贴标机设计-浙江大学本科生《机械创新设计与实践》课程论.doc

浙江大学本科生机械创新设计与实践课程论文贴标机设计摘要：为了了解贴标机的工作原理和运行机构，我们进行了圆筒形罐头贴标机的设计。本文通过按贴标机的基本工作过程对其功能分解，将整个装置拆解为分纸装置、涂胶装置、送料装置和抚平整理装置四部分。对每个装置分别提出了多种实现方案，如分纸装置提出了真空转鼓式标签传送装置、叉形摆杆取标及传送标签装置、摩擦式取标装置、回转式标签传送装置；涂胶装置提出了圆盘式涂胶装置、滚子式涂胶装置、辊式涂胶装置、节流控制式涂胶装置、泵式涂胶装置；送料装置提出了链式供送装置、行星拨轮供送装置、双曲柄动梁供送装置、螺杆式供送装置、滚筒式供送装置、推杆式供送装置和板凸轮式供送装置；抚平整理装置提出了滚摩式抚平整理装置、按压式抚平整理装置。通过比较每一部分多种实现装置之间的优缺点，选出合适的装置来进行贴标机设计。本文根据公理化设计公理思想，按最小信息公理进行贴标机设计，对实现同样功能的贴标机，机构应尽可能简单。因此我们选择双曲柄动梁供送装置、叉形摆杆取标及传送标签装置和滚摩式抚平整理装置作为我们的出发点进行贴标机的设计，随后根据该设计方案存在的优缺点对装置进行改进，形成一个较为合理的机构，真正形成一台结构较为合理可投入生产且具有一定竞争力的贴标机。关键词：分纸；涂胶；送料；抚平整理；贴标机The Design of Labelling MachineQian Huili , Duan Wuyang , Li JiabiMobile PhoneEmail:Mobile PhoneEmail:Mobile PhoneEmail:Abstract：In order to understand the frame and principle of labelling machine, we try to design a labelling machine used in cylindrical cans. We make the functional decomposition according to how does the labelling machine perform. The wholing device can be divided into four parts, including parting paper device, gumming device, parts feeding device and smooth device. Every part is came up with feasible ways as many as possible. The parting paper device includes vacuum drum label delivery device, forked swing label delivery device, frictional label delivery device, rotative label delivery device. Gumming device includes discal gumming device, roller gumming device, throttle control gumming device and pump type gumming device. Parts feeding device includes chained parts feeding device, planet wheel parts feeding device, double crank with moved beam parts feeding device, screw parts feeding device, roller parts feeding device, putt parts feeding device and cam parts feeding device. Smooth device includes rolling friction smooth device and press contact smooth device. Comparing with each other, the most suitable device would be chose to use in the labelling machine design. The labelling machine is designed according to Axiomatic Design Theory. From the Information Axiom, we know the device with the most minimum information content is the best design if every design has the same function. So we design the labelling machine based on double crank with moved beam parts feeding device, forked swing label delivery device and rolling friction smooth device. Then we analyse the advantages and disadvantages of the design scheme and improve it. At last we get a competitive labelling machine with reasonable structure can be put into production.Key words: Parting paper ; Gumming ; Parts feeding ; Smooth ; Labelling machine0 引言标签是商品身份的象征，包含了很多重要的信息。商场中有不计其数的商品，同时就有了形形色色的商品标签。因此，贴标签机是现代包装不可缺少的组成部分，也是现代自动化生产的其中一项关键技术。贴标机，是将事先印制好的标签粘贴到包装容器特定部位的机械设备。现在随着商品外形的增加，我国生产贴标机的种类也在不断地增加，技术水平也有了很大的提高，已经从手动、半自动贴标的落后局面转向了自动化高速贴标的局面。现在，贴标机技术相对比较成熟，市场上已经有了许许多多的贴标机种类，诸如真空转鼓贴标机、粘合贴标机、不干胶标签机、收缩标签机、龙门式贴标机、瓶子压盖贴标机、多标盒转鼓贴标机等等。1 设计目标为了了解贴标机的工作原理和运行机构，我们进行了圆筒形罐头贴标机的设计。通过查阅相关资料和调研，我们对贴标机的功能实现有了基本的了解，将贴标机的工作过程进行划分。以功能实现为除出发点，我们对每一个工作过程都提出几种解决方案，并比较其优缺点。最后根据各装置的结构布局、优缺点等综合参数分别选出一种合理的装置，将其组装起来，从而设计出一个新的贴标机。2 贴标机功能实现方案2.1 功能分解贴标工艺过程因标签种类和使用设备不同而略有差别，但其贴标原理大致相同。一个完整的贴标过程可将其分解为如“图2.1 贴标工艺流程”所示，概括起来为：供料送料、取标送标、涂胶、贴标、整平等几个步骤。这里所使用标签已事先打印好，故在贴标过程中不再提及。图2.1 贴标工艺流程2.2 取标传送装置取标装置的作用是先从标签盒中取出标签，再传递给传送标签装置进行传送。在取标装置之后会完成打印生产日期、班次等有关代码和涂胶工作，最后把标签粘贴到待贴标对象物上。取标机构按取标方法可分为粘取式和真空吸取式。传送标签装置多采用回转式，其吸持标签的方法有真空吸持式和机械夹持式。下面主要列举标签传送装置，如“图2.2 取标传送装置方案图”所示。2.2.1 真空转鼓式标签传送装置如“图2.2 取标传送装置方案图”中的“(a) 真空转鼓装置”所示，固定阀盘与阀座紧固在一起，鼓盖则盖在鼓体的上面，其中构成六组气道5，每组气道一头与鼓面的九个气眼相通，另一头则通过纵向孔道与固定阀盘上的真空槽或大气通道相对。鼓体由转轴13带动旋转，在旋转过程中，当某组气道的纵向孔道对准真空槽时，则此组气道通过真空通道与真空系统接通，此时真空吸标摆杆将标签送来，气眼即将此标签吸住。转鼓继续旋转，气道的纵向孔道仍对着真空槽气眼继续吸住标签。当转过180时，纵向孔道离开真空槽，气道隔绝真空系统，紧接着纵向孔道转到对准固定阀盘的大气通道时，气道接通大气，标签失去真空吸力被释放。这时此组气眼刚好处于贴标弯道的入口位置，被释放的标签即被滚贴到瓶身上，其他各组气道也按此程序工作。取标装置中还需要有真空取标摆杆配合真空转鼓进行工作。如“图2.2 取标机构方案图”中的“(b) 真空取标摆杆”所示，真空取标摆杆由套筒3、摆杆2和凸轮滚子9组成。使摆杆2绕固定轴4摆动，真空吸嘴6时而向着标槽运动，时而又向着转鼓方向作返回运动。固定轴4的圆柱面上有两条纵向梢，其中一条为真空槽7，与固定轴4中心的真空通道5相通；另一条为大气通槽10。真空吸嘴6摆向标盒时，它对准真空槽7，通过真空通道5与真空系统接通吸取标签；当真空吸嘴6摆到转鼓上时，它对准大气通槽10，经大气通孔8与大气联通，标签失去真空吸立被真空转鼓吸走。真空转鼓取标传送过程如“图2.2 取标传送装置方案图”中的“(c) 真空转鼓取、贴标传送过程”所示。真空转鼓自摇摆式标签盒中吸取标签，传递转移给贴标真空转鼓进行传送的工作过程。在“准备取标”图中，真空取标转鼓与贴标真空转鼓间开始进行标签传送转移；在“取标开始”图中，真空取标转鼓与贴标真空转鼓间进行标签转移的同时，又开始与摇摆式标签盒接触采取新的一张标签；接着标签传送转移将完全完成，进行标签采取；最后，真空取标转鼓完成标签采取之后，吸持新的一张标签回转，以便传递给真空贴标转鼓。2.2.2 叉形摆杆取标及传送标签装置叉形摆杆取标及传送标签的过程如“图2.2 取标传送装置方案图”中的“(d) 叉形摆杆取标及传送标签示意图”所示，左上图表示叉形取标杆由传动装置驱动，在标签盒及贴标工位间作往复摆动，摆动时标叉只与停留在行进前方的涂胶摆杆接触。同时向右摆动，使标叉涂布上胶黏液；右上图表示标叉与涂胶摆杆往右摆动时，涂胶摆杆摆向涂胶装置滚轮3的表面粘取胶液，而叉标则摆到标签盒4的下端面，与最底下的标签贴和取出标签；左下图表示叉标取标后，立即作反向摆动传送标签，而涂胶摆杆的滚筒则到达涂胶装置滚轮3表面粘取胶液；右下图则为叉标摆转到贴标工位处，且待贴标的瓶罐包装件由回转工作台推送到达，压标器5将压夹标签粘贴转移。当标签被压标器夹到待贴瓶罐表面时，叉形取标杆1就向右摆动，开始下次新的取标传送工作循环。2.2.3 摩擦式取标装置摩擦式取标装置如“图2.2 取标传送装置方案图”中的“(e) 摩擦式取标装置”所示，取标凸轮位于标盒下方，为加大取标摩擦力，表面常用橡胶制成。标盒中最下面的一张标签借凸轮旋转摩擦力取出，由拉标辊牵出送到指定工位。定标针的作用是确保每次只取一张标签。图2.2 取标传送装置方案图2.3 涂胶装置标签需用胶水来黏贴在物体上，常用做法是在取好的标签上先涂胶。涂胶装置是将适量的胶黏剂涂抹在标签的背面或取标执行机构上，主要包括上胶、涂胶和胶量调节装置,常用的有圆盘式、辊式、泵式、滚子式等形式。2.3.1 圆盘式涂胶装置如“图2.3 涂胶装置方案图”中“（a） 圆盘式涂胶装置”所示为该装置示意图。皮带5带动带胶圆盘4进行旋转，随着旋转，带胶圆盘4不断带出黏结剂。黏结剂盛放在胶槽中，带出黏结剂的多少，通过调节刮胶刀13与带胶盘的间隙来实现。涂胶盘2与带胶盘同时转动，并将适量的黏结剂转涂于涂胶盘2外圈的涂胶海绵1上。当涂胶盘2转过某一角度到达真空转鼓的位置时,涂胶海绵1把黏合剂抹到吸附在真空转鼓上的标签背面。调节蜾纹轴可以控制带胶盘与涂胶盘之间的贴靠程度，调整好后用锁紧螺母紧固，以防止在带胶盘转动的过程中产生轴向位移。调整涂胶盘2的形状可改变涂胶的形式和频率，图中的涂胶盘每转动一周涂胶两次；将其改为整圆，将变成连续涂胶；改成多齿状，则可多次涂胶。2.3.2 滚子式涂胶装置如“图2.3 涂胶装置方案图”中“（b） 滚子式涂胶装置”所示，滚子式涂胶机构工作时回转杆6两端用小轴2安装着小杆臂1，小杆臂1外端装涂胶辊子8，内端装限位轴销3，套装在小轴2上的扭力弹簧使上杆臂呈伸展状态。回转杆6 由转轴5带着做回转运动。进行涂胶工作运动时，回转杆6两端的涂胶滚子交替从带胶滚筒9上粘取黏结剂,然后转到取标转叉4上。辊子式涂胶装置可使用高黏度的糨糊，也可使用低黏度的胶水黏结剂。2.3.3 辊式涂胶装置辊式涂胶装置按布置形式可分为立式和卧式，单辊、双辊和三辊等不同结构；按涂胶辊的辊柱表面形状可分为光圆柱辊面式和环槽辊面式。如“图2.3 涂胶装置方案图”中“（c） 单立辊式涂胶装置”所示为单立棍式涂胶装置。泵管9内有活塞，活塞在汽缸16中用由气嘴14或15进入的压缩空气推动做往复运动。压缩空气的切换由2个无触头行程开关13和1个两位四通阀来实现。泵管9下端套装有泵活塞体19，用销子固定在泵管上，活塞体下端开口内放一个钢球18。活塞体和活塞黏结剂缸17呈滑动配合，黏结剂缸底部有底盖封闭，并由3根支杆固定在黏结剂桶的顶盖上。当泵管在压缩空气的推动下做振动式往复运动时，泵活塞体也做同样的往复运动：向下运动时，便挤压黏结剂缸17中的黏结剂，黏结剂顶开钢球注人泵管；当活塞体向上运动时，钢球便堵塞泵活塞体19的出口，不让泵管9内的黏结剂外流。如此往复黏结剂不断向上泵送，黏结剂嘴3不断地将泵送上来的黏结剂喷浇在连续转动的黏结剂滚筒1的外圆柱上部，黏结剂被刮胶刀5刮成要求的厚度，黏结剂滚筒1在转动中把黏结剂涂抹在取标板上，取标板在涂黏结剂过程中做摆动，刮胶刀5与黏结剂滚筒1之间的间隙可通过2个分别安装在刮胶刀5的上、下部的调整偏心调距块4来控制。偏心调距块4除调整间隙外，还可调整刮胶刀口与黏结剂滚筒的平行度。固定块21用销子固定在中心固定轴的上端，拧动调整螺栓20，螺栓头部顶动刮刀座6转动，即可调整刀口与滚简的接触点。整个工作过程中，多余的黏结剂流淌下来由黏结剂盆接住，然后由排胶管8流回黏结剂桶。2.3.4节流控制式涂胶装置如“图2.3 涂胶装置方案图”中“（d） 节流控制式涂胶装置”所示，这种涂胶装置结构较简单，黏结剂盛装在料斗1中，料斗1下口通过节流阀2再用输胶管3直接接到涂胶辊4或以标杆上的纵向孔中，再由横向小孔通到涂胶辊或取标杆表面的海绵材料上，通过毛细管作用传到外层；当它们与标签接触时,把黏结剂布到标签上，或粘取标签。2.3.5 泵式涂胶装置泵式涂胶装置如“图2.3 涂胶装置方案图”中“（e） 泵式涂胶装置”所示，黏结剂由安装在真空吸标摆杆传动轴上端的齿轮泵2间歇地泵送。齿轮泵2与吸标摆杆传动轴由单向联轴器7连接。取标杆往复摆1次带动齿轮泵2动作1次，送出1次黏结剂，吸取1张标签。黏结剂通过输胶管4挤压到装在标签纸两翼的涂抹管5和6中；涂抹管对着标签面有一排大小不等的小孔，黏结剂由孔挤出涂抹在标签上。泵式涂胶装置体积小、重量轻、结构简单，且可适用多种黏结剂，贴标牢固。图2.3 涂胶装置方案图2.4 供送装置供送装置在灌装机、封罐机、装盒机等包装机在生产过程中，均需要把瓶、罐、盒等包装容器按包装工艺要求的路线、间距、速度和状态供送的包装工位，与物料充填机构配合，完成上料，以满足确定的工艺条件、生产能力和布局要求。供送装置结构与工作性能的好坏直接影响到包装成品质量、成产效率和自动化水平，并影响着整体布局。本次罐头机贴标工序第一步即将成批的圆柱型罐头按一定位置要求输送到指定工位。这里按照原理与结构的差异，介绍初步选取的七种输送方法。2.4.1 链式供送装置一般的平板链无法保证工件间距，常采用推进式链条，采用两条并列的套筒滚子链作牵引，链条间用若干小轴保持平行，推送构件（推板）按一定间距固接或铰接在小轴上。推送构件以滑台导路等间距传输。该装置适用于材质较软形状规整的包装容器如纸盒该结构最突出的特点是结构简单，维护方便。结构也造成了它的劣势，其传送间距完全由推送构件的安装决定，适应性低；同时该机构需要前置的整理机构将工件等间距放入到推送构件前；由于推送构件的存在，需要避免在工位与其他执行机构干涉。2.4.2 星形拨轮供送装置此供送装置结构如“图2.4 供送装置方案图1”中“（a） 拨轮式供送装置”所示，工件通过输送带2向前传动，齿槽拨轮1将工件等间距分开，后续的星形拨轮3可以将工件若干个为一批向外供送（如该图为4个），依托输送链带，将成组工件输送到导轨上进行后续操作。该装置适用于刚性同时有一定耐磨性的工件。该机构优势在于可以以若干工件为一组等间隔输出，不同的齿形拨轮可以适用于多种体形的工件，如方槽适于供送单个长方体形；更换不同的拨轮可以用于不同工件，适应性较强。其缺陷在于拨轮对于包装可能会产生一定磨损；同时由于拨轮等零件非标准件，维护和定制新零件的成本较高；装置对安装精度也有一定要求，所以需要一定时间调试。2.4.3 双曲柄动梁供送装置此供送装置结构如“图2.4 供送装置方案图1”中“（b） 双曲柄式供送装置”所示，动梁4与动梁3等长，动梁由曲柄2带动做等速的圆周平动，两梁间均有等间距的V形槽用于支撑和拖动被供送的工件，使得工件可以间歇前进。通过调整两个曲柄2的半径及定梁的上下位置可以改变被供送物件的动停比。此机构优点在于等间距传送十分的准确，这由其结构决定，对于工件无损伤，传送动停比可以轻松调整。明显的缺陷在于该装置能传送的距离十分有限，噪音也可能较大；由于冲击力的存在，曲柄转速受到限制，这降低了传送效率；另外双曲柄处十分容易产生疲劳损伤，工位配置非常死板，难以调整；实际使用还要考虑安全防护防止夹伤。2.4.4 螺杆式供送装置供送螺杆装置可以按照给定的工艺要求完成调整间距、分流合流、升降、反转等动作。水平式等螺距供送装置如“图2.4 供送装置方案图1”中“（c） 水平等螺距螺杆供送装置”所示，垂直式等螺距供送装置如“图2.4 供送装置方案图1”中“（d） 垂直等螺距螺杆供送装置”所示，其用于实现等间距输送、反转和升降动作，变螺距螺杆装置可以实现增距、减距动作。一对水平放置的等螺距螺杆和变螺距螺杆可以实现椭圆形工件自身的旋转；一对倾斜对顶放置的等螺距螺杆和变螺距螺杆可以实现工件的合流。图中水平传送螺杆式装置通过螺杆2和侧向挡板4保证容器的间距，配合底部传送带3向前传送稳定的传送。这种机构非常实用和可靠，可按螺距保证输送间距；结构简单，成本较低；安装调试非常方便。其缺陷在于输送到工位时可能会发生晃动，供送螺杆也可能需要配置前置的整理机构，使容器按列送入。总体上优缺点比较平衡，最实用。图2.4 供送装置方案图12.4.5 滚筒式、推杆式和板凸轮式供送装置滚筒式、推杆式和板凸轮式供送装置结构分别如“图2.5 供送装置方案图2”中（a）、（b）、（c）所示。这三种装置都要通过倾斜布置来利用工件自身重力向前翻滚，其他原理都相似。工件在传送过程中都发生翻滚或落下，工件到工位时可能具有一定速度，这不利于后续工序的完成；由于供送装置6和7使用气缸，不可避免的具有较大噪音。图2.5 供送装置方案图22.5 抚平整理装置在将涂胶标签贴在圆柱工件上后，需要对标签进行抚平整理（一般用于水溶型黏合剂，热熔形需要进行加热），从而消除标纸和瓶子间的气泡，使标签牢固地粘贴在瓶子上，不翘角，不折边，并要求压紧时标签相对瓶子不发生滑移。“图2.6 标签抚平整理装置”中所示的两种装置是比较常见的抚平整理装置。a装置为滚摩式抚平整理装置，搓滚输送带下方布置有海绵橡胶衬垫，当圆柱容器送入传送带后实施对标签的抚平和压紧，容器滚出输送带后即可保证标签贴紧。b装置为按压式抚平整理装置，两块竖直放置的挡板间距略大于容器直径，并放置有毛刷，当竖直工件通过时，通过与毛刷间的摩擦即可实现抚平和按压操作。相比较而言装置a装置连续运转，效率更高，工作能力更强，同时压紧更为可靠，但带与衬垫的安装精度需要保证。b装置更适用于成列前进的直立圆柱工件。图2.6 标签抚平整理装置3 方案选择与贴标机设计根据公理化设计思想的信息公理可知，对于实现相同功能的机构，信息内容最小化是设计的一个最优解，也就是说在保证功能实现的前提下，应使机构尽量的简单，这样的机构复杂性低，操作、维护方便，也具有更好的经济性。3.1 初期方案基于上述原理，我们设计的出发点是机构简单，因此我们选择叉形摆杆取标传标机构为基础进行设计，该机构只由一组摆杆机构就能完成取标上胶贴标的工作，因此能够大大简化整体机构的复杂度。该机构有一个很大的特点，就是在贴标过程中必须保证瓶子是静止的，纵观我们所提出的送料机构，只有双曲柄供送机构满足要求。双曲柄机构能够保证电机的运转是连续的，但送料是间断的，这样子既能满足送料要求，又能是电机运转更加平稳，效率更高。最后，为了让标签能够更加平整的贴牢在瓶子上，我们加了一个滚摩式抚平整理机构。贴标机的结构如“图3.1 间歇式直线贴标机初期示意图”所示。物料通过轨道进入输送带后，由双曲柄机构3依次将瓶子往前输送，在输送带的最左端一个V形槽由叉形摆杆取标送标机构2进行贴标工作。当完成贴标后，再由双曲柄将其往前输送，沿着输送带最左端的的斜坡滚到抚平整理机构，在搓滚输送带带动下做纯滚动，从而消除瓶子与标签之间的气泡和褶皱，使标签更加平整。图3.1 间歇式直线贴标机初期示意图1-搓滚输送带 2-叉形摆杆取标送标机构 3-双曲柄式送料机构贴标过程如“图3.2 叉形摆杆取标送标机构工作示意图”所示。根据叉形摆杆的工作性质，叉形摆杆的工作平面与输送带所在平面相垂直，标签竖直放置，与纸面平行。叉形摆杆粘上胶水后贴牢标签将标签从标签盒拉下，最后送到瓶子贴标签位置，将标签压牢在瓶子上。图3.2 叉形摆杆取标送标机构工作示意图3.2 初期方案优缺点分析通过上面对方案的介绍我们可以看出该方案的最大特点就是结构简单， 从而能够降低成本。但是简单的机构必然存在着一些缺点：效率低下。该机构采用间断式送料，每次贴标只能贴一个瓶子，受机构旋转离心力等影响，机构运转自然不能过快。综合上述问题，该贴标机在贴标时存在效率低下的问题，对扩大生产不利，也使产品不具有竞争力。双曲柄工作时，铰接处有冲击，易损坏。双曲柄机构在送料时，与瓶子接触瞬间，由于瓶子静止，这一过程会使双曲柄与横杆铰接处出现一个冲击力，久而久之容易出现疲劳损坏，成为抑制该产品使用寿命的短板。双曲柄机构输送瓶子时，对瓶子有冲击，一方面容易出现噪声大的问题，另一方面双曲柄上的横杆输送瓶子的凹槽处容易磨损，也不利于该贴标机的使用寿命。3.3 方案改进针对上述提到的众多问题，我们对该贴标机的设计方案进行改进：为了提高贴标效率，我们将原来每次对一个瓶子贴标改成对多个瓶子贴标，这里以两个瓶子为例。在输送带上的每处工作点将原来的一个V形凹槽改为两个，双曲柄送料机构每次输送两个瓶子，在贴标处，由两组并列的叉形摆杆取标机构同时工作。双曲柄带动横杆运动，在输送瓶子时存在冲击，不利于提高双曲柄的使用寿命，也是对能量的一种浪费。我们将双曲柄部分改成一个飞轮，通过飞轮带动横杆进行输送工作。采用飞轮后，除了在启动时需要较大的输入功率，运转平稳后根据飞轮的储能特性，所需的输入功率较低，有较好的节能效果；此外，采用飞轮还能减少机构的周期性速度波动，减少冲击，对机构的保护作用也较为明显。为了减少V形凹槽的磨损和对瓶子的冲击，我们在双曲柄上的横杆上和输送带上加了海绵垫作为缓冲材料，从而降低了噪声，也保护了输送带。增加物料整理机构。瓶子在放到输送带前需按一定的方向、排列规律整理好，该物料整理机构在盖顶上根据瓶子的形状设有一些开口，漏斗形物料储存箱不断抖动，在盖顶上杂乱无章的瓶子在抖动下将会从开口处掉到储存箱中，且方向一定。储存箱底部开口大小根据每次掉下的瓶子数目决定，如图中所示