双刀四轴胶带裁切机机械设计研究

摘要：介绍了半自动双刀四轴三伺服胶带裁切机的总体设计，针对单主轴分切效率较低、卸料与切料不能同时进行、停机次数增加、生产效率低下等问题，设计了一种四轴自动回转换位装置；针对圆盘刀具在作用力的影响下发生偏移，导致加工出的成品产生断面不平、毛边等不良现象，设计了一种刀架角度自动调节装置。实验结果表明，该机运行稳定可靠、操作方便、各项参数测试准确，能够满足用户的要求。

关键词：胶带裁切机；双刀；四轴；主轴自动回转换位装置；刀架角度自动调节装置

近年来，随着经济的快速发展，软包装行业已经成为迅速兴起的朝阳产业，以其高速增长的产值和广阔的市场，显示了巨大的发展前景，其软包装市场中（如快递包装），离不开用量巨大的胶带，而胶带分切是胶带行业的末端环节，其作用是将涂布过的大幅卷半成品胶带分切成不同宽度的成品应用胶带。根据用户的要求，采用非标设计的方法，研制了一种半自动双刀四轴三伺服胶带裁切机（如图1），具有双轴双刀同时切料、四轴自动翻转换位、卸料与切料同时进行、可设定多种不同规格宽度及刀切裁切角度进行胶带或布基等材料的分切作业等功能。

1总体方案设计

胶带裁切机主要技术参数要求：机械有效幅宽为1300mm，最大裁切直径为160mm，最小分切宽度为3mm，最大分切速度70次/min，分切精度为±0.05mm，材料管芯内径为25～76mm，主轴最大机械转速为700r/min，主电动机功率为2.2kW，圆刀电动机功率为0.75kW，使用电压三相四线380V等。主要由机械系统、电气控制系统、气动控制系统、润滑冷却系统四部分组成，由中央控制系统PLC可程式控制器集中控制，可同时设定多种不同宽度、不同切刀角度的裁切作业，实现进刀、主轴翻转、主轴高低速旋转、单或自动循环裁切等操作功能，分切时可自动或手动控制；其中机械系统主要包括旋转主轴部件、双圆刀刀架部件、双轴尾架支承部件、主轴回转部件、刀架横向移动部件、裁切轴部件、伺服进刀部件、刀架角度自动调节部件、机床动力部件、机架框架结构等。电气控制系统采用数字化设计方案，以实现机床的半自动控制，提高胶带裁切质量，由液压泵控制、裁切行程控制、裁切压力控制、其他辅助控制等功能模块组成；液压泵采用5.5kW的三相异步电动机，主电路为PLC程序控制接触器直接启动，以实现液压泵启停；通过安装齿条啮合传动中齿轮轴端的编码器来实现裁切行程位置的采集，配合PLC、电磁阀组的控制从而控制裁切运动部件的移动，可实现自动或手动裁切行程位置的确定及调整；裁切压力的调整由电液比例阀完成，裁切时，快速到达待切位置速度变慢并加压保持，以期达到良好的分切效果及能切断胶带；为了保证操作的安全性，本机设置了过载安全保护功能。气动控制系统的设计包括旋转主轴夹持单元、收卷动力离合单元、双轴尾架支承单元、跟刀架移位单元、圆刀冷却单元、主轴翻转离合、支承、定位单元等气动控制单元的设计，由电磁阀、节流调整阀、减压阀、单向阀、消音器、快插接头等气动元件组成。机床采用整体架构设计，总体装箱尺寸约为2860mm×1300mm×1380mm，电气控制系统、气动控制系统、机械动力部件、主轴回转部件集中分布在机床左侧（如图1）；刀架横向移动系统采用精密伺服电动机（施耐德）、高精度滚珠丝杆螺母副及直线导轨配合进行驱动，以保证切刀行程顺畅、定位准确，分切精度达到±0.05mm；伺服进刀部件采用法国施耐德精密伺服电动机控制、弹性联轴器连接、配合直线导轨驱动的设计，可自由调整进刀速度的快慢，以保证切刀行程顺畅、高稳定性；双圆刀刀架部件及刀架角度自动调节部件联动，增设伺服马达（施耐德）可手动或自动调整圆刀裁切角度，解决了胶带产品横断面裁切凹凸不平的现象；裁切轴部件采用轴承钢GCr15材料主轴外套1in的PE管，端部采用气压背压控制的双轴尾架支承，且切管压力可调，以提高切管特别是小径胶管裁切作业的稳定性；主轴采用无级变速AC马达配合同步带、齿轮系、分度装置传动，主轴翻转采用气动控制的齿轮齿条传动系统；增设的矽溶液冷却系统，避免了切刀粘胶，确保切管作业顺畅。

2主轴回转部件的设计

目前存在相当数量的胶带裁切机仅实现在一个主轴上完成卷料胶带的分切，分切效率较低，且卸料与切料不能同时进行，停机次数增加，生产效率低，导致生产量不能满足市场的大量需求。本机采用了一种四轴自动回转换位装置（如图2），解决了单轴分切、停机卸料上料、生产效率低的问题。它由支撑板、第一驱动组件、齿条、回转主轴、翻转齿轮、第二驱动组件、分度盘组件和回转大盘、定位装置等零部件组成（如图2），其中回转大盘设置在机架左侧壁内，与回转主轴固定连接一起旋转，回转大盘上设有均匀分布的四个工位，四个工位上分别安装有一组主轴部件（如图2（b）），跟随回转大盘实现180°回转换位。第一驱动组件由气缸及固定组件组成，将气缸固定于支撑板及机架上，齿条与气缸螺纹连接一体，当主轴需要转位时，发出指令后气缸推动齿条上下往复移动；设计时，齿条与翻转齿轮形成啮合传动（齿条模数m=2.5mm、齿数z=112,齿轮模数m=2.5mm、齿数z=50），由导向轮与导向轴等组成的导向组件辅助齿条沿气缸轴向作直线运动，为了保证齿条上下平稳运动，导向轮设有凹槽限制了齿条其他方向的移动，齿条上方设置了限位块来控制齿条的行程（如图2（c）A向所示）；翻转齿轮通过深沟球轴承与回转主轴空套连接，分度盘组件通过平键、圆螺母、紧定螺钉与回转主轴固连，由紧凑型气缸、转动小轴等组成的第二驱动组件通过螺栓固定在翻转齿轮上；当齿条伸出时，第二驱动组件中的紧凑型气缸得到指令推出转动小轴与分度盘上的小孔连接，这样齿轮的转动带动分度盘跟随同步转动180°，回转主轴也同步带动回转大盘旋转180°，此时，设置在回转大盘上方的定位装置得到指令后，驱动件推动定位销与回转大盘上的定位块配合，回转大盘停止转动，旋转主轴部件位于工作位置（如图2（c）B向所示）；当齿条缩回时，第二驱动组件与分度盘组件分离，齿条仅带动齿轮在回转主轴上转动，回转大盘保持不动。这样，通过齿条往复伸缩动作，结合第二驱动组件与分度组件的连接与分离，使回转大盘一直朝一个方向实现180°的转动，避免了在加工胶带时出现松脱现象；另外，回转大盘上的四个主轴180°回转换位，使其中两个主轴同时切料，另外两个主轴完成卸料、上料，保证了在切料的同时完成卸料、上料工序，实现了部分自动化，大大节省了时间，提高了生产效率。

3刀架角度自动调节部件的设计

裁切机在进行分切作业时，由于不同成卷半成品的胶带有着不同的物理特性，并且产品还会随着加工的推进产生宽度变化，因此会对圆刀产生不同的作用力，若刀具不能及时调整切入角度，刀具在作用力的影响下会发生偏移，导致加工出的成品产生断面不平、毛边等不良现象。本机采用了一种刀架角度自动调节装置，角度调整范围为±9°，它由底座、转盘、转角机构、刀具机构、压板、保护罩等零部件组成（如图3），其中转盘设置在底座上以铰链相连，底座可带着刀架在机床导轨上实现纵向移动及进给运动；刀具机构固定在转盘上，安装有两把180mm的圆刀，由0.75kW的蜗杆减速电动机驱动切割物料,为了保证圆刀刀口与物料接触位置始终不变，并能准确地调整切料角度，设计时让圆刀切料点与转盘转动中心在一条轴线上（如图3（b）），同时也设计有对刀块、限位块等组成的对刀装置方便加工前对刀操作；为了加工时冷却刀具，避免切刀粘胶，圆刀外面的保护罩顶部设计有喷淋装置（如图3（c））,由液压系统控制；转角机构一端连接底座，另一端连接转盘，用于带动转盘的转动，它包括BCH0602O12A1C型施耐德伺服电动机、弹性联轴器、M16×5滚珠丝杆、圆螺母、螺母固定块、丝杆固定块等零部件（如图3（d）），弹性联轴器用于连接电动机主轴与滚珠丝杆，滚珠丝杆与圆螺母组成螺旋副，把电动机的转动形式转化为圆螺母的移动形式；其中滚珠丝杆转动设置在丝杆固定块上，丝杆固定块转动设置在底座上，而伺服电动机固定设置在丝杆固定块上，用于带动滚珠丝杆转动，螺母固定块转动设置在转盘上。当需要调整圆刀的裁切角度时，伺服电动机驱动滚珠丝杆转动，带动圆螺母左右移动，使丝杆固定块与螺母固定块之间的距离发生变化，从而带动转盘在底座上转动，实现圆刀的角度调整。操作者可以根据物料的不同物理属性调整圆刀的角度，同时丝杠转动伺服电动机由PLC控制器控制，裁切加工时，由于物料的宽度会随着加工的进行而缩短，对应圆刀的角度要求也在不断变化，PLC控制器根据使用者设定的参数，控制伺服电动机的工作，使圆刀在分切加工过程中实现角度的自动调整，以匹配不同加工时段对圆刀的角度要求，从而提高了产品合格率。

4结语

由PLC集中控制电气、气动、润滑及机械传动系统联动的半自动、双圆刀裁切、四主轴翻转、三伺服驱动的胶带裁切机，技术设计与试制完成后的实验表明：本机采用了美观大方的外形结构设计，四轴双刀同时切料，自动换位，卸料与切料能同时进行；主刀架横移进给采用了精密伺服电动机、高精度滚珠丝杆螺母副及直线滑轨配合进行驱动，圆刀纵向进给采用了伺服电动机配合直线滑轨驱动控制，切刀行程顺畅、稳定性高；同时采用的触摸屏配合PLC进行集中控制，实现了高速高精度作业，可不停机同时设定多种不同宽度、不同切刀角度；增设的伺服马达独立自动调整圆刀角度，完全解决了产品端面凹凸不平的现象，符合用户对产品性能的要求。相关产品投入市场后，经济效益显著。同时，除胶带外，本机也适合双面胶、高级电子胶带、PVC、PE、PET保护膜、OPP封箱胶纸、牛皮纸、美纹纸、金属纸、泡棉等胶粘带及布基的裁切作业，扩大了作业范围。

[参考文献]

[1]钱聚营,马立飞.综述胶带分切机国内外发展及研究现状[J].绿色包装,2016（增刊1）：47-49.

[2]曹建军.基于PLC的四轴裁切机控制系统设计[J].自动化技术与应用,2011,30（9）：82-84.

[3]陈垒.自动裁切机的机械设计[D].上海：东华大学,2018.

[4]王恒斌.自动裁切机系统的设计[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2013.

[5]马立飞.全自动BOPP胶带分切机张力控制研究[D].北京：北京印刷学院,2018.

[6]赵敏鹏.基于PLC技术的分切机自动控制系统设计[J].计算机测量与控制,2018,26（1）：110-114.

[7]苏平永.工业裁切机[J].中国新技术新产品,2016（2）：90.

[8]曹志洁.分切机的控制技术研究及系统设计[J].河南科技,2014（21）：105-106.

[9]段霞.分切机种类差异的应用分析[J].科技创新与应用,2014（34）：70.

[10]马寅.我国分切机市场须在创新中谋发展[J].塑料包装,2013,23（3）：6-7,5.

作者：程畅 石云飞 章磊 单位：常州工业职业技术学院