新型模切机单张纸输纸机气动化方案设计研究

谢云杰，王燕，宋鑫

（北京印刷学院机电工程学院，北京 102600）

当今社会，电子商务已经越来越普及，在这个过程中，几乎所有的商品在进行存储、运输和交易时都要用到包装。许多大的电商平台还会把包装物作为宣传途径，在包装物上印刷精美的广告以扩大产品知名度[1]。而在生产这些包装物时，需要先对其成型，使其能够按照产品规格要求做出符合的包装。在这过程中，模切工艺是必不可少的印后加工环节。绝大多数的产品都需要通过模切成型，这就需要利用模切机来实现，所以模切机的市场也随着包装业的发展而迅速成长，而提高模切机的工作性能对行业发展来说具有重大的意义[2]。

模切机正常工作时，首先要把模切的纸张放在输纸台上，然后在分离头即飞达的作用下，输纸台上的纸张被送达到接纸轮和接纸辊上，在接纸轮和接纸辊的作用下，纸张被带到输纸板上，在输纸板压纸轮和输纸布带的作用下，将纸张送到规定部位，进行纸张定位后到主机部模切，清废部后清废，最后到收纸部完成收纸码垛。在模切机模切纸张的过程中，一般模切机上平台是不动的，在上平台装上钢刀、钢线（或钢板雕刻成的模板），此时纸张通过导轨和牙排已经到达下平台上，下平台向上运动触碰到上平台，并保持一定的压力，从而将纸张或纸板等产品轧切成特定的形状，满足产品的需要。

1 输纸机气动化方案简述

1.1 传统输纸机的问题

模切机实现模切时并不是匀速运动的，因为其在模切过程中，需要一定的保压时间，使纸张能够在模切板的压力作用下，得到充分的模切，所以模切的过程是通过间歇机构来实现的，一般通过凸轮或者双肘杆机构来实现对下平台的驱动。因此在输纸机进行输纸的时候，一般是通过凸轮轴上的凸轮来配合模切纸张的运动规律[3]。通过在轴上安装多个凸轮，以此来控制分离头的运动状态。但由于凸轮轴上有多个凸轮，瞬时的载荷常有变化，为克服这种载荷不匀的状况，要求传动齿轮啮合准确。倘若不符合这个基本要求，或者传动机件磨损过度，会导致凸轮轴运转时摇摇摆摆，必然影响输纸效果，经常需要调节或修配准确，比较麻烦，对正常的生产经营产生来比较大影响。

1.2 自动化技术对输纸机的影响

随着相关科学技术的不断发展，自动化技术也逐渐进入了印刷领域，通过光纤传输和计算机的控制，可以简化印刷设备的传动机构部分。把多个领域的技术集成到当代印刷设备中，朝着智能化，优质化以及高速化方向发展[4]，模切机行业自然也在其中。通过自动化控制，可以对模切机的工作要求和性能做出更好的调整。为了满足当代模切的需求，单纸张印刷设备里面所应用到的输纸结构也开始加入了电气自动控制来控制分离头的运动状态[5]。

1.3 输纸机气动化设计方案

气动技术主要是将压缩气充当介质，来完成动力传动以及控制的技术。表现出的优势在于高效节能，不存在污染，成本低，可靠性好，结构紧凑。其在工业领域中应用十分广泛[6]。输纸机主要由输纸平台、纸张分离装置、配气系统、动力传动四大部分组成，在纸张分离装置中，还可以分为递纸、分纸、压纸、其他四个小部分。对单张纸输纸机分离头进行了功能树分析，其中，总功能是从纸堆里分离出单张纸，一级分功能是纸堆存储与单张纸分离，而一级单张纸分离分功能的二级分功能是纸堆供给和纸张分离。分离头工作时吹嘴吹松纸张后，分纸吹嘴吸起最上面的纸张，然后压纸吹嘴压住下面的第二张纸，这个时候递纸吸嘴吸住由分纸吸嘴分离出来的纸，完成纸张交接后，将纸张向前传给输纸板上的接纸辊。分离头流程如图1 所示。

图1 分离头示意图

结合典型输纸机构工作机理开展分析能够推断，松纸吹嘴会把图1 中纸堆上面的多张纸吹起松动；分纸吸嘴能够由前面吹送的纸张中，将位于最上面的1张纸分离开；通过压纸脚对没有被分离出来的纸张压紧；递纸吸嘴这时将分离后的单张纸进行输送；对纸堆上面的纸张进行整理保持齐平；递纸吸嘴继续保持镶嵌的运动，把纸张输入到指定点后并进行定位。对于输纸机构的运动方式可进行分解，得到压纸、分纸以及递纸三种运动方式，其运动规律如图2 所示。

图2 输纸机分离头工作循环示意

2 输纸机分离头结构设计

新型模切机输纸机分离头是这样工作的：通过布置在纸张前缘与拖梢的分纸吸嘴同时将纸张吸起，可以实现纸张在没有吹嘴的情况下能保持水平的状态，之后分纸吸嘴与递纸吸嘴进行交接（仅在纸张前缘位置），从而实现分纸吸嘴与递纸吸嘴交接纸张顺利，很少出现因分纸吸嘴与递纸吸嘴交接纸张失败导致的机器停机故障。由于纸张可以在没有吹嘴的情况下能保持水平的状态，故压纸吹嘴、压纸脚都可以不安装使用，仅用带复位弹簧的分纸压板压在纸堆上表面即可保证纸张不出现错乱，分纸吸嘴仅需克服复位弹簧弹力即可实现纸张的分离。

2.1 压纸气动机构设计

在输纸机构内，压纸吸嘴机构十分关键，能够确保输出纸张的过程都是单张形式关键环节，传统的方式是依赖于凸轮机构实现的，在本设计中是借助于两个气缸来完成动作压纸吹嘴的动作。如图3 所示，能推断对压纸喷嘴摆动的实现是气缸Ⅲ的运动来实现，可以有效防止递纸以及分纸两个吸嘴过程中，纸张和压纸吸嘴的互相干扰。小气缸Ⅳ则是确保压纸吸嘴能够在上下方向上直动，避免出现纸张的搓动，从而出现乱张问题。

图3 压纸气动机构示意图

2.2 分纸吸嘴气动机构设计

分纸吸嘴机构实现对纸张的分离，需要借助压纸吹嘴的配合，同时运动也有相应的规律。参照图4，不难发现利用启动机构能够代替传统结构形式，来满足相同功能。

图4 分纸吸嘴气动机构示意图

参照图4，气缸I 能够同时控制几个分纸吸嘴上下运动，从而确保分纸吸嘴能够在触碰纸张以后，让其能够和纸堆脱离开。气缸II 则可以确保分纸吸嘴把纸张吸起来后，马上翻转一定角度，从而防止发生带出多余的纸张。

2.3 递纸吸嘴气动机构设计

递纸吸嘴机构所产生的运动轨迹实现需要依赖于3 个独立的气缸完成，如图5 所示，第一步是气缸Ⅴ对递纸吸嘴的控制，让其往下运动，一直到纸面上，这个时候会控制气阀开启，然后把纸张吸附住，接着就要通过气缸Ⅶ来对吸嘴的控制，完成纸张往上运动以及吸嘴方向上的运动。通过这种方式来让在两个吸嘴中的纸张松弛开，来防止把纸张撕裂。气缸Ⅵ则是用于实现递纸吸嘴的控制，让其带动纸张朝着输纸台的方向运动。

图5 递纸吸嘴气动机构示意图

在本文的输纸机气动化设计中，使用较多的气缸作为分离头的驱动工具，若是按照以往的借助继电器控制则可靠性无法得到保证。由于PLC 可靠性高，安装简单，维护方便，因此可以采用PLC 来实现对气缸的控制。使用PLC 控制方式，可以让气动化结构更加的紧凑，反应更加灵敏，使用过程也更加安全可靠[7]。借助于PLC 作为控制中枢可以较好的完成压纸、分纸和递纸三个吸嘴机构的协调控制。

3 结论

气动结构则能够让传统分离头上的传动结构简化，不仅能够提升输纸机构的运动性能，还能够确保在PLC 的控制下，能够很好的完成各分离头的协调运动工作。在与之配合的无轴化直线模组结构上，则利用直线导轨结构取代了凸轮轴，使之进一步避免了传动过程中凸轮轴上载荷分布不均而抖动的问题。因此相对于传统结构，有了很大程度上的简化，所以也让其成本大幅缩减，取代凸轮机构后也让设备的动态特性提升，降低了很多的隐患，能够更好满足模切机输纸机正常工作的需求