王曉慧，翁茂榮，馬雷明，徐 杭

（浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江溫州 325000）

0 引言

目前市場(chǎng)上大部分復(fù)卷設(shè)備都是針對(duì)有芯的繞卷，這些復(fù)卷設(shè)備的技術(shù)都已經(jīng)比較成熟。但是由于顧客的需求不同，企業(yè)也需要生產(chǎn)無芯繞卷。紙筒芯軸作為有芯繞卷的重要組成成分，在環(huán)保水平以及資金成本上，使其都劣于無芯繞卷。如圖1所示。

圖1 有芯繞卷和無芯繞卷

在傳統(tǒng)復(fù)卷機(jī)上，如果要生產(chǎn)出空心卷筒紙[1]，可以利用前卷取輥、后卷取輥、設(shè)置導(dǎo)輥，放置好原料卷筒紙，同時(shí)運(yùn)用壓紙輥、芯軸支撐體共同構(gòu)成空心卷筒紙裝置，實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能需要工人花費(fèi)較多時(shí)間去干預(yù)，工作效率低，最終造成生產(chǎn)效率低下[2]。不少?gòu)S家為了節(jié)約成本，兼顧提高環(huán)保水平，取消支撐硬紙筒等支撐機(jī)構(gòu)，此舉反而造成傳統(tǒng)的復(fù)卷機(jī)構(gòu)難以運(yùn)作，故障頻發(fā)。市場(chǎng)上也有不少改裝有芯復(fù)卷機(jī)生產(chǎn)無芯繞卷案例，機(jī)器改造后往往出現(xiàn)繞卷結(jié)束芯棒回縮脫出、成品橫向移動(dòng)距離過大等情況，以至于目前市場(chǎng)上一直缺少能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)無芯繞卷技術(shù)和有芯繞卷技術(shù)兩用的產(chǎn)品功能的設(shè)備[3]。其中有芯復(fù)卷工作原理如圖2所示。

圖2 有芯復(fù)卷工作原理

福伊特蘇爾壽公司（VOITH SULZER）和美卓公司（Metso）是目前國(guó)際上技術(shù)領(lǐng)先的復(fù)卷機(jī)制造及有芯繞卷技術(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)用企業(yè)，其有芯繞卷技術(shù)已非常成熟，并深深影響到其他國(guó)家地區(qū)的復(fù)卷機(jī)制造企業(yè)[4]。無芯復(fù)卷機(jī)制造技術(shù)的推廣，要追溯到挪威的Bragerne 公司，該企業(yè)設(shè)計(jì)開發(fā)的BM-1005-1000產(chǎn)品，能夠?qū)崿F(xiàn)每分鐘150卷（450 m）的卷取速度，全程不需工人的額外參與，通過無芯軸實(shí)現(xiàn)高速自動(dòng)復(fù)卷。縱觀國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)及目前市場(chǎng)常見復(fù)卷技術(shù)，以有芯繞卷技術(shù)設(shè)備居多，高效無芯繞卷設(shè)備較少見，雙芯兩用功能設(shè)備還未見相關(guān)產(chǎn)品[5]。

上述利用前卷取輥、后卷取輥，實(shí)現(xiàn)無芯復(fù)卷工作設(shè)備，國(guó)內(nèi)也有產(chǎn)品應(yīng)用，但其工作原理實(shí)際上還是利用氣脹軸作為芯軸[6]，完成復(fù)卷工作，后期工人需要手動(dòng)抽出芯軸，因?yàn)榉侨詣?dòng)完成，固工作效率降低，復(fù)卷設(shè)備難以提升速度。目前研究主要是如何把有芯繞卷機(jī)器改造為無芯繞卷，幾乎沒有對(duì)一臺(tái)機(jī)器如何實(shí)現(xiàn)雙芯兩用的技術(shù)進(jìn)行研究，且有的也只是處于研究報(bào)告和理論設(shè)計(jì)層面之上，而沒有真正能夠用于實(shí)際生產(chǎn)上。個(gè)別期刊和專利中設(shè)計(jì)雙芯功能，具有控制不方便，PLC控制成本高[7]，不便于產(chǎn)業(yè)化等特點(diǎn)。

工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步、客戶對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提升、市場(chǎng)對(duì)繞卷種類需求的不斷擴(kuò)大，不斷刺激繞卷復(fù)卷設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)朝著功能多樣、高效運(yùn)作方向不斷開發(fā)，行業(yè)不斷發(fā)展，雙芯可選復(fù)卷裝置設(shè)計(jì)理念也由此產(chǎn)生。

1 自動(dòng)換卷技術(shù)

本文根據(jù)雙芯可選復(fù)卷裝置要求設(shè)計(jì)開發(fā)了一種雙芯兩用可選復(fù)卷裝置，主要用于對(duì)各種原料如紙類、薄膜等材料進(jìn)行繞卷和復(fù)卷，從而實(shí)現(xiàn)便于運(yùn)輸和儲(chǔ)存。繞卷復(fù)卷等工作在現(xiàn)有的復(fù)卷機(jī)器上很容易實(shí)現(xiàn)，但是由于不同用途的原料所要求的繞卷種類不同，因此目前市場(chǎng)上常見設(shè)備要么是有芯復(fù)卷裝置[8]，要么是無芯復(fù)卷裝置。未見有一臺(tái)復(fù)卷裝置上實(shí)現(xiàn)雙芯兩用可選功能，本課題針對(duì)這個(gè)難點(diǎn)進(jìn)行了研究，在同一臺(tái)復(fù)卷裝置上實(shí)現(xiàn)兩芯可選功能，根據(jù)需要可以實(shí)現(xiàn)有芯復(fù)卷和無芯復(fù)卷的兩種功能的切換，最終實(shí)現(xiàn)降低作業(yè)成本，拓展設(shè)備適用范圍等特點(diǎn)。

其主要由起卷機(jī)構(gòu)、繞卷結(jié)構(gòu)、收卷機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、退位機(jī)構(gòu)等組成，該產(chǎn)品具有雙芯軸及雙芯軸用軸套，可以實(shí)現(xiàn)兩芯切換功能，在選用無芯復(fù)卷時(shí)，所采用的芯棒是錐形槽軸[9]，因?yàn)樾据S錐度太大會(huì)導(dǎo)致繞卷時(shí)受力不均影響繞卷質(zhì)量，錐度太小會(huì)導(dǎo)致無芯繞卷時(shí)退卷不順利從而影響繞卷效率和質(zhì)量；槽的深度和個(gè)數(shù)也會(huì)影響收卷退卷，槽深和個(gè)數(shù)也是要經(jīng)過多次仿真和實(shí)驗(yàn)確定的最佳值，從而確保起卷和繞卷質(zhì)量。

2 雙芯可選復(fù)卷技術(shù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所述復(fù)卷裝置的設(shè)計(jì)，其設(shè)備結(jié)構(gòu)主要包括轉(zhuǎn)盤、機(jī)架、驅(qū)動(dòng)軸、軸套、下料裝置、卷袋裝置。其中卷袋裝置是主要設(shè)計(jì)單元。

卷袋裝置包括兩個(gè)同軸設(shè)置的轉(zhuǎn)盤2，其中一個(gè)固定設(shè)置，另一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)軸3 從兩個(gè)同軸線的轉(zhuǎn)盤中心位置穿插過，利用軸承實(shí)現(xiàn)與機(jī)架的可活動(dòng)連接，軸承則通過固定在轉(zhuǎn)盤2上面的軸套保持空間位置不變，并與驅(qū)動(dòng)軸3完成轉(zhuǎn)動(dòng)配合。如圖3所示。

圖3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2 起卷機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)（無芯起卷）

有芯起卷較為簡(jiǎn)單，是裝備所帶；選用無芯繞卷時(shí)，則需要進(jìn)行更換錐形槽軸，并且控制不同的吹氣棒進(jìn)行吹氣，一個(gè)吹氣棒安裝在芯軸的上前方機(jī)架上，氣棒上有吹氣孔，吹氣孔有多個(gè)，朝向錐形槽軸的槽處進(jìn)行吹氣（為了退卷順利）[10]，另外兩個(gè)則是朝向材料表面的不同位置和角度進(jìn)行吹氣，利用槽軸摩擦力和氣體壓力使得材料順利起卷。如圖4所示。

圖4 無芯組合件芯軸

2.3 無芯繞卷機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)（芯軸設(shè)計(jì)）

為了可以實(shí)現(xiàn)雙芯兩用，又能保證無芯繞卷質(zhì)量和退卷順利，設(shè)計(jì)了無芯復(fù)卷用的錐形槽軸，因?yàn)樾据S錐度太大會(huì)導(dǎo)致繞卷時(shí)受力不均影響繞卷質(zhì)量，錐度太小會(huì)導(dǎo)致無芯繞卷時(shí)退卷不順利從而影響繞卷效率和質(zhì)量；芯桿與中間管設(shè)有導(dǎo)向槽配合機(jī)構(gòu)，導(dǎo)向槽的深度和個(gè)數(shù)也會(huì)影響收卷退卷，槽深和個(gè)數(shù)也是要經(jīng)過多次仿真和實(shí)驗(yàn)確定的最佳值的導(dǎo)向柱。如圖5所示。

圖5 有芯繞卷芯軸

固定管與中間管在同一軸線、中間管與芯棒也在同一軸線，三者共同構(gòu)成芯桿機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)盤上安裝固定管，中間管在固定管中可轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過軸承保持徑向位移不變。中間管中放置芯棒，在軸向上，芯棒相對(duì)中間管可軸向滑動(dòng)，且同樣保持徑向位移不變。芯棒長(zhǎng)度保證其前后可在中間管兩端伸出。芯棒的軸向移動(dòng)通過桿身上的彈性限位塊，與靠近中間管活扣一段設(shè)置的限位套中的限位凹槽相配合來限制。固限位套的內(nèi)徑不能小于芯桿的外徑，屬于間隙配合。

2.4 收卷機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)（可變量程氣缸、退位裝置）

有芯繞卷在完成材料復(fù)卷工作后，芯軸需要回縮，并脫出材料，其橫向移動(dòng)距離有一定要求，由于存在紙管，該橫向距離與無芯繞卷所需距離差別較大[11]。有芯回縮距離較近，無芯繞卷則需要回縮距離較大，因此在收卷退位控制方面換用了可調(diào)節(jié)行程氣缸控制；并且利用導(dǎo)向桿、驅(qū)動(dòng)架以及氣缸等形成的機(jī)構(gòu)能提供更長(zhǎng)距離的橫向移動(dòng)，可以適用無芯和有芯的繞卷。

氣缸固定在驅(qū)動(dòng)架上，它是作為驅(qū)動(dòng)架在導(dǎo)向桿移動(dòng)的動(dòng)力源，其活塞桿與芯桿同軸，另設(shè)有U 型活扣，活扣兩端設(shè)有橫向限位部，芯桿與活扣靠近的位置，設(shè)有連接盤，用于端部連接，對(duì)于兩個(gè)橫向限位部，要求其間距小于連接盤外徑，但要大于芯桿的外徑，另限位部與U 型扣間距不小于連接盤厚度，U 型扣位置要在芯桿繞轉(zhuǎn)盤中心旋轉(zhuǎn)圓形軌跡上。為適用雙芯可用繞卷工作，上述氣缸活塞桿可通過推動(dòng)連接盤，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的橫向距離隨不同工作場(chǎng)景改變。

2.5 雙用軸套的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)雙芯兩用可選，所設(shè)計(jì)的與無芯繞卷芯軸用軸套孔的長(zhǎng)度和精度有非常高的要求，孔的長(zhǎng)度太長(zhǎng)會(huì)使得設(shè)備尺寸增加，太短會(huì)即降低軸套和芯軸的同軸度，影響繞卷質(zhì)量；孔的精度也直接影響芯軸在軸套里的跳動(dòng)量，從而影響退卷和繞卷，因此要求較高。

中心軸和套管設(shè)置同軸，但可以獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，促使兩個(gè)芯桿也能獨(dú)立傳動(dòng)工作，該設(shè)計(jì)方式既維持機(jī)器穩(wěn)定工作，又優(yōu)化和節(jié)約機(jī)器整體空間。如圖6所示。

圖6 兩用軸套

2.6 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

有芯繞卷和無芯繞卷采用一體化控制。利用可調(diào)行程開關(guān)進(jìn)行繞卷種類選擇；采用光電式開關(guān)傳感器對(duì)繞卷的位置信息進(jìn)行采集；利用PLC對(duì)起卷和收卷進(jìn)行直接控制。

3 復(fù)卷過程實(shí)現(xiàn)

3.1 卷袋具體機(jī)構(gòu)

卷袋裝置包括兩個(gè)同軸設(shè)置的轉(zhuǎn)盤2，其中一個(gè)固定安裝、一個(gè)可旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

3.2 卷帶具體實(shí)現(xiàn)過程

驅(qū)動(dòng)軸從兩個(gè)同軸線的轉(zhuǎn)盤中心位置穿插過，利用軸承實(shí)現(xiàn)與機(jī)架的可活動(dòng)連接，軸承則通過固定在轉(zhuǎn)盤上面的軸套保持空間位置不變，并與驅(qū)動(dòng)軸完成轉(zhuǎn)動(dòng)配合。轉(zhuǎn)盤的動(dòng)力則是通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)架齒輪-機(jī)架齒輪與轉(zhuǎn)盤邊緣齒牙嚙合-轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸入。

兩個(gè)芯桿相對(duì)于可轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤的中心對(duì)稱設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)周向轉(zhuǎn)動(dòng)和軸向運(yùn)動(dòng)[12]。套管與中心軸通過圓形軸承套接，共同構(gòu)成驅(qū)動(dòng)軸，套管軸承外圈、中心軸軸承內(nèi)圈均固定連接，套管軸承內(nèi)圈、中心軸軸承外圈非固定連接。

中心軸、套管兩端共設(shè)置有4個(gè)皮帶輪（皮帶輪一、皮帶輪二、皮帶輪三、皮帶輪四），兩個(gè)芯桿也分別設(shè)置有兩個(gè)皮帶輪（皮帶輪五、皮帶輪六），其中皮帶輪二與皮帶輪六、皮帶輪四與皮帶輪五分別通過皮帶傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳輸。

通過設(shè)計(jì)兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（驅(qū)動(dòng)電機(jī)），利用皮帶聯(lián)動(dòng)原理，分別驅(qū)動(dòng)皮帶輪一、皮帶輪三，再通過皮帶輪一、皮帶輪三分別驅(qū)動(dòng)中心軸及套管，形成兩個(gè)動(dòng)力傳遞路線。傳遞路線一：驅(qū)動(dòng)電機(jī)-皮帶輪一、中心軸-皮帶輪二-皮帶輪六-芯桿；傳遞路線二：驅(qū)動(dòng)電機(jī)-皮帶輪三-套管-皮帶輪四-皮帶輪五-芯桿；兩個(gè)動(dòng)力傳遞路線獨(dú)立穩(wěn)定運(yùn)行，整體驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)最終節(jié)約了空間、實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)距離的橫向可移動(dòng)，能夠滿足無芯、有芯雙芯可選運(yùn)行功能。

圖7 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

4 結(jié)束語

通過對(duì)現(xiàn)有有芯繞卷裝置的起卷機(jī)構(gòu)（無芯）、繞卷結(jié)構(gòu)、收卷機(jī)構(gòu)、雙芯軸及雙芯軸用軸套的改進(jìn)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了兩芯切換功能[12]。最后通過實(shí)驗(yàn)調(diào)試驗(yàn)證本復(fù)卷機(jī)可以實(shí)現(xiàn)有芯復(fù)卷和無芯復(fù)卷的兩種功能的切換，本產(chǎn)品可適用于塑料袋、薄膜等有芯繞卷和無芯繞卷，穩(wěn)定性和多功能性得到了足夠的體現(xiàn)，其作用所產(chǎn)生的效益是不可估量的，因此本產(chǎn)品具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。具有成本低、適用范圍廣等特點(diǎn)。

適用場(chǎng)合有芯卷（塑料袋、薄膜等）和無芯卷（塑料袋、薄膜等）的分切和復(fù)卷，適應(yīng)不同客戶和不同材質(zhì)所需繞卷種類的需求，多功能化復(fù)卷裝置提高了生產(chǎn)效率和降低了經(jīng)濟(jì)成本；繞卷長(zhǎng)度為300～600 mm；繞卷寬度為200～400 mm；制品厚度為0.01 mm；電動(dòng)機(jī)功率為10 kW。