呂 償，謝遠霞，代英英

（1.廣東白云學院，廣州 510450；2.東莞米目米信息科技有限公司，廣東東莞 523430）

0 引言

標簽是產(chǎn)品在市場流通中承載產(chǎn)品信息的重要組成部分［1］。隨著物聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展，通過手機掃一掃產(chǎn)品標簽即可獲取該產(chǎn)品的生產(chǎn)日期、出產(chǎn)地、產(chǎn)品主要參數(shù)等，給消費者提供透明化的產(chǎn)品信息，同時有利于市場監(jiān)督管理和智能倉儲分揀［2］。產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程中，在包裝或產(chǎn)品上貼標是不可或缺的一道工序。貼標工序?qū)儆诤唵沃貜托怨しN，小批量生產(chǎn)時往往采用人工完成，而大批量生產(chǎn)采用人工貼標效率低，隨著用工成本的增加無疑提高了產(chǎn)品的成本［3-4］。因此，面對大批量生產(chǎn)時采用的全自動無人為干預的高效、精準貼標機應(yīng)運而生。當前針對個性化產(chǎn)品貼標，市場上大部分被貼標產(chǎn)品為非標，須針對特定產(chǎn)品進行研發(fā)，根據(jù)客戶需求設(shè)定設(shè)計參數(shù)，其通用化程度低。對此，國內(nèi)外學者根據(jù)不同被貼標產(chǎn)品需求做了大量的設(shè)計與研究。肖鵬等［5］以通用不干膠為設(shè)計需求，采用真空吸附取標、氣壓吹填覆標的方式完成取標、貼標動作。伍志祥等［6］按標簽自身特征設(shè)計了剝標板的剝離角度，覆標機構(gòu)在60°～75°，貼標角度小于30°對于罐裝貼標對象有較好的貼標效果［7-8］。羅序平［9］根據(jù)不同幾何特征的瓶類進行了貼標機結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析。而以紙張為被貼標產(chǎn)品，進行連續(xù)貼標的產(chǎn)品鮮有報道。本文旨在設(shè)計一種先對層疊狀態(tài)下的紙張進行分頁，再在單張狀態(tài)下完成對紙張貼標的貼標機。對被貼標紙張的厚度、長、寬、貼標位置可根據(jù)實際情況作相應(yīng)調(diào)整，在紙張貼標范疇實現(xiàn)通用性。

1 紙張分頁貼標機功能需求分析

紙張分頁貼標機適用于在層疊狀態(tài)下不同規(guī)格的紙張（扁平狀包裝紙），逐張分頁并在指定位置完成貼標，以實現(xiàn)產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中全自動化和智能化，滿足現(xiàn)代化批量生產(chǎn)的需求。

紙張分頁貼標機應(yīng)滿足以下功能需求：

1.1 紙張規(guī)格型號繁多

每種紙張的規(guī)格尺寸存在差異，分頁貼標機可根據(jù)紙張規(guī)格調(diào)整送料機構(gòu)、貼標機構(gòu)、收料機構(gòu)，以滿足不同規(guī)格紙張貼標要求。

1.2 標簽規(guī)格較多

每個產(chǎn)品對標簽的需求各不相同，對應(yīng)根據(jù)標簽大小、挺度、黏度、標簽與標簽間距作合理化設(shè)計。使送標、剝標、覆標、撫標4個動作精準、協(xié)調(diào)，能高效、連續(xù)地完成貼標。

1.3 貼標位置可根據(jù)用戶需求調(diào)整

產(chǎn)品的貼標位置可根據(jù)包裝設(shè)計特點確定。因此，貼標機構(gòu)應(yīng)具備水平移動、上下移動及固定架轉(zhuǎn)動即3個自由度，以應(yīng)對貼標位置的變化。

紙張分頁貼標機在滿足基本功能需求時亦須滿足相關(guān)性能指標，其技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 紙張分頁貼標機技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of paper paging and labeling machine

2 紙張分頁貼標機功能設(shè)計分析

2.1 貼標對象

貼標對象為紙張類產(chǎn)品，具有紙張的分頁和貼標2個功能。將紙張從層疊狀態(tài)逐張分頁成單張狀態(tài)，在紙張指定位置完成連續(xù)、高效、精準貼標。所貼標簽單面粘附于成卷蠟紙上，以自動化形式完成貼標后，蠟紙可自動回收。

2.2 貼標工序分析

根據(jù)貼標對象特征和貼標要求，擬定貼標機的主要功能模塊。本貼標機的貼標對象為紙張，其大小為標準A3（長為297 mm，寬為420 mm），初始時處于層疊狀態(tài)。擬定采用飛達機構(gòu)使紙張逐張分成單張狀態(tài)，飛達機構(gòu)的真空吸盤通過吸附抓取使紙張分離，隨后凸輪機構(gòu)使飛達機構(gòu)先在紙張平面法線方向抬高H1，然后沿切線方向移動B1，將紙張傳送至送料機構(gòu)，送料機構(gòu)以傳輸帶將紙張快速傳送至貼標位置。根據(jù)貼標位置要求，調(diào)整安裝在調(diào)整機構(gòu)橫梁上的貼標機構(gòu)，貼標機構(gòu)由送標機構(gòu)、剝標機構(gòu)、收標機構(gòu)及撫標機構(gòu)組成，貼標頭通過主動軸輥帶動供標機構(gòu)和收標機構(gòu)，剝標機構(gòu)使標簽與蠟紙快速分離，貼附標簽于產(chǎn)品的貼標位置，由撫標機構(gòu)完成二次撫壓。在整個貼標過程完成后，紙張由傳送帶輸送至收料機構(gòu)。其貼標工藝過程如圖1所示。

圖1 紙張分頁貼標機工藝流程Fig.1 Technological flow chart of paper paging and labeling machine

2.3 貼標總體方案設(shè)計

紙張分頁貼標機如圖2所示，分頁貼標過程均由PLC集中控制。飛達上料機構(gòu)抓取紙張后沿輸送帶傳輸方向移動，該移動動作由凸輪機構(gòu)完成但受限于凸輪推程較小，使之在傳輸方向移動行程受限，故在飛達機構(gòu)抓取紙張后輸送至傳輸帶時，在傳輸帶與飛達機構(gòu)連接位置加裝帶有橡膠圈的滾子組，滾子組與傳輸帶轉(zhuǎn)向相反，即在紙張接觸滾子組瞬間，在滾子組與傳輸帶摩擦力作用下，快速將紙張傳輸至傳輸帶，解決了凸輪結(jié)構(gòu)推程不足的問題。傳輸帶將紙張輸送至預設(shè)的貼標位置，測物電眼檢測紙張位置并將信號反饋至PLC控制系統(tǒng)，啟動貼標機構(gòu)。標簽紙受牽引輥作用在供標輥、導向輥、張緊輪、收標輪實現(xiàn)傳輸。根據(jù)貼標位置要求和貼標產(chǎn)品特征，貼標機構(gòu)安裝在調(diào)整機構(gòu)上的移動可滿足紙張類產(chǎn)品的貼標位置需求。

圖2 紙張分頁貼標機總成圖Fig.2 General assembly diagram of paper paging and labeling machine

3 紙張分頁貼標機功能單元設(shè)計

3.1 貼標系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1.1 貼標機構(gòu)原理設(shè)計

貼標是貼標機的核心，貼標的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性對貼標質(zhì)量有重要意義。貼標機構(gòu)如圖3所示，標簽卷置于標簽放料機構(gòu)，標簽帶繞過張緊輪剎車機構(gòu)，保證標簽卷處于張緊狀態(tài)，并在機器運行故障時可及時剎停標簽，保障標簽卷可持續(xù)性使用。標簽帶通過導向輪進入剝標機構(gòu)，在完成剝標后標簽帶被收料機構(gòu)回收，使蠟紙可二次利用。

圖3 貼標頭結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural diagram of labeling head

3.1.2 貼標勻速供標設(shè)計

勻速供標是貼標穩(wěn)定性的前提，標簽帶須由放料機構(gòu)勻速運行至收料機構(gòu)，保證有相同的線速度，而放料輪在輸出標簽帶的同時標簽卷半徑遞減，收料輪上標簽卷半徑遞增，在標簽放料輪和收料輪線速度相等的前提下，其角速度必為非恒值?；诖?，標簽放料輪和收料輪均不能作為牽引機構(gòu)，為實現(xiàn)勻速供標，故在標簽收料機構(gòu)前設(shè)計牽引輥作為標簽傳輸?shù)尿?qū)動力。牽引輥由兩個偏心輥組成，其中一個為主動牽引輥，帶有橡膠圈以增大牽引摩擦力，另一個為金屬牽引輥，調(diào)整安裝角度使標簽帶與主動牽引輥的包角為120°～180°，以形成足夠的摩擦力，從而實現(xiàn)穩(wěn)定、勻速的供標。

3.1.3 貼標頭剝標原理

標簽剝離原理如圖4所示，假設(shè)標簽總長為l，標簽與標簽帶之間的黏結(jié)力近似為作用于標簽上的均布載荷。當標簽隨標簽帶以勻速v運動時，由于標簽自身挺度EI（抗彎剛度）及慣性作用，黏結(jié)力不足以使標簽產(chǎn)生較大曲率。標簽在自身抗彎剛度作用下回彈，在慣性作用下保持原速度向前移動，并會在距自由端x處開始與標簽帶分離，直至完全分離。

圖4 剝標原理示意圖Fig 4 Schematic diagram of label stripping principle

3.2 標簽剝離參數(shù)分析

參照壓敏膠帶剝離黏結(jié)力的標準試驗法［10］，將標簽與剝標板之間的黏結(jié)力近似于施加在標簽上的均布載荷，假設(shè)標簽長度為l，寬度為b，厚度為h。標簽與剝標板之間的載荷為q，將標簽剝離簡化力學模型為如圖5所示。

圖5 剝標原理的力學模型Fig.5 Mechanical model of label stripping principle

標簽在黏結(jié)力q作用下發(fā)生彎曲變形，假設(shè)自由端部分曲率半徑為 ρ（x），標簽整體部分的曲率半徑為r（x），故標簽開始剝離的臨界條件：

由彎曲變形理論可知［11］：

式中E——彈性模量；

I——對標簽橫截面的慣性矩。

根據(jù)彎曲內(nèi)力理論，其彎矩：

根據(jù)弧長定理：

θ（x）為截面轉(zhuǎn)角方程即為撓度方程一階導數(shù)，受均布載荷的固定端約束的梁模型，其撓度方程：

式（5）一階導數(shù)：

將式（3）、（4）、（6）代入式（2），可得：

由式（7）可知，根據(jù)標簽自身材料參數(shù)、幾何參數(shù)可確定剝標曲率半徑。

3.3 剝標關(guān)鍵技術(shù)分析

剝標板在標簽剝離時需有合理的剝離角度，較小的剝離半徑更易使標簽從標簽帶上剝離，提高貼標的成功率。但剝離半徑越小，標簽帶受的牽引力越大，易導致標簽帶斷裂，從而使貼標次品率增加。故此，選擇合適的剝離半徑尤為重要，合適的剝標半徑可由通式（7）得出。

3.4 貼標調(diào)整機構(gòu)的設(shè)計

將貼標機構(gòu)安裝于調(diào)整機構(gòu)以滿足不同角度、位置貼標需求，安裝方式如圖6所示。調(diào)整機構(gòu)具有4自由度，以笛卡爾坐標系為參考，手輪1，2，3分別控制貼標機構(gòu)在X、Y、Z軸方向的位移，手輪4可控制貼標機構(gòu)繞Y軸轉(zhuǎn)動即調(diào)整貼標頭與輸送帶之間角度。

圖6 貼標機構(gòu)安裝示意Fig.6 Assembly diagram of labeling mechanism

4 結(jié)語

根據(jù)功能需求設(shè)計紙張分頁貼標機，該貼標機包含了送料機構(gòu)、飛達上料機構(gòu)、傳輸機構(gòu)、貼標機構(gòu)、調(diào)整機構(gòu)、收料機構(gòu)。重點分析貼標的關(guān)鍵技術(shù)，闡述貼標原理和標簽紙實現(xiàn)勻速供標的方法，并對標簽剝離建立簡要的力學模型，通過分析得出標簽從標簽帶分離時自由端的曲率半徑，為設(shè)計高質(zhì)量剝標提供理論參考。