王昌佑，陳 忠，王賢洵，王賢淮

（1.廣東隆興包裝實(shí)業(yè)有限公司，廣東潮州 515638；2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州 510640）

隨著人們生活水平的提高，現(xiàn)代社會(huì)對(duì)新型食品包裝容器的需求越來越大，要求越來越高。該類容器除了要滿足基本的容器功能外，對(duì)外表面的圖案及色彩也有很高要求。對(duì)于PET 塑料杯外表面上的色彩鮮艷的圖案需要采用特殊的柔性版膠印技術(shù)完成印刷，為此須配套高效的錐形容器曲面膠印刷機(jī)。為了保證這類曲面膠印機(jī)的印刷質(zhì)量，需要一個(gè)堅(jiān)固的機(jī)箱，用以支撐高速運(yùn)轉(zhuǎn)的大鼓輪印刷傳動(dòng)系統(tǒng)、送墨傳送系統(tǒng)和步進(jìn)分度傳動(dòng)系統(tǒng)。但是，傳統(tǒng)的曲面膠印機(jī)的機(jī)箱采用兩支撐板的主體結(jié)構(gòu)[1]，存在支撐剛度差、印刷與傳動(dòng)不能分區(qū)隔離等缺點(diǎn)，以致于造成整機(jī)動(dòng)態(tài)性能差、印刷質(zhì)量不高以及衛(wèi)生性不能很好控制等一系列問題。

為此，本文針對(duì)曲面膠印機(jī)兩板式支撐結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，提出了一種曲面膠印機(jī)三板式支撐結(jié)構(gòu)，以改進(jìn)整機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，提高印刷質(zhì)量。論文首先論述曲面膠印機(jī)的主體機(jī)構(gòu)與傳動(dòng)關(guān)系，其次設(shè)計(jì)一種用于曲面膠印機(jī)的三板式支撐結(jié)構(gòu)，通過模態(tài)分析，討論三板式支撐結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)應(yīng)用在多色曲面膠印機(jī)中取得了很好的效果。

1 曲面膠印機(jī)的工作原理[2]

曲面印刷機(jī)是一個(gè)高度機(jī)電一體化的印刷設(shè)備，其基本的印刷原理采用柔性凸版與膠印復(fù)合印刷模式，因此兼有膠版印刷與柔性版印刷的優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)及印刷示意圖如圖1 所示，曲面膠印機(jī)通過竄動(dòng)膠輥2 把UV 油墨1 均勻涂抹到柔性凸版3 上；柔性凸版上的單色圖形轉(zhuǎn)印到鼓輪橡皮布4 上，橡皮布上的多色圖形，則通過多組柔性凸版通過恒定機(jī)械傳動(dòng)鏈以同步的方式套印在同一個(gè)橡皮布上；大鼓輪5與步進(jìn)分度模頭7以雙電機(jī)獨(dú)立控制方式確保橡皮布與步進(jìn)分度模頭7 上的錐形塑杯步進(jìn)同步接觸滾動(dòng)印刷。

圖1 錐形塑杯印刷機(jī)工作示意圖

為了保證錐形塑杯的印刷質(zhì)量，需要一系列的功能工位，具體如示意圖2 所示。整個(gè)步進(jìn)印刷工步包括進(jìn)杯1、頂杯2、電暈及檢測(cè)3、頂杯4、印杯5、次品彈出6、UV固化7、出杯8八個(gè)工位。各工位按一定的節(jié)拍步進(jìn)進(jìn)行，其中印杯工位5 完成大鼓輪橡皮布上的套色圖形轉(zhuǎn)印到錐形塑杯表面。

圖2 錐形塑杯印刷機(jī)的印刷工步示意圖

因此，曲面膠印機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括大鼓輪印刷傳動(dòng)系統(tǒng)、送墨傳送系統(tǒng)和步進(jìn)分度傳動(dòng)系統(tǒng)。這些傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能直接影響到整機(jī)的印刷精度與質(zhì)量。隨著曲面膠印機(jī)的工作速度達(dá)到36 000個(gè)印杯/小時(shí)，對(duì)支撐這些傳動(dòng)系統(tǒng)的支撐箱體提出了更高的要求。

2 曲面膠印機(jī)三板支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與模態(tài)分析

大鼓輪印刷傳動(dòng)系統(tǒng)、送墨傳送系統(tǒng)等都需要一個(gè)支撐框架，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的支撐與各傳動(dòng)軸的空間布置。為此，需要考慮支撐動(dòng)態(tài)特性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.1 三板支撐結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

曲面膠印機(jī)核心傳動(dòng)系統(tǒng)是大鼓輪印刷傳動(dòng)系統(tǒng)，其功能是使印版輥與大鼓輪圓周分布的橡皮布之間實(shí)現(xiàn)無摩擦對(duì)滾，完成多色圖案的準(zhǔn)確套印。其中，多個(gè)印版輥環(huán)繞大鼓輪圓周間隔分布，因此，整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)是空間分布的多軸系統(tǒng)。由于曲面多色膠印的速度很快，各橡皮布的印刷節(jié)拍造成不可避免的強(qiáng)迫接觸沖擊，有可能造成套色不準(zhǔn)與錯(cuò)位，直接影響印刷質(zhì)量。為此，必須提高大鼓輪印刷傳動(dòng)系統(tǒng)的剛性及動(dòng)態(tài)性能。

為保證曲面膠印機(jī)大鼓輪印刷傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性、提高其剛度，如圖1 所示，設(shè)計(jì)一個(gè)三板式支撐結(jié)構(gòu)。其中，板1、2、3 分別是三個(gè)支撐板，傳動(dòng)主軸支撐在板1、3的軸承上，通過板2把大鼓輪3和大齒輪5分成兩個(gè)腔室，分別是印刷腔室和傳動(dòng)腔室。同時(shí)，多個(gè)印版輥傳動(dòng)軸支撐在板1、2、3 上，其中，印版輥處于印刷腔室，小齒輪處于傳動(dòng)腔室。從而實(shí)現(xiàn)了印刷與傳動(dòng)的空間隔離，保證了印刷的衛(wèi)生與整機(jī)的整潔。更為重要的是，板1、2、3通過至少3個(gè)連接軸4 緊固在一起，提高了整機(jī)的支撐剛度，保證快速印刷的動(dòng)態(tài)性能。

圖3 三板式大鼓輪印刷傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 兩板式支撐結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

2.2 模態(tài)分析

為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)三板式支撐結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。本文通過3D實(shí)體建模，在ANSYS Workbench中完成了兩板式支撐結(jié)構(gòu)與三板式支撐結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，以對(duì)比分析新型三板式支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。分析結(jié)果如圖4、5所示。

根據(jù)分析結(jié)果可知，兩板式結(jié)構(gòu)的一階模態(tài)頻率1 436 Hz，而三板式支撐結(jié)構(gòu)的一階模態(tài)頻率為1 524 Hz。表明，三板式支撐結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)剛度要遠(yuǎn)好于兩板式支撐結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

圖5 三板式支撐結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

隨著曲面膠印機(jī)的印刷節(jié)拍越來越快，對(duì)整機(jī)動(dòng)態(tài)特性提出了更高的要求。本文提出的三板支撐結(jié)構(gòu)能夠顯著提高整機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)了印刷與傳動(dòng)的空間分離，保證了印刷過程的衛(wèi)生要求。所設(shè)計(jì)的三板式支撐結(jié)構(gòu)已成功應(yīng)用在公司產(chǎn)業(yè)化的曲面膠印機(jī)上，在保證印刷質(zhì)量的前提下，使得整機(jī)印刷速度達(dá)到了36 000個(gè)印杯/小時(shí)。

［1］蔡建偉，胡中越.曲面膠印機(jī)［P］.中國專利：200620061956.3.2007-08-22.

［2］王賢淮，陳忠，王昌佑，等.錐形塑杯曲面膠印機(jī)印刷差速分析與鼓輪設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代制造工程，2009（6）：128-131.