李茂華， 平文卉， 尹冬冬， 袁 旗

(1.南通金輪研發(fā)中心有限公司， 江蘇 南通 226009； 2.南通市疾病預(yù)防控制中心， 江蘇 南通 226009)

不銹鋼平板廣泛應(yīng)用于電梯、家電及建筑裝飾等領(lǐng)域，在其運(yùn)輸和進(jìn)一步深加工的過程中，經(jīng)常出現(xiàn)表面劃傷和表面污漬等現(xiàn)象，因此需要在其表面貼附一層或多層薄膜，以達(dá)到預(yù)防和保護(hù)不銹鋼表面的目的[1]。目前，我國的貼膜機(jī)行業(yè)發(fā)展比較緩慢，尤其在不銹鋼板材加工行業(yè)，仍處于半自動半人工的狀態(tài)。操作設(shè)備的人員素質(zhì)參差不齊，這就會造成貼膜的質(zhì)量和效率低下，因此有待進(jìn)一步完善及改進(jìn)[2]。學(xué)者們對貼膜機(jī)進(jìn)行了不少研究。張鎬等提出了一種高效的壓膜、貼膜及切膜機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法[3]；馬巖等對半自動貼膜機(jī)進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)研究，為貼膜機(jī)的設(shè)計(jì)提供借鑒[4]；馬巖等介紹了貼膜機(jī)的氣動裝置，研究了貼膜機(jī)氣動裝置的參數(shù)設(shè)計(jì)[5]；陸敏智等研究了機(jī)器視覺在貼膜機(jī)定位中的應(yīng)用，介紹了一種基于機(jī)器視覺設(shè)計(jì)的貼膜機(jī)控制系統(tǒng)[6]；郭紫貴等研究了貼膜過程中工作部件的位置誤差及靈敏度，為貼膜機(jī)的精度設(shè)計(jì)提供了參考[7]。目前，研究大多集中于手機(jī)貼膜領(lǐng)域，而對于不銹鋼板材的貼膜研究相對較少，因此筆者針對目前主流的板材貼膜機(jī)在實(shí)際使用過程中存在的諸多問題，提出了關(guān)于不銹鋼板材貼膜機(jī)的改進(jìn)方法，以達(dá)到減少用工成本，提高生產(chǎn)效率的目的。

1 傳統(tǒng)設(shè)備現(xiàn)狀及改進(jìn)需求

圖1所示為目前主流板材所用的貼膜機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)板材連續(xù)貼膜及自動割膜動作。其動作原理為：根據(jù)不銹鋼板材進(jìn)給的方向，通過機(jī)架及薄膜放卷裝置將薄膜拉緊，薄膜內(nèi)部產(chǎn)生張力(第1次貼膜時(shí)，人工需先起頭將張緊的薄膜貼于板材頭部)，之后2個貼膜輥同步旋轉(zhuǎn)，不銹鋼板處于2個壓膜輥的間隙之間，通過互相擠壓鋼板，保護(hù)膜平穩(wěn)地貼合于不銹鋼板表面；待第1張板材即將完成貼膜動作時(shí)，三角刃割膜機(jī)構(gòu)自動裁剪掉2張板材之間的多余的薄膜，從而實(shí)現(xiàn)貼膜及割膜的動作，如圖2所示。

圖1 主流板材貼膜機(jī)整體結(jié)構(gòu)Figure 1 Overall structure of mainstream plate film sticking machine

圖2 主流板材貼膜機(jī)割膜部件Figure 2 Film cutting parts of mainstream plate film sticking machine

雖然該貼膜機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)板材連續(xù)貼膜及多余薄膜的自動割斷，節(jié)省了部分人力，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，該種貼、割膜方式往往會在基材表面刮出毛刺，傷害基材表面；刮出的毛刺有可能會附著在薄膜上，此時(shí)基材需要返修處理；同時(shí)割出的薄膜余料難以收集，往往會粘附在貼膜輥和板材上，會對下次貼膜造成一定的影響。

若采用該種貼膜方式，貼出來的薄膜往往會超出鋼板的基材尺寸，在實(shí)際搬運(yùn)、堆積時(shí)，鋼板之間會因?yàn)槁冻龅谋∧蓛烧掣皆谝黄穑绊懣蛻舻臐M意度。

2 新型設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及特點(diǎn)

新型全自動高精度板材貼膜機(jī)改變了市面上傳統(tǒng)的貼膜機(jī)貼膜及割膜方式，采用真空吸附的方式進(jìn)行貼膜；在原先的橫切割膜基礎(chǔ)上，增加了板材兩邊自動割膜的裝置(縱切)，能同時(shí)滿足板材進(jìn)給方向及寬度方向的割膜操作，以適應(yīng)不同規(guī)格板材的貼膜要求。

新型板材貼膜機(jī)采用“先切后貼”的原理與傳統(tǒng)貼膜機(jī)的貼膜原理不同，即預(yù)先設(shè)定好每一塊板材所需的薄膜長度，通過PLC進(jìn)行精準(zhǔn)控制，以便達(dá)到貼膜的要求，避免了薄膜超出基材邊界的現(xiàn)象，同時(shí)也解決了割出的廢料難以收集的問題。

新型全自動高精度板材貼膜機(jī)的工作原理如圖3所示。

圖3 新型板材貼膜機(jī)工作原理Figure 3 Working principle of new plate film sticking machine

新型全自動高精度板材貼膜機(jī)按板材流經(jīng)的進(jìn)給方向及工序主要分為入口輸送定位工位、自動貼膜及割膜工位和出口輸送工位，并由各工位組成單獨(dú)的結(jié)構(gòu)部件系統(tǒng)。由于入口輸送定位工位和出口輸送工位結(jié)構(gòu)無較大的創(chuàng)新，故文中不作敘述。新型板材貼膜生產(chǎn)線總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 新型板材貼膜生產(chǎn)線總體結(jié)構(gòu)Figure 4 Overall structure of new plate film production line

2.1 自動貼膜及割膜工位

當(dāng)板材經(jīng)入口輸送定位工位流經(jīng)貼膜裝置時(shí)，貼膜機(jī)開始工作：薄膜卷開始放卷，真空貼膜裝置及自動割膜裝置開始動作，完成貼膜及割膜。其總體結(jié)構(gòu)如圖5示。

圖5 新型板材貼膜機(jī)貼膜及割膜工位Figure 5 Film sticking and film cutting station of new plate film sticking machine

設(shè)備根據(jù)功能可分為：機(jī)架、驅(qū)動輥組件、真空吸附貼膜裝置和自動割膜裝置。機(jī)架由不同規(guī)格型材焊接而成，用于安裝各部件同時(shí)還起支撐的作用；驅(qū)動輥組件由驅(qū)動輥、氣缸和伺服減速電機(jī)組成，其作用一為牽引輸送鋼板，作用二是對剛貼附的薄膜進(jìn)行滾平碾壓，使薄膜貼附更加平整。

2.1.1 真空吸附貼膜裝置

真空吸附貼膜裝置為貼膜機(jī)的核心部件，區(qū)別于傳統(tǒng)的貼膜裝置，該裝置采取真空吸附的方式對薄膜進(jìn)行起頭貼膜，除第1張來料鋼板貼膜需要人工參與之外，剩余來料鋼板均可實(shí)現(xiàn)自動貼膜。

如圖6所示，真空吸附貼膜裝置主要分為：安裝支架、真空吸附腔體和動力驅(qū)動裝置。安裝支架由各類型材焊接安裝而成，對其它零部件起安裝和支撐的作用。真空吸附腔體分為上吸附腔和下吸附腔，吸附型腔的表面有微型吸附孔，對放卷薄膜起著吸附的作用，增加薄膜內(nèi)部張力；上、下吸附腔內(nèi)部均分隔成密閉的吸附型腔，各型腔均可單獨(dú)供氣；由于薄膜內(nèi)外壓力的不同，薄膜吸附于上、下吸附腔體表面。動力驅(qū)動裝置由伺服驅(qū)動機(jī)構(gòu)和步進(jìn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)組成。伺服驅(qū)動機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)、行星減速機(jī)、滾珠絲桿及直線導(dǎo)軌組成，用于驅(qū)動上吸附腔體的直線往返運(yùn)動；步進(jìn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)有2組，主要由步進(jìn)絲桿電機(jī)和絲杠螺母等部件組成，用于驅(qū)動下吸附腔體橫向往返的運(yùn)動。動力驅(qū)動系統(tǒng)采用西門子PLC技術(shù)，進(jìn)行時(shí)序、動作控制，使得運(yùn)動和定位精度更高[8]。

圖6 真空吸附貼膜部件Figure 6 Vacuum adsorption film components

當(dāng)PLC控制系統(tǒng)收到貼膜信號時(shí)，上、下2個吸附腔體開始吸氣動作，薄膜吸附于上、下2個吸附腔表面；步進(jìn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)動作，驅(qū)動下吸附腔沿板材進(jìn)給方向往前做直線運(yùn)動，吸附了下吸附腔的薄膜就隨之往后運(yùn)動，在運(yùn)動過程中，由于上吸附腔的吸附力大于下吸附腔的吸附力，粘附于下吸附腔的薄膜就吸附于上吸附腔體底部；隨后伺服驅(qū)動機(jī)構(gòu)開始動作，通過伺服電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠，然后將動力傳遞至上吸附腔體，帶動薄膜往下動作，將薄膜料頭豎直壓在板材表面；由于黏性力的作用，薄膜料頭粘附在板材上表面，隨著板材往進(jìn)給方向運(yùn)動，完成貼膜動作[8-10]。其動作時(shí)序圖，如圖7所示。

圖7 自動貼膜及割膜動作時(shí)序圖Figure 7 Sequence diagram of automatic film sticking and film cutting

2.1.2 自動割膜裝置

自動割膜裝置根據(jù)功能的不同，分為橫向割膜裝置及縱向割膜裝置。

1) 橫向割膜裝置

當(dāng)每一張鋼板即將完成貼膜時(shí)，控制計(jì)算系統(tǒng)會計(jì)算此張鋼板剩余所需的薄膜量，橫向割膜裝置動作，完成割膜，此后開始另一張鋼板的貼膜。如圖8所示，橫向割膜裝置由單軸直線模組、割刀組件和限位導(dǎo)向裝置等組成。單軸直線模組采用伺服電機(jī)驅(qū)動，轉(zhuǎn)速高，控制精準(zhǔn)，保證了割膜效率和割膜精度；割刀組件安裝于單軸直線模組上，由直線模組驅(qū)動完成直線往返運(yùn)動；限位導(dǎo)向裝置由齒輪、圓形齒條及限位滾輪等組成，保證切割圓刀橫向切割的精確度，以滿足薄膜切割處的直線度要求。

圖8 橫向割膜部件Figure 8 Transverse film cutting part

2) 縱向割膜裝置

縱向割膜裝置置于薄膜料卷之上，在薄膜放卷時(shí)，對膜兩側(cè)多余材料進(jìn)行自動切割，適應(yīng)不同寬度板材的要求。如圖9所示，縱向割膜裝置由2組分切圓刀組件、調(diào)節(jié)定位組件及配質(zhì)量部件組成。在放卷時(shí)，工人根據(jù)來料板材的規(guī)格，調(diào)節(jié)薄膜需要切割的量，切完的余料置于膜卷上，待料卷用完之后，再進(jìn)行收集。薄膜放卷時(shí)，分切圓刀由于摩擦力的作用，被動反向圓周運(yùn)動，完成對薄膜的切割動作。

圖9 縱向割膜部件Figure 9 Longitudinal film cutting part

3 結(jié)語

針對目前主流的板材貼膜機(jī)存在自動化程度低、貼膜效率低及貼膜質(zhì)量低等問題，筆者提出了一種新型全自動高精度板材貼膜機(jī)設(shè)計(jì)：采用真空吸附貼膜的裝置進(jìn)行自動貼膜；采用單軸機(jī)械手驅(qū)動滾刀等結(jié)構(gòu)的方式實(shí)現(xiàn)自動橫向割膜；采用2組分切圓刀等結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了自動縱向割膜。目前該新型板材貼膜機(jī)已在相關(guān)企業(yè)投入使用，貼膜質(zhì)量及精度較高，薄膜貼合效果在長度及寬度方向均未超出板材范圍，留白量控制在2 mm以內(nèi)，表面無氣泡及毛刺殘留。貼膜速率為6 張/min板材(以長度2.5 m板材為例)，貼膜效率大幅度提升， 為現(xiàn)有貼膜機(jī)效率的3倍多。改進(jìn)后的貼膜機(jī)節(jié)省了企業(yè)用工成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。筆者所提出的貼膜機(jī)設(shè)計(jì)僅適用于不銹鋼板材的單層薄膜貼附，未考慮到雙層或多層薄膜貼附的情況，后續(xù)將對此作深入研究，推動不銹鋼板材貼膜行業(yè)的發(fā)展。