提高自动贴标机出标精度的设计探讨

摘 要：对自动贴标机的供标及收卷机构进行动力学分析，找出了影响恒张力的因素，并且对造成贴标机出标位置差异的供标及收卷机构部分进行了改进性设计，解决了当前贴标机贴标位置不够精确的难点，提高了贴标质量和效率，能够满足快速生产需求，提升市场竞争力。

关键词：自动贴标机；恒张力机构；驱动辊；永磁制动器

引言

自动贴标机是现代包装不可缺少的组成部分，是产品包装实现机械化、自动化的根本保证。目前我国生产贴标机的种类正在逐步增加，技术水平也有了很大的提高，无论是平面类还是侧面类贴标机在完成平面粘贴，包装物的单侧面或多侧面粘贴，柱面粘贴，圆筒粘贴，凹陷及边角部位粘贴等等，均要求实现贴标机的高速、高精度的自动化贴覆，这就要求对贴标机的结构进行优化设计，以满足快速精确生产的需求。文章通过对贴标机的供标机构、收卷机构进行动力学分析，提出了改进设计方案，力求以恒定张力送标、收卷，从而达到准确贴标的目的。

1 贴标机的结构概述

（1）放卷机构。为被动轮，用于安放卷筒标签。通常装有可调节摩擦力的摩擦制动装置，目的是控制卷筒速度及张紧力，保持平稳输纸。（2）缓冲轮。是放卷张力的回复机构，可往复摆动。目的是当装置启动时能吸收标带的张紧力，恢复标带放卷张力。（3）导向辊。由几个组成，起标带的导向和定位作用。（4）标带制动机构。由一导向滚筒和一弹性压片构成，标带穿越滚筒与压片之间，压片的压力由弹簧调节。压力不同，标带所受的摩擦力也不同，此摩擦力也是标带张力的一部分。（5）驱动机构。由一组主动的摩擦轮组成。通常一个为包胶驱动轮，一个为金属辊，底纸在其间通过，作用是驱动标签带，实现正常贴标。（6）收卷机构。为带摩擦传动装置的主动轮，作用是复卷贴标后的底纸。收卷轮的转动收纸同驱动轮的标带牵引同步传动。（7）剥离机构。目的是使底纸在经过剥离板改变方向时，标签脱离底纸、顺利出标，实现同贴标物体接触。（8）压标辊。将脱离底纸的标签均匀、平整地贴覆在待贴物品上。

2 影响贴标机出标精度的分析及对策

2.1 供标机构动力学分析

由上式可知，实现标带张力的控制实质上就是控制V2-V1的速度差，如果V2>V1，则标带被拉伸，标带的张力变大，如果V2

在实际生产线中，自动贴标机总是以间隙方式工作，每贴一枚标签都有启动、停止的过程，因此，标带中的张力T总是处于急剧变化中。分析标带的张力T变化规律，当贴标机开始贴标时，首选是启动驱动机构的牵引辊拉动标带，收卷机构上的标签盘受到拉力作用就要转动，此时标签盘在惯性作用下，送标速度V1>牵引速度V2，其送标的长度会大于一个步距，如图1所示，会使BCDE段的标带完全处于松弛状态，即此段标带的张力就由拉动标带盘所需的张力T一下变到零张力，由于标带松弛了，缓冲轮在扭力弹簧力的作用下会向逆时针方向摆动，又重新将标带拉紧，因此，工作时此段的张力是处于急剧变化中，从放卷张力突然变到零，又逐步恢复到原设定的放卷张力。此外，产生标带放卷张力的装置，都装有扭力弹簧，其扭矩由人工设定，在整个运行过程中是一个定值。但是，在贴标机运行过程中，随着标签盘的直径不断地减小，放卷张力会逐渐增大，因此，贴标机在工作时放卷张力并不恒定。当标带松弛后，缓冲轮在扭力弹簧的作用下，逐步恢复放卷张力，在此过程中，缓冲轮对标带张紧力的影响变化复杂，上述张力变化、调整的过程并不能与贴标机的节拍同步，特别在高速贴标的过程中，其张力的调整周期远大于贴标周期，因此，在每个贴标周期中，标带中张力的变化规律都不一样。这种张力变化的不恒定，就导致贴完一个标后，下一个预备被贴的标签在剥离板前端的停止位置不同，使得贴标位置误差加大，也即很难将标签精确地帖于被贴物指定的位置上，这就是影响当前各种贴标机贴标位置精度的原因之一。

如图1所示作进一步分析，考察EFG段标带的张力，EFG段中的张力由两部分组成，其一是BCDE段的张力，其二是牵引力和制动弹簧片的压力所产生的摩擦力。因BCDE段的张力的变化规律在每个贴标周期中都是不同的，而牵引力及制动弹簧片产生的摩擦力是恒定的，故EFG段标带中张力在每个贴标周期中的变化规律的不同，是由BCDE段标带张力变化规律不同造成的。这种不同的张力变化规律将造成一个标签贴完后，下一个预备贴的标签在贴标头剥离板的前端停止位置产生偏差，导致贴覆位置精度降低。

2.2 恒张力机构的设计探讨

为克服现有技术中贴标机的贴标位置精度不高的缺陷，拟改进供標机构设计，如图3所示，在CDE段增加一个恒张力机构，恒张力机构将ABCDE段分成具有不同张力变化特性的二段，即ABCD′段，DE段。其中ABCD′段的张力变化与之前所述相似，而DE段，由于张力机构的引入，处于松弛状态，张力趋近于零（也是一种恒定张力）。此时，EFG段的张力就完全由牵引力、标带制动机构所产生的摩擦力来确定，这种牵引力、制动摩擦力在每个贴标周期的张力变化规律是一样的，使得每个预贴标签在贴标头剥离板的停留等待位置相同，这样就极大地减小了贴标位置的误差，提高自动贴标机的贴标位置精度。为使DE段张力趋近为零，要求恒张力机构在控制时满足如下条件：恒张力机构的线速度V3要大于等于标带驱动机构的牵引线速度V2（V3≥V2），恒张力机构在每个贴标周期牵引输送的标带长度要大于等于标带牵引机构的输送长度，即标带步距L。只要所控制的恒张力机构满足上述条件，就能保证EFG段的张力变化规律在所有贴标周期中都相同，从而使得贴标机在高速运转中预贴标签在剥离板位置相同，以此提高标签贴覆精度。

如图4所示，恒张力机构包括驱动辊、偏心辊、支柱、钩形压板、轴承座A、B、电机等，其中驱动辊一端连有滚珠轴承，另一端通过轴承座A与步进电机或伺服电机直连。偏心辊一端连接轴承座B，另一端与支柱铰连，且其芯轴通过钩形压板圆孔由螺钉锁紧，钩形压板一端连接固定手柄，转动手柄偏心辊可绕轴承座B旋转，当钩形压板套入滚珠轴承后即偏心辊紧压在驱动辊上，此时通过其间的标带随即被紧压，当步进电机或伺服电机驱动驱动辊转动时，标带在摩擦力的作用下被牵引，精确移动一个标签距。为增加摩擦力防止标带打滑，通常在驱动辊表面烧结有黑色聚氨酯，偏心辊表面做喷砂面处理。

2.3 收卷机构动力学分析

由于标带相对较薄且对贴一个标签来说，半径变化较小，因此可认为收卷盘是匀速转动，也就是说工作时M惯转动惯量距较小，而摩擦力矩M阻考虑为恒定值，又因为收卷机构的收卷轴与驱动机构的驱动轮由伺服电机同步带动，所以两者角速度始终保持一致，随着收卷机构的标签底纸卷半径逐渐增大，收卷盘上的标签带线速度将大于驱动轮处标签带的线速度，收卷盘的张力T不断变大，此时 制动力距主要由驱动机构的压紧力产生，当标带的牵引张力大于驱动机构的压紧力的情况下很容易造成标签在剥离时底纸断裂或底纸滑移，影响标签在出标时贴覆位置偏差。又因贴标机在贴标后，底纸回收后不再有使用价值，往往在收卷机构上采用传统机械式调节装置来控制张力的变化，但该方式下的张力随着卷径的增大而逐渐变化，特别是在高速生产中采用此方式不能精确控制张力，性能不稳定，这也是造成标签剥离时标签在吸标板上位置偏移的原因。

2.4 收卷机构的改进设计

如何精确控制收卷张力，保证标带底纸拉力在收卷时不会随着收卷半径的增大而变化，对收卷机构进行了改进设计。按如图7所示，在收卷轴上加装永磁制动器作为离合器使用，即柔性联轴器。只要预设的扭矩大于收卷所需的扭矩，且标带底纸的牵引力小于驱动轮的压紧力，则在收卷时标带张力是恒定的，不会随着标带底纸半径的增大而变化，该方式可实现柔性启动并传递恒定扭矩，保证标签剥离时标签在吸标板上位置不受收卷张力的影响。如图6所示，在设计上改变原先同步带的三角形连接形式，将永磁制动器的输出轴经同步带与驱动轮的传动轴相连，驱动轮的传动轴又经同步带与伺服电机连接，即驱动轮送标与收卷互不干扰。当卷料底纸半径变大时，标签带张力过载产生滑差打滑，维持预设恒定张力，从而保证标签底纸收卷更平稳，走带控制更精确。使用永磁制动器调整标签张力，无需外加控制器或电源、张力控制准确，性能可靠，寿命长，无磨损，可有效提高生产效率。

3 改进后贴标机的总体结构设计

综上所述，贴标机对贴标质量的主要影响因素之一是能否保证在贴标过程中标带的张力恒定。如何保证标带的张力恒定，提高贴标机的出标精度，在设计结构上作如图7示改进，（1）在放卷与标带制动之间增设了恒张力机构，该机构工作时，驱动辊由步进电机或伺服电机驱动，要求其线速度大于或等于驱动机构牵引标带的线速度，即驱动辊牵引标带的距离大于或等于标签的步距。在实际运用中，还可通过检测浮动轮的上下位置感应标带的张紧程度，利用反馈系统调节步进电机或伺服电机的转速使其匹配驱动机构标带的牵引速度，确保标带张力恒定。（2）在收卷机构中加装永磁制动器来保证收卷张力的恒定，如图7示，设计上改变原先同步带的三角形连接形式，将永磁制动器的输出轴经同步带与驱动轮的传动轴相连，驱动轮的传动轴又经同步带与伺服电机连接，即驱动轮送标与收卷互不干扰。当底纸半径变大时，标签带张力过载产生滑差打滑，维持预设恒定张力，从而消除因收卷张力的变化影响出标精度。

4 结束语

文章对自动贴标机的供标及收卷机构进行动力学分析，找出了影响恒张力的因素，并且对造成贴标机出标位置差异的供标及收卷机构部分进行了改进性设计，不仅解决了当前贴标机贴标位置不够精确的难点，而且能提高贴标质量和效率，满足快速生产需求，提升市场竞争力。

参考文献

[1]潘绍明，罗功坤，蔡启仲.全自动平面贴标机的系统设计与实现[J].制造业自动化，2010（12）.

[2]杨琦云，李为涛.贴标机供標机构动力学分析及控制系统设计[J].包装工程，2006（5）.

[3]机械设计手册编委会.机械设计手册（第一卷）3版[M].北京：机械工业出版社，2004，8.

[4]金属切削机床夹具设计手册[M].机械工业出版社，1987，12.

作者简介：湛华（1972-），男，四川省绵阳市人，工作单位：四川虹微技术有限公司，职务：机械设计师，研究方向：家电设备。