孫杰

（泰州技師學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

包裝薄膜預(yù)緊作為自動化、電氣化的重要工藝之一，對包裝印刷工業(yè)發(fā)展的影響較大[1]。雖然我國已經(jīng)研發(fā)了一些預(yù)緊法，例如鏈條式、手動式、多輥式等，這些方法雖然實現(xiàn)了包裝膜預(yù)緊，但是作業(yè)噪聲較大，并且作業(yè)期間產(chǎn)生的預(yù)緊力與預(yù)期目標相差較大，作業(yè)效率存在較大提升空間[2]。由于薄膜材料橫向張力對膜抗沖擊能量的影響較大，所以想要改善裝模預(yù)緊性能，可以從該機械裝置入手，重點討論緊膜包裝機械設(shè)計方案[3]。卷簧運動能夠產(chǎn)生薄膜所需張力，能夠根據(jù)預(yù)緊處理需求，施加相應(yīng)的張力，從而達到改善緊膜包裝機械作業(yè)性能的目的。因此，提出一種卷簧式緊膜包裝機械設(shè)計研究。

1 薄膜收卷機結(jié)構(gòu)及常見的預(yù)緊方法分析

目前，應(yīng)用比較多的預(yù)緊方法有鏈條式、手動式、多輥式。本研究以多輥式為例，介紹薄膜收卷機結(jié)構(gòu)，討論其作業(yè)原理。該預(yù)緊方法采用的薄膜收卷機為BASTIA，該裝置主要由空卷芯、轉(zhuǎn)盤、機架、滾輪、收卷輥、跟蹤輥、導(dǎo)向輥、展平輥、薄膜、張力檢測輥組成。該裝置的作業(yè)原理是通過調(diào)整輥子的角度和高度兩項參數(shù)，形成一定角度和高度差，以此控制薄膜的張緊。由于該方法難以均勻控制張緊力，很難保證薄膜的抗沖擊能量，導(dǎo)致預(yù)緊力未能達到操控標準。

鏈條式預(yù)緊方法對運輸要求較高，運輸期間容易出現(xiàn)牽引鏈磨損問題，鏈條伸長，節(jié)距隨著磨損的加劇而變大，局部出現(xiàn)松弛現(xiàn)象。為了正常使用該鏈條式預(yù)緊裝置，保證鏈輪輪齒與鏈條達到嚙合標準，需要配備螺旋機構(gòu)或者重錘共同作業(yè)，加大了作業(yè)條件要求[4]。

手動式預(yù)緊方法的包裝機械設(shè)備結(jié)構(gòu)較為簡單，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)薄膜預(yù)緊處理，但是操控精度較低，主要體現(xiàn)在手動張膜作業(yè)連續(xù)性較差，無法長期保持薄膜預(yù)緊力不變[5]。與此同時，該方法應(yīng)用下的張力測定難度也很大，很難滿足機械模型的構(gòu)建需求。

針對上述3種薄膜預(yù)緊方法存在的不足，本研究嘗試提出一種卷簧式預(yù)緊方法，以張力穩(wěn)定控制作為突破口，提出卷簧式緊膜包裝機械設(shè)計研究。

2 卷簧式緊膜包裝機械設(shè)計

2.1 卷簧式緊膜包裝機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)薄膜預(yù)緊操控需求，結(jié)合抗沖擊能量變化特點，施加相應(yīng)的張力加以預(yù)緊控制，便可以改善薄膜預(yù)緊效果。按照此研究思想，本研究以機械傳動能量作為主要控制對象，使得薄膜張緊能量輸入與傳動能量輸出保持一致。以卷簧運動作為薄膜張力控制核心，設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該結(jié)構(gòu)中，卷簧作用下輸出的變力作為裹卷運動的動力，施加在齒輪與軸聯(lián)動裝置上，實現(xiàn)該裝置中設(shè)備的傳動，此部分傳動產(chǎn)生的張力將作為緊膜的關(guān)鍵。對于不同薄膜張力需求，本機械結(jié)構(gòu)通過調(diào)節(jié)卷簧作業(yè)參數(shù)來控制張力大小。其中，單向控制力的驅(qū)動裝置為棘輪，當(dāng)其達到一定數(shù)值后，恢復(fù)到初始狀態(tài)。本機械結(jié)構(gòu)中布設(shè)了2個棘輪，作為軸控制工具，分別作用在2根軸上，實現(xiàn)傳動軸Ⅰ和控制軸Ⅳ的操控。在這兩個軸的控制下，包裝機械裝置的整體作業(yè)得以有效控制。

2.2 機械軸與軸上零件運動關(guān)系分析

卷簧式緊膜包裝機械作業(yè)期間，借助旋擴機械設(shè)備，擴充和固定膜材卷芯，并將其固定在裝置操控的膜材始端。與此同時，在傳動裝置的驅(qū)動下，帶動導(dǎo)軌作業(yè)，使得膜材始端開始作業(yè)，開啟膜材連續(xù)作業(yè)模式，在膜材終端體現(xiàn)作業(yè)效果。為了提高機械裝置作業(yè)精度，需要根據(jù)膜材終端實際操作情況，對傳動部分的3個軸和3個齒輪作業(yè)參數(shù)進行調(diào)整，從而保證軸上的各個零件運動得以協(xié)調(diào)，生成高質(zhì)量機械作業(yè)效果。為了準確掌握機械整體運行狀況，設(shè)計一套較為可靠的機械傳動控制架構(gòu)，對機械軸與軸上零件運動關(guān)系展開深入分析。機械軸與軸上零件運動關(guān)系架構(gòu)如圖2所示。

圖2 機械軸與軸上零件運動關(guān)系架構(gòu)

從該關(guān)系架構(gòu)來看，動力部分和傳動部分協(xié)調(diào)作業(yè)下，能夠有效控制膜材的始端高效穩(wěn)定作業(yè)。其中，動力部分的機械設(shè)備直接作用于膜材始端，而傳動部分與膜材始端存在閉環(huán)運動關(guān)系，在傳動作用下帶動導(dǎo)軌傳送相應(yīng)零件，為膜材始端作業(yè)輸送材料。

（1）動力部分的零件運動關(guān)系：利用聯(lián)軸器，將原動件與裝置運動體系連接到一起，在減速器的控制下，減速運送零件，使得零件運動的整體協(xié)調(diào)性得以滿足機械操作標準。接下來，利用旋擴機械設(shè)備操控零件的運動狀態(tài)，固定其轉(zhuǎn)速，使其在機械裝置中保持勻速旋轉(zhuǎn)。為了滿足操控需求，同樣利用旋擴機械設(shè)備來控制膜材卷芯，在擴充卷芯的同時，將其固定在膜材加工設(shè)定位置。此部分運動關(guān)系的設(shè)計，可以保證機械制備作業(yè)期間膜材的供應(yīng)得以保持連續(xù)。

（2）傳動部分的零件運動關(guān)系：此部分運動關(guān)系以3個齒輪和3個軸的運動關(guān)系作為主要描述對象，按照圖2中的軸轂連接方法，建立齒輪與軸的匹配關(guān)系，將卷簧組固定在繞輪上，控制軸作業(yè)狀態(tài)。另外，此部分結(jié)構(gòu)與膜材終端通過軸轂連接，膜材操控信息發(fā)送至傳動部分，而后經(jīng)過一系列調(diào)整，將傳動力作用在棘輪上，實現(xiàn)高精度高效率緊膜包裝。

2.3 機械整體運行及傳動控制設(shè)計

基于機械軸與軸上零件運動關(guān)系分析內(nèi)容，設(shè)計機械整體運行方案及傳動控制方案。本機械傳動控制分為兩部分，其中一部分為動力部分，另外一部分為傳動部分。其中，動力部分主要由原動件產(chǎn)生動力，在聯(lián)軸器和減速器的作用下控制此動力，并將其作用在旋擴機械上，分別施加在膜材卷芯和膜材始端，此部分動力只是緊膜控制的一部分。另外一部分來自傳動部分，該部分由多個軸和齒輪組成，在控制軸Ⅳ的作用下，帶動棘輪作業(yè)，產(chǎn)生的傳動力通過導(dǎo)軌作用在膜材始端，通過連續(xù)作業(yè)，完成終端緊膜處理。

本機械裝置動力輸入核心部分為軸與薄膜材料之間產(chǎn)生的摩擦力，通過兩者發(fā)生相互作用產(chǎn)生摩擦，致使軸發(fā)生轉(zhuǎn)動，此時軸轂連接，使得位于軸端的齒輪嚙合，摩擦之下產(chǎn)生的相互力作用在薄膜材料上，形成較為穩(wěn)定的作用力。由于本機械的軸運動為定向轉(zhuǎn)動，所以傳動軸Ⅰ會定向轉(zhuǎn)動，受棘輪反作用影響，致使機械整體呈現(xiàn)出定向運動作業(yè)現(xiàn)象，不會出現(xiàn)反向回轉(zhuǎn)情況。接下來，傳動軸Ⅰ作業(yè)期間定向轉(zhuǎn)動繞輪（該裝置是連接卷簧與軸之間的裝置），借助螺釘，與卷簧固定配合控制張力?？刂戚SⅣ所做運動也為單向運動，在棘輪的控制下發(fā)生相對運動，該運動產(chǎn)生的作用力將反作用于薄膜材料。其中，控制軸Ⅳ的作業(yè)模式為繞輪帶動作業(yè)，所以在本機械結(jié)構(gòu)中起到整體控制作用。

本機械的運動分為傳動軸和控制軸2個部分，前者由軸Ⅰ、軸Ⅱ、軸Ⅲ組成，后者以軸Ⅳ為核心。其中，傳動軸以膜材卷動作為起點，將部分運動力分別作用在軸Ⅰ、軸Ⅱ、軸Ⅲ上，而后利用齒輪傳動加以輔助，形成3個反饋機制：一是軸與膜材的相互運動引發(fā)的反饋軸作業(yè)，因而生成反饋機制；二是棘輪與互反饋軸配合下生產(chǎn)的反饋機制；三是齒輪與互反饋軸配合下生產(chǎn)的反饋機制。這3個反饋機制作用對象不同，產(chǎn)生的作用力存在差異，所以整體作用在薄膜材料上時，就可以保證緊膜機械裝置的正常運行。

2.4 控制機構(gòu)局部優(yōu)化設(shè)計

考慮到機械設(shè)備中齒輪數(shù)量會對包裝緊膜作業(yè)均勻性造成一定影響，所以，本研究對控制機構(gòu)采取局部優(yōu)化設(shè)計。其中，局部優(yōu)化對象為傳動軸Ⅰ和控制軸Ⅳ，通過分析機械設(shè)備作業(yè)原理，結(jié)合緊膜作業(yè)需求、過程及影響因素，重點討論機械倒置問題，提出局部優(yōu)化設(shè)計方案。

本機械設(shè)備中卷簧長度的變化與張力的大小密切相關(guān)，借助2根軸驅(qū)動繞輪，在相互作用下抽動拉卷，使得卷簧的長度得以控制。其作業(yè)原理為加大軸轉(zhuǎn)動難度，來維持膜張緊力的穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)緊膜穩(wěn)定操控。其中，機械結(jié)構(gòu)中2個棘輪同步作業(yè)，在此作業(yè)下開始軸單向運動。為了避免緊膜操作不當(dāng)導(dǎo)致的機械倒置問題，本設(shè)計方案設(shè)置了棘輪單向作業(yè)功能，與卷簧恢復(fù)性結(jié)合，共同作用在機械設(shè)備上，以此控制機械倒置現(xiàn)象的發(fā)生。從結(jié)構(gòu)來看，本設(shè)計方案是以傳動軸Ⅰ和控制軸Ⅳ的控制作業(yè)局部優(yōu)化對象，在這兩處布設(shè)棘輪，從而控制卷簧的卷傳動。其中，控制軸Ⅳ啟動一定控制作用，無傳動作用，起到傳動作用的軸為軸Ⅰ、軸Ⅱ、軸Ⅲ。

3 卷簧式緊膜包裝機械設(shè)備測試分析

為了檢驗提出的緊膜包裝機械設(shè)備設(shè)計方案可靠性，較以往提出的預(yù)緊方法作用下的機械設(shè)備性能有所改善，本研究以手動式、鏈條式、多輥式緊膜包裝機械設(shè)備作為對照組，以卷簧式機械設(shè)備作為實驗組，對不同緊膜方法作用下的包裝機械設(shè)備性能進行測試。其中，測試指標包括預(yù)緊力、噪聲、機械化效率，以達標情況和超出標準情況作為統(tǒng)計結(jié)果，分別對5個不同緊膜包裝任務(wù)進行測試，結(jié)果見表1。

表1 不同緊膜包裝機械設(shè)備作業(yè)性能測試結(jié)果

本次測試分析除了與其他方法的應(yīng)用效果進行對比以外，還設(shè)定了預(yù)期目標：預(yù)緊力達標在95%以上，噪聲超出標準最大值為1.0%，機械化效率達標在95%以上。如果當(dāng)前測試結(jié)果均達到了此預(yù)期目標，則認為本研究設(shè)計的機械設(shè)備符合緊膜操控優(yōu)化需求。

表1統(tǒng)計結(jié)果顯示，與手動式、鏈條式、多輥式3種緊膜方法相比，本研究提出的卷簧式緊膜方法的預(yù)緊力達標最高，5組實驗中最小達標率為96.32%，而手動式最大達標率為77.34%，鏈條式最大達標率為85.12%，多輥式最大達標率為81.34%。由此看來，卷簧式緊膜方法在緊膜操控達標方面具備較大優(yōu)勢，機械設(shè)備整體作業(yè)質(zhì)量達標效果較好。從機械設(shè)備產(chǎn)生的噪聲方面對比分析，手動式作業(yè)超出標準噪聲最大比例為6.23%，鏈條式作業(yè)超出標準噪聲最大比例為，多輥式作業(yè)超出標準噪聲最大比例為10.41%，而本研究提出的卷簧式緊膜方法作業(yè)超出標準噪聲最大比例僅有0.20%，在噪聲控制允許范圍之內(nèi)。由此判斷，卷簧式緊膜方法在噪聲控制方面具備較為顯著的優(yōu)勢。另外，從機械化效率方面來看，手動式作業(yè)最高效率為62.91%，鏈條式作業(yè)最高效率為71.44%，多輥式作業(yè)最高效率為69.02%，而卷簧式作業(yè)最高效率達到了97.47%。所以，卷簧式緊膜方法的機械化效率較其他緊膜方法也有很大幅度的提升。

綜合對比分析可知，提出的基于卷簧式緊膜方法的緊膜包裝機械設(shè)計方案符合緊膜機械操作優(yōu)化需求，在預(yù)緊力提升、噪聲控制、機械化效率提升3個方面實現(xiàn)了優(yōu)化處理，該機械設(shè)備可以作為緊膜處理工具。

4 結(jié)語

圍繞緊膜方法優(yōu)化展開探究，以緊膜包裝機械設(shè)備的設(shè)計作為重點研究內(nèi)容，提出卷簧式緊膜方法，并設(shè)計了該方法應(yīng)用下的機械設(shè)備架構(gòu)。該機械設(shè)備以傳動軸Ⅰ和控制軸Ⅳ作為主要緊膜控制結(jié)構(gòu)，分別起到傳動作用和控制作用，根據(jù)緊膜張力需求，調(diào)節(jié)作業(yè)參數(shù)，從而實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定膜張緊力的施加。應(yīng)用測試結(jié)果顯示，與手動式、鏈條式、多輥式緊膜方法相比，本研究提出的卷簧式緊膜方法更符合緊膜操控需求，其機械設(shè)備在預(yù)緊力提升、噪聲控制、機械化效率提升3個方面體現(xiàn)出較為顯著的優(yōu)勢。