周 健，孟 婥，甘國(guó)棟，卜劍秋

（東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

在網(wǎng)版制作過程中，感光膠涂布和烘干是兩道重要工序，感光膠涂布是指將調(diào)制完成的感光膠均勻而有一定厚度的涂布在網(wǎng)版的印刷面和油墨面上，網(wǎng)版烘干通常是指通過通入熱空氣將網(wǎng)版中水分蒸發(fā)并帶走的過程[1]。

目前，在中小印刷廠中感光膠涂布都是以手工涂布為主，其中以刮斗涂布最為常用，少數(shù)采用自動(dòng)網(wǎng)版涂布機(jī)，烘干主要采用電吹風(fēng)或網(wǎng)版烘箱，這兩道工序工人工作量比較大，網(wǎng)版制作質(zhì)量取決于操作工人的技術(shù)水平[2]。

針對(duì)以上問題，設(shè)計(jì)了自動(dòng)涂膠烘干一體化系統(tǒng)，對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有的自動(dòng)網(wǎng)版涂布機(jī)和網(wǎng)版烘箱進(jìn)行了改進(jìn)，增加了搬運(yùn)機(jī)械手、推出機(jī)構(gòu)、搬運(yùn)小車等，解決了網(wǎng)版感光膠涂布和烘干過程中需要人工操作的問題，提高了網(wǎng)版制作過程中的自動(dòng)化水平。

1 自動(dòng)涂膠烘干一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

自動(dòng)涂膠烘干一體化系統(tǒng)的任務(wù)是對(duì)網(wǎng)版進(jìn)行感光膠涂布和烘干，保證感光膠厚度和表面平整度符合要求，采用機(jī)械裝置自動(dòng)完成兩道工序之間網(wǎng)版的搬運(yùn)，系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

系統(tǒng)主要由自動(dòng)網(wǎng)版涂布機(jī)、網(wǎng)版烘箱、搬運(yùn)機(jī)械手、推出機(jī)構(gòu)和搬運(yùn)小車等組成，其中自動(dòng)網(wǎng)版涂布機(jī)的主要功能是對(duì)網(wǎng)版進(jìn)行感光膠涂布；網(wǎng)版烘箱的主要功能是對(duì)完成涂布的網(wǎng)版進(jìn)行烘干；搬運(yùn)機(jī)械手的主要功能是將網(wǎng)版在不同工位之間進(jìn)行搬運(yùn)；推出機(jī)構(gòu)的主要作用是將完成烘干操作的網(wǎng)版從網(wǎng)版烘箱中推出至搬運(yùn)小車上；搬運(yùn)小車的作用是便于工人將完成涂布烘干操作的網(wǎng)版搬運(yùn)至下一工位。

圖1 系統(tǒng)總體方案

1.2 自動(dòng)網(wǎng)版涂布機(jī)

自動(dòng)網(wǎng)版涂布機(jī)要能夠按照工藝要求對(duì)不同尺寸的網(wǎng)版進(jìn)行均勻而有一定厚度的涂布，并且能夠單面涂布或者雙面涂布，涂布速度可以調(diào)整，其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

所設(shè)計(jì)的自動(dòng)網(wǎng)版涂布機(jī)主要由箱體、頂部夾緊機(jī)構(gòu)、涂布機(jī)構(gòu)、底部夾緊機(jī)構(gòu)和腳輪組成。箱體作為承載模塊用來架設(shè)各部件；頂部夾緊機(jī)構(gòu)和底部夾緊機(jī)構(gòu)對(duì)放置在自動(dòng)網(wǎng)版涂布機(jī)上不同尺寸的網(wǎng)版進(jìn)行夾緊，其中頂部夾緊機(jī)構(gòu)能夠上下運(yùn)動(dòng)，以適應(yīng)不同尺寸的網(wǎng)版；涂布機(jī)構(gòu)通過平面連桿機(jī)構(gòu)控制涂膠器與網(wǎng)版之間的距離和角度，安裝在箱體內(nèi)部的直線模組能夠帶動(dòng)涂布機(jī)構(gòu)上下運(yùn)動(dòng)，使涂膠器能夠按照工藝要求對(duì)網(wǎng)版均勻而有一定厚度的涂布；腳輪帶水平調(diào)節(jié)，以通過調(diào)節(jié)腳輪使自動(dòng)網(wǎng)版涂布機(jī)水平放置在地面上。

圖2 自動(dòng)網(wǎng)版涂布機(jī)

1.3 網(wǎng)版烘箱

網(wǎng)版完成感光膠涂布后，需要置于網(wǎng)版烘箱中烘干，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)包括左側(cè)網(wǎng)版烘箱和右側(cè)網(wǎng)版烘箱，當(dāng)其中一個(gè)網(wǎng)版烘箱裝滿進(jìn)行烘干操作時(shí)，網(wǎng)版涂布機(jī)完成涂布的網(wǎng)版放到另外一個(gè)網(wǎng)版烘箱中，左側(cè)網(wǎng)版烘箱和右側(cè)網(wǎng)版烘箱交替使用，兩個(gè)烘箱中間的平臺(tái)放置未涂布網(wǎng)版。網(wǎng)版烘箱工作時(shí)通過調(diào)速電機(jī)正反轉(zhuǎn)有左、中、右三個(gè)工作位置，圖1所示為處于中間工作位置，便于搬運(yùn)機(jī)械手將網(wǎng)版從平臺(tái)抓取搬運(yùn)到自動(dòng)網(wǎng)版涂布機(jī)上；圖3所示為網(wǎng)版烘箱處于左側(cè)工作位置的示意圖，左側(cè)和右側(cè)兩個(gè)工作位置便于搬運(yùn)機(jī)械手將完成涂布的網(wǎng)版從自動(dòng)網(wǎng)版涂布機(jī)上搬運(yùn)至網(wǎng)版烘箱或者將完成烘干的網(wǎng)版從烘箱中推出至搬運(yùn)小車，通過氣缸驅(qū)動(dòng)烘箱抽屜的開閉。

圖3 網(wǎng)版烘箱處于左側(cè)工作位置示意圖

1.4 搬運(yùn)機(jī)械手

在涂膠和烘干過程中需要在不同的工位之間搬運(yùn)網(wǎng)版，所設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)械手通過直線模組的直線運(yùn)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制機(jī)械手臂末端執(zhí)行器，通過4個(gè)三軸氣缸實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)版的抓取，兩側(cè)三軸氣缸之間的距離可以調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同尺寸的網(wǎng)版。

1.5 輔助機(jī)構(gòu)

輔助機(jī)構(gòu)主要包括推出機(jī)構(gòu)和搬運(yùn)小車，烘干完成后需要推出機(jī)構(gòu)將網(wǎng)版推至搬運(yùn)小車上，推出前烘箱抽屜全部打開，推出之后，烘箱抽屜全部閉合，推出機(jī)構(gòu)上的推板略高于對(duì)應(yīng)烘箱抽屜的高度，推出機(jī)構(gòu)將網(wǎng)版推出之后，搬運(yùn)小車將網(wǎng)版搬運(yùn)至下一工位。

2 涂布機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

感光膠涂布工藝為：在涂膠器中倒入感光膠，將網(wǎng)版與水平面呈90°置于上漿臺(tái)上，涂膠器水平貼緊網(wǎng)版印刷面，然后向上轉(zhuǎn)至與網(wǎng)版呈85°～90°，再勻速、平穩(wěn)向上將感光膠涂布于絲網(wǎng)上，當(dāng)涂到離涂布區(qū)頂端約2cm時(shí)，將涂膠器后仰，讓刀口外的感光膠回流入涂膠器，根據(jù)膜厚要求上漿3～6次。

涂布機(jī)構(gòu)如圖4所示，平面連桿機(jī)構(gòu)控制涂膠器與網(wǎng)版之間的角度和距離，控制一組或兩組連桿機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)單面或雙面涂布，氣缸回路中壓力保持裝置保證涂膠器與網(wǎng)版接觸時(shí)壓力恒定，從而實(shí)現(xiàn)均勻而有一定厚度的涂布。

圖4 涂布機(jī)構(gòu)

運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是了解機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性能的重要方法，同時(shí)也是研究機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能的必要前提。圖5(a)所示為涂布機(jī)構(gòu)的初始狀態(tài)，圖5(b)所示為涂布機(jī)構(gòu)的涂布狀態(tài)。

圖5 涂布機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

首先對(duì)桿件BE進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，由圖5(a)的幾何關(guān)系得桿件BE的轉(zhuǎn)角：

式(1)中：

對(duì)式(1)兩邊取余弦并對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)得桿件BE的角速度：

式(2)中：v是氣缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)速度。

在式(2)的基礎(chǔ)上繼續(xù)對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)得桿件BE的角加速度：

由圖5(a)可知，桿件CF上的氣缸一直處于收縮狀態(tài)，此時(shí)四邊形BEFC為平行四邊形，平行四邊形機(jī)構(gòu)是應(yīng)用廣泛的雙曲柄機(jī)構(gòu)[3～6]，除了具有平面連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)外，還具兩個(gè)顯著特點(diǎn)[7～9]： 一是兩曲柄以相同速度同向轉(zhuǎn)動(dòng)，二是連桿作平動(dòng)。即桿件BE和桿件CF具有相同的角速度和角加速度，桿件EF作平動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以等效成桿件上任意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所以求得桿件BE的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律也就確定了。在所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)中，lAD=（190-vt）mm，lBD=61.8mm，b=158.6mm，h=58.2mm，α0=20.15°，氣缸的平均速度v=60mm/s，行程為60mm，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為1s。

將設(shè)計(jì)參數(shù)帶入式(1)～式(3)，求得桿件BE的轉(zhuǎn)角、角速度和角加速度曲線如圖6(a)～圖6(c)所示[13]。

圖6 桿件BD運(yùn)動(dòng)曲線

然后對(duì)桿件EG進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，涂布狀態(tài)時(shí)四邊形BCFE為等腰梯形，由圖5(b)的幾何關(guān)系得桿件EG的轉(zhuǎn)角：

對(duì)式(4)兩邊取余弦并對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)得桿件EG的角速度：

式(5)中：v是氣缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)速度。

在式(5)的基礎(chǔ)上繼續(xù)對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)得桿件EG的角加速度：

由圖5(b)可知，桿件AD上的氣缸處于收縮狀態(tài)，桿件CF中的氣缸帶動(dòng)桿件EG擺動(dòng)，在所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)中，lFC=（130+vt）mm，lEB=130mm，lEF=43.3mm，氣缸的平均速度v=60mm/s，行程為40mm，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為0.67s。

將設(shè)計(jì)參數(shù)帶入式(4)～式(6)，求得桿件EG的轉(zhuǎn)角、角速度和角加速度曲線如圖7(a)～圖7(c)所示。

圖7 桿件EG運(yùn)動(dòng)曲線

由圖6～圖7可知，桿件EG的轉(zhuǎn)角約為55°，圖8為涂布狀態(tài)時(shí)桿件EG和涂膠器截面示意圖，圖8中涂膠器端口角度：

圖8 桿件EG和涂膠器橫截面示意圖

式(7)中：lGN=32mm，lGK=70mm，lMN=45mm，所以γ=52°，涂膠器刮板KM與網(wǎng)版的角度δ=90°-β+γ=90°-55°+52°=87°，符合工藝中85°～90°要求；桿件BD和EG的角速度不超過1.6rad/s，角加速度不超過0.9rad/s2，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)無(wú)剛性沖擊，運(yùn)動(dòng)較為平穩(wěn)。

3 單側(cè)網(wǎng)版烘箱抽屜數(shù)量計(jì)算

設(shè)計(jì)過程中單側(cè)網(wǎng)版烘箱抽屜數(shù)量是一個(gè)重要參數(shù)，推出機(jī)構(gòu)中推板個(gè)數(shù)和搬運(yùn)小車層數(shù)都與單側(cè)網(wǎng)版烘箱抽屜數(shù)量相等。抽屜數(shù)量越多，搬運(yùn)機(jī)械手高度越高，系統(tǒng)占地面積越大。

單側(cè)網(wǎng)版烘箱抽屜數(shù)量取決于系統(tǒng)一次烘干時(shí)間內(nèi)能夠涂布網(wǎng)版的數(shù)量，在涂布之前需要將網(wǎng)版從平臺(tái)上抓取搬運(yùn)至自動(dòng)網(wǎng)版涂布機(jī)上，涂布完成后需要將網(wǎng)版從自動(dòng)網(wǎng)版涂布機(jī)上抓取搬運(yùn)至網(wǎng)版烘箱中。設(shè)網(wǎng)版烘干時(shí)間為T1，網(wǎng)版涂布前搬運(yùn)時(shí)間為T2，網(wǎng)版涂布時(shí)間為T3，網(wǎng)版涂布后搬運(yùn)時(shí)間為T4，單側(cè)網(wǎng)版烘箱抽屜數(shù)量為N，則：

網(wǎng)版烘干一般需要1200～1800s，本設(shè)計(jì)T1=1500s。

3.1 網(wǎng)版涂布前搬運(yùn)時(shí)間計(jì)算

圖9所示為涂布前網(wǎng)版搬運(yùn)初始狀態(tài)，搬運(yùn)機(jī)械手處于豎直位置，位于頂端，網(wǎng)版烘箱處于中間工作位置。

圖9 涂布前網(wǎng)版搬運(yùn)初始狀態(tài)

涂布前網(wǎng)版搬運(yùn)流程為：

1）搬運(yùn)機(jī)械手從豎直位置轉(zhuǎn)θ2至平臺(tái)上方；

2）搬運(yùn)機(jī)械手下降高度H1至平臺(tái)上抓取下一塊網(wǎng)版；

3）搬運(yùn)機(jī)械手抓取網(wǎng)版后轉(zhuǎn)θ1+θ2至自動(dòng)網(wǎng)版涂布機(jī)上；

4）搬運(yùn)機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)至豎直位置，然后自動(dòng)網(wǎng)版涂布機(jī)開始涂布，網(wǎng)版烘箱移動(dòng)至左側(cè)工作位置或者右側(cè)工作位置。

流程2）中搬運(yùn)機(jī)械手需下降高度與平臺(tái)上剩余網(wǎng)版數(shù)量有關(guān)，設(shè)計(jì)時(shí)搬運(yùn)機(jī)械手的高度與單側(cè)網(wǎng)版烘箱抽屜的數(shù)量N有關(guān)，在所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)中，烘箱抽屜高度為150mm，搬運(yùn)機(jī)械手末端在流程1）中轉(zhuǎn)至平臺(tái)上方時(shí)距離地面的高度為（955+150N）mm，平臺(tái)距離地面的高度為525mm，所以流程2）中搬運(yùn)機(jī)械手需下降的最大高度為H1=955-525+150N=430+150N。

所以網(wǎng)版涂布前搬運(yùn)時(shí)間：

式(9)中，w為角速度，v1為速度。在所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)中w=0.628rad/s，v1=500mm/s，θ1=0.63rad，θ2=0.74rad，代入式(9)得網(wǎng)版涂布前搬運(yùn)時(shí)間T2與單側(cè)網(wǎng)版烘箱抽屜數(shù)量N的關(guān)系為：

3.2 網(wǎng)版涂布時(shí)間計(jì)算

圖10所示為網(wǎng)版涂布初始狀態(tài)，搬運(yùn)機(jī)械手將網(wǎng)版放置在底部夾緊機(jī)構(gòu)上方，頂部夾緊機(jī)構(gòu)位于最上方，涂布機(jī)構(gòu)位于最下方，涂布機(jī)構(gòu)處于初始狀態(tài)。

圖10 網(wǎng)版涂布初始狀態(tài)

網(wǎng)版涂布流程為：

1）頂部夾緊機(jī)構(gòu)以速度v2向下運(yùn)動(dòng)距離（H2-L）至網(wǎng)版頂端將其夾緊；

2）涂布機(jī)構(gòu)進(jìn)入涂布狀態(tài)，需要時(shí)間t1；

3）涂布機(jī)構(gòu)以速度v3向上運(yùn)動(dòng)距離L對(duì)網(wǎng)版涂布；

4）涂布機(jī)構(gòu)涂到網(wǎng)版最上方后，將涂膠器后仰，并遠(yuǎn)離網(wǎng)版，需要時(shí)間t2；

5）涂布機(jī)構(gòu)以速度v4向下運(yùn)動(dòng)距離L至最下方；

6）重復(fù)流程2）～4）n次進(jìn)行n次涂布。

所以單塊網(wǎng)版涂布時(shí)間

在所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)中，H2=1050mm，v2=100mm/s，v3=50mm/s，v4=120mm/s，t1=t2=6s，n=6，代入式(11)得單塊網(wǎng)版涂布時(shí)間T3與網(wǎng)版尺寸高度L之間的關(guān)系為：

3.3 網(wǎng)版涂布后搬運(yùn)時(shí)間計(jì)算

圖11所示為網(wǎng)版涂布后搬運(yùn)初始狀態(tài)，搬運(yùn)機(jī)械手處于豎直位置，與頂端之間的距離為H3，網(wǎng)版烘箱處于左側(cè)工作位置或者右側(cè)工作位置。

圖11 網(wǎng)版搬運(yùn)初始狀態(tài)

涂布后網(wǎng)版搬運(yùn)流程為：

1）搬運(yùn)機(jī)械手從豎直位置轉(zhuǎn)θ1至自動(dòng)網(wǎng)版涂布機(jī)上；

2）搬運(yùn)機(jī)械手夾緊網(wǎng)版、自動(dòng)網(wǎng)版涂布機(jī)夾緊機(jī)構(gòu)松開，需要時(shí)間t3；

3）搬運(yùn)機(jī)械手抓取網(wǎng)版從自動(dòng)網(wǎng)版涂布機(jī)轉(zhuǎn)θ1至豎直位置，再向上運(yùn)動(dòng)高度H3至頂端；

4）烘箱抽屜打開，需要時(shí)間t4；

5）搬運(yùn)機(jī)械手下降高度H4將網(wǎng)版放入烘箱抽屜中；

6）搬運(yùn)機(jī)械手上升100mm后烘箱抽屜開始關(guān)閉，關(guān)閉時(shí)搬運(yùn)機(jī)械手繼續(xù)上升至最高處，烘箱抽屜關(guān)閉需要時(shí)間t5；

7）網(wǎng)版烘箱由左側(cè)工作位置或者右側(cè)工作位置移動(dòng)至中間工作位置，需要時(shí)間t6；

流程5）中搬運(yùn)機(jī)械手下降高度與放入烘箱抽屜層數(shù)有關(guān)，設(shè)計(jì)時(shí)搬運(yùn)機(jī)械手的高度與單側(cè)網(wǎng)版烘箱抽屜的數(shù)量N有關(guān)，在所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)中，烘箱抽屜高度為150mm，搬運(yùn)機(jī)械手末端在流程3）中升至頂端后距離地面的高度為（895+150N）mm，網(wǎng)版烘箱最底層烘箱抽屜距離地面的高度為445mm，所以流程5）中搬運(yùn)機(jī)械手需下降的最大高度為H4=895+150N-445=450+150N。

所以網(wǎng)版涂布后搬運(yùn)時(shí)間：

式(13)中，w為角速度，v1為速度。在所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)中 w=0.628rad/s，v1=500mm/s，t3=2s，t4=t5=5.5s，t6=6.75s，θ1=0.63rad，H3=430+150N，代入式(13)得網(wǎng)版涂布后搬運(yùn)時(shí)間T4與單側(cè)網(wǎng)版烘箱抽屜數(shù)量N的關(guān)系為：

3.4 單側(cè)網(wǎng)版烘箱數(shù)量計(jì)算

將式(10)、式(12)、式(14)代入式(8)得單側(cè)網(wǎng)版烘箱抽屜數(shù)量N與網(wǎng)版尺寸L的關(guān)系為：

網(wǎng)版尺寸高度L=400～1000mm時(shí)，求得N<5.43，所以單側(cè)網(wǎng)版烘箱抽屜數(shù)量設(shè)計(jì)為5個(gè)，與目前市場(chǎng)上網(wǎng)版烘箱抽屜數(shù)量相同。

4 結(jié)論

1）對(duì)自動(dòng)涂膠烘干一體化系統(tǒng)方案和工作原理進(jìn)行了介紹，對(duì)涂布機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得出運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的涂布機(jī)構(gòu)無(wú)剛性沖擊，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，符合設(shè)計(jì)要求。

2）對(duì)網(wǎng)版烘箱抽屜數(shù)量進(jìn)行了計(jì)算，與市場(chǎng)上烘箱抽屜數(shù)量相同。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、能夠?qū)Σ煌叽绲木W(wǎng)版進(jìn)行感光膠涂布和烘干，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

[1]張紅路.烘干溫度對(duì)絲網(wǎng)版張力的影響[J].網(wǎng)印工業(yè),2011,(8):30-36.

[2]林其水.網(wǎng)版制作中怎樣正確使用刮斗涂布感光膠[J].網(wǎng)印工業(yè),2005,(10):29-31.

[3]Zongyue Ni, Dawei Zhang,Yingjun Wu, Yanling Tian, Ming Hu. Analysis of parasitic motion in parallelogram compliant mechanism[J].Precision Engineering,2010,34(1):133-138.

[4]劉鳳臣,劉黎明,姚赟峰,張良安.平行四邊形機(jī)構(gòu)在后道包裝機(jī)械中的應(yīng)用[J].包裝與食品機(jī)械,2010,28(5):51-55.

[5]李宏,張全明,洪琦.雙曲柄機(jī)構(gòu)急回運(yùn)動(dòng)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2001,17(4):41-43.

[6]郝艷玲,譚智申,姚燕安.可調(diào)整雙曲柄驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)(西安),2003,22(4):614-616.

[7]孫恒,陳作模,葛文杰.機(jī)械原理[M].北京:高等教育出版社,2006.

[8]鄭偉文,吳克堅(jiān).機(jī)械原理[M].北京:高等教育出版社,1997.

[9]申永勝.機(jī)械原理教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,1999.