设计质量和整体性能具有重要意义。 1 5 关键技术及创新点 1 5 1 关键技术 虚拟样机技术f 、，i m l a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y ) 是当前设计制造领域的- f - j 新技术，涉及 多体系统动力学、计算方法与软件工程等学科。它利用软件建立机械系统的三维实体模 型和力学模型，分析和评估系统的性能，从而为物理样机的设计和制造提供参数依据。 在圆压平模切机的设计过程中引入虚拟样机技术，在产品的概念设计阶段就可以对 重要系统甚至整个模型进行完整的分析，可以观察并试验各组成部件的相互运动情况。 使用系统仿真软件a d a m s 在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动，它可以在计算机 上方便的修改设计缺陷，仿真试验不同的设计方案，对整个系统进行不断改进，直至获 得最优设计方案以后，再做出模切机的物理样机，大大节约了设计成本及时间。 同时结合有限元分析软件，以虚拟样机软件分析结果为依据，对复杂的重要结构件 进行综合性的力学性能分析，并对其结构优化提供参数依据。 1 5 2 创新之处 ( 1 ) 自动供料系统设计：真空技术的长足发展给吸盘吸附表面粗糙物体提供了技术 支持，本设计采用吸盘供料方式，挠性连接件与吸盘的连接可以实现吸盘在0 到1 5 。范 围内的任意摆动，完全适应倾斜式储料仓的特点；吸盘在模切过程始终与纸板相吸并与 模切板一起完运动提高了系统整体的定位的精度，系统一经定位后在模切过程中不会对 6 基于a d a m s 的全自动圆压平模切机的研究 系统精度造成负面影响，且缓解了刀线刃口的变形和移位。 ( 2 ) 传动系统设计：传动系统最主要的任务是实现滚筒与版台的模切一致性，综合 现代无轴传动技术与巧妙的机械创新设计思想，设计的传动系统保证了应有的功能，并 且原理简单，尽量选用标准件及通用件，大大降低制造成本。 ( 3 ) 自动模切设计：由于采用了吸盘随模切纸板同步模切的供料装置，自动模切部 分的设计应考虑将吸盘与模切工作台之间进行有效的联结，通过巧妙的结构设计实现吸 盘的间距可调性、吸盘与工作台的同步模切性。 7 基于a d a m s 的全自动圆压平模切机的研究 2 全自动圆压平模切机结构设计 全自动就是要求模切过程中的给纸、模切、收纸及清废各个环节均实现自动化，主 要包括以下几方面： ( 1 ) 实现与瓦楞纸板生产线的联结：瓦楞纸板生产线的最后个环节是根据厂家提 供的技术参数将纸板切割为固定大小，经过印刷过程后这些堆叠的纸板将作为模切生产 的原料。应实现瓦楞纸板生产线与印后模切设备的联结。 ( 2 ) 给纸、模切的自动化：现在使用的圆压平模切机都是半自动的，人工给纸，自 动模切，且为了保证纸板与模切台的相对位移较小而使模切台前端面与滚筒轴线偏斜一 定角度。这样极大的降低了生产效率及加工精度。 ( 3 ) 自动收纸与自动清废：目前许多模切机都已经有了自动清废的功能，本设计考 虑供料部分采用吸盘，为了节省资源，收纸部分也采用吸盘，这样可与供料部分共用一 个真空系统。 以下各节将针对圆压平模切机实现自动化情况介绍各环节的设计过程及最终方案。 2 1 全自动圆压平模切机设计的主要依据参数 咸阳某包装企业提供圆压平模切机技术参数如下： ( 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 ) 模切纸板的厚度：0 6 - - - 5 r a m ( 4 ) 调整高度范围0 8 0 m m 设计完成后整体结构如图2 1 所示： 。一 模切滚筒 机架 一 图2 - 1 圆压平模切机整体结构图 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 机器整体包括三大部分：供料部分、滚筒安装部分、传动系统。 9 陕西科技大学硕士学位论文 2 2 自动供料系统的总体方案设计 人工供料速度及精确度受到很大限制，实现模切自动化的第一个环节就是要解决如 何自动供料的问题。设计过程中应设法减少各运动副接触面的摩擦阻力，同时设法防止 误动作及卡滞等缺陷嘲，用。 2 2 1 对自动供料部分的基本要求 ( 1 ) 较高的供料、输纸速度，以适应主机的需要。 ( 2 ) 能平稳、可靠而准确地将纸张运动至套准装置并进行正确定位。 ( 3 ) 当纸板的品种、规格发生变化时，能方便地进行调整。 ( 4 ) 保证纸张正确分离，应设防止双张装置。当出现双张、纸张歪斜或残纸等故障 时，要有可靠的自动停机安全装置。 ( 5 模切过程中，做到不停机补充纸板 ( 6 ) 输纸过程中，不能损伤纸板表面。 ( 7 ) 结构简单，操作方面，占地面积小。在机器运转过程中能进行必要的调整。 2 2 2 供料系统总体方案 供料部分包括板料分离和板料输送两部分。目前大多数印刷及模切设备的给纸部分 都采用气动自动给纸装置。其工作原理是利用气泵先由吹气嘴把压缩空气吹入纸堆上面 的数张纸之间，再由吸嘴把纸堆表面的纸板吸起与纸堆分离并传递。随着科学技术的不 断进步，吸盘在寿命、力学性能、安全可靠性方面已有很大程度的提高，本课题将脱离 传统送料模式，不采用吹气嘴对板料对吹的方式，而凭借吸盘现有的承受较大吸持力的 特点，直接使用吸盘供料。 该系统的设计参考了板料供送装置中下部吸出式的吸盘送料及倾斜式的储料滑槽。 总体方案如图2 - 2 所示： 卜储料仓2 一纸板；3 一支撑辊；4 - 模切板；5 一工作台；6 - 吸盘；7 模压辊；8 一可调闸门 图2 - 2 纸板供送系统结构示意图 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 的全自动圆压平模切机的研究 该系统具有下部推出式板料供送装置的特点，运送的纸板结构幅面大、厚实、挺括。 根据纸板厚度调节可调闸门8 到适当位置，模切板4 固定在可移动工作台5 上。吸盘6 从储料仓1 底部的开口部分吸住底层板料后沿箭头所示供送方向将板料运送到模压辊7 下的模切位置，与此同时模切板4 也移动到相应位置，三者均到位后开始模切。在模切 的同时吸盘6 始终吸住纸板并与模切板4 一起完成模切过程，以防在模切过程中板料由 于相对摩擦而发生窜动。模切过程结束后吸盘6 与板料脱离，清废后回到原位，至此一 个工作循环过程结束。 2 2 3 定位装置 板料在随吸盘进行模切之前的定位情况直接影响产品的模切精度，本设计将在板料 进入储料仓的环节对产品进行定位。 目前使用的各类模切机一般均采用挡规定位，挡规定位的原理如图2 3 所示： 。锄，。，；，女，。输纸梗锄 图2 - 3 挡规定位原理图 辅 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 凸轮的旋转运动带动辊子上下运动，从而使档纸板进行间歇摆动完成对板料的前定 位作用。这种装置在高速供料环境下纸板与前规定位装置之间的碰撞可能导致纸板跳动， 造成定位不准确。由于需要根据挡纸板运动规律对凸轮进行设计，而凸轮的设计繁琐， 加工成本也高。 本设计采用气缸定位，定位系统中各部件选型后均直接购买，通过简单装配及焊接 后形成一个整体。气缸定位装置如图2 4 所示： 放置堆叠板料的过程中，前挡板完成板料的前后方向定位，倾斜的储料仓及吸盘高 速供料产生的振动有利于板料的前定位。左右两边气缸的频繁伸缩使得推板对纸堆两侧 同步进行对齐动作。在瓦楞纸板模切现场的试验表明该装置具有定位可靠，定位精度完 全符合要求的特点。 前规定位梗 纸1 走簪 辅 嚣规定位扳 陕西科技大学硕士学位论文 气缸接撬棍集 图2 - 4 气缸定位装置 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 供料系统特点 ( 1 ) 储料仓l 倾斜可以减轻底层纸板所承受的压力，有利于吸盘6 吸附及供送纸板。 ( 2 ) 采用支撑辊3 变滑动摩擦为滚动摩擦可减小纸板下部的摩擦，减小吸盘载荷。 ( 3 ) 吸盘6 在模切过程始终与纸板相吸并与模切版运动保持一致，提高了定位的精 度，系统一经定位后在模切过程中不会对系统精度造成负面影响，且缓解了刀线刃口的 变形和移位。 ( 4 ) 选择下部推出式纸板供送可保证底层纸板的平直度，有利于真空吸盘吸附。 ( 5 ) 由于真空吸盘需要穿过刀模吸住纸板，所以该设计要求在设计刀模时，在非工 作区域加工出吸盘的工作孔，并且要求吸盘间距可调。 ( 6 ) 气缸定位装置结构及工作原理简单，设计及生产成本低。 2 3 吸盘的选择 在产品包装、物体传输和机械装配等自动作业线上，使用真空吸盘来抓取物体的案 例越来越多。柔而有弹性的吸盘可以很方便地实现诸如工件的吸持、脱离、传递等搬运 功能，并确保不损坏其作用对象。而吸持力靠真空系统维持，真空的产生可以是由电动 1 2 基于a d a m s 的全自动圆压平模切机的研究 机、真空泵以及各种真空器件所组成的真空系统来提供，也可以由压缩空气通过真空发 生器所产生的二次真空来提供i 川。用真空吸盘来抓取物体，还可以根据物体的不同形状 实现任意角度的传递，本课题需要吸盘与吸持物体问允许有1 15 。的角度差。本节的 内容即为选择吸盘的过程，也为供料系统方案可行性的论证过程。 2 3 1 吸盘基本形状嗍 真空吸盘是用来提升、搬运、翻转物体的一种真空执行元件，是真空发生器和工件 之间的连接部件，因此，真空吸盘的外观形状、材料和其它技术参数都非常重要。 由表2 一l 可知：扁平吸盘及波纹吸盘都可以用来搬运纸箱板，纸板属于轻度粗糙、 表面平整且有可能轻度弯曲的物体，考虑到生产效率，本课题选择扁平吸盘作为真空执 行元件。 表2 - 1 真空吸盘的类别及特点 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 吸盘材料选择 使用不同的材料可提高或改善吸盘的性能。吸盘材料的详细说明可参考吸盘的材质 性能表2 2 。该表只针对包装业及与本课题的工作条件相关的几种吸盘材料进行性能比 较，选择合适材料。 纸板属于轻度粗糙表面，且在送料过程中，吸盘所受切向力较大，要求吸盘能承受 较高负载，并具有一定抗拉强度、耐磨损性及抗永久变形能力，应选择特种聚氨酯或聚 氨酯材料的圆形吸盘。 1 3 陕西科技大学硕士学位论文 表2 - 2 真空吸盘材质性能表 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 吸盘直径确定 a 剪切力求解 在整个纸板供送过程中，要靠吸盘将底层纸板供送到模切工位，就要克服施加在底 层纸板上的各种摩擦力。下面对底层纸板进行力学分析，确定吸盘参数： 由于在供料过程中，上层纸堆对底层纸板的正压力逐渐减小，两者问的滑动摩擦力 也随之减小，只要克服最大静滑动摩擦力就可保证底层纸板连续供送。 如图2 5 所示： 图2 - 5 底层纸板受力图 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 取底层纸板为受力体，设f o 为底层纸板上表面与上层纸板下表面的最大静滑动摩擦 1 4 基于a d a m s 的全自动圆压平模切机的研究 力，则： f o = ( 一1 ) g 币c 口 n o = ( n - d a 式中： 堆积纸板层数； 函单张纸板重力( n ) ； 声其接触面的静摩擦系数； o 匕层纸板对底层板的正压力( 。 设支撑辊与底层纸板的滚动摩擦力为f l ， 辊子承受的滚动摩擦计算公式为： 。 6n g w r l = 一一 r以 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 同样随着供料的进行而逐渐减小，则单个 ( 2 - 3 ) 式中： p _ 辊子半径( 皿n ) ； ，广- 辊子数量； 万滚动摩擦系数； 由力的平衡原理可得吸盘对底层纸板的剪切力为： fc=fo+fl+gwsina(2-4) 将( 2 - 1 ) 、( 2 3 ) 式带x ( 2 - 4 ) 式，为了确保送料过程顺利进行，应增加安全系数出，因 此： r 叫( - 1 ) g , r f i c o s o t + 妄等4 - g , , s i n 口】( 2 - 5 ) 以上参数均应结合单位实际需要的情况确定。要做到整个系统安全可靠，选择参数 时应尽量使所求结果偏大。根据包装机械企业要求( 模切长度1 2 0 0 m m ；模切宽度 1 0 0 0 m m ) 生产速度3 0 p i e c e s m i n ) ，查阅相关资料，确定适合该企业的参数值如表2 3 所示。 表2 - 3 剪切力求解各参数值 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 将各参数带入式( 5 ) ，求得：f c = 2 6 7 5 n ( 取大值) 。 b 吸盘直径计算 垂直方向用力时，吸盘直径( e r a ) 尺寸计算公式1 1 2 1 如式( 2 6 ) ： 陕西科技大学硕士学位论文 ，一r 百, w x b d = 1 1 2 石 各参数意义及取值参看表2 - 4 ： 表格2 - 4 求解吸盘直径所需参数 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 ) 真空度的选择依据如下： 高真空的产生并不与输入的高能量成正比，如图2 - 6 所示： 口1 四硼硼棚硼娜删椰棚- l m 缸。羹空细妇盯l i 图2 - 6 真空度与所需能量关系图 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 把真空从6 0 0m b a r 升高到9 0 0m b a r 可增加1 5 倍的吸力，但所需的抽吸时间和能量 却增加3 倍。 很显然，在真空搬运技术中使用过高的真空度是很不经济的。 通常使用的真空度为： ( 1 ) 用于气密性材料：金属、塑料等 选用真空度为6 0 哆仁- 8 0 ( - 6 0 0m b a 卜一8 0 0m b a r ) ( 2 ) 用于透气性材料：纸板、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 ) 在此真空度范围中，所需的吸力是靠提高真空发 生器的抽吸能力和提高真空吸盘的有效面积来实现的。 本课题中真空吸盘的吸力计算以最经济的真空度6 0 0m b a r 为依据。 各参数带入式( 2 6 ) 求得d = l1 9 5 c m ，根据企业提供模切尺寸，考虑吸盘与模切板 同步动作进行模切且不与其他部件发生干涉以及整体的美观性，吸盘直径应1 5 0 m m 。 最终吸盘直径范围：1 2 c m d 15 c m 。 c 吸