孔朵朵

（溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，溫州 325035）

模切機是重要的印后加工設(shè)備，廣泛應(yīng)用于紙品包裝裝潢工業(yè)。紙盒、賀卡、商標(biāo)等產(chǎn)品的模切、壓痕、壓凹凸作業(yè)，可以大大提高包裝產(chǎn)品的觀賞性，因此模切機已經(jīng)成為包裝產(chǎn)品生產(chǎn)不可或缺的重要設(shè)備[1]。但是，隨著工人對工作環(huán)境、工作待遇要求的不斷提高以及我國人口老齡化趨勢的凸顯，自動化程度較低的設(shè)備已經(jīng)不能夠適應(yīng)市場的需求，意味著我國模切機生產(chǎn)企業(yè)面臨著設(shè)備自動化、數(shù)字化、智能化、無人化的升級要求。

1 模切工藝及模切機類型與特點

1.1 模切工藝

在平板或圓柱上布置鋼刀、鋼線或雕刻好圖案的鋼板，通過平板或圓柱給印品施加一定的壓力，可以切除紙品不需要的部分，即模切。若利用紙品成型的刀具在紙品上壓出痕跡用于紙品折彎即壓痕。如果利用刀具上的圖案在紙品上壓出能夠顯示出立體效果的圖案即壓凹凸。模切、壓痕、壓凹凸都可以通過模切機加工實現(xiàn)[1]。

1.2 模切機類型與特點

根據(jù)模切機的壓印形式，可以將模切分成圓壓圓、圓壓平及平壓平共3種基本類型。其中，平壓平模切機根據(jù)版臺與壓板的布置位置，又可分為立式和臥式[2]。

1.2.1 圓壓圓模切機

機構(gòu)由模切版滾筒與壓力滾筒組成。模切版滾筒軸和壓力滾筒軸同一側(cè)安裝齒輪，兩個齒輪嚙合可以實現(xiàn)兩者以相同的速度相對運動。在靜摩擦的帶動下，被模切材料通過兩者之間的縫隙。在模切版滾筒上安裝模切版，被模切材料在壓力作用下被模切版刀刃切割或壓出相應(yīng)的形狀。圓壓圓模切機與被模切材料是線接觸，受力均勻，因此只需要很小的力就可以實現(xiàn)模切。模切機滾筒連續(xù)轉(zhuǎn)動，圓壓圓模切還可以實現(xiàn)較高的速度，與印刷機實現(xiàn)連線生產(chǎn)。但是，該模切方式會破壞刀口，需要在模切版上定期涂抹聚酯塑料保護(hù)刀口。

1.2.2 圓壓平模切機

圓壓平模切機的模切版臺是平面。模切版安裝在模切版臺上，可以隨模切版臺運動。被模切品放置在版臺上，版臺運動到壓力滾筒下面，在壓力滾筒的作用下被模切版模切。圓壓平模切機與圓壓圓模切機同樣是線接觸，因此設(shè)備負(fù)載較小且平穩(wěn)，能夠用于大幅面材料模切。但是，在模切版與模壓滾筒之間力的作用下，模切版刀口容易變形。此外，模切過程中要注意紙張纖維方向，避免纖維方向與滾筒軸線方向垂直引起紙張伸縮。

1.2.3 平壓平模切機

平壓平模切機模切版臺與壓切機構(gòu)都是平面形狀，當(dāng)兩者接觸時實現(xiàn)模切。壓切機構(gòu)與模切版臺之間的距離較小，因此該型設(shè)備一般采用自動送料裝置進(jìn)行送料。平壓平模切機是面接觸，需要的模切力較大。它的設(shè)備振動、噪聲、功耗較圓壓圓模切機和圓壓平模切機較大，能夠達(dá)到的模切速度有限[3]。

1.2.4 激光模切機

激光模切是近幾年發(fā)展起來的新技術(shù)。模切時，激光落在承印物上，可以對承印物進(jìn)行切割或部分厚度切割。它的顯著特點是不需要制版，可以快速滿足個性化模切需求。另外，激光模切機沒有振動，能夠有效改善工廠加工環(huán)境。

2 我國模切機的發(fā)展歷程

20世紀(jì)60年代，模切機生產(chǎn)首先在我國臺灣地區(qū)興起。到了20世紀(jì)80年代，我國才開始大面積生產(chǎn)模切機。當(dāng)時，國內(nèi)生產(chǎn)的主要是俗稱為“老虎嘴”的立式平壓平模切機。該機型結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、價格低、維護(hù)成本低，受到了主流市場的歡迎?，F(xiàn)在很多小型印刷企業(yè)還在使用該型立式平壓平模切機。20世紀(jì)80年代中期到21世紀(jì)初，隨著國外模切機的引進(jìn)，我國開始仿制國外臥式平壓平模切機。該機型效率高、精度高、安全性高，逐漸取代了“老虎嘴”。進(jìn)入21世紀(jì)，我國模切機走上高速自主發(fā)展道路[4]。

3 國內(nèi)外優(yōu)秀模切機對比

經(jīng)過多年的不斷發(fā)展，我國模切機發(fā)展有了長足的進(jìn)步，具有代表性的品牌有唐山北玉、天津長榮以及上海亞華等。以最大用紙幅面1 060 mm×760 mm的全清廢模切機為例，天津長榮MK1060CSB最高工作速度達(dá)到了每小時8 000次，模切精度±0.1 mm，整機實現(xiàn)了紙堆自動糾正、機械和超聲波雙重張檢測、全自動飛達(dá)、電子套準(zhǔn)、不停機取樣以及電子觸屏操作等功能。

國外模切機起步較早，具有代表性與知名度的品牌主要有瑞士BOBST、德國海德堡、日本三和以及韓國永信。以最大用紙幅面1 060 mm×760 mm的全清廢模切機為例，瑞士BOBST EXPERTCUT106LER機型生產(chǎn)速度達(dá)到了9 000 s·h-1，模切精度±0.075 mm。該機型配備了智能飛達(dá)，可實現(xiàn)不停機進(jìn)紙。它采用電子套準(zhǔn)系統(tǒng)和光學(xué)橫向套準(zhǔn)系統(tǒng)，進(jìn)一步較少了飛達(dá)停機。此外，它獨特的雙凸輪牙排推進(jìn)系統(tǒng)可以保障順暢輸送紙張，還可以通過電動方式調(diào)整模切壓力。該機型最大的優(yōu)勢在于搭載了BOBST Connect數(shù)字平臺，可以實現(xiàn)設(shè)備性能分析并能夠生成準(zhǔn)確的報告，還能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)度提示、遠(yuǎn)程協(xié)助以及班次管理等功能。

經(jīng)過多年的發(fā)展，國產(chǎn)已經(jīng)在中低端領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了對國外模切機的全面替代。在產(chǎn)品造價方面，國產(chǎn)模切機價格普遍是國外同類產(chǎn)品的1/4～1/3，同類型的模切機較國外機型具有較強的價格競爭力，但是由于專利壁壘的限制，出口到歐美等發(fā)達(dá)國家還較為困難。在性能方面，國產(chǎn)機型模切速度與模切精度與國外機型差距進(jìn)一步縮小，但核心控制系統(tǒng)電子元器件、伺服電機還主要依賴進(jìn)口，設(shè)備的穩(wěn)定性與國外還存在一定差距。

4 我國模切機存在的問題與未來發(fā)展方向

4.1 模切機存在的問題

4.1.1 模切速度有待進(jìn)一步提升

模切速度主要是指模切機單位時間內(nèi)能夠模切的紙品張數(shù)，與模切機的設(shè)計、模切機的制造精度息息相關(guān)。目前，臥式平壓平模切機大多采用雙肘桿機構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件多，且屬于上下往復(fù)的簡諧運動機構(gòu)。運動速度越快，慣性力越大，機構(gòu)之間的間隙和零部件變形所引起的模切誤差也會變大，降低了模切機壽命，存在一定的模切速度上限。模切機速度普遍在每小時5 000～8 000次。國外老牌企業(yè)不斷改進(jìn)設(shè)計，模切機構(gòu)已采用共軛凸輪機構(gòu)代替雙肘桿。該機構(gòu)改善了設(shè)備的模切工藝，提高了機構(gòu)運行精度、可靠性與穩(wěn)定性，模切機速度最快已經(jīng)達(dá)到每小時12 000次。目前，國內(nèi)高校和企業(yè)也對共軛凸輪進(jìn)行了設(shè)計研究，但實際在設(shè)備上應(yīng)用與國外還存在差距，有進(jìn)一步提升的空間[5]。

4.1.2 模切精度有待進(jìn)一步提升

模切精度是指卡紙模切后現(xiàn)實尺寸與理想尺寸之間的差距。在設(shè)備運行過程中，卡紙通過叼紙牙排被放置到模切單元，并通過定位裝置進(jìn)行定位，而定位精度不夠會造成模切誤差?？垙囊粋€單元被送往下一單元的過程中，由于溫度變化會引起熱脹冷縮，也會造成模切精度降低。另外，設(shè)備運行過程中，零部件在力的作用下會發(fā)生振動或者彈性變形，也會影響模切精度。目前，國外先進(jìn)機型通過提高設(shè)備制造、裝配精度，通過零部件表面處理技術(shù)，提高零件剛度，使模切精度最高已經(jīng)達(dá)到了±0.06 mm。我國模切機精度與國外相比還有微小的差距，有進(jìn)一步提升的空間[6]。

4.1.3 設(shè)備穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高

模切機穩(wěn)定性是指模切機保持高速、高精度運行隨時間不變化的能力。模切機穩(wěn)定性主要受設(shè)備制造精度、零部件制造材料、零部件熱處理方法以及裝配工藝的影響。用戶反饋顯示，國產(chǎn)模切機與國外模切機在穩(wěn)定性上還存在較大差距，目前主要通過快捷的售后服務(wù)進(jìn)行彌補。進(jìn)一步提升國產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定性是我國模切機走出去的關(guān)鍵。通過企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的升級、生產(chǎn)管理的規(guī)范化以及生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，能夠進(jìn)一步改善模切機的穩(wěn)定性。

4.1.4 標(biāo)準(zhǔn)化程度不高

目前，我國印刷設(shè)備企業(yè)還處在小而散、大而不強的階段，在行業(yè)內(nèi)部不能夠形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，也不能夠形成整體優(yōu)勢。國內(nèi)企業(yè)可以通過上下游供應(yīng)鏈整合資源，共同制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提高我國印刷設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化程度，形成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟，提高整體國際競爭力。

4.2 模切機未來發(fā)展方向

4.2.1 傳感器的充分應(yīng)用和設(shè)備的互聯(lián)

傳感器技術(shù)與設(shè)備數(shù)字化連接技術(shù)是實施數(shù)字化和智能化的基礎(chǔ)。模切機應(yīng)盡可能多地使用多種傳感器收集更多的設(shè)備運行數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆O(shè)備控制系統(tǒng)，實現(xiàn)模切機與其他印刷設(shè)備、印刷工具、工人的穿戴設(shè)備和工廠的控制設(shè)備的充分連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通。

4.2.2 更高效的智慧大腦

通過大量收集設(shè)備運行數(shù)據(jù)，可以把大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等多種新技術(shù)運用于設(shè)備控制層面，支撐設(shè)備全要素數(shù)字化和虛擬化、狀態(tài)實時化和可視化、設(shè)備管理決策協(xié)同化和智能化，使模切機具有更高效的智慧大腦。例如，設(shè)備可以根據(jù)數(shù)據(jù)不斷優(yōu)化自身工作參數(shù)，智能化制定設(shè)備工作方案，為用戶提供更加直觀的時間規(guī)劃和進(jìn)度規(guī)劃。

4.2.3 更智慧的遠(yuǎn)程服務(wù)

利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)，實現(xiàn)模切機的遠(yuǎn)程監(jiān)控和智能化服務(wù)。具體來說，可以通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將模切機的各種傳感器、控制器連接起來，實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制；通過大數(shù)據(jù)技術(shù)分析和處理設(shè)備運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)故障預(yù)測和智能維護(hù)；通過云計算技術(shù)提供靈活的計算和存儲資源，實現(xiàn)信息共享和協(xié)同工作。這些技術(shù)的綜合應(yīng)用可以使模切機更加智能化，提高設(shè)備的使用效率和維護(hù)效果，同時為企業(yè)的遠(yuǎn)程服務(wù)提供強有力的支撐。

5 結(jié)語

整體來說，雖然我國在中低端機型方面占據(jù)優(yōu)勢，但是高端機型領(lǐng)域的模切速度、模切精度、設(shè)備穩(wěn)定性、設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化方面還與國外存在差距，需要不斷提升。人工智能引領(lǐng)的數(shù)字化時代為我國模切機的發(fā)展帶來了新的方向，應(yīng)該緊緊把握時機，通過應(yīng)用新技術(shù)提升設(shè)備的智能化水平，實現(xiàn)國產(chǎn)模切機的超越發(fā)展。