基于模态分析的卧式平压平模切机模切精度分析

孔朵朵

（温州职业技术学院 智能制造学院，温州 325035）

模切机是重要的印后加工设备。按照工作原理的不同，模切机可以分为圆压圆模切机、圆压平模切机、平压平模切机以及激光模切机等。卧式平压平模切机工作安全可靠、自动化程度高、模切速度快，除模切功能外，还可以进行压痕、压凸作业，应用较为广泛[1]。

模切速度和模切精度是卧式平压平模切机的两个重要指标，其中模切速度决定了设备的工作效率，模切精度决定了最终产品的质量和合格率。模切速度和模切精度主要由模切单元决定。因此，研究模切单元对于发挥模切机最佳性能具有重要意义[2]。

1 卧式平压平模切机结构原理

1.1 模切机的组成与工作原理

卧式平压平模切机如图1 所示，主要由不停机飞达、进料平台、模切单元、清废单元、下料平台以及不停机取样单元（选配）组成。工作时，工作人员将分切好的卡纸堆放在不停机飞达处，送纸飞达头将卡纸输送到进料平台，进料平台通过皮带将卡纸向前输送，卡纸被叼纸牙排带入模切单元。模切单元动平台向上运动，与静平台刀版接触完成模切或压凸、压痕作业，然后叼口牙排将卡纸带到清废单元完成清废，最后到达下料平台完成作业[3]。

1.2 模切单元的组成与工作原理

卧式平压平模切机模切单元普遍采用双肘杆机构或共轭凸轮机构，其中双肘杆机构应用最多，模型如图2（a）所示。如图2（b）所示，双肘杆主要由静平台、动平台、刀版、上肘杆、下肘杆连杆、曲柄、蜗轮蜗杆曲轴箱、带轮以及机架组成。工作时，电机通过皮带传动带动蜗杆轴转动。通过蜗轮蜗杆减速后，蜗轮轴带动曲轴转动，曲轴进而带动连杆、肘杆运动，实现静平台在竖直轨道内上下运动。动平台与静平台的刀版接触实现模切[4]。工作时曲柄1 转动，通过连杆和肘杆带动动平台上下运动。

图2 卧式平压平模切单元

2 影响模切精度的因素

模切机的速度、模切力大小、振动、制造精度以及安装精度都会影响模切精度。

影响模切精度的因素主要有4 个方面[5]。

（1）卡纸定位精度。卡纸定位精度低将直接造成模切精度低，导致整体位置精度偏差。

（2）设备安装误差和加工误差。动平台相对机架竖直方向进行运动，由于安装误差和加工误差造成的不平行会使模切误差变大。

（3）设备运行中的受力变形。模切模组在运行过程中受到模切力和惯性力，在力的作用下，动平台发生变形或移动会造成模切误差。

（4）设备振动。设备振动也会造成模切误差，尤其是激振源与设备固有频率重合时。

设备共振是造成模切精度异常的主要原因。因此，本研究将通过模态分析技术研究模切模组。

3 基于模态分析的模切精度分析

模切速度为每小时5 500.0 ～9 000.0 张时，可以计算设备整体工作频率为1.53 ～2.50 Hz。由于蜗轮蜗杆减速器减速比为41，即蜗轮蜗杆啮合的频率为62.73 ～102.50 Hz，可能造成设备共振。

模切单元零部件上有许多安装孔，会降低分析质量并减慢分析速度。对模切单元进行简化处理，然后对模切单元进行网格划分，如图3（a）所示。给模切单元底面施加固定约束，并添加重力载荷，如图3（b）所示。最后，对模切单元进行模态分析，如图3（c）所示。

图3 模切单元模态分析

模切误差主要由动平台的振动和变形引起。单独研究动平台变形，模切单元前两阶模态云图如图4 所示。

表1为模态分析结果，模切单元前2 阶的共振频率与蜗轮蜗杆啮合激振的频率范围重合，因此在模切机开机或正常运行过程中极易发生共振。此外，动平台的最大变形超过了模切精度要求范围，会造成设备模切误差异常。因此，在模切机启动过程中要避免设备在每小时3 512.8 张的速度下较长时间运行，而工作过程中避开在每小时7 547.0 张的速度下运行。

表1 模切单元模态分析结果

4 结语

平压平模切机是重要的印后加工设备，其模切速度和模切精度是两个重要参数，直接决定了设备性能。从设备共振角度对模切精度进行研究。模切机运行过程中蜗轮蜗杆啮合产生的激振频率会造成设备共振，因此设备在启动和工作过程中应避开共振频率。

造成模切精度较低的原因还有设备受力变形、设备安装误差、设备加工误差等，可以通过构建模切机误差拓扑结构模型进行研究。通过减小安装间隙、提高安装精度、改善油膜润滑效果等方式，提高模切精度。