雙刀四軸膠帶裁切機的機械設(shè)計

程暢，石云飛，章磊

（常州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164）

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，軟包裝行業(yè)已經(jīng)成為迅速興起的朝陽產(chǎn)業(yè)，以其高速增長的產(chǎn)值和廣闊的市場，顯示了巨大的發(fā)展前景，其軟包裝市場中（如快遞包裝），離不開用量巨大的膠帶，而膠帶分切是膠帶行業(yè)的末端環(huán)節(jié)，其作用是將涂布過的大幅卷半成品膠帶分切成不同寬度的成品應(yīng)用膠帶。根據(jù)用戶的要求，采用非標(biāo)設(shè)計的方法，研制了一種半自動雙刀四軸三伺服膠帶裁切機（如圖1），具有雙軸雙刀同時切料、四軸自動翻轉(zhuǎn)換位、卸料與切料同時進行、可設(shè)定多種不同規(guī)格寬度及刀切裁切角度進行膠帶或布基等材料的分切作業(yè)等功能。

圖1 雙刀四軸膠帶裁切機外觀示意圖

1 總體方案設(shè)計

膠帶裁切機主要技術(shù)參數(shù)要求：機械有效幅寬為1300 mm，最大裁切直徑為160 mm，最小分切寬度為3 mm，最大分切速度70 次/min，分切精度為±0.05 mm，材料管芯內(nèi)徑為φ25～76 mm，主軸最大機械轉(zhuǎn)速為700 r/min，主電動機功率為2.2 kW，圓刀電動機功率為0.75 kW，使用電壓三相四線380 V等。主要由機械系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、氣動控制系統(tǒng)、潤滑冷卻系統(tǒng)四部分組成，由中央控制系統(tǒng)PLC可程式控制器集中控制，可同時設(shè)定多種不同寬度、不同切刀角度的裁切作業(yè)，實現(xiàn)進刀、主軸翻轉(zhuǎn)、主軸高低速旋轉(zhuǎn)、單或自動循環(huán)裁切等操作功能，分切時可自動或手動控制；其中機械系統(tǒng)主要包括旋轉(zhuǎn)主軸部件、雙圓刀刀架部件、雙軸尾架支承部件、主軸回轉(zhuǎn)部件、刀架橫向移動部件、裁切軸部件、伺服進刀部件、刀架角度自動調(diào)節(jié)部件、機床動力部件、機架框架結(jié)構(gòu)等。電氣控制系統(tǒng)采用數(shù)字化設(shè)計方案，以實現(xiàn)機床的半自動控制，提高膠帶裁切質(zhì)量，由液壓泵控制、裁切行程控制、裁切壓力控制、其他輔助控制等功能模塊組成；液壓泵采用5.5 kW的三相異步電動機，主電路為PLC程序控制接觸器直接啟動，以實現(xiàn)液壓泵啟停；通過安裝齒條嚙合傳動中齒輪軸端的編碼器來實現(xiàn)裁切行程位置的采集，配合PLC、電磁閥組的控制從而控制裁切運動部件的移動，可實現(xiàn)自動或手動裁切行程位置的確定及調(diào)整；裁切壓力的調(diào)整由電液比例閥完成，裁切時，快速到達待切位置速度變慢并加壓保持，以期達到良好的分切效果及能切斷膠帶；為了保證操作的安全性，本機設(shè)置了過載安全保護功能。氣動控制系統(tǒng)的設(shè)計包括旋轉(zhuǎn)主軸夾持單元、收卷動力離合單元、雙軸尾架支承單元、跟刀架移位單元、圓刀冷卻單元、主軸翻轉(zhuǎn)離合、支承、定位單元等氣動控制單元的設(shè)計，由電磁閥、節(jié)流調(diào)整閥、減壓閥、單向閥、消音器、快插接頭等氣動元件組成。機床采用整體架構(gòu)設(shè)計，總體裝箱尺寸約為2860 mm×1300 mm×1380 mm，電氣控制系統(tǒng)、氣動控制系統(tǒng)、機械動力部件、主軸回轉(zhuǎn)部件集中分布在機床左側(cè)（如圖1）；刀架橫向移動系統(tǒng)采用精密伺服電動機（施耐德）、高精度滾珠絲桿螺母副及直線導(dǎo)軌配合進行驅(qū)動，以保證切刀行程順暢、定位準(zhǔn)確，分切精度達到±0.05 mm；伺服進刀部件采用法國施耐德精密伺服電動機控制、彈性聯(lián)軸器連接、配合直線導(dǎo)軌驅(qū)動的設(shè)計，可自由調(diào)整進刀速度的快慢，以保證切刀行程順暢、高穩(wěn)定性；雙圓刀刀架部件及刀架角度自動調(diào)節(jié)部件聯(lián)動，增設(shè)伺服馬達（施耐德）可手動或自動調(diào)整圓刀裁切角度，解決了膠帶產(chǎn)品橫斷面裁切凹凸不平的現(xiàn)象；裁切軸部件采用軸承鋼GCr15材料主軸外套1 in的PE管，端部采用氣壓背壓控制的雙軸尾架支承，且切管壓力可調(diào)，以提高切管特別是小徑膠管裁切作業(yè)的穩(wěn)定性；主軸采用無級變速AC馬達配合同步帶、齒輪系、分度裝置傳動，主軸翻轉(zhuǎn)采用氣動控制的齒輪齒條傳動系統(tǒng)；增設(shè)的矽溶液冷卻系統(tǒng)，避免了切刀粘膠，確保切管作業(yè)順暢。

2 主軸回轉(zhuǎn)部件的設(shè)計

目前存在相當(dāng)數(shù)量的膠帶裁切機僅實現(xiàn)在一個主軸上完成卷料膠帶的分切，分切效率較低，且卸料與切料不能同時進行，停機次數(shù)增加，生產(chǎn)效率低，導(dǎo)致生產(chǎn)量不能滿足市場的大量需求。本機采用了一種四軸自動回轉(zhuǎn)換位裝置（如圖2），解決了單軸分切、停機卸料上料、生產(chǎn)效率低的問題。它由支撐板、第一驅(qū)動組件、齒條、回轉(zhuǎn)主軸、翻轉(zhuǎn)齒輪、第二驅(qū)動組件、分度盤組件和回轉(zhuǎn)大盤、定位裝置等零部件組成（如圖2），其中回轉(zhuǎn)大盤設(shè)置在機架左側(cè)壁內(nèi)，與回轉(zhuǎn)主軸固定連接一起旋轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)大盤上設(shè)有均勻分布的四個工位，四個工位上分別安裝有一組主軸部件（如圖2（b）），跟隨回轉(zhuǎn)大盤實現(xiàn)180°回轉(zhuǎn)換位。第一驅(qū)動組件由氣缸及固定組件組成，將氣缸固定于支撐板及機架上，齒條與氣缸螺紋連接一體，當(dāng)主軸需要轉(zhuǎn)位時，發(fā)出指令后氣缸推動齒條上下往復(fù)移動；設(shè)計時，齒條與翻轉(zhuǎn)齒輪形成嚙合傳動（齒條模數(shù)m=2.5 mm、齒數(shù)z=112,齒輪模數(shù)m=2.5 mm、齒數(shù)z=50），由導(dǎo)向輪與導(dǎo)向軸等組成的導(dǎo)向組件輔助齒條沿氣缸軸向作直線運動，為了保證齒條上下平穩(wěn)運動，導(dǎo)向輪設(shè)有凹槽限制了齒條其他方向的移動，齒條上方設(shè)置了限位塊來控制齒條的行程（如圖2（c）A向所示）；翻轉(zhuǎn)齒輪通過深溝球軸承與回轉(zhuǎn)主軸空套連接，分度盤組件通過平鍵、圓螺母、緊定螺釘與回轉(zhuǎn)主軸固連，由緊湊型氣缸、轉(zhuǎn)動小軸等組成的第二驅(qū)動組件通過螺栓固定在翻轉(zhuǎn)齒輪上；當(dāng)齒條伸出時，第二驅(qū)動組件中的緊湊型氣缸得到指令推出轉(zhuǎn)動小軸與分度盤上的小孔連接，這樣齒輪的轉(zhuǎn)動帶動分度盤跟隨同步轉(zhuǎn)動180°，回轉(zhuǎn)主軸也同步帶動回轉(zhuǎn)大盤旋轉(zhuǎn)180°，此時，設(shè)置在回轉(zhuǎn)大盤上方的定位裝置得到指令后，驅(qū)動件推動定位銷與回轉(zhuǎn)大盤上的定位塊配合，回轉(zhuǎn)大盤停止轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)主軸部件位于工作位置（如圖2（c）B向所示）；當(dāng)齒條縮回時，第二驅(qū)動組件與分度盤組件分離，齒條僅帶動齒輪在回轉(zhuǎn)主軸上轉(zhuǎn)動，回轉(zhuǎn)大盤保持不動。這樣，通過齒條往復(fù)伸縮動作，結(jié)合第二驅(qū)動組件與分度組件的連接與分離，使回轉(zhuǎn)大盤一直朝一個方向?qū)崿F(xiàn)180°的轉(zhuǎn)動，避免了在加工膠帶時出現(xiàn)松脫現(xiàn)象；另外，回轉(zhuǎn)大盤上的四個主軸180°回轉(zhuǎn)換位，使其中兩個主軸同時切料，另外兩個主軸完成卸料、上料，保證了在切料的同時完成卸料、上料工序，實現(xiàn)了部分自動化，大大節(jié)省了時間，提高了生產(chǎn)效率。

圖2 四軸自動回轉(zhuǎn)換位裝置

3 刀架角度自動調(diào)節(jié)部件的設(shè)計

裁切機在進行分切作業(yè)時，由于不同成卷半成品的膠帶有著不同的物理特性，并且產(chǎn)品還會隨著加工的推進產(chǎn)生寬度變化，因此會對圓刀產(chǎn)生不同的作用力，若刀具不能及時調(diào)整切入角度，刀具在作用力的影響下會發(fā)生偏移，導(dǎo)致加工出的成品產(chǎn)生斷面不平、毛邊等不良現(xiàn)象。本機采用了一種刀架角度自動調(diào)節(jié)裝置，角度調(diào)整范圍為±9°，它由底座、轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)角機構(gòu)、刀具機構(gòu)、壓板、保護罩等零部件組成（如圖3），其中轉(zhuǎn)盤設(shè)置在底座上以鉸鏈相連，底座可帶著刀架在機床導(dǎo)軌上實現(xiàn)縱向移動及進給運動；刀具機構(gòu)固定在轉(zhuǎn)盤上，安裝有兩把φ180 mm的圓刀，由0.75 kW的蝸桿減速電動機驅(qū)動切割物料,為了保證圓刀刀口與物料接觸位置始終不變，并能準(zhǔn)確地調(diào)整切料角度，設(shè)計時讓圓刀切料點與轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動中心在一條軸線上（如圖3（b）），同時也設(shè)計有對刀塊、限位塊等組成的對刀裝置方便加工前對刀操作；為了加工時冷卻刀具，避免切刀粘膠，圓刀外面的保護罩頂部設(shè)計有噴淋裝置（如圖3（c））,由液壓系統(tǒng)控制；轉(zhuǎn)角機構(gòu)一端連接底座，另一端連接轉(zhuǎn)盤，用于帶動轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動，它包括BCH0602O12A1C型施耐德伺服電動機、彈性聯(lián)軸器、M16×5滾珠絲桿、圓螺母、螺母固定塊、絲桿固定塊等零部件（如圖3（d）），彈性聯(lián)軸器用于連接電動機主軸與滾珠絲桿，滾珠絲桿與圓螺母組成螺旋副，把電動機的轉(zhuǎn)動形式轉(zhuǎn)化為圓螺母的移動形式；其中滾珠絲桿轉(zhuǎn)動設(shè)置在絲桿固定塊上，絲桿固定塊轉(zhuǎn)動設(shè)置在底座上，而伺服電動機固定設(shè)置在絲桿固定塊上，用于帶動滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，螺母固定塊轉(zhuǎn)動設(shè)置在轉(zhuǎn)盤上。當(dāng)需要調(diào)整圓刀的裁切角度時，伺服電動機驅(qū)動滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，帶動圓螺母左右移動，使絲桿固定塊與螺母固定塊之間的距離發(fā)生變化，從而帶動轉(zhuǎn)盤在底座上轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)圓刀的角度調(diào)整。操作者可以根據(jù)物料的不同物理屬性調(diào)整圓刀的角度，同時絲杠轉(zhuǎn)動伺服電動機由PLC控制器控制，裁切加工時，由于物料的寬度會隨著加工的進行而縮短，對應(yīng)圓刀的角度要求也在不斷變化，PLC控制器根據(jù)使用者設(shè)定的參數(shù)，控制伺服電動機的工作，使圓刀在分切加工過程中實現(xiàn)角度的自動調(diào)整，以匹配不同加工時段對圓刀的角度要求，從而提高了產(chǎn)品合格率。

圖3 刀架角度自動調(diào)節(jié)裝置

4 結(jié)語

由PLC集中控制電氣、氣動、潤滑及機械傳動系統(tǒng)聯(lián)動的半自動、雙圓刀裁切、四主軸翻轉(zhuǎn)、三伺服驅(qū)動的膠帶裁切機，技術(shù)設(shè)計與試制完成后的實驗表明：本機采用了美觀大方的外形結(jié)構(gòu)設(shè)計，四軸雙刀同時切料，自動換位，卸料與切料能同時進行；主刀架橫移進給采用了精密伺服電動機、高精度滾珠絲桿螺母副及直線滑軌配合進行驅(qū)動，圓刀縱向進給采用了伺服電動機配合直線滑軌驅(qū)動控制，切刀行程順暢、穩(wěn)定性高；同時采用的觸摸屏配合PLC進行集中控制，實現(xiàn)了高速高精度作業(yè)，可不停機同時設(shè)定多種不同寬度、不同切刀角度；增設(shè)的伺服馬達獨立自動調(diào)整圓刀角度，完全解決了產(chǎn)品端面凹凸不平的現(xiàn)象，符合用戶對產(chǎn)品性能的要求。相關(guān)產(chǎn)品投入市場后，經(jīng)濟效益顯著。同時，除膠帶外，本機也適合雙面膠、高級電子膠帶、PVC、PE、PET保護膜、OPP封箱膠紙、牛皮紙、美紋紙、金屬紙、泡棉等膠粘帶及布基的裁切作業(yè)，擴大了作業(yè)范圍。