紙張分頁貼標(biāo)機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

呂 償，謝遠(yuǎn)霞，代英英

（1.廣東白云學(xué)院，廣州 510450；2.東莞米目米信息科技有限公司，廣東東莞 523430）

0 引言

標(biāo)簽是產(chǎn)品在市場(chǎng)流通中承載產(chǎn)品信息的重要組成部分［1］。隨著物聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展，通過手機(jī)掃一掃產(chǎn)品標(biāo)簽即可獲取該產(chǎn)品的生產(chǎn)日期、出產(chǎn)地、產(chǎn)品主要參數(shù)等，給消費(fèi)者提供透明化的產(chǎn)品信息，同時(shí)有利于市場(chǎng)監(jiān)督管理和智能倉(cāng)儲(chǔ)分揀［2］。產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程中，在包裝或產(chǎn)品上貼標(biāo)是不可或缺的一道工序。貼標(biāo)工序?qū)儆诤?jiǎn)單重復(fù)性工種，小批量生產(chǎn)時(shí)往往采用人工完成，而大批量生產(chǎn)采用人工貼標(biāo)效率低，隨著用工成本的增加無疑提高了產(chǎn)品的成本［3-4］。因此，面對(duì)大批量生產(chǎn)時(shí)采用的全自動(dòng)無人為干預(yù)的高效、精準(zhǔn)貼標(biāo)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。當(dāng)前針對(duì)個(gè)性化產(chǎn)品貼標(biāo)，市場(chǎng)上大部分被貼標(biāo)產(chǎn)品為非標(biāo)，須針對(duì)特定產(chǎn)品進(jìn)行研發(fā)，根據(jù)客戶需求設(shè)定設(shè)計(jì)參數(shù)，其通用化程度低。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)不同被貼標(biāo)產(chǎn)品需求做了大量的設(shè)計(jì)與研究。肖鵬等［5］以通用不干膠為設(shè)計(jì)需求，采用真空吸附取標(biāo)、氣壓吹填覆標(biāo)的方式完成取標(biāo)、貼標(biāo)動(dòng)作。伍志祥等［6］按標(biāo)簽自身特征設(shè)計(jì)了剝標(biāo)板的剝離角度，覆標(biāo)機(jī)構(gòu)在60°～75°，貼標(biāo)角度小于30°對(duì)于罐裝貼標(biāo)對(duì)象有較好的貼標(biāo)效果［7-8］。羅序平［9］根據(jù)不同幾何特征的瓶類進(jìn)行了貼標(biāo)機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析。而以紙張為被貼標(biāo)產(chǎn)品，進(jìn)行連續(xù)貼標(biāo)的產(chǎn)品鮮有報(bào)道。本文旨在設(shè)計(jì)一種先對(duì)層疊狀態(tài)下的紙張進(jìn)行分頁，再在單張狀態(tài)下完成對(duì)紙張貼標(biāo)的貼標(biāo)機(jī)。對(duì)被貼標(biāo)紙張的厚度、長(zhǎng)、寬、貼標(biāo)位置可根據(jù)實(shí)際情況作相應(yīng)調(diào)整，在紙張貼標(biāo)范疇實(shí)現(xiàn)通用性。

1 紙張分頁貼標(biāo)機(jī)功能需求分析

紙張分頁貼標(biāo)機(jī)適用于在層疊狀態(tài)下不同規(guī)格的紙張（扁平狀包裝紙），逐張分頁并在指定位置完成貼標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中全自動(dòng)化和智能化，滿足現(xiàn)代化批量生產(chǎn)的需求。

紙張分頁貼標(biāo)機(jī)應(yīng)滿足以下功能需求：

1.1 紙張規(guī)格型號(hào)繁多

每種紙張的規(guī)格尺寸存在差異，分頁貼標(biāo)機(jī)可根據(jù)紙張規(guī)格調(diào)整送料機(jī)構(gòu)、貼標(biāo)機(jī)構(gòu)、收料機(jī)構(gòu)，以滿足不同規(guī)格紙張貼標(biāo)要求。

1.2 標(biāo)簽規(guī)格較多

每個(gè)產(chǎn)品對(duì)標(biāo)簽的需求各不相同，對(duì)應(yīng)根據(jù)標(biāo)簽大小、挺度、黏度、標(biāo)簽與標(biāo)簽間距作合理化設(shè)計(jì)。使送標(biāo)、剝標(biāo)、覆標(biāo)、撫標(biāo)4個(gè)動(dòng)作精準(zhǔn)、協(xié)調(diào)，能高效、連續(xù)地完成貼標(biāo)。

1.3 貼標(biāo)位置可根據(jù)用戶需求調(diào)整

產(chǎn)品的貼標(biāo)位置可根據(jù)包裝設(shè)計(jì)特點(diǎn)確定。因此，貼標(biāo)機(jī)構(gòu)應(yīng)具備水平移動(dòng)、上下移動(dòng)及固定架轉(zhuǎn)動(dòng)即3個(gè)自由度，以應(yīng)對(duì)貼標(biāo)位置的變化。

紙張分頁貼標(biāo)機(jī)在滿足基本功能需求時(shí)亦須滿足相關(guān)性能指標(biāo)，其技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 紙張分頁貼標(biāo)機(jī)技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of paper paging and labeling machine

2 紙張分頁貼標(biāo)機(jī)功能設(shè)計(jì)分析

2.1 貼標(biāo)對(duì)象

貼標(biāo)對(duì)象為紙張類產(chǎn)品，具有紙張的分頁和貼標(biāo)2個(gè)功能。將紙張從層疊狀態(tài)逐張分頁成單張狀態(tài)，在紙張指定位置完成連續(xù)、高效、精準(zhǔn)貼標(biāo)。所貼標(biāo)簽單面粘附于成卷蠟紙上，以自動(dòng)化形式完成貼標(biāo)后，蠟紙可自動(dòng)回收。

2.2 貼標(biāo)工序分析

根據(jù)貼標(biāo)對(duì)象特征和貼標(biāo)要求，擬定貼標(biāo)機(jī)的主要功能模塊。本貼標(biāo)機(jī)的貼標(biāo)對(duì)象為紙張，其大小為標(biāo)準(zhǔn)A3（長(zhǎng)為297 mm，寬為420 mm），初始時(shí)處于層疊狀態(tài)。擬定采用飛達(dá)機(jī)構(gòu)使紙張逐張分成單張狀態(tài)，飛達(dá)機(jī)構(gòu)的真空吸盤通過吸附抓取使紙張分離，隨后凸輪機(jī)構(gòu)使飛達(dá)機(jī)構(gòu)先在紙張平面法線方向抬高H1，然后沿切線方向移動(dòng)B1，將紙張傳送至送料機(jī)構(gòu)，送料機(jī)構(gòu)以傳輸帶將紙張快速傳送至貼標(biāo)位置。根據(jù)貼標(biāo)位置要求，調(diào)整安裝在調(diào)整機(jī)構(gòu)橫梁上的貼標(biāo)機(jī)構(gòu)，貼標(biāo)機(jī)構(gòu)由送標(biāo)機(jī)構(gòu)、剝標(biāo)機(jī)構(gòu)、收標(biāo)機(jī)構(gòu)及撫標(biāo)機(jī)構(gòu)組成，貼標(biāo)頭通過主動(dòng)軸輥帶動(dòng)供標(biāo)機(jī)構(gòu)和收標(biāo)機(jī)構(gòu)，剝標(biāo)機(jī)構(gòu)使標(biāo)簽與蠟紙快速分離，貼附標(biāo)簽于產(chǎn)品的貼標(biāo)位置，由撫標(biāo)機(jī)構(gòu)完成二次撫壓。在整個(gè)貼標(biāo)過程完成后，紙張由傳送帶輸送至收料機(jī)構(gòu)。其貼標(biāo)工藝過程如圖1所示。

圖1 紙張分頁貼標(biāo)機(jī)工藝流程Fig.1 Technological flow chart of paper paging and labeling machine

2.3 貼標(biāo)總體方案設(shè)計(jì)

紙張分頁貼標(biāo)機(jī)如圖2所示，分頁貼標(biāo)過程均由PLC集中控制。飛達(dá)上料機(jī)構(gòu)抓取紙張后沿輸送帶傳輸方向移動(dòng)，該移動(dòng)動(dòng)作由凸輪機(jī)構(gòu)完成但受限于凸輪推程較小，使之在傳輸方向移動(dòng)行程受限，故在飛達(dá)機(jī)構(gòu)抓取紙張后輸送至傳輸帶時(shí)，在傳輸帶與飛達(dá)機(jī)構(gòu)連接位置加裝帶有橡膠圈的滾子組，滾子組與傳輸帶轉(zhuǎn)向相反，即在紙張接觸滾子組瞬間，在滾子組與傳輸帶摩擦力作用下，快速將紙張傳輸至傳輸帶，解決了凸輪結(jié)構(gòu)推程不足的問題。傳輸帶將紙張輸送至預(yù)設(shè)的貼標(biāo)位置，測(cè)物電眼檢測(cè)紙張位置并將信號(hào)反饋至PLC控制系統(tǒng)，啟動(dòng)貼標(biāo)機(jī)構(gòu)。標(biāo)簽紙受牽引輥?zhàn)饔迷诠?biāo)輥、導(dǎo)向輥、張緊輪、收標(biāo)輪實(shí)現(xiàn)傳輸。根據(jù)貼標(biāo)位置要求和貼標(biāo)產(chǎn)品特征，貼標(biāo)機(jī)構(gòu)安裝在調(diào)整機(jī)構(gòu)上的移動(dòng)可滿足紙張類產(chǎn)品的貼標(biāo)位置需求。

圖2 紙張分頁貼標(biāo)機(jī)總成圖Fig.2 General assembly diagram of paper paging and labeling machine

3 紙張分頁貼標(biāo)機(jī)功能單元設(shè)計(jì)

3.1 貼標(biāo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1.1 貼標(biāo)機(jī)構(gòu)原理設(shè)計(jì)

貼標(biāo)是貼標(biāo)機(jī)的核心，貼標(biāo)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性對(duì)貼標(biāo)質(zhì)量有重要意義。貼標(biāo)機(jī)構(gòu)如圖3所示，標(biāo)簽卷置于標(biāo)簽放料機(jī)構(gòu)，標(biāo)簽帶繞過張緊輪剎車機(jī)構(gòu)，保證標(biāo)簽卷處于張緊狀態(tài)，并在機(jī)器運(yùn)行故障時(shí)可及時(shí)剎停標(biāo)簽，保障標(biāo)簽卷可持續(xù)性使用。標(biāo)簽帶通過導(dǎo)向輪進(jìn)入剝標(biāo)機(jī)構(gòu)，在完成剝標(biāo)后標(biāo)簽帶被收料機(jī)構(gòu)回收，使蠟紙可二次利用。

圖3 貼標(biāo)頭結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural diagram of labeling head

3.1.2 貼標(biāo)勻速供標(biāo)設(shè)計(jì)

勻速供標(biāo)是貼標(biāo)穩(wěn)定性的前提，標(biāo)簽帶須由放料機(jī)構(gòu)勻速運(yùn)行至收料機(jī)構(gòu)，保證有相同的線速度，而放料輪在輸出標(biāo)簽帶的同時(shí)標(biāo)簽卷半徑遞減，收料輪上標(biāo)簽卷半徑遞增，在標(biāo)簽放料輪和收料輪線速度相等的前提下，其角速度必為非恒值?；诖耍瑯?biāo)簽放料輪和收料輪均不能作為牽引機(jī)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)勻速供標(biāo)，故在標(biāo)簽收料機(jī)構(gòu)前設(shè)計(jì)牽引輥?zhàn)鳛闃?biāo)簽傳輸?shù)尿?qū)動(dòng)力。牽引輥由兩個(gè)偏心輥組成，其中一個(gè)為主動(dòng)牽引輥，帶有橡膠圈以增大牽引摩擦力，另一個(gè)為金屬牽引輥，調(diào)整安裝角度使標(biāo)簽帶與主動(dòng)牽引輥的包角為120°～180°，以形成足夠的摩擦力，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、勻速的供標(biāo)。

3.1.3 貼標(biāo)頭剝標(biāo)原理

標(biāo)簽剝離原理如圖4所示，假設(shè)標(biāo)簽總長(zhǎng)為l，標(biāo)簽與標(biāo)簽帶之間的黏結(jié)力近似為作用于標(biāo)簽上的均布載荷。當(dāng)標(biāo)簽隨標(biāo)簽帶以勻速v運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于標(biāo)簽自身挺度EI（抗彎剛度）及慣性作用，黏結(jié)力不足以使標(biāo)簽產(chǎn)生較大曲率。標(biāo)簽在自身抗彎剛度作用下回彈，在慣性作用下保持原速度向前移動(dòng)，并會(huì)在距自由端x處開始與標(biāo)簽帶分離，直至完全分離。

圖4 剝標(biāo)原理示意圖Fig 4 Schematic diagram of label stripping principle

3.2 標(biāo)簽剝離參數(shù)分析

參照壓敏膠帶剝離黏結(jié)力的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)法［10］，將標(biāo)簽與剝標(biāo)板之間的黏結(jié)力近似于施加在標(biāo)簽上的均布載荷，假設(shè)標(biāo)簽長(zhǎng)度為l，寬度為b，厚度為h。標(biāo)簽與剝標(biāo)板之間的載荷為q，將標(biāo)簽剝離簡(jiǎn)化力學(xué)模型為如圖5所示。

圖5 剝標(biāo)原理的力學(xué)模型Fig.5 Mechanical model of label stripping principle

標(biāo)簽在黏結(jié)力q作用下發(fā)生彎曲變形，假設(shè)自由端部分曲率半徑為 ρ（x），標(biāo)簽整體部分的曲率半徑為r（x），故標(biāo)簽開始剝離的臨界條件：

由彎曲變形理論可知［11］：

式中E——彈性模量；

I——對(duì)標(biāo)簽橫截面的慣性矩。

根據(jù)彎曲內(nèi)力理論，其彎矩：

根據(jù)弧長(zhǎng)定理：

θ（x）為截面轉(zhuǎn)角方程即為撓度方程一階導(dǎo)數(shù)，受均布載荷的固定端約束的梁模型，其撓度方程：

式（5）一階導(dǎo)數(shù)：

將式（3）、（4）、（6）代入式（2），可得：

由式（7）可知，根據(jù)標(biāo)簽自身材料參數(shù)、幾何參數(shù)可確定剝標(biāo)曲率半徑。

3.3 剝標(biāo)關(guān)鍵技術(shù)分析

剝標(biāo)板在標(biāo)簽剝離時(shí)需有合理的剝離角度，較小的剝離半徑更易使標(biāo)簽從標(biāo)簽帶上剝離，提高貼標(biāo)的成功率。但剝離半徑越小，標(biāo)簽帶受的牽引力越大，易導(dǎo)致標(biāo)簽帶斷裂，從而使貼標(biāo)次品率增加。故此，選擇合適的剝離半徑尤為重要，合適的剝標(biāo)半徑可由通式（7）得出。

3.4 貼標(biāo)調(diào)整機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

將貼標(biāo)機(jī)構(gòu)安裝于調(diào)整機(jī)構(gòu)以滿足不同角度、位置貼標(biāo)需求，安裝方式如圖6所示。調(diào)整機(jī)構(gòu)具有4自由度，以笛卡爾坐標(biāo)系為參考，手輪1，2，3分別控制貼標(biāo)機(jī)構(gòu)在X、Y、Z軸方向的位移，手輪4可控制貼標(biāo)機(jī)構(gòu)繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)即調(diào)整貼標(biāo)頭與輸送帶之間角度。

圖6 貼標(biāo)機(jī)構(gòu)安裝示意Fig.6 Assembly diagram of labeling mechanism

4 結(jié)語

根據(jù)功能需求設(shè)計(jì)紙張分頁貼標(biāo)機(jī)，該貼標(biāo)機(jī)包含了送料機(jī)構(gòu)、飛達(dá)上料機(jī)構(gòu)、傳輸機(jī)構(gòu)、貼標(biāo)機(jī)構(gòu)、調(diào)整機(jī)構(gòu)、收料機(jī)構(gòu)。重點(diǎn)分析貼標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)，闡述貼標(biāo)原理和標(biāo)簽紙實(shí)現(xiàn)勻速供標(biāo)的方法，并對(duì)標(biāo)簽剝離建立簡(jiǎn)要的力學(xué)模型，通過分析得出標(biāo)簽從標(biāo)簽帶分離時(shí)自由端的曲率半徑，為設(shè)計(jì)高質(zhì)量剝標(biāo)提供理論參考。