对开胶印机递纸机构设计.doc

2009届印刷工程(设备)毕业设计(综述)对开胶印机递纸机构设计摘要：印刷机递纸机构是印刷机的核心装置。递纸机构的结构、制造精度、运动和动力特性 ,直接关系到机器的速度及套印精度。因此 ,递纸机构的运动特性始终是国内外印刷制造业的研究重点 ,历来受到高度的重视。关键字： 胶印机 递纸机构 偏心上摆式一、胶印机(一) 胶印机简介及分类印刷工业在国民经济乃至整个社会生活都占有重要地位。通过印刷杂志、书本、报纸，可方便人们进行信息文化的交流；而印制购物用的纸币，抑或精美的包装纸、挂历，又大大方便和丰富了人们的日常生活。而胶印机由于操作方便，印刷速度快，效率高且印刷质量优良，获得了广泛的使用，胶印刷机也得到了迅速的发展。单张纸胶印机一般由输纸装置、印刷装置和收纸装置组成。输纸装置将待印刷的纸张平稳准确地输送到定位部件进行定位，然后经递纸机构传送至印刷装置完成印刷作业，最后由收纸装置将印好的纸张收集、整理好。(二) 胶印设备发展的总体趋势纵观近年来胶印印刷领域的发展变化以及国际著名胶印设备的技术发展走向可以发现，在平静的外表下，胶印印刷设备正发生着悄然变化。首先，追求更快的印刷速度、更高的自动化程度、更简单的操作、更方便的调整与设置，更注意环保仍是印机制造商们不改的初衷。他们通过机构优化、结构改进、增强自动控制功能、开发和使用环保耗材等各种手段，力图使现代胶印机无论在印刷品质的提高，还是在降低废品率，缩短辅助时间，降低劳动强度、环境保护等方面取得更大的进步。其二，从单一印刷机制造拓展到印刷系统的集成开发。印刷机制造商正从单一印刷设备生产发展到开发完成印刷解决方案的一体化设备。以往，印前、印刷、印后有着严格的划分，印刷机制造商需要完成的知识生产单一的印刷机。随着数字化、网络化的发展及印刷市场对印刷解决方案的需求，印前、印刷与印后加工设备已开始有机地结合到一起，形成可以完成印刷解决方案的印刷系统。其三，扬长避短，走联合开发的道路。随着印刷方案的提出，印机制造商必然面临着对印前、印刷、印后整体系统的开发与联合。伴随着印刷微电子信息技术、网络技术、激光技术、材料科学等前沿技术的开发，印机制造商凭借自身的力量已难于达到对这些技术的全面掌握，更何况还受制于独立开发的时间和成本限制。因此，印刷系统的配置与开发已不再仅仅局限于印刷机制造商自身，与印前、印后设备制造商联手，走强强联合的道路是目前最普遍的发展方向。经过几百年的发展与实践检验，胶印已成为一种较为成熟的印刷技术。它以其印刷品质好、应用范围广泛、耗材价格低廉而成为当今世界各国印刷方式的首选。我相信，在新技术、新理念、新机构的共同作用下，未来的胶印将会更加辉煌。(三) 单张纸胶印机的发展趋势近些年来，世界大型单张纸胶印机市场不断上扬。据资料介绍，美国商业印刷品中，大部分是采用平版胶印技术生产的。欧洲单张纸胶印机，占全部印刷市场的2成多。单张纸胶印机特别是大型机型的印刷速度已为1.5万印张小时，有的可以达到1.7-1.8万印张/小时。不仅印刷速度得到很大提高，而且通过信息技术的应用，缩短印前准备时间和更换活件的时间来提高生产效率。网络化、生产集成化、数字化工作流程、与管理信息系统的链接等技术，已经或正在得到应用，大型单张纸胶印机自动化水平同样有了明显提高。从近年来的国际印刷展览会可以看出，单张纸胶印设备仍是印刷舞台上的主角。随着计算机技术、光纤传导技术以及数字与网络技术的不断发展以及人们对印刷品质量、印刷生产效率、自动化程度、环境保护的要求越来越高，已经有越来越多的新理念、新技术、新机构引入印刷设备的生产制造之中，从而极大促进了胶印机印制精度的大幅提高，同时也带来了控制技术的成熟以及智能化管理的完善。尽管在胶印机的机械结构方面并没有发生根本性的变化，但国外各著名印刷设备制造商都对其著名品牌的印刷设备进行了改造和创新，在缩短辅助时间、提高自动化程度、降低废品率上做文章，以满足市场对多品种、多色、小批量印品的需求。从近几年印刷设备市场发展状况来看，最新型印刷机普遍具有以下特点：（1）自动对应控制：当设置了纸的规格、尺寸后，可自动进行滚筒压力、侧规、齐纸、供墨、喷粉等自动调节。（2）自动或半自动上版：可利用能装载一定数量印版的版盒，通过自动控制系统进行上版、卸版，完全无需人工干预；或通过人工放置印版预定位置，由自动装版机构装载或下印版。（3）橡皮布滚筒和压印滚筒自动清洗：全自动的清洗系统同样可以自动控制，清洗时间、清洗液量等均可在操作台上预先设置。（4）全集成色彩控制面板：在具有高度人机对话功能、可彩色触摸显示的控制功能，可方便地预设、设置、调整和记录。二、胶印机的传纸系统(一) 纸张的传递单张纸轮转印刷中，纸张从输纸板，经前规、侧规定位后，由专门的纸张传递机构将纸张叼住，逐渐加速到压印滚筒表面线速度。在相对静止 (即同步)中将纸张交给压印滚简咬纸牙，以便进行印刷。这种传递纸张的装置或机构称为加速机构又称为递纸机构。递纸机构的形式及其运动、动力性能, 对于准确平稳地传递纸张、保证套印精度和提高机器速度, 都起着极为重要的作用。(二) 递纸机构的分类根据纸张传递的形式、递纸牙机构的结构特点，可以分为下列几种类型。 上摆式 定心上摆式 摆臂可伸缩定心摆 (1)定心摆动式 定心下摆式 下摆式 定心下摆加传纸滚1、直接递纸 旋转偏心摆动式(2)动轴心摆动式 往复转动偏心摆动递纸机构 2、间接传纸(3)旋转滚筒式(4)间歇变速旋转式(1)摩擦压滚式3、超越式递纸 (2)真空皮带式(3)真空辊轮式直接递纸定义纸张在输纸板上直接由压印滚筒的叼纸牙排叼走的方式结构特点前规只能为上摆式；只有当压印滚筒空档前端出现在输纸板时，前规才能下摆对纸张进行定位，当压印滚筒牙排叼住纸张时，前规必须充分抬起。缺陷为保证一定的定位时间，压印滚筒的空档往往很大，机构庞大，占据空间大，不利于提高生产效率。间接递纸定义纸张在输纸板上先有递纸牙排叼走，再由递纸牙排交给压印滚筒叼纸牙排的方式结构特点纸张在前规定位时间长短与滚筒空档无关，滚筒空档是根据递纸牙摆动部件与滚筒交接纸张的需要来确定优势传纸、叼纸平稳可靠，易保证套印精度；可使滚筒空档小，提高生产效率。缺陷印速越快，惯性越大，冲击力也越大，对机械的损伤也比较严重，总不免产生误差，影响套印精度超越递纸定义纸张在进纸板上经过预前规和侧规定位后，速度由零逐渐加大到超过滚筒表面线速度约25%左右的速度，把纸张紧紧地推到滚筒上的前规进行定位的方式结构特点尽可能地缩短纸张在规矩处的定位时间，由往复运动的纸张加速机构将纸张加速到超过滚筒表面线速度，在滚筒上最终定位，然后由滚筒叼牙叼住进行印刷优势没有传递过程中破坏纸张定位精度的问题纸张采用两次定位，终定位设在压印滚筒上，减少了中间交接的次数，定位准确，特别适应高速印刷的需要缺陷只可用于较小型印刷机 (三) 递纸机构国内外研究现状1) 一摆动式递纸机构1.偏心上摆式递纸机构偏心上摆式递纸机构由于递纸牙在回程时要避开压印滚筒上的纸张, 因此一般采用偏心式结构。图 1 所示为偏心上摆式递纸机构的递纸牙运动曲线, A是从输纸板上取纸, B是将纸张交给压印滚筒的交接点。由图可以看出偏心上摆式递纸机构的运动轨迹不是一段圆弧, 而是一条封闭的 “ 水滴”形平面曲线, 它的进程与回程不在一条弧线上, 因此不会与压印滚筒相碰。其优越性在于: 滚筒直径小, 机器结构紧凑, 递纸牙不受滚筒空档的限制可提前返回, 既可提高机器速度, 运转也平稳。当然, 这种机构也有很大的缺陷。为了实现 “ 水滴”形运动轨迹, 递纸牙轴的旋转中心必须是偏置的。这个设计本身就决定了它在高速运行时机器会有较大的振颤, 当转速超过 6000 转/小时的时候, 机器便会出现明显的颤振、噪音, 机器的各项性能指标都会明显下降, 而且会加快机器的磨损。所以该递纸机构一般不适用于高速运转的工作环境。2.定心上摆式递纸机构由于偏心上摆式递纸机构在高速运行时会有较大的振颤, 所以国内厂家生产的小型胶印机 ( 如八开胶印机)中, 采用定心上摆式递纸机构的也很多。国内学者蔡吉飞等人为提高八开胶印机的速度, 就提出采用定心摆动式结构来取代偏心摆动式结构, 并进行计算机仿真验证, 指出虽然定心摆动式递纸机构稳定度不及偏心摆动式高, 但复杂程度可降低, 工作可靠性可提高, 既可降低成本, 又可简化设计; 同时他们也采用多项式运动规律分析八开胶印机递纸牙运动过程, 证明八开胶印机采用定心上摆式递纸机构能够满足规定运动要求。另外柴承文等人按五次多项式设计定心上摆式递纸机构的递纸牙摆臂的角位移运动规律, 改进了凸轮回程阶段的设计, 使递纸牙的运动特性得到改善。图 2 为改善前后的递纸牙摆臂的角速度曲线, 可以见到在凸轮回程阶段角加速度的变化更加连续。同时, 柴承文还运用等效原则简化定心上摆式递纸机构并建立弹性动力学模型, 实现了对定心上摆式递纸机构的参数化设计。但是由于这种递纸机构的滚筒表面利用率降低、递纸牙在摆至高点的停留时间增加、返回交接时间缩短, 高速工作时会影响纸张交接的平稳性。因此,这种递纸机构多被应用在低速小型胶印机上。3.定心下摆式递纸机构定心下摆式递纸机构 (见图 3) 是目前国内高速印刷设备广为采用的一种递纸机构, 其最大优点是递纸牙能够在纸张离开规矩板时就可以回到规矩板上等候取下一张纸。把递纸牙设计在输纸板的下面, 这样递纸牙在回程时就不必避让滚筒。取消递纸牙轴旋转中心的偏心, 就一举解决了偏心上摆式递纸牙的振动效应和在输纸台前取纸时的蠕动问题, 使得递纸牙在取纸时处于绝对静止状态, 最大限度地降低了机器高速运行时的振动, 保证了套准精确度。相应地, 胶印机的实际印刷速度和使用寿命都得到了大幅度的提高。定心下摆式递纸机构与上摆式机构的区别在于: 取消了递纸牙轴旋转中心的偏置, 采用间接递纸方式, 即递纸牙先将纸张交给一个传纸滚筒, 再由递纸滚筒交给压印滚筒, 以适应压印滚筒的转动方向。定心下摆式递纸机构能适当提高挡纸时间, 从而使纸张得到精确的定位。目前国内外的高速高档胶印机, 如北人印刷集团的 740 大对开 型 胶 印 机 、 江 苏 昌 异 集 团 的YP1A1E 型胶印机、日本三菱 DAYIII 型高速胶印机都采用这种递纸机构。由于其结构简单、传动平稳、适合于高速胶印机, 是一种比较理想的递纸机构。国内学者对下摆式递纸机构进行了较多的研究。张伟对下摆式递纸机构进行运动力学的理论分析, 开发了递纸机构的设计和分析软件; 郭利锋等人运用 C+Builder 程序设计语言和 Solidworks 三维设计软件, 实现了摆动式递纸机构凸轮轮廓的仿真设计, 提高了凸轮设计和加工的精度;张晓玲等人提出下摆式递纸机构共轭凸轮轮廓数据的反求方法, 得出了正向设计共轭凸轮机构从动件运动规律的工艺要求, 进而建立了求解共轭凸轮廓线数学模型;张晓玲等人还根据下摆式递纸机构递纸牙的运动特性，采用五次多项式 ( 如方程组 1) 来建立递纸牙的运动规律, 建立了以递纸牙运动特性作为目标函数的优化设计数学模型, 为优化设计高性能、高速度的胶印机提供了研究基础。2) 旋转式递纸机构1. 连续旋转式递纸机构2. 连续旋转式递纸机构 (如图 4 所示) 中, 装有递纸牙的递纸滚筒连续旋转, 转速与压印滚筒相同, 方向相反。除转动外, 递纸牙排和牙垫还在固定凸轮传动下绕定轴摆动, 使递纸牙与前规处于相对静止状态时完成接纸动作,当递纸牙转到两个滚筒的相切位置时, 将纸张交给压印滚筒咬牙 14。目前, 国外进口胶印机中德国海德堡系列就是采用这一类型的递纸机构, 印刷速度可达 15000 转/小时。而国内印刷设备厂家仿制的连续旋转式递纸机构最高印速还很难突破 10000 转/小时。本文认为, 国产胶印机印速受限的主要原因是递纸牙运动规律选择的不合理。当胶印机运转速度提高后, 递纸机构的惯性对系统稳定性的影响很大。因此, 选择合适的曲线作为递纸牙的运动曲线, 使加速度变化更平滑, 保证递纸机构运动的平稳, 才能适应高速印刷的要求。国内学者张开胜等人对旋转式递纸机构作了深入的运动学分析, 在理论上验证了该机构具有静止取纸、等速交纸、平稳加速的特点。易惠萍等人也证明了连续旋转式递纸机构采用回转机架的低副机构并配以高副凸轮机构, 既能有效地平衡惯性力, 又能实现复杂的运动轨迹, 从而提高胶印机的运转速度和套印精度。3. 间歇旋转式递纸机构间歇旋转式递纸机构是另一种旋转式递纸机构, 在我国目前的印刷机制造业中尚未采用这种递纸机构。图 5 为间歇递纸机构的运动规律, 可以看出:在递纸滚筒转位开始和终了时刻, 其速度为零而加速度却有一个瞬时的突变, 因此机构在转位开始和终了受到一个柔性冲击。白川等人采用组合机构运动特性的分析方法, 得出该类型的递纸机构运动规律近似为简谐运动时, 柔性冲击较小, 而且这种冲击比摆动式递纸机构要小得多,所以该类型递纸机构传纸更有利于使纸张平稳而准确的交接。另外, 武淑琴等人采用离散化等效模型建立了间歇式递纸机构的动力学模型, 在此基础上, 利用拉格朗日方程建立了系统的动力学运动方程, 求解得到了该递纸机构的运动曲线和位移曲线, 指出弹性和构件的间隙是影响递纸机构动态特性的主要因素。同时, 武淑琴还对这种递纸机构从动力学和运动学的角度进行分析, 建立了该递纸机构的动力学模型, 并通过 MATLAB 对整个系统进行仿真, 证实了间歇旋转式递纸机构在交接纸张时具有足够的平稳性和准确性。3) 国内外同类产品情况简介1 .定心摆动递纸机构日本小森L-237C型，滚筒直径为317mm，最大纸张幅面635mm;瑞士Color metal滚筒直径伟58mm，最大纸张幅面为720mm；美国国际联合公司所生产的胶印机滚筒直径为356mm，最大纸张幅面为720mm。2.动轴心（偏心）摆动递纸机构目前相当多的国内外单张纸胶印机采用这种递纸机构。采用旋转偏心摆动地支机构的由德国罗兰、日本小森、滨田、我国北人印刷机股份公司制造的J2203、J2208型等系列的单、双色胶印机。而采用摆动偏心摆动递纸机构的有瑞典桑拿、意大利奥姆泽以及我国制造的单色四开胶印机J4101-J4105系列产品。3.旋转滚筒递纸机构德国海德堡胶印机、我国的J2109型胶印机均采用此形式的递纸机构。4.间歇式变速旋转递纸机构该机构在德国凯尼希鲍尔SR111型对开双色和四色胶印机上采用，实际印刷速度可达15000张/小时，据此公司介绍，在实验室内已经达到16500张/小时，因此它是世界上用机械间接递纸方式达到的最高印刷速度的递纸机构。5.摩擦压滚式递纸机构我国湖南印刷机械厂生产的胶印机采用此结构，印刷速度达到12000张/小时。德国米勒厂的胶印机也采用此机构递纸。6真空皮带式真空皮带式超越递纸是美国海利斯的专利。意大利奥姆萨最新的单张纸胶印机（Aurelia700）采用的也是此机构，印刷速度为11000张/小时。 三、递纸机构的组成及工作原理(一) 摆动式递纸机构原理摆动式递纸是递纸机构中运动最简单的一种。如图1所示。图 1 摆动式递纸牙1-凸轮 2-摆杆 3-连杆 4-递纸牙排摆动式递纸牙4是围绕一个固定的轴心Og作往复摆动，也就是说递纸牙的运动轨迹是一段圆弧，工作行程和返回行程都是这段圆弧，只是方向相反。由图可知，安装与压印滚筒轴端的凸轮1驱动摆杆2，连杆3带动递纸牙排4绕Og轴作往复摆动。该机构当递纸牙返回输纸板前时，必须与压印滚筒空档相遇，否则，递纸牙碰滚筒的外圆表面。(二) 偏心转动式机构原理偏心转动式递纸牙的运动式递纸牙围绕着一根运动的轴心Og摆动，而这个运动的轴心Og又绕一固定的轴线O1作圆周旋转运动。如图2所示。图 2 旋转偏心式递纸牙1-凸轮 2-摆杆 3、4-连杆 5-曲柄 6-递纸牙 7-拉簧旋转的偏心轴与压印滚筒的转速相等，而旋转方向相反。这种递纸机构把纸张递给压印滚筒后，把递纸牙提高后返回输纸板前，因而在返回的过程中，不会碰撞压印滚筒表面。由图可知，摆杆、连杆及曲柄组成一个五杆机构。分别由凸轮和曲柄（偏心距）输入动力，使递纸牙完成递纸运动。凸轮驱使递纸牙完成取纸和递纸的摆动运动，曲柄转动使递纸牙完成上下运动。目前，这种类型的递纸机构广泛应用在国产对开平板印刷机上。(三) 旋转式递纸机构原理目前单张纸轮转印刷机的印刷速度不断提高，由于摆动式或偏心摆动式递纸机构，摆动臂的惯量较大，再加上实现其运动的是连杆机构，因而整个机构的惯量就更大。在高速印刷的情况下，将产生较大的冲击，造成纸张的传递不平稳，印象套印精度。而旋转式递纸机构递纸机构递纸牙作整周旋转，冲击振动小，适于高速印刷。旋转式递纸机构又分为连续旋转式和间歇旋转式两种连续旋转式递纸牙：它是递纸牙安装与递纸滚筒上并随递纸滚筒作连续的匀速转动。而递纸牙又在旋转滚筒上作自身的摆动运动。间歇旋转递纸牙：它是采用槽轮与齿轮传动相结合的机构，使递纸牙获得一定规律的间歇旋转运动。图 3 间歇旋转递纸牙 1-压印滚筒 2-传纸滚筒 3-递纸滚筒4-槽轮转盘 5-拨盘 6-圆销 7-下摆式前规 8-吸气孔 9-侧拉规 10-输纸板如图3所示。此机构德国KOENIGBAUER公司制造的RAPIDASR型超高速胶印机的递纸牙机构，印速为15000张/h（纸张幅面720mm*1040mm）。采用槽轮机构原理设计的递纸机构运动稳定性较高，同时由于递纸滚筒仅单方向间歇转动，转动惯量比摆动式小，能满足套印精度的要求。但是槽轮机构工作时有冲击，随着转速的增加及槽轮槽数的减少，冲击加剧，为了改善这种动力特性，上述机构采用了槽轮机构与齿轮传动箱组合的传动机构。四、递纸机构的设计要点(一) 递纸机构的运动要求1在输纸板上取纸时递纸牙的速度为零，即在静止状态下接取定位好的纸张。2把纸张交给压印滚筒时，递纸牙的速度应与压印滚筒表面速度的方向相同、大小相等。因此，交接点应是递纸牙正行程