激光打標(biāo)機壓輪送料系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的優(yōu)化設(shè)計

鄭海　袁建寧

摘 要：壓輪送料系統(tǒng)是電容條帶激光打標(biāo)機的核心部件之一，直接決定著電容條帶激光打標(biāo)機的打標(biāo)速度、精度、質(zhì)量和穩(wěn)定性。文章對壓輪送料系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的設(shè)計進(jìn)行初步研究，總結(jié)出一些優(yōu)化設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：激光打標(biāo)機；壓輪送料系統(tǒng)；電容條帶；優(yōu)化設(shè)計

1 概述

近年來，激光打標(biāo)技術(shù)在印刷領(lǐng)域應(yīng)用越來越為廣泛，具有永久性、防偽性、非接觸、精度高、能耗低、適用范圍廣、加工效率高、開發(fā)周期短等優(yōu)點。激光打標(biāo)機按送料方式可分為兩種：一種是裸機，需手工放置工件并使其定位，手動觸發(fā)打標(biāo)開關(guān)；另一種是集成了自動送料系統(tǒng)，通過傳動機構(gòu)自動將工件送入打標(biāo)區(qū)域，進(jìn)行飛行或靜態(tài)打標(biāo)。文章所涉及的壓輪送料系統(tǒng)，就是為實現(xiàn)電容條帶元件快速、精確、穩(wěn)定的激光打標(biāo)服務(wù)的。

2 壓輪送料系統(tǒng)基本原理

壓輪送料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，將條帶元件沿導(dǎo)軌自左向右送入壓輪與從動同步輪之間的同步帶上，送料系統(tǒng)將其向右輸送，激光打標(biāo)機依次對每一元件進(jìn)行打標(biāo)。

對于標(biāo)刻圖形不是特別復(fù)雜的元件，一般采用飛行打標(biāo)的方式以提高效率，即元件勻速平穩(wěn)地通過打標(biāo)區(qū)（兩從動同步輪中心線之間區(qū)段），送料過程不間斷，檢測光束每檢測到一只元件就對其進(jìn)行打標(biāo)，激光在計算機控制下對元件的速度進(jìn)行飛行補償，使打出的圖形符合要求。對于標(biāo)刻圖形較為復(fù)雜的元件，則要求檢測光纖每檢測到一件元件就瞬間停止送料，待打標(biāo)完畢后繼續(xù)送料，反復(fù)啟停，要求每次啟停送料的精準(zhǔn)性。

3 電容條帶元件的受力分析

將條帶元件看做一剛體，并忽略其厚度（一般2mm以內(nèi)）與電容條帶加速到V帶的時間（一般0.1s以內(nèi)），對其進(jìn)行受力分析，見圖2。

V帶-同步帶線速度；G-條帶元件所受重力；FN壓-壓輪對其正壓力；FN從-從動輪對其反力；Fs帶-同步帶對其靜摩擦力；Fd導(dǎo)-導(dǎo)軌對其滑動摩擦力；F滾壓-壓輪對其滾動摩擦力。

μ導(dǎo)-其與導(dǎo)軌的滑動摩擦系數(shù)； fs帶-其與同步帶的靜摩擦系數(shù)；δ壓-其與壓輪的滾動摩阻系數(shù)；R壓-壓輪半徑。

顯而易見，F(xiàn)s帶為驅(qū)動力， Fd導(dǎo)與F滾壓均為阻力，為提高系統(tǒng)傳動可靠性，應(yīng)設(shè)法增大Fmax帶，減小Fd導(dǎo)與F滾壓。

4 關(guān)鍵零部件的優(yōu)化設(shè)計

為使條帶元件能勻速平穩(wěn)地通過，保證激光打標(biāo)的質(zhì)量，就需對此傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件如步進(jìn)電機、同步帶與同步輪、壓輪、彈簧等關(guān)鍵零部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

4.1 步進(jìn)電機細(xì)分?jǐn)?shù)

步進(jìn)電機在非超載情況下，電機的轉(zhuǎn)速只取決于脈沖信號的頻率而不受負(fù)載變化的影響，只有周期性的誤差而無累積誤差，可為壓輪送料系統(tǒng)提供穩(wěn)定的速度V帶。

由電磁感應(yīng)定理知，步進(jìn)電機輸出力矩和電機線圈的電流成正比，即：T=KT×i 。KT為電機力矩常數(shù)。由此可知：步進(jìn)電機細(xì)分?jǐn)?shù)越大，電機運轉(zhuǎn)越平穩(wěn)；步進(jìn)電機細(xì)分?jǐn)?shù)越小，電機運轉(zhuǎn)時振動越大。這是因為細(xì)分?jǐn)?shù)高時，電流曲線光滑，電機輸出力矩的波動也就小而連續(xù)，電機運行就更加平穩(wěn)。由文獻(xiàn)2可知，8細(xì)分以上電流波形較為平滑。2、4細(xì)分時，單步位移的誤差較小，隨著細(xì)分?jǐn)?shù)增加，單步位移的誤差增大。細(xì)分?jǐn)?shù)大于8細(xì)分時，步進(jìn)電機細(xì)分的不均勻性有顯著提高。因此將細(xì)分?jǐn)?shù)定為8較為合適。

4.2 壓輪

如上述，為提高系統(tǒng)傳動可靠性，應(yīng)減小F滾壓以減小阻力，根據(jù)（e）式，即應(yīng)減小δ壓，適當(dāng)增大R壓，因為過度增大R壓將增大壓輪的轉(zhuǎn)動慣量，影響壓輪的滾動，由此可能造成電容條帶在壓輪上打滑產(chǎn)生F滑壓，而滑動摩擦遠(yuǎn)大于滾動摩擦，使得阻力增大，將嚴(yán)重影響送料。

一般應(yīng)盡可能減小FN壓，以減小阻力，但為保證得到足夠大的驅(qū)動力Fmax帶，有時需適當(dāng)增大FN壓，這可通過調(diào)節(jié)壓板上的螺母得到合適的彈簧壓力來實現(xiàn)。另一方面，壓輪應(yīng)選硬度較低的材料，以增大緩沖，否則易將電容條帶壓壞。但一般情況下，對于彈性材料，硬度越低，摩擦系數(shù)越高。

由于天然橡膠具有很好的耐磨性，很高的彈性、扯斷強度及伸長率，綜合比較，選擇天然橡膠。由于O型圈橫截面為圓形，接觸面積較小，既保證了彈性，又具有較小的摩擦系數(shù)，因此可作為壓輪的包覆材料。

4.3 同步帶與同步輪

同步帶傳動綜合了帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動各自的優(yōu)點，具有準(zhǔn)確的傳動比，無滑差，可獲得恒定的速比，傳動平穩(wěn)，效率高，能吸振，噪音小，傳動比范圍大。

4.3.1 同步帶材料

靜摩擦系數(shù)fs帶作為是驅(qū)動電容條帶必不可少的因素，而為了增大Fmax帶，根據(jù)（4）式，可通過增大fs帶來實現(xiàn)。聚氨酯彈性體的耐磨性十分優(yōu)越，又具有彈性好、使用壽命長、噪音小、傳動效率高等優(yōu)點，非常適合做摩擦驅(qū)動材料。硬度對聚氨酯彈性體摩擦系數(shù)的影響較大，一般情況下，硬度越低，摩擦系數(shù)越高。

4.3.2 同步帶齒形

同步帶齒有梯形齒和弧齒兩類。由于帶齒剛度相對較大，帶齒間的帶基部分繞帶輪齒頂產(chǎn)生柔性撓曲變形，而帶齒部分產(chǎn)生多邊形效應(yīng)，多邊形效應(yīng)是影響同步帶傳動精度的一個重要因素。而其中的主要影響因素則是梯形齒同步帶多邊形的邊長，由于梯形齒同步帶傳動中齒頂不與帶輪槽接觸， 帶齒形成直邊產(chǎn)生多邊形效應(yīng)，而圓弧齒同步帶齒頂與齒槽接觸，部分地減小了圓弧齒同步帶帶齒形成的多邊形邊長，從而大大降低了多邊形效應(yīng)，使其傳動精度、傳動噪聲、沖擊振動小于梯形齒同步帶。

4.3.3 確定帶輪直徑（依據(jù)JB-T_7512）

（1）確定主動輪齒數(shù)Z1

首先設(shè)主動輪轉(zhuǎn)速n1≤900r/min，查得應(yīng)Z1≥14。

由于主動輪的轉(zhuǎn)動慣量與其質(zhì)量、半徑的平方成正比，即JZ=m（R2+r2）/2。而小慣量的系統(tǒng)，啟動、加速、制動的性能均好于大慣量的系統(tǒng)，因此，Z1應(yīng)在允許范圍內(nèi)盡可能小，但過小會影響包角大小。在此取Z1=24，查得d1=38.20mm。

結(jié)合實際打標(biāo)情況，已知V帶≤1000mm/s，由V帶=π×d1×n1可得n1≤500r/min，與上述假設(shè)相符。

5 結(jié)束語

激光打標(biāo)機是實現(xiàn)自動化、現(xiàn)代化生產(chǎn)的重要工具，壓輪送料系統(tǒng)的設(shè)計需要綜合考慮其對于飛行打標(biāo)傳動均勻性與靜態(tài)打標(biāo)傳動精確性。

對于該傳動系統(tǒng)，我們應(yīng)盡可能增大同步帶的靜摩擦系數(shù)fs帶 ，這樣便可減小滿足運行的最小彈簧壓力FN壓，同時也相應(yīng)地減小了主要運行阻力F滾壓。當(dāng)然，提高導(dǎo)軌的表面光潔度以減小導(dǎo)軌對電容條帶的滑動摩擦力Fd導(dǎo)也是十分必要的，同時，理論與實際經(jīng)驗相結(jié)合，合理設(shè)計和優(yōu)化其每一重要零部件，并在實踐基礎(chǔ)上不斷對產(chǎn)生的問題進(jìn)行分析，改進(jìn)，完善。

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