孔朵朵

（溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，溫州 325035）

模切機(jī)是重要的印后加工設(shè)備，廣泛應(yīng)用于紙品包裝裝潢工業(yè)。紙盒、賀卡、商標(biāo)等產(chǎn)品的模切、壓痕、壓凹凸作業(yè)，可以大大提高包裝產(chǎn)品的觀賞性，因此模切機(jī)已經(jīng)成為包裝產(chǎn)品生產(chǎn)不可或缺的重要設(shè)備[1]。但是，隨著工人對(duì)工作環(huán)境、工作待遇要求的不斷提高以及我國(guó)人口老齡化趨勢(shì)的凸顯，自動(dòng)化程度較低的設(shè)備已經(jīng)不能夠適應(yīng)市場(chǎng)的需求，意味著我國(guó)模切機(jī)生產(chǎn)企業(yè)面臨著設(shè)備自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化、無(wú)人化的升級(jí)要求。

1 模切工藝及模切機(jī)類型與特點(diǎn)

1.1 模切工藝

在平板或圓柱上布置鋼刀、鋼線或雕刻好圖案的鋼板，通過(guò)平板或圓柱給印品施加一定的壓力，可以切除紙品不需要的部分，即模切。若利用紙品成型的刀具在紙品上壓出痕跡用于紙品折彎即壓痕。如果利用刀具上的圖案在紙品上壓出能夠顯示出立體效果的圖案即壓凹凸。模切、壓痕、壓凹凸都可以通過(guò)模切機(jī)加工實(shí)現(xiàn)[1]。

1.2 模切機(jī)類型與特點(diǎn)

根據(jù)模切機(jī)的壓印形式，可以將模切分成圓壓圓、圓壓平及平壓平共3種基本類型。其中，平壓平模切機(jī)根據(jù)版臺(tái)與壓板的布置位置，又可分為立式和臥式[2]。

1.2.1 圓壓圓模切機(jī)

機(jī)構(gòu)由模切版滾筒與壓力滾筒組成。模切版滾筒軸和壓力滾筒軸同一側(cè)安裝齒輪，兩個(gè)齒輪嚙合可以實(shí)現(xiàn)兩者以相同的速度相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在靜摩擦的帶動(dòng)下，被模切材料通過(guò)兩者之間的縫隙。在模切版滾筒上安裝模切版，被模切材料在壓力作用下被模切版刀刃切割或壓出相應(yīng)的形狀。圓壓圓模切機(jī)與被模切材料是線接觸，受力均勻，因此只需要很小的力就可以實(shí)現(xiàn)模切。模切機(jī)滾筒連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，圓壓圓模切還可以實(shí)現(xiàn)較高的速度，與印刷機(jī)實(shí)現(xiàn)連線生產(chǎn)。但是，該模切方式會(huì)破壞刀口，需要在模切版上定期涂抹聚酯塑料保護(hù)刀口。

1.2.2 圓壓平模切機(jī)

圓壓平模切機(jī)的模切版臺(tái)是平面。模切版安裝在模切版臺(tái)上，可以隨模切版臺(tái)運(yùn)動(dòng)。被模切品放置在版臺(tái)上，版臺(tái)運(yùn)動(dòng)到壓力滾筒下面，在壓力滾筒的作用下被模切版模切。圓壓平模切機(jī)與圓壓圓模切機(jī)同樣是線接觸，因此設(shè)備負(fù)載較小且平穩(wěn)，能夠用于大幅面材料模切。但是，在模切版與模壓滾筒之間力的作用下，模切版刀口容易變形。此外，模切過(guò)程中要注意紙張纖維方向，避免纖維方向與滾筒軸線方向垂直引起紙張伸縮。

1.2.3 平壓平模切機(jī)

平壓平模切機(jī)模切版臺(tái)與壓切機(jī)構(gòu)都是平面形狀，當(dāng)兩者接觸時(shí)實(shí)現(xiàn)模切。壓切機(jī)構(gòu)與模切版臺(tái)之間的距離較小，因此該型設(shè)備一般采用自動(dòng)送料裝置進(jìn)行送料。平壓平模切機(jī)是面接觸，需要的模切力較大。它的設(shè)備振動(dòng)、噪聲、功耗較圓壓圓模切機(jī)和圓壓平模切機(jī)較大，能夠達(dá)到的模切速度有限[3]。

1.2.4 激光模切機(jī)

激光模切是近幾年發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。模切時(shí)，激光落在承印物上，可以對(duì)承印物進(jìn)行切割或部分厚度切割。它的顯著特點(diǎn)是不需要制版，可以快速滿足個(gè)性化模切需求。另外，激光模切機(jī)沒(méi)有振動(dòng)，能夠有效改善工廠加工環(huán)境。

2 我國(guó)模切機(jī)的發(fā)展歷程

20世紀(jì)60年代，模切機(jī)生產(chǎn)首先在我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)興起。到了20世紀(jì)80年代，我國(guó)才開(kāi)始大面積生產(chǎn)模切機(jī)。當(dāng)時(shí)，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的主要是俗稱為“老虎嘴”的立式平壓平模切機(jī)。該機(jī)型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、價(jià)格低、維護(hù)成本低，受到了主流市場(chǎng)的歡迎?，F(xiàn)在很多小型印刷企業(yè)還在使用該型立式平壓平模切機(jī)。20世紀(jì)80年代中期到21世紀(jì)初，隨著國(guó)外模切機(jī)的引進(jìn)，我國(guó)開(kāi)始仿制國(guó)外臥式平壓平模切機(jī)。該機(jī)型效率高、精度高、安全性高，逐漸取代了“老虎嘴”。進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)模切機(jī)走上高速自主發(fā)展道路[4]。

3 國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀模切機(jī)對(duì)比

經(jīng)過(guò)多年的不斷發(fā)展，我國(guó)模切機(jī)發(fā)展有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，具有代表性的品牌有唐山北玉、天津長(zhǎng)榮以及上海亞華等。以最大用紙幅面1 060 mm×760 mm的全清廢模切機(jī)為例，天津長(zhǎng)榮MK1060CSB最高工作速度達(dá)到了每小時(shí)8 000次，模切精度±0.1 mm，整機(jī)實(shí)現(xiàn)了紙堆自動(dòng)糾正、機(jī)械和超聲波雙重張檢測(cè)、全自動(dòng)飛達(dá)、電子套準(zhǔn)、不停機(jī)取樣以及電子觸屏操作等功能。

國(guó)外模切機(jī)起步較早，具有代表性與知名度的品牌主要有瑞士BOBST、德國(guó)海德堡、日本三和以及韓國(guó)永信。以最大用紙幅面1 060 mm×760 mm的全清廢模切機(jī)為例，瑞士BOBST EXPERTCUT106LER機(jī)型生產(chǎn)速度達(dá)到了9 000 s·h-1，模切精度±0.075 mm。該機(jī)型配備了智能飛達(dá)，可實(shí)現(xiàn)不停機(jī)進(jìn)紙。它采用電子套準(zhǔn)系統(tǒng)和光學(xué)橫向套準(zhǔn)系統(tǒng)，進(jìn)一步較少了飛達(dá)停機(jī)。此外，它獨(dú)特的雙凸輪牙排推進(jìn)系統(tǒng)可以保障順暢輸送紙張，還可以通過(guò)電動(dòng)方式調(diào)整模切壓力。該機(jī)型最大的優(yōu)勢(shì)在于搭載了BOBST Connect數(shù)字平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備性能分析并能夠生成準(zhǔn)確的報(bào)告，還能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)度提示、遠(yuǎn)程協(xié)助以及班次管理等功能。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，國(guó)產(chǎn)已經(jīng)在中低端領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了對(duì)國(guó)外模切機(jī)的全面替代。在產(chǎn)品造價(jià)方面，國(guó)產(chǎn)模切機(jī)價(jià)格普遍是國(guó)外同類產(chǎn)品的1/4～1/3，同類型的模切機(jī)較國(guó)外機(jī)型具有較強(qiáng)的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力，但是由于專利壁壘的限制，出口到歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家還較為困難。在性能方面，國(guó)產(chǎn)機(jī)型模切速度與模切精度與國(guó)外機(jī)型差距進(jìn)一步縮小，但核心控制系統(tǒng)電子元器件、伺服電機(jī)還主要依賴進(jìn)口，設(shè)備的穩(wěn)定性與國(guó)外還存在一定差距。

4 我國(guó)模切機(jī)存在的問(wèn)題與未來(lái)發(fā)展方向

4.1 模切機(jī)存在的問(wèn)題

4.1.1 模切速度有待進(jìn)一步提升

模切速度主要是指模切機(jī)單位時(shí)間內(nèi)能夠模切的紙品張數(shù)，與模切機(jī)的設(shè)計(jì)、模切機(jī)的制造精度息息相關(guān)。目前，臥式平壓平模切機(jī)大多采用雙肘桿機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件多，且屬于上下往復(fù)的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。運(yùn)動(dòng)速度越快，慣性力越大，機(jī)構(gòu)之間的間隙和零部件變形所引起的模切誤差也會(huì)變大，降低了模切機(jī)壽命，存在一定的模切速度上限。模切機(jī)速度普遍在每小時(shí)5 000～8 000次。國(guó)外老牌企業(yè)不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)，模切機(jī)構(gòu)已采用共軛凸輪機(jī)構(gòu)代替雙肘桿。該機(jī)構(gòu)改善了設(shè)備的模切工藝，提高了機(jī)構(gòu)運(yùn)行精度、可靠性與穩(wěn)定性，模切機(jī)速度最快已經(jīng)達(dá)到每小時(shí)12 000次。目前，國(guó)內(nèi)高校和企業(yè)也對(duì)共軛凸輪進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，但實(shí)際在設(shè)備上應(yīng)用與國(guó)外還存在差距，有進(jìn)一步提升的空間[5]。

4.1.2 模切精度有待進(jìn)一步提升

模切精度是指卡紙模切后現(xiàn)實(shí)尺寸與理想尺寸之間的差距。在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，卡紙通過(guò)叼紙牙排被放置到模切單元，并通過(guò)定位裝置進(jìn)行定位，而定位精度不夠會(huì)造成模切誤差?？垙囊粋€(gè)單元被送往下一單元的過(guò)程中，由于溫度變化會(huì)引起熱脹冷縮，也會(huì)造成模切精度降低。另外，設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，零部件在力的作用下會(huì)發(fā)生振動(dòng)或者彈性變形，也會(huì)影響模切精度。目前，國(guó)外先進(jìn)機(jī)型通過(guò)提高設(shè)備制造、裝配精度，通過(guò)零部件表面處理技術(shù)，提高零件剛度，使模切精度最高已經(jīng)達(dá)到了±0.06 mm。我國(guó)模切機(jī)精度與國(guó)外相比還有微小的差距，有進(jìn)一步提升的空間[6]。

4.1.3 設(shè)備穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高

模切機(jī)穩(wěn)定性是指模切機(jī)保持高速、高精度運(yùn)行隨時(shí)間不變化的能力。模切機(jī)穩(wěn)定性主要受設(shè)備制造精度、零部件制造材料、零部件熱處理方法以及裝配工藝的影響。用戶反饋顯示，國(guó)產(chǎn)模切機(jī)與國(guó)外模切機(jī)在穩(wěn)定性上還存在較大差距，目前主要通過(guò)快捷的售后服務(wù)進(jìn)行彌補(bǔ)。進(jìn)一步提升國(guó)產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定性是我國(guó)模切機(jī)走出去的關(guān)鍵。通過(guò)企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的升級(jí)、生產(chǎn)管理的規(guī)范化以及生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，能夠進(jìn)一步改善模切機(jī)的穩(wěn)定性。

4.1.4 標(biāo)準(zhǔn)化程度不高

目前，我國(guó)印刷設(shè)備企業(yè)還處在小而散、大而不強(qiáng)的階段，在行業(yè)內(nèi)部不能夠形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，也不能夠形成整體優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)企業(yè)可以通過(guò)上下游供應(yīng)鏈整合資源，共同制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提高我國(guó)印刷設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化程度，形成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟，提高整體國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

4.2 模切機(jī)未來(lái)發(fā)展方向

4.2.1 傳感器的充分應(yīng)用和設(shè)備的互聯(lián)

傳感器技術(shù)與設(shè)備數(shù)字化連接技術(shù)是實(shí)施數(shù)字化和智能化的基礎(chǔ)。模切機(jī)應(yīng)盡可能多地使用多種傳感器收集更多的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆O(shè)備控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)模切機(jī)與其他印刷設(shè)備、印刷工具、工人的穿戴設(shè)備和工廠的控制設(shè)備的充分連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通。

4.2.2 更高效的智慧大腦

通過(guò)大量收集設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，可以把大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等多種新技術(shù)運(yùn)用于設(shè)備控制層面，支撐設(shè)備全要素?cái)?shù)字化和虛擬化、狀態(tài)實(shí)時(shí)化和可視化、設(shè)備管理決策協(xié)同化和智能化，使模切機(jī)具有更高效的智慧大腦。例如，設(shè)備可以根據(jù)數(shù)據(jù)不斷優(yōu)化自身工作參數(shù)，智能化制定設(shè)備工作方案，為用戶提供更加直觀的時(shí)間規(guī)劃和進(jìn)度規(guī)劃。

4.2.3 更智慧的遠(yuǎn)程服務(wù)

利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)模切機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和智能化服務(wù)。具體來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將模切機(jī)的各種傳感器、控制器連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制；通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)分析和處理設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測(cè)和智能維護(hù)；通過(guò)云計(jì)算技術(shù)提供靈活的計(jì)算和存儲(chǔ)資源，實(shí)現(xiàn)信息共享和協(xié)同工作。這些技術(shù)的綜合應(yīng)用可以使模切機(jī)更加智能化，提高設(shè)備的使用效率和維護(hù)效果，同時(shí)為企業(yè)的遠(yuǎn)程服務(wù)提供強(qiáng)有力的支撐。

5 結(jié)語(yǔ)

整體來(lái)說(shuō)，雖然我國(guó)在中低端機(jī)型方面占據(jù)優(yōu)勢(shì)，但是高端機(jī)型領(lǐng)域的模切速度、模切精度、設(shè)備穩(wěn)定性、設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化方面還與國(guó)外存在差距，需要不斷提升。人工智能引領(lǐng)的數(shù)字化時(shí)代為我國(guó)模切機(jī)的發(fā)展帶來(lái)了新的方向，應(yīng)該緊緊把握時(shí)機(jī)，通過(guò)應(yīng)用新技術(shù)提升設(shè)備的智能化水平，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)模切機(jī)的超越發(fā)展。