程暢，石云飛，章磊

（常州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164）

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，軟包裝行業(yè)已經(jīng)成為迅速興起的朝陽產(chǎn)業(yè)，以其高速增長的產(chǎn)值和廣闊的市場，顯示了巨大的發(fā)展前景，其軟包裝市場中（如快遞包裝），離不開用量巨大的膠帶，而膠帶分切是膠帶行業(yè)的末端環(huán)節(jié)，其作用是將涂布過的大幅卷半成品膠帶分切成不同寬度的成品應(yīng)用膠帶。根據(jù)用戶的要求，采用非標(biāo)設(shè)計(jì)的方法，研制了一種半自動(dòng)雙刀四軸三伺服膠帶裁切機(jī)（如圖1），具有雙軸雙刀同時(shí)切料、四軸自動(dòng)翻轉(zhuǎn)換位、卸料與切料同時(shí)進(jìn)行、可設(shè)定多種不同規(guī)格寬度及刀切裁切角度進(jìn)行膠帶或布基等材料的分切作業(yè)等功能。

圖1 雙刀四軸膠帶裁切機(jī)外觀示意圖

1 總體方案設(shè)計(jì)

膠帶裁切機(jī)主要技術(shù)參數(shù)要求：機(jī)械有效幅寬為1300 mm，最大裁切直徑為160 mm，最小分切寬度為3 mm，最大分切速度70 次/min，分切精度為±0.05 mm，材料管芯內(nèi)徑為φ25～76 mm，主軸最大機(jī)械轉(zhuǎn)速為700 r/min，主電動(dòng)機(jī)功率為2.2 kW，圓刀電動(dòng)機(jī)功率為0.75 kW，使用電壓三相四線380 V等。主要由機(jī)械系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、氣動(dòng)控制系統(tǒng)、潤滑冷卻系統(tǒng)四部分組成，由中央控制系統(tǒng)PLC可程式控制器集中控制，可同時(shí)設(shè)定多種不同寬度、不同切刀角度的裁切作業(yè)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)刀、主軸翻轉(zhuǎn)、主軸高低速旋轉(zhuǎn)、單或自動(dòng)循環(huán)裁切等操作功能，分切時(shí)可自動(dòng)或手動(dòng)控制；其中機(jī)械系統(tǒng)主要包括旋轉(zhuǎn)主軸部件、雙圓刀刀架部件、雙軸尾架支承部件、主軸回轉(zhuǎn)部件、刀架橫向移動(dòng)部件、裁切軸部件、伺服進(jìn)刀部件、刀架角度自動(dòng)調(diào)節(jié)部件、機(jī)床動(dòng)力部件、機(jī)架框架結(jié)構(gòu)等。電氣控制系統(tǒng)采用數(shù)字化設(shè)計(jì)方案，以實(shí)現(xiàn)機(jī)床的半自動(dòng)控制，提高膠帶裁切質(zhì)量，由液壓泵控制、裁切行程控制、裁切壓力控制、其他輔助控制等功能模塊組成；液壓泵采用5.5 kW的三相異步電動(dòng)機(jī)，主電路為PLC程序控制接觸器直接啟動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)液壓泵啟停；通過安裝齒條嚙合傳動(dòng)中齒輪軸端的編碼器來實(shí)現(xiàn)裁切行程位置的采集，配合PLC、電磁閥組的控制從而控制裁切運(yùn)動(dòng)部件的移動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或手動(dòng)裁切行程位置的確定及調(diào)整；裁切壓力的調(diào)整由電液比例閥完成，裁切時(shí)，快速到達(dá)待切位置速度變慢并加壓保持，以期達(dá)到良好的分切效果及能切斷膠帶；為了保證操作的安全性，本機(jī)設(shè)置了過載安全保護(hù)功能。氣動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括旋轉(zhuǎn)主軸夾持單元、收卷動(dòng)力離合單元、雙軸尾架支承單元、跟刀架移位單元、圓刀冷卻單元、主軸翻轉(zhuǎn)離合、支承、定位單元等氣動(dòng)控制單元的設(shè)計(jì)，由電磁閥、節(jié)流調(diào)整閥、減壓閥、單向閥、消音器、快插接頭等氣動(dòng)元件組成。機(jī)床采用整體架構(gòu)設(shè)計(jì)，總體裝箱尺寸約為2860 mm×1300 mm×1380 mm，電氣控制系統(tǒng)、氣動(dòng)控制系統(tǒng)、機(jī)械動(dòng)力部件、主軸回轉(zhuǎn)部件集中分布在機(jī)床左側(cè)（如圖1）；刀架橫向移動(dòng)系統(tǒng)采用精密伺服電動(dòng)機(jī)（施耐德）、高精度滾珠絲桿螺母副及直線導(dǎo)軌配合進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以保證切刀行程順暢、定位準(zhǔn)確，分切精度達(dá)到±0.05 mm；伺服進(jìn)刀部件采用法國施耐德精密伺服電動(dòng)機(jī)控制、彈性聯(lián)軸器連接、配合直線導(dǎo)軌驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，可自由調(diào)整進(jìn)刀速度的快慢，以保證切刀行程順暢、高穩(wěn)定性；雙圓刀刀架部件及刀架角度自動(dòng)調(diào)節(jié)部件聯(lián)動(dòng)，增設(shè)伺服馬達(dá)（施耐德）可手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)整圓刀裁切角度，解決了膠帶產(chǎn)品橫斷面裁切凹凸不平的現(xiàn)象；裁切軸部件采用軸承鋼GCr15材料主軸外套1 in的PE管，端部采用氣壓背壓控制的雙軸尾架支承，且切管壓力可調(diào)，以提高切管特別是小徑膠管裁切作業(yè)的穩(wěn)定性；主軸采用無級(jí)變速AC馬達(dá)配合同步帶、齒輪系、分度裝置傳動(dòng)，主軸翻轉(zhuǎn)采用氣動(dòng)控制的齒輪齒條傳動(dòng)系統(tǒng)；增設(shè)的矽溶液冷卻系統(tǒng)，避免了切刀粘膠，確保切管作業(yè)順暢。

2 主軸回轉(zhuǎn)部件的設(shè)計(jì)

目前存在相當(dāng)數(shù)量的膠帶裁切機(jī)僅實(shí)現(xiàn)在一個(gè)主軸上完成卷料膠帶的分切，分切效率較低，且卸料與切料不能同時(shí)進(jìn)行，停機(jī)次數(shù)增加，生產(chǎn)效率低，導(dǎo)致生產(chǎn)量不能滿足市場的大量需求。本機(jī)采用了一種四軸自動(dòng)回轉(zhuǎn)換位裝置（如圖2），解決了單軸分切、停機(jī)卸料上料、生產(chǎn)效率低的問題。它由支撐板、第一驅(qū)動(dòng)組件、齒條、回轉(zhuǎn)主軸、翻轉(zhuǎn)齒輪、第二驅(qū)動(dòng)組件、分度盤組件和回轉(zhuǎn)大盤、定位裝置等零部件組成（如圖2），其中回轉(zhuǎn)大盤設(shè)置在機(jī)架左側(cè)壁內(nèi)，與回轉(zhuǎn)主軸固定連接一起旋轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)大盤上設(shè)有均勻分布的四個(gè)工位，四個(gè)工位上分別安裝有一組主軸部件（如圖2（b）），跟隨回轉(zhuǎn)大盤實(shí)現(xiàn)180°回轉(zhuǎn)換位。第一驅(qū)動(dòng)組件由氣缸及固定組件組成，將氣缸固定于支撐板及機(jī)架上，齒條與氣缸螺紋連接一體，當(dāng)主軸需要轉(zhuǎn)位時(shí)，發(fā)出指令后氣缸推動(dòng)齒條上下往復(fù)移動(dòng)；設(shè)計(jì)時(shí)，齒條與翻轉(zhuǎn)齒輪形成嚙合傳動(dòng)（齒條模數(shù)m=2.5 mm、齒數(shù)z=112,齒輪模數(shù)m=2.5 mm、齒數(shù)z=50），由導(dǎo)向輪與導(dǎo)向軸等組成的導(dǎo)向組件輔助齒條沿氣缸軸向作直線運(yùn)動(dòng)，為了保證齒條上下平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)向輪設(shè)有凹槽限制了齒條其他方向的移動(dòng)，齒條上方設(shè)置了限位塊來控制齒條的行程（如圖2（c）A向所示）；翻轉(zhuǎn)齒輪通過深溝球軸承與回轉(zhuǎn)主軸空套連接，分度盤組件通過平鍵、圓螺母、緊定螺釘與回轉(zhuǎn)主軸固連，由緊湊型氣缸、轉(zhuǎn)動(dòng)小軸等組成的第二驅(qū)動(dòng)組件通過螺栓固定在翻轉(zhuǎn)齒輪上；當(dāng)齒條伸出時(shí)，第二驅(qū)動(dòng)組件中的緊湊型氣缸得到指令推出轉(zhuǎn)動(dòng)小軸與分度盤上的小孔連接，這樣齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)分度盤跟隨同步轉(zhuǎn)動(dòng)180°，回轉(zhuǎn)主軸也同步帶動(dòng)回轉(zhuǎn)大盤旋轉(zhuǎn)180°，此時(shí)，設(shè)置在回轉(zhuǎn)大盤上方的定位裝置得到指令后，驅(qū)動(dòng)件推動(dòng)定位銷與回轉(zhuǎn)大盤上的定位塊配合，回轉(zhuǎn)大盤停止轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)主軸部件位于工作位置（如圖2（c）B向所示）；當(dāng)齒條縮回時(shí)，第二驅(qū)動(dòng)組件與分度盤組件分離，齒條僅帶動(dòng)齒輪在回轉(zhuǎn)主軸上轉(zhuǎn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)大盤保持不動(dòng)。這樣，通過齒條往復(fù)伸縮動(dòng)作，結(jié)合第二驅(qū)動(dòng)組件與分度組件的連接與分離，使回轉(zhuǎn)大盤一直朝一個(gè)方向?qū)崿F(xiàn)180°的轉(zhuǎn)動(dòng)，避免了在加工膠帶時(shí)出現(xiàn)松脫現(xiàn)象；另外，回轉(zhuǎn)大盤上的四個(gè)主軸180°回轉(zhuǎn)換位，使其中兩個(gè)主軸同時(shí)切料，另外兩個(gè)主軸完成卸料、上料，保證了在切料的同時(shí)完成卸料、上料工序，實(shí)現(xiàn)了部分自動(dòng)化，大大節(jié)省了時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

圖2 四軸自動(dòng)回轉(zhuǎn)換位裝置

3 刀架角度自動(dòng)調(diào)節(jié)部件的設(shè)計(jì)

裁切機(jī)在進(jìn)行分切作業(yè)時(shí)，由于不同成卷半成品的膠帶有著不同的物理特性，并且產(chǎn)品還會(huì)隨著加工的推進(jìn)產(chǎn)生寬度變化，因此會(huì)對(duì)圓刀產(chǎn)生不同的作用力，若刀具不能及時(shí)調(diào)整切入角度，刀具在作用力的影響下會(huì)發(fā)生偏移，導(dǎo)致加工出的成品產(chǎn)生斷面不平、毛邊等不良現(xiàn)象。本機(jī)采用了一種刀架角度自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，角度調(diào)整范圍為±9°，它由底座、轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)、刀具機(jī)構(gòu)、壓板、保護(hù)罩等零部件組成（如圖3），其中轉(zhuǎn)盤設(shè)置在底座上以鉸鏈相連，底座可帶著刀架在機(jī)床導(dǎo)軌上實(shí)現(xiàn)縱向移動(dòng)及進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；刀具機(jī)構(gòu)固定在轉(zhuǎn)盤上，安裝有兩把φ180 mm的圓刀，由0.75 kW的蝸桿減速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)切割物料,為了保證圓刀刀口與物料接觸位置始終不變，并能準(zhǔn)確地調(diào)整切料角度，設(shè)計(jì)時(shí)讓圓刀切料點(diǎn)與轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)中心在一條軸線上（如圖3（b）），同時(shí)也設(shè)計(jì)有對(duì)刀塊、限位塊等組成的對(duì)刀裝置方便加工前對(duì)刀操作；為了加工時(shí)冷卻刀具，避免切刀粘膠，圓刀外面的保護(hù)罩頂部設(shè)計(jì)有噴淋裝置（如圖3（c））,由液壓系統(tǒng)控制；轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)一端連接底座，另一端連接轉(zhuǎn)盤，用于帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，它包括BCH0602O12A1C型施耐德伺服電動(dòng)機(jī)、彈性聯(lián)軸器、M16×5滾珠絲桿、圓螺母、螺母固定塊、絲桿固定塊等零部件（如圖3（d）），彈性聯(lián)軸器用于連接電動(dòng)機(jī)主軸與滾珠絲桿，滾珠絲桿與圓螺母組成螺旋副，把電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)化為圓螺母的移動(dòng)形式；其中滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置在絲桿固定塊上，絲桿固定塊轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置在底座上，而伺服電動(dòng)機(jī)固定設(shè)置在絲桿固定塊上，用于帶動(dòng)滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母固定塊轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置在轉(zhuǎn)盤上。當(dāng)需要調(diào)整圓刀的裁切角度時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)圓螺母左右移動(dòng)，使絲桿固定塊與螺母固定塊之間的距離發(fā)生變化，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤在底座上轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)圓刀的角度調(diào)整。操作者可以根據(jù)物料的不同物理屬性調(diào)整圓刀的角度，同時(shí)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)由PLC控制器控制，裁切加工時(shí)，由于物料的寬度會(huì)隨著加工的進(jìn)行而縮短，對(duì)應(yīng)圓刀的角度要求也在不斷變化，PLC控制器根據(jù)使用者設(shè)定的參數(shù)，控制伺服電動(dòng)機(jī)的工作，使圓刀在分切加工過程中實(shí)現(xiàn)角度的自動(dòng)調(diào)整，以匹配不同加工時(shí)段對(duì)圓刀的角度要求，從而提高了產(chǎn)品合格率。

圖3 刀架角度自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置

4 結(jié)語

由PLC集中控制電氣、氣動(dòng)、潤滑及機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的半自動(dòng)、雙圓刀裁切、四主軸翻轉(zhuǎn)、三伺服驅(qū)動(dòng)的膠帶裁切機(jī)，技術(shù)設(shè)計(jì)與試制完成后的實(shí)驗(yàn)表明：本機(jī)采用了美觀大方的外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，四軸雙刀同時(shí)切料，自動(dòng)換位，卸料與切料能同時(shí)進(jìn)行；主刀架橫移進(jìn)給采用了精密伺服電動(dòng)機(jī)、高精度滾珠絲桿螺母副及直線滑軌配合進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，圓刀縱向進(jìn)給采用了伺服電動(dòng)機(jī)配合直線滑軌驅(qū)動(dòng)控制，切刀行程順暢、穩(wěn)定性高；同時(shí)采用的觸摸屏配合PLC進(jìn)行集中控制，實(shí)現(xiàn)了高速高精度作業(yè)，可不停機(jī)同時(shí)設(shè)定多種不同寬度、不同切刀角度；增設(shè)的伺服馬達(dá)獨(dú)立自動(dòng)調(diào)整圓刀角度，完全解決了產(chǎn)品端面凹凸不平的現(xiàn)象，符合用戶對(duì)產(chǎn)品性能的要求。相關(guān)產(chǎn)品投入市場后，經(jīng)濟(jì)效益顯著。同時(shí)，除膠帶外，本機(jī)也適合雙面膠、高級(jí)電子膠帶、PVC、PE、PET保護(hù)膜、OPP封箱膠紙、牛皮紙、美紋紙、金屬紙、泡棉等膠粘帶及布基的裁切作業(yè)，擴(kuò)大了作業(yè)范圍。