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)
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。
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:
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。
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。
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
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。
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
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
3.1.1 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
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。
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。
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
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。