孫杰

（泰州技師學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

包裝薄膜預(yù)緊作為自動(dòng)化、電氣化的重要工藝之一，對(duì)包裝印刷工業(yè)發(fā)展的影響較大[1]。雖然我國(guó)已經(jīng)研發(fā)了一些預(yù)緊法，例如鏈條式、手動(dòng)式、多輥式等，這些方法雖然實(shí)現(xiàn)了包裝膜預(yù)緊，但是作業(yè)噪聲較大，并且作業(yè)期間產(chǎn)生的預(yù)緊力與預(yù)期目標(biāo)相差較大，作業(yè)效率存在較大提升空間[2]。由于薄膜材料橫向張力對(duì)膜抗沖擊能量的影響較大，所以想要改善裝模預(yù)緊性能，可以從該機(jī)械裝置入手，重點(diǎn)討論緊膜包裝機(jī)械設(shè)計(jì)方案[3]。卷簧運(yùn)動(dòng)能夠產(chǎn)生薄膜所需張力，能夠根據(jù)預(yù)緊處理需求，施加相應(yīng)的張力，從而達(dá)到改善緊膜包裝機(jī)械作業(yè)性能的目的。因此，提出一種卷簧式緊膜包裝機(jī)械設(shè)計(jì)研究。

1 薄膜收卷機(jī)結(jié)構(gòu)及常見(jiàn)的預(yù)緊方法分析

目前，應(yīng)用比較多的預(yù)緊方法有鏈條式、手動(dòng)式、多輥式。本研究以多輥式為例，介紹薄膜收卷機(jī)結(jié)構(gòu)，討論其作業(yè)原理。該預(yù)緊方法采用的薄膜收卷機(jī)為BASTIA，該裝置主要由空卷芯、轉(zhuǎn)盤、機(jī)架、滾輪、收卷輥、跟蹤輥、導(dǎo)向輥、展平輥、薄膜、張力檢測(cè)輥組成。該裝置的作業(yè)原理是通過(guò)調(diào)整輥?zhàn)拥慕嵌群透叨葍身?xiàng)參數(shù)，形成一定角度和高度差，以此控制薄膜的張緊。由于該方法難以均勻控制張緊力，很難保證薄膜的抗沖擊能量，導(dǎo)致預(yù)緊力未能達(dá)到操控標(biāo)準(zhǔn)。

鏈條式預(yù)緊方法對(duì)運(yùn)輸要求較高，運(yùn)輸期間容易出現(xiàn)牽引鏈磨損問(wèn)題，鏈條伸長(zhǎng)，節(jié)距隨著磨損的加劇而變大，局部出現(xiàn)松弛現(xiàn)象。為了正常使用該鏈條式預(yù)緊裝置，保證鏈輪輪齒與鏈條達(dá)到嚙合標(biāo)準(zhǔn)，需要配備螺旋機(jī)構(gòu)或者重錘共同作業(yè)，加大了作業(yè)條件要求[4]。

手動(dòng)式預(yù)緊方法的包裝機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)薄膜預(yù)緊處理，但是操控精度較低，主要體現(xiàn)在手動(dòng)張膜作業(yè)連續(xù)性較差，無(wú)法長(zhǎng)期保持薄膜預(yù)緊力不變[5]。與此同時(shí)，該方法應(yīng)用下的張力測(cè)定難度也很大，很難滿足機(jī)械模型的構(gòu)建需求。

針對(duì)上述3種薄膜預(yù)緊方法存在的不足，本研究嘗試提出一種卷簧式預(yù)緊方法，以張力穩(wěn)定控制作為突破口，提出卷簧式緊膜包裝機(jī)械設(shè)計(jì)研究。

2 卷簧式緊膜包裝機(jī)械設(shè)計(jì)

2.1 卷簧式緊膜包裝機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)薄膜預(yù)緊操控需求，結(jié)合抗沖擊能量變化特點(diǎn)，施加相應(yīng)的張力加以預(yù)緊控制，便可以改善薄膜預(yù)緊效果。按照此研究思想，本研究以機(jī)械傳動(dòng)能量作為主要控制對(duì)象，使得薄膜張緊能量輸入與傳動(dòng)能量輸出保持一致。以卷簧運(yùn)動(dòng)作為薄膜張力控制核心，設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該結(jié)構(gòu)中，卷簧作用下輸出的變力作為裹卷運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，施加在齒輪與軸聯(lián)動(dòng)裝置上，實(shí)現(xiàn)該裝置中設(shè)備的傳動(dòng)，此部分傳動(dòng)產(chǎn)生的張力將作為緊膜的關(guān)鍵。對(duì)于不同薄膜張力需求，本機(jī)械結(jié)構(gòu)通過(guò)調(diào)節(jié)卷簧作業(yè)參數(shù)來(lái)控制張力大小。其中，單向控制力的驅(qū)動(dòng)裝置為棘輪，當(dāng)其達(dá)到一定數(shù)值后，恢復(fù)到初始狀態(tài)。本機(jī)械結(jié)構(gòu)中布設(shè)了2個(gè)棘輪，作為軸控制工具，分別作用在2根軸上，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)軸Ⅰ和控制軸Ⅳ的操控。在這兩個(gè)軸的控制下，包裝機(jī)械裝置的整體作業(yè)得以有效控制。

2.2 機(jī)械軸與軸上零件運(yùn)動(dòng)關(guān)系分析

卷簧式緊膜包裝機(jī)械作業(yè)期間，借助旋擴(kuò)機(jī)械設(shè)備，擴(kuò)充和固定膜材卷芯，并將其固定在裝置操控的膜材始端。與此同時(shí)，在傳動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)下，帶動(dòng)導(dǎo)軌作業(yè)，使得膜材始端開(kāi)始作業(yè)，開(kāi)啟膜材連續(xù)作業(yè)模式，在膜材終端體現(xiàn)作業(yè)效果。為了提高機(jī)械裝置作業(yè)精度，需要根據(jù)膜材終端實(shí)際操作情況，對(duì)傳動(dòng)部分的3個(gè)軸和3個(gè)齒輪作業(yè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而保證軸上的各個(gè)零件運(yùn)動(dòng)得以協(xié)調(diào)，生成高質(zhì)量機(jī)械作業(yè)效果。為了準(zhǔn)確掌握機(jī)械整體運(yùn)行狀況，設(shè)計(jì)一套較為可靠的機(jī)械傳動(dòng)控制架構(gòu)，對(duì)機(jī)械軸與軸上零件運(yùn)動(dòng)關(guān)系展開(kāi)深入分析。機(jī)械軸與軸上零件運(yùn)動(dòng)關(guān)系架構(gòu)如圖2所示。

圖2 機(jī)械軸與軸上零件運(yùn)動(dòng)關(guān)系架構(gòu)

從該關(guān)系架構(gòu)來(lái)看，動(dòng)力部分和傳動(dòng)部分協(xié)調(diào)作業(yè)下，能夠有效控制膜材的始端高效穩(wěn)定作業(yè)。其中，動(dòng)力部分的機(jī)械設(shè)備直接作用于膜材始端，而傳動(dòng)部分與膜材始端存在閉環(huán)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，在傳動(dòng)作用下帶動(dòng)導(dǎo)軌傳送相應(yīng)零件，為膜材始端作業(yè)輸送材料。

（1）動(dòng)力部分的零件運(yùn)動(dòng)關(guān)系：利用聯(lián)軸器，將原動(dòng)件與裝置運(yùn)動(dòng)體系連接到一起，在減速器的控制下，減速運(yùn)送零件，使得零件運(yùn)動(dòng)的整體協(xié)調(diào)性得以滿足機(jī)械操作標(biāo)準(zhǔn)。接下來(lái)，利用旋擴(kuò)機(jī)械設(shè)備操控零件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，固定其轉(zhuǎn)速，使其在機(jī)械裝置中保持勻速旋轉(zhuǎn)。為了滿足操控需求，同樣利用旋擴(kuò)機(jī)械設(shè)備來(lái)控制膜材卷芯，在擴(kuò)充卷芯的同時(shí)，將其固定在膜材加工設(shè)定位置。此部分運(yùn)動(dòng)關(guān)系的設(shè)計(jì)，可以保證機(jī)械制備作業(yè)期間膜材的供應(yīng)得以保持連續(xù)。

（2）傳動(dòng)部分的零件運(yùn)動(dòng)關(guān)系：此部分運(yùn)動(dòng)關(guān)系以3個(gè)齒輪和3個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)關(guān)系作為主要描述對(duì)象，按照?qǐng)D2中的軸轂連接方法，建立齒輪與軸的匹配關(guān)系，將卷簧組固定在繞輪上，控制軸作業(yè)狀態(tài)。另外，此部分結(jié)構(gòu)與膜材終端通過(guò)軸轂連接，膜材操控信息發(fā)送至傳動(dòng)部分，而后經(jīng)過(guò)一系列調(diào)整，將傳動(dòng)力作用在棘輪上，實(shí)現(xiàn)高精度高效率緊膜包裝。

2.3 機(jī)械整體運(yùn)行及傳動(dòng)控制設(shè)計(jì)

基于機(jī)械軸與軸上零件運(yùn)動(dòng)關(guān)系分析內(nèi)容，設(shè)計(jì)機(jī)械整體運(yùn)行方案及傳動(dòng)控制方案。本機(jī)械傳動(dòng)控制分為兩部分，其中一部分為動(dòng)力部分，另外一部分為傳動(dòng)部分。其中，動(dòng)力部分主要由原動(dòng)件產(chǎn)生動(dòng)力，在聯(lián)軸器和減速器的作用下控制此動(dòng)力，并將其作用在旋擴(kuò)機(jī)械上，分別施加在膜材卷芯和膜材始端，此部分動(dòng)力只是緊膜控制的一部分。另外一部分來(lái)自傳動(dòng)部分，該部分由多個(gè)軸和齒輪組成，在控制軸Ⅳ的作用下，帶動(dòng)棘輪作業(yè)，產(chǎn)生的傳動(dòng)力通過(guò)導(dǎo)軌作用在膜材始端，通過(guò)連續(xù)作業(yè)，完成終端緊膜處理。

本機(jī)械裝置動(dòng)力輸入核心部分為軸與薄膜材料之間產(chǎn)生的摩擦力，通過(guò)兩者發(fā)生相互作用產(chǎn)生摩擦，致使軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)軸轂連接，使得位于軸端的齒輪嚙合，摩擦之下產(chǎn)生的相互力作用在薄膜材料上，形成較為穩(wěn)定的作用力。由于本機(jī)械的軸運(yùn)動(dòng)為定向轉(zhuǎn)動(dòng)，所以傳動(dòng)軸Ⅰ會(huì)定向轉(zhuǎn)動(dòng)，受棘輪反作用影響，致使機(jī)械整體呈現(xiàn)出定向運(yùn)動(dòng)作業(yè)現(xiàn)象，不會(huì)出現(xiàn)反向回轉(zhuǎn)情況。接下來(lái)，傳動(dòng)軸Ⅰ作業(yè)期間定向轉(zhuǎn)動(dòng)繞輪（該裝置是連接卷簧與軸之間的裝置），借助螺釘，與卷簧固定配合控制張力?？刂戚SⅣ所做運(yùn)動(dòng)也為單向運(yùn)動(dòng)，在棘輪的控制下發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的作用力將反作用于薄膜材料。其中，控制軸Ⅳ的作業(yè)模式為繞輪帶動(dòng)作業(yè)，所以在本機(jī)械結(jié)構(gòu)中起到整體控制作用。

本機(jī)械的運(yùn)動(dòng)分為傳動(dòng)軸和控制軸2個(gè)部分，前者由軸Ⅰ、軸Ⅱ、軸Ⅲ組成，后者以軸Ⅳ為核心。其中，傳動(dòng)軸以膜材卷動(dòng)作為起點(diǎn)，將部分運(yùn)動(dòng)力分別作用在軸Ⅰ、軸Ⅱ、軸Ⅲ上，而后利用齒輪傳動(dòng)加以輔助，形成3個(gè)反饋機(jī)制：一是軸與膜材的相互運(yùn)動(dòng)引發(fā)的反饋軸作業(yè)，因而生成反饋機(jī)制；二是棘輪與互反饋軸配合下生產(chǎn)的反饋機(jī)制；三是齒輪與互反饋軸配合下生產(chǎn)的反饋機(jī)制。這3個(gè)反饋機(jī)制作用對(duì)象不同，產(chǎn)生的作用力存在差異，所以整體作用在薄膜材料上時(shí)，就可以保證緊膜機(jī)械裝置的正常運(yùn)行。

2.4 控制機(jī)構(gòu)局部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)

考慮到機(jī)械設(shè)備中齒輪數(shù)量會(huì)對(duì)包裝緊膜作業(yè)均勻性造成一定影響，所以，本研究對(duì)控制機(jī)構(gòu)采取局部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)。其中，局部?jī)?yōu)化對(duì)象為傳動(dòng)軸Ⅰ和控制軸Ⅳ，通過(guò)分析機(jī)械設(shè)備作業(yè)原理，結(jié)合緊膜作業(yè)需求、過(guò)程及影響因素，重點(diǎn)討論機(jī)械倒置問(wèn)題，提出局部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)方案。

本機(jī)械設(shè)備中卷簧長(zhǎng)度的變化與張力的大小密切相關(guān)，借助2根軸驅(qū)動(dòng)繞輪，在相互作用下抽動(dòng)拉卷，使得卷簧的長(zhǎng)度得以控制。其作業(yè)原理為加大軸轉(zhuǎn)動(dòng)難度，來(lái)維持膜張緊力的穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)緊膜穩(wěn)定操控。其中，機(jī)械結(jié)構(gòu)中2個(gè)棘輪同步作業(yè)，在此作業(yè)下開(kāi)始軸單向運(yùn)動(dòng)。為了避免緊膜操作不當(dāng)導(dǎo)致的機(jī)械倒置問(wèn)題，本設(shè)計(jì)方案設(shè)置了棘輪單向作業(yè)功能，與卷簧恢復(fù)性結(jié)合，共同作用在機(jī)械設(shè)備上，以此控制機(jī)械倒置現(xiàn)象的發(fā)生。從結(jié)構(gòu)來(lái)看，本設(shè)計(jì)方案是以傳動(dòng)軸Ⅰ和控制軸Ⅳ的控制作業(yè)局部?jī)?yōu)化對(duì)象，在這兩處布設(shè)棘輪，從而控制卷簧的卷傳動(dòng)。其中，控制軸Ⅳ啟動(dòng)一定控制作用，無(wú)傳動(dòng)作用，起到傳動(dòng)作用的軸為軸Ⅰ、軸Ⅱ、軸Ⅲ。

3 卷簧式緊膜包裝機(jī)械設(shè)備測(cè)試分析

為了檢驗(yàn)提出的緊膜包裝機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)方案可靠性，較以往提出的預(yù)緊方法作用下的機(jī)械設(shè)備性能有所改善，本研究以手動(dòng)式、鏈條式、多輥式緊膜包裝機(jī)械設(shè)備作為對(duì)照組，以卷簧式機(jī)械設(shè)備作為實(shí)驗(yàn)組，對(duì)不同緊膜方法作用下的包裝機(jī)械設(shè)備性能進(jìn)行測(cè)試。其中，測(cè)試指標(biāo)包括預(yù)緊力、噪聲、機(jī)械化效率，以達(dá)標(biāo)情況和超出標(biāo)準(zhǔn)情況作為統(tǒng)計(jì)結(jié)果，分別對(duì)5個(gè)不同緊膜包裝任務(wù)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同緊膜包裝機(jī)械設(shè)備作業(yè)性能測(cè)試結(jié)果

本次測(cè)試分析除了與其他方法的應(yīng)用效果進(jìn)行對(duì)比以外，還設(shè)定了預(yù)期目標(biāo)：預(yù)緊力達(dá)標(biāo)在95%以上，噪聲超出標(biāo)準(zhǔn)最大值為1.0%，機(jī)械化效率達(dá)標(biāo)在95%以上。如果當(dāng)前測(cè)試結(jié)果均達(dá)到了此預(yù)期目標(biāo)，則認(rèn)為本研究設(shè)計(jì)的機(jī)械設(shè)備符合緊膜操控優(yōu)化需求。

表1統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，與手動(dòng)式、鏈條式、多輥式3種緊膜方法相比，本研究提出的卷簧式緊膜方法的預(yù)緊力達(dá)標(biāo)最高，5組實(shí)驗(yàn)中最小達(dá)標(biāo)率為96.32%，而手動(dòng)式最大達(dá)標(biāo)率為77.34%，鏈條式最大達(dá)標(biāo)率為85.12%，多輥式最大達(dá)標(biāo)率為81.34%。由此看來(lái)，卷簧式緊膜方法在緊膜操控達(dá)標(biāo)方面具備較大優(yōu)勢(shì)，機(jī)械設(shè)備整體作業(yè)質(zhì)量達(dá)標(biāo)效果較好。從機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的噪聲方面對(duì)比分析，手動(dòng)式作業(yè)超出標(biāo)準(zhǔn)噪聲最大比例為6.23%，鏈條式作業(yè)超出標(biāo)準(zhǔn)噪聲最大比例為，多輥式作業(yè)超出標(biāo)準(zhǔn)噪聲最大比例為10.41%，而本研究提出的卷簧式緊膜方法作業(yè)超出標(biāo)準(zhǔn)噪聲最大比例僅有0.20%，在噪聲控制允許范圍之內(nèi)。由此判斷，卷簧式緊膜方法在噪聲控制方面具備較為顯著的優(yōu)勢(shì)。另外，從機(jī)械化效率方面來(lái)看，手動(dòng)式作業(yè)最高效率為62.91%，鏈條式作業(yè)最高效率為71.44%，多輥式作業(yè)最高效率為69.02%，而卷簧式作業(yè)最高效率達(dá)到了97.47%。所以，卷簧式緊膜方法的機(jī)械化效率較其他緊膜方法也有很大幅度的提升。

綜合對(duì)比分析可知，提出的基于卷簧式緊膜方法的緊膜包裝機(jī)械設(shè)計(jì)方案符合緊膜機(jī)械操作優(yōu)化需求，在預(yù)緊力提升、噪聲控制、機(jī)械化效率提升3個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化處理，該機(jī)械設(shè)備可以作為緊膜處理工具。

4 結(jié)語(yǔ)

圍繞緊膜方法優(yōu)化展開(kāi)探究，以緊膜包裝機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)作為重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，提出卷簧式緊膜方法，并設(shè)計(jì)了該方法應(yīng)用下的機(jī)械設(shè)備架構(gòu)。該機(jī)械設(shè)備以傳動(dòng)軸Ⅰ和控制軸Ⅳ作為主要緊膜控制結(jié)構(gòu)，分別起到傳動(dòng)作用和控制作用，根據(jù)緊膜張力需求，調(diào)節(jié)作業(yè)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定膜張緊力的施加。應(yīng)用測(cè)試結(jié)果顯示，與手動(dòng)式、鏈條式、多輥式緊膜方法相比，本研究提出的卷簧式緊膜方法更符合緊膜操控需求，其機(jī)械設(shè)備在預(yù)緊力提升、噪聲控制、機(jī)械化效率提升3個(gè)方面體現(xiàn)出較為顯著的優(yōu)勢(shì)。