（机械制造及其自动化专业论文）流涎薄膜收卷机组的模块化和优化设计.pdf

摘要 1 1 1 l | | | 1 | 1 i l l l l l l l l l 舢1 | 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 l i 流涎薄熟想! 曼升 摘要 为了实现流涎薄膜的快速成型设计，对收卷机组根据功能进行模块化设计。运 用s 0 1 i d w 0 r k s 完成流涎薄膜收卷机组中牵引、移动和收卷的总体设计，和对起关键 作用的零部件进行模块设计。 对薄膜展平进行理论分析，得到考虑膜辊摩擦系数、包角、辊曲率和轴径等影 响因子的薄膜展平力公式。合理简化展平辊展平薄膜的物理过程，在l s d 、a 软 件中仿真分析，得到薄膜各单元的应力场、速度场和位移场。对实际薄膜生产中的 膜卷表面不平、两端不齐，和膜卷褶皱等问题进行了解释，证实薄膜展平理论推导 的公式可用，实现对薄膜展平辊的结构优化。 基于对流涎薄膜收卷时的张力原因和特点分析，推导出收卷张力和膜卷内张力 的函数式。对薄膜收卷机组的两种收卷，恒张力和恒力矩收卷方式进行比较分析， 提出一种新的收卷方式，综合两者的特点，使膜卷收卷质量更优。并在理想的收卷 条件下，运用m a t l a b 优化施加在流涎薄膜上的收卷张力曲线。采用张力传感器和张 力调节器等仪器对收卷张力进行实验，得到实验结果的曲线与优化得到的基本一致， 实现对收卷张力曲线的优化。 对流涎薄膜收卷机组的模块化设计，和机组中展平和收卷张力的优化设计，为 薄膜的快速生产提供各模块，对收卷设备的设计和加工提出技术要求和理论依据。 关键词：流涎薄膜，模块化设计，薄膜展平，收卷张力，l s d y n a a b s 打a _ c t 流涎薄膜收卷机组的模块化和优化设计 a b s t r a c t i no r d e rt or e a l i z en l er a p i dp r o t o 够p i n gd e s i g no fr e w i n d i n gu n i t s ，a c c o r d i n gt o d i 虢r e n t 缸c t i o n s ，a c c o l p l i s hm em o d u l a rd e s i 弘s f i n i s hm eo v e r a j la 1 1 dg e n e r a j m o d u l a rd e s i 盟so f 仃a c t i o n ，m o b i l ea 1 1 dr e 淅n d i n g ，a i l dm ec o n c r e t e l yd “l e dp 砒sa n d c o m p o n e n t sm o d u l a rd e s i g i l s ，w h i c hp l a yak e yr o l ei nc a s tf i l mp r o c e s sb ys o l i d w b r k s b a u s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h ef i l mf l a t t e i l i n g ，d e d u c et h ee q 啪【t i o nf o rc a s tf i l m f l a n e m n gf o r c e ，c o n s i d e 曲g 衔c t i o nc o e 伍c i e n t sa i l da n g l e so f j f i l ma n dr o l l e r ，a n dt h e c u r v a t u r e 砒l dd i 锄e t e r so fr o l i e r s ，w k c ha r et ：h ei l n p a c tf a c t o r s t h r o u g hr a t i o n a l l y s 妇p l i f i e dt h en 雏喇n gp h y s i c a lp r o c e s so ff l a t t e n i n gr o l l e ra i l dc a s tf i h n ，a 1 1 da n a l y s i s o nf i l mf l a t t e n i n gs i m u l a t i o nb yl s d y n as o r w a r e ，g e tt h ee a c hu 1 1 i t ss t r e s s ，v e l o c i 够 a n dd i s p l a c 2 m e m 丘e l do ft h ec a s tf i l m g i v et h ee x p l a n a t i o nf o rv o l u m em e m b r a i l e s u r f a c er o u g h ，m et v 旧f l a i l g ee n d sn o tn e a t ，2 l 1 1 dm e m b r a i l er o l lf o l dw i t h o u td e m 甜l d i n g t om eq u a l i 够a n ds o m e0 t h e rp r o b l e m si n 也er e a l i 够m e m b r a l l ep r o d u c t i o n ，c o n f i 肌e d t h em e o r e t i c a lf o r m u l a so ft h ef i l mn a t t e n i n gf o r c ea r ea v a i l a b l e ，s oa st oa c l l i e v e 也e s 仃u c t u r a lo p t i m i z a t i o no ff l a n e n i n gr o l l e r w n ht h er e a s o i l sa n di n f l u e n c e s ，a n dc h a r a c t e r i s t i ca r 埝1 y s i so ft h er e 丽n d i n gt e n s i o n o fc a s tf i h n ，d e d u c e st h e 如n c t i o n a lf o r m u l af o rr e w i n d i n gt e n s i o na n dm e m b r a n e t e n s i o n c o m p a r i s o na n a l y s i so nt h et w o 虹n d so fr e w i n d 洫gw a y ，c o n s t a mt e n s i o na 1 1 dc o n s t a i l _ t t o r q u e ，p u tf o n ) 婚r dan e wm e t h o dt 0r e w i i 坩i n g ，i i lw k c h m ec a s tf i l mq u a l i 哆i sb e t t e r a n dm e m b r a n em o r ee v e n o p t i m i z et h er e w i n d i n gt e n s i o nc u r v eo fc a s t 丘l mi na ni d e a l r e 、】l ，i n d i n g c o n d i t i o nb ym a t l a b d ot h ee x p e r i m e n t sf o rt l l er e 谢n d i i l gt e n s i o nu s i n g t e n s i o ns e n s o ra n dt e n s i o nr e g u l a t o ra i l do 廿1 e ri n s t r u m e n t s ，d r a wt h ec u 】ew i n lt 1 1 ed a t e s ， a 1 1 df o u n dm a tm ee x p e r i m e n tr e s l l l ti ss i m i l a rt ot h er e w i i l d i l l gt e n s i o nc u n ，eb y o p t i m i z a t i o l l ，i i lo r d e rt 0a c h i e v e 也eo p t i m i z a t i o no fm er e w i n d i n gt e n s i o n 铡i n ，e w i t l lt 1 1 em o d u l a rd e s i g no fc a s tf i l m ，a n do p t i i l l i z a t i o no nt h et w ok e yt e c q u e so f f l a ：c t e n i n g a n dr e w i n d i n g ，p r o v i d em o d u l e sf o rr a p i dp r o m l c t i o n ，a n dp u tf o m 仫r d t e c h n o l o g yr e q u i r e m e m sa i l dt h e o r e t i c a lb a s i so fr e w i n d i n g 砌t sd e s i g na n dp r o c e s s i n g k e y w o r d s ：c a s tf i l m ，m o d u l a rd e s i g n ，f l a t t e l l i n 舀t e n s i o n ，l s - d y n a i i 硕士论文 流涎薄膜收卷机组的模块化和优化设计 1 绪论 1 1 研究背景和意义 塑料薄膜按生产方式有吹胀薄膜、拉伸薄膜和流涎薄膜三种【l 】。流涎薄膜具有 较宽的幅宽和较薄的厚度，提高了材料的利用率并能改善薄膜厚度的均匀性。流涎 薄膜通过特殊处理如电晕，可进一步提高薄膜表面质量，增加薄膜表面的平滑和平 整性，使得生产产品尺寸稳定和滑爽，更具有耐磨性。正是拥有上述诸多优点，流 涎薄膜的应用越来越多，发展快速。 流涎薄膜向着高性能化方向发展，由单层结构转向多层，性能单一发展为性能 各异、用途广泛和包装效果更好的多元化产品，原先的普通单层膜渐渐被多层复合 膜取代。而且多层共挤的复合流涎薄膜生产成本低，质量好，适应性强和方便后道 工序加工等优点，越来越被大家接受和认可。 收卷机组对薄膜生产起着重要作用，直接影响流涎薄膜的收卷质量，具有研究 意义。在流涎薄膜收卷生产过程中，发现存在以下问题。 1 ) 收卷的流涎薄膜会出现褶皱和条纹等缺陷，甚至有划痕。 2 ) 流涎薄膜收卷的膜卷紧密度不高、偏松，使得薄膜在收卷芯轴上产生轴向 滑移，导致错位，容易跑边直接影响薄膜的分切。 3 ) 流涎薄膜两端不平齐，膜卷的表面不平整，硬度不适当，收卷薄膜的质量不 高，此时得到的流涎薄膜膜卷内部残留很大的应力，对于后续的薄膜加工将会带来 不良的影响。薄膜的收卷是一个连续复杂的过程，对于整个过程中的收卷张力的变 化和采用的收卷方式，将直接影响着薄膜的收卷质量，和最终膜卷的应力分布。 同时随着企业不断发展，生产订单不断增加，由企业内部的设计小组接到订单 后完成生产线的总体设计再投入生产的模式，渐渐露出弊端。经常性地在对一家客 户订单生产线的设计工作还未结束，另几家的订单又到了，生产周期要求不断缩短， 企业发展遇到挑战。流涎薄膜的种类繁多，对于各种薄膜的材料特性，寻求最佳的 薄膜收卷效果。收卷过程中，充分考虑各种流涎薄膜的类型和厚度，针对不同薄膜 采用合适的收卷张力和施加合理的牵引拉力，以及薄膜展平辊的展平量都是企业亟 待解决的收卷问题。 因此完成流涎薄膜收卷机组的模块化设计，能带来快速高效的生产，提升企业 的竞争力和缩短产品的开发时间。并且通过对建立的基本模块改进，以一条基本的 流涎薄膜生产线作为参考，在这个基础生产线中，通过添加或修改相关的零部件， 实现新的功能，满足客户多元化的要求。通过模块化设计，使生产实现快速成型， 1 绪论 硕士论文 缩短生产周期。 基于收卷机组的模块化设计，对模块化中起关键作用的展平辊进行结构优化， 和对现有的收卷设备和方式进行优化，探讨更优的收卷设备，和对收卷方式进行优 化。通过对收卷机组的结构和技术改进，使各模块的机械性能提高，实现整个收卷 机组展平和收卷的优化。为企业的高速高效高精度的生产提供技术支持，符合现代 流涎薄膜的生产规范，实现企业现代薄膜的生产规模和生产的高速发展。 1 2 流涎薄膜工艺流程 流涎薄膜主要以聚丙烯p p 、聚乙烯p e 、聚氯乙烯p v c 树脂为原料【2 】，其工艺 一般采用t 型模头法。挤出机先将原料树脂熔化，熔融树脂经模头流涎到表面光洁 的冷却辊上迅速冷却。经厚度测量、牵引、电晕处理、展平后，切去边缘较厚的边 料，再次展开收卷成为薄膜膜卷【3 】。流涎薄膜是通过熔体流涎骤冷形成的一种无拉 伸、非定向的平挤薄膜，有单层流涎和多层共挤流涎两种方式。 a 层材料熔融塑化计量挤出r _ 叫过滤 三三鬻卜丁磊赢面 + 回收料r 叫堕墼望垡h 生量堑当 c 层材料r 叫熔融塑化r 叫计量挤出 切边 卷取 表面处理 分切卜 1 牵弓 - _ - - - _ - _ _ 一 检验卜 1 塾鎏 岖 团 翮 t 模头 冷却成型 图1 1 三层共挤流涎薄膜成型的工艺过程 图1 1 表示的是三层共挤流涎薄膜成型的工艺过程，图中的a 、b 、c 为原材料， 可以是同一种，也可以是不同类型的，或者是同类型不同型号的原材料。这些原材 料树脂经过各个挤出机筒，由电加热和螺杆的剪切推动，变成熔融态。在挤出机筒 内被加热到2 3 0 2 5 0 左右塑化，通过滤网，过滤掉其中的沙石、金属、焦化物等 杂质，再通过共挤复合模头挤压成薄膜的片状流体流出。在负压风刀的作用下，流 经流涎辊的表面，被冷却到3 0 左右，通过这个步骤使薄膜内部结晶均匀，从而获 得较好的物理机械性能【4 】。再由牵引机牵引薄膜，利用红外线对薄膜进行连续的厚 度检测，有特殊需要的薄膜此时还要经过电晕处理装置对膜的表面进行处理，使薄 膜的湿润张力达到标准。在牵引过程中，对薄膜厚度不符合要求的和薄膜边缘部分 进行切除，破碎后经由回收送回挤出机作为芯层材料的再生料重新利用。最终薄膜 被收卷机卷取，按照不同的规格分切成不同宽度和长度的成品【5 1 。 硕士论文 流涎薄膜收卷机组的模块化和优化设计 1 3 国内外的研究现状 1 3 1 流涎薄膜机组的技术现状 纵观全球的塑料薄膜生产设备应用形势，国际上一些知名的企业在多层共挤流 涎设备的制造能力和先进技术上，取得了不错的成绩。如意大利道尔奇d 0 1 c i 公司， 德国w h 公司，奥地利兰精l e 豳n g 公司，日本三菱重工等公司，在设备上实现了 数字化和智能化的操作控制。同时在关键的技术指标方面，对流涎薄膜生产机组的 薄膜收卷速度，收卷最大卷径，和生产薄膜厚度误差，以及薄膜幅宽等技术参数达 到了新的发展阶段，处于世界领先地位。表1 1 列出一些国外知名企业的生产流涎 薄膜聚丙烯c p p 设备所拥有的技术参数。 表1 1国外知名企业流涎薄膜聚丙烯c p p 的设备技术参数 我国流涎薄膜设备的发展，开始于2 0 世纪8 0 年代，起步阶段就是从国外引进 设备。当时引进的设备都是单层生产线，产能很低。到了9 0 年代，我国的流涎薄膜 进入成长阶段，从国外知名企业奥地利l e n z i n g 、德国w h 、德国b a t t e n f e l d 等开始 引进多层共挤流涎薄膜的生产线，宽度为2 2 5 m ，年生产能力达到6 千吨左右，十 年的时间增长了近四倍。进入新的2 1 世纪，流涎薄膜的宽度达到4 4 5 m ，流涎薄 膜的生产线朝着宽幅、高速、多层共挤的方向发展。随着现代电脑技术的应用，有 效即时的控制系统慢慢完善，使得流涎薄膜的发展趋势迅猛。 综合国产的流涎薄膜机组发展路线，一直以仿制国外设备为主，生产效率不高， 产出的薄膜质量差等缺陷。随着我国对流涎薄膜设备的不断学习研究，从模仿国外 到自主创新，经过二十几年的逐步积累进取，也取得了一定的成绩。国内近阶段涌 现出一批先进的薄膜制造企业，如广东仕诚、佛山俊嘉、南通三信、上海合资的g a p 公司等，这些企业不断创新，在设备结构、技术指标和生产能力上都有很大地提高， 相关的技术参数如下表1 2 所示。 我国企业对流涎薄膜的机型研发逐步放在多层宽幅的多功能生产线上，基于流 涎生产中关键技术的研究和突破，使得设备的多项技术指标达到国际先进水平，极 3 1 绪论 硕士论文 大地促进了我国流涎机组的发展。图1 2 是我国一条实际的流涎薄膜c p p 生产机组 设备。 表1 2 国内企业流涎薄膜c p p 的设备技术参数 图1 2 国内的一条c p p 实际生产线设备 1 3 2 模块化和收卷的优化设计研究现状 随着近年来模块化的应用，从设计上尽量提供通用化且能满足多样化发展要求 的设计方案。运用模块化设计，缩短设计周期，降低成本，增强企业在市场中的竞 争力。重庆大学的黄云和司莉纳等将模块化的设计应用于磨床【6 】，广东美的环境电 器制造有限公司的刘艳萍应用于风扇产品1 7 】，还有用于儿童家具的设计中【8 】，应用 领域极其广泛，取得的效果不错。 在工程中几何形状、物理性能和中心轴对称的物体，当外加载荷及约束也对称 于同一轴时，则物体内的应力场、应变场也将是关于该轴对称的【9 1 。本文研究的流 涎薄膜收卷问题就是一个轴对称问题，关于收卷方面的研究如下。 最早的h 出e 1 模型是h a l ( i e lz 建立的，是一维的，主要研究的是径向坐标即收 4 霭一 硕上论文流涎薄膜收卷机组的模块化和优化设计 卷薄膜在膜卷直径方向上的空间变形【i o 】。后来位于美国匹兹堡的卡内基梅隆大学机 械工程系y = m l e e 和j a m c k e i h t 对于收卷模型，研究和预测收卷模型在径向和轴 向两个方向上的径向力、周向力、横向( 轴向) 力的受力状况【l l 】。在h a k i e l 一维的基 础上，考虑每层卷取薄膜的非线性材料特性，和不断增加的薄膜层数影响。 芬兰超薄技术研究中心的关于智能机器和结构动力学研究的k 心o l a 和瑞典拉 彭兰塔科技大学的疲劳和强度实验室的r v o nh e r t z e n 基于收卷薄膜受到径向、周 向、轴向和剪切力的作用，会产生径向和轴向的位移；随着收卷的薄膜层数的增加， 整个收卷膜卷假设为超弹性、正交各项异性和径向非线性的【1 2 1 。对于如此的膜卷和 中心卷轴，采用有限单元分析方法和总体的拉格朗日模型，研究发现收卷过程的离 心力对于最终形成的膜卷残余应力分布有影响。还发现，高的剪切力和变形范围出 现在最贴近中心卷轴的膜卷内部；在膜卷的轴向方向上，受力不是均布分布的。 基于轴对称运动学，综合离散的平衡方程和本构方程，以及在一些已有模型的 基础上，建立自己的研究模型，国外的科研遵循着这条思路发展。在国内，相关课 题研究较少，大多是对于收卷中的控制部分研究，相对来说收卷领域的基本分析推 导和建立的可靠模型只有以下相关研究。 上海市纺织科学研究院的林银芳，在薄片材料卷绕中的张力理论分析中，假设 卷绕的筒状材料是连续、匀质、各项同性的，且层与层间没有相对滑动，服从广义 胡克定理的完全弹性体【1 3 1 。对芯轴分别为弹性体和刚体，进行了薄片的张力分析和 计算。提出为使卷绕成形的圆筒内部受力均匀，应提高芯轴的径向刚度。可采取增 加芯轴的壁厚，甚至采用实心芯轴的办法。 中国纺织大学的华志宏，对卷装结构内部张力分析与控制进行研究。推导出卷 装过程中的结构内部应力分布的微分形式，从而得到卷装结构内部收卷材料的受力 分布与施加在收卷材料上的力的函数关系表达式【1 4 l 。提出卷绕形成的筒状结构内部 的应力、应变和位移的分布是轴对称的，且与卷装半径有关系。不足之处为所做的 研究是人为计算，工作量有限，说服力不强。 浙江科技学院机电系的杨娅君，和浙江大学力学系的郭乙木，基于弹性理论， 把有宽度的带材收卷，按轴对称平面应变问题处理，对纺织、造纸、印刷等行业中 的收卷和放卷进行研究【1 5 】。提出在带材的放卷过程中，张力控制要采用恒张力控制： 而在收卷过程中，可采用锥度张力卷绕。但没有解决在实际应用中的，大卷径的收 卷应如何保证产品质量。 上海交通大学的机械学院的王春香、杨汝清和哈尔滨工业大学的机电学院的付 云忠、王永章、路华，分析在纤维、造纸、塑料及金属镀膜工业中，对于线、带和 面状的弹性材料卷取张力的控制【l 酬。分析了开卷辊的张力变化规律和影响因素，通 过实验证实推导的公式，收卷辊的工作有待完善。 5 1 绪论硕士论文 九江学院的吴德会博士提出用神经网络优化收卷张力设计，使收卷的玻璃钢压 力管材每层的卷制成型达到最好的效果i 】7 1 。虽然吴德会博士研究的材料不是薄膜， 这种研究方法可供参考，应用于对薄膜收卷的优化方案中。 综合上述的文献资料，我们得知收卷的研究很多，但是针对流涎薄膜的很少， 因此本文在充分考虑薄膜的材料特性和生产特点等的条件下，对薄膜收卷中的关键 技术进行研究，具有现实意义和研究价值。同时借鉴文献中对收卷的优化方法，本 文运用于流涎薄膜，实现收卷的优化，为薄膜生产中的控制系统提出控制要求和标 准。 1 4 研究内容 通过流涎薄膜收卷机组中的问题分析，和薄膜收卷现状的研究，论文需完成以 下的工作。 1 ) 通过流涎薄膜收卷的需求分析和对机组各装置的功能设计，在总体设计的基 础上，划分为固定模块和通用模块，对各模块进行详细设计，完成收卷机组的模块 化设计。 2 ) 基于收卷机组的模块化设计，对展平辊进行理论推导和运用l s d 寸a 模拟 分析，得到薄膜与辊的展平力公式，进一步完成对展平过程的结构优化。 3 ) 在机组的收卷过程中，通过分析不同的收卷方式下的收卷膜卷质量，提出最 优方案。并通过理论分析，运用m a t l a b 对生产过程中施加在薄膜上的收卷张力进行 优化，并运用实验，检验收卷张力的优化。 流涎薄膜收卷机组的模块化设计，实现生产线的快速成型，缩短生产周期，提 高生产效率；机组中展平和收卷的研究，从理论、仿真和实验等方面对结构和技术 进行优化，为企业节约成本，提高生产利润。 6 硕士论文 流涎薄膜收卷机组的模块化和优化设计 2 流涎薄膜收卷机组的模块化设计 2 1 收卷机组模块化设计方法 模块是构成模块化产品的基本元素，是一组具有功能、结合要素、性能用途和 结构特征相同或是部分不同，可互换的实体单元。产品的模块化设计是在对一定范 围内的不同功能，或是相同功能不同规格的产品进行功能结构分析的基础上，划分 并设计出一系列的模块，通过各模块的选择组合构成不同的产品，满足市场的不同 需求的一种设计方法【1 引。模块化设计中，模块的划分是必不可少的。模块划分的原 则是在强调功能的独立性和划分部件的结构完整性的同时，利用分解形成的标准 零部件作为基础模块；二是将有利于实现产品技术改进的，变型设计中变化活跃的 部分作为独立模块；三是将稳定少变的部分分解成独立的通用模块【1 9 1 。 基于模块化设计中模块划分的原理，从流涎薄膜收卷机组的总体特征和基本特 征两方面，对其进行分析。 1 ) 收卷机组的总体特征 流涎薄膜收卷机组具有总体可分性，表现在收卷机组是由各零部件按照层次组 成，每层又可分解成为独立活动的各个模块。这种可分性是收卷机组可进行模块划 分的主要依据。收卷机组同时具有可变性，表现为流涎机组有满足客户需要的属性。 收卷机组能根据需要被定制，这种被定制具有相同功能的不同子集程度，实现了收 卷机组模块多样化。 收卷机组的可分性和可变性这两种总体特征，为模块化设计中模块的功能结构 分析和模块化系统的构建，奠定了基础。 2 ) 收卷机组的基本特征 流涎薄膜收卷机组是由若干零件、部件和装置，按一定规律和结构形式组成的 具有特定功能的机械系统。作为一个系统，收卷机组具有下列基本特征。 整体性，收卷机组是由性能各异的若干要素组成，但能按照整体功能需求相互 协调。层次性，收卷机组的结构按功能层层分解为简单的零部件。目的性，收卷机 组能实现特定的功能。独立性，可对机组中的零部件单独设计、制造、调试和修改。 通用性，能实现薄膜各类产品间的模块通用。相关性，构成收卷机组的各要素相互 制约和作用。互换性，收卷各模块接口的尺寸和结构能进行参数标准化，实现互换。 基于上述特点的分析，流涎薄膜收卷机组可按照功能分解，对系统进行模块的 划分和组合，实现流涎薄膜收卷机组的模块化设计工作。 7 2 流涎薄膜收卷机组的模块化设计硕士论文 2 2 流涎薄膜收卷机组的总体设计 收卷机组的总体设计，也称方案设计，主要描述收卷系统总体的轮廓构造和技 术特征，根据对生产设备的功能需求绘制收卷机组的系统层次图。设计一个系列且 通用的模块，各个模块能实现特定的功能，根据客户的要求进行选择集合，从而构 成功能不同或生产规格不同的流涎薄膜产品生产线。 2 2 1 流涎薄膜收卷的需求分析 宽幅的流涎薄膜在最初进入收卷机组的时候，是由牵引辊来牵引薄膜生产的。 由于薄膜宽幅且总体的生产距离长，质量大，因此在收卷过程中牵引机对薄膜的牵 引是至关重要的。牵引辊的牵引速度对整个收卷机组的生产速度起到了一个关键作 用，为了保证机组的收卷精度，牵引速度应尽可能保持稳定，一般常用的薄膜生产 线上采用伺服电机保证牵引辊的恒定速度。伺服电机与牵引辊通过带轮系进行运动 传递，以便实现传动的稳定性，确保加工精度。 在流涎薄膜的收卷生产中，还需要对宽幅的薄膜改变运行方向，节约空间，合 理布置机组中各零部件的位置。导辊的作用主要是起引导薄膜生产方向的，导辊基 本上对流涎薄膜不产生力的作用。展平辊是曲率可调的弧形导辊，是确保进入收卷 机组的膜段表面平整，以达到好的收卷质量。 对于流涎薄膜，有的客户需要一定宽度的膜卷，在收卷机组中添加分切来实现 该要求。对于整个幅宽的薄膜，可按照需要的宽度对流涎薄膜进行分切。还有对流 涎薄膜两端无约束的厚度不达标的薄膜进行切边，以保证最终膜卷的质量。 收卷机组的薄膜，经过牵引系统后，根据薄膜的厚度和薄膜材料特性，选择收 卷的方式。在合适的收卷张力下，在收卷机上收卷成高质量的膜卷。收卷过程中， 可设定薄膜收卷直径和收卷长度，到达设定值时，发出信号，实现自动翻卷换卷。 流涎薄膜收卷机组的收卷装置可实现两种收卷方式，一种是中心收卷，另一种 是摩擦收卷。中心收卷是以收卷轴为主动轴，收卷电机直接驱动，采用力矩控制或 是在有滑差的速度控制方式下将薄膜材料收卷到收卷轴上；适用于较薄的，厚度误 差较大的塑料材料。摩擦收卷是用一大直径的摩擦辊为主动辊，收卷轴被动地紧贴 在该大直径的摩擦辊上，在摩擦力的作用下将薄膜材料收卷到收卷轴上；摩擦收卷 适用于摩擦系数较大的纸张等材料的收卷。 在流涎薄膜的收卷机组中，为了实现换卷，需要有薄膜的移动装置，无论是在 人工换卷过程中，还是自动换卷过程中，都能起到防止薄膜被拉断和保证薄膜收卷 质量的作用。 8 硕士论文 流涎薄膜收卷机组的模块化和优化设计 2 2 2 流涎薄膜收卷机组的功能设计 流涎薄膜收卷机组的功能设计如图2 1 所示，主要实现牵引、分切、移动、收 卷和换卷功能。整个装置是连续加工运行的，由一系列的机架和辊轴组成。 牵引h 流涎薄膜冷却成型后，经牵引系统，完成收卷前的准备工作 切刀h对于宽幅薄膜分切、切边和流涎薄膜换卷时的切断膜卷 移动 工 收卷 在溥膜收卷中，随膜径的变化，移动装置中辊轴的位置 实现流涎薄膜的平稳收卷 换卷h实现流涎薄膜双工位a 、b 轴的换卷，提高生产效率 图2 1 流涎薄膜收卷机组的功能设计 2 2 3 收卷机组的总体方案 合作企业江苏省南通三信塑胶装备科技有限公司，要求生产一条流涎薄膜生产 线，机组的主要技术参数如表2 1 要求。 表2 。l南通三信一条c p p 生产线机组的技术参数 根据流涎薄膜收卷机组的需求分析和功能设计，同时考虑模块化设计的需要， 给出如图2 2 所示的流涎薄膜收卷机组总体方案，主要由牵引、移动和收卷三部分 组成。 牵引部分包括薄膜的输送、展平、张紧、分切以及动力，能在牵引动力下完成 牵引过程中流涎薄膜的展平和分切功能。主要的零部件有牵引辊、展平辊、张力辊、 导辊部件、切刀部件和牵引机架等。 移动部分包括移动驱动、靠辊机构、切断砍刀以及摆动部件等，实现装置的移 动功能。其中主要包括的零部件有靠辊机构、砍刀部件、砍刀摆板、移动机架和移 动驱动等装置。 收卷部分包括流涎薄膜的翻转换卷、收卷和驱动等。其中关键的零部件有气涨 轴、导辊部件、翻转和收卷机架、摩擦辊等。 9 2 流涎薄膜收卷机组的模块化设计 硕士论文 人 矧一髫 穆扣 、趟瓣* 图2 2 一条流涎薄膜c p p 收卷机组的总装图 2 3 流涎薄膜收卷机组的模块划分 收卷机组的总体功能设计完成对系统的概要设计，再对机组按照功能设计进行 模块划分，为后续收卷机组各模块的设计做好基础工作。 关于模块的划分，需要对各模块的接口进行合理设计。定义有多个规格且容易 损坏，可选用的模块为通用模块；对少数尺寸可调，变化不大的模块为固定模块【2 0 1 。 通过对模块的设计，根据需要选用合适的通用模块和组合固定模块，实现快速生产。 基于对流涎薄膜收卷机组的总体设计，对其进行模块划分，如图2 3 。 图2 3 流涎薄膜收卷机组的模块划分 为了实现流涎薄膜收卷机组的模块划分，对于牵引、移动和收卷三大块中的六 个主要装置，收卷机组参数变化时，分切装置、切断装置、换卷装置只要调整轴向 尺寸就可满足要求，不论是内部结构、连接接口，还是结构参数都可以设计成固定 l o 纂霉 硕士论文 流涎薄膜收卷机组的模块化和优化设计 值，在进行收卷机组设计时可直接选用。因此本次设计中将这三个模块设计成固定 模块。而牵引装置、移动装置、收卷装置随着收卷机组参数变化，其结构形式可以 不变，但结构参数、接口尺寸等都要变化，以适应收卷张力、收卷速度、膜卷直径 等对收卷机组的要求。所以牵引装置、移动装置、收卷装置三个模块需要根据具体 情况进行模块设计和接口设计。 其中影响收卷机组模块化设计的的主要参数有：薄膜宽度，它直接决定收卷机 组的宽度，影响机组中各种辊的长度；收卷速度，它直接决定各种辊的直径、动力 以及传动装置的设计；收卷张力，它也将影响动力以及传动装置的设计。动力以及 传动装置的设计还与运动部件的惯量、各种摩擦阻力有关，因此根据模块化设计的 特点，将其设计为标准模块，以满足收卷机组的个性化需求。 在收卷机组模块化设计时主要需要解决的问题就是根据薄膜宽度、收卷速度设 计各种辊机构的长度尺寸、径向尺寸以及接口参数。同时收卷速度与带轮直径、辊 直径、电机转速等有关。为了满足不同膜的收卷速度，只要通过调整其中一个参数， 就可以达到要求。通过电机的选择，调整转速实现从带轮传动到装置中辊对薄膜不 同的收卷速度要求，从而简化设计。 因此在收卷机组的牵引装置、移动装置、收卷装置三个基础模块进行设计时的 主要任务就是根据薄膜宽度尺寸确定模块中辊的直径、长度、辊与轴承的连接尺寸、 轴承座及安装尺寸。在满足薄膜机组的牵引、移动和收卷的整体功能，对构成总体 设备的牵引、移动、收卷三个基础模块中相关辊和轴提出技术要求，合理配置参数 实现模块无差别装配。在模块中建立关键参数描述零部件的外型几何和装配要求， 根据流涎薄膜生产线的不同，一些尺寸参数改变，而基本机构相似，进行适当修改 即能派生出新的模块。 2 4 收卷机组的模块设计 通过对流涎薄膜收卷机组的总体设计和模块划分，这节主要对机组各模块进行 具体设计，完成零部件的详细设计。 2 4 1 牵引装置的模块设计 图2 4 是对牵引装置的模块化设计，包括牵引机架、牵引辊、压辊机构、张力 辊、展平辊、电机架和导辊部件。通过对牵引机构的分析，其中的牵引辊、张力辊、 展平辊和导辊可做成通用模块；压辊机构结构确定，也做成通用模块，根据压辊长 度需要进行调整：牵引机架和电机架采用固定模块。 对固定模块进行设计，机架结构可分为电机安装板、连接板和加强筋。 2 流涎薄膜收卷机组的模块化设计 硕士论文 图2 - 4 牵引装置的模块化设计 2 4 1 1 牵引辊模块设计 牵引辊在流涎薄膜运行方向上牵引薄膜；张力辊通过辊两端安装的张力传感器， 实时检测牵引过程中的牵引薄膜张力，保证流涎薄膜受力均匀。提供给牵引辊动力 的装置是电机，通过两个同步带轮和轴承的传动将动力传递给牵引辊，从而牵引流 涎薄膜。流涎薄膜上的牵引速度，与牵引辊两端的带轮和牵引电机有关，牵引辊直 径决定与其装配的带轮直径。为了满足不同流涎薄膜的收卷速度，牵引速度的调整 通过牵引电机的参数变化达到要求，从而简化设计和提高效率。由电机确定辊和轴 的传动比，根据最大的工作动力和合适的传动比进行流涎薄膜的牵引。 7 ： 】10 一螺钌2 ，9 一蛰稿3 g 一键4 7 一带绘5 一牵5 l 铌辊 6 一铸承l 卜墙板 图2 5 牵引辊模块设计 图2 5 是对牵引辊的模块设计，图中用淡线条画出了牵引机架的左右墙板，表 明牵引辊的装配位置和装配尺寸，左右分布的带轮是牵引辊的传动装置，连接着牵 引辊的动力系统。采用带传动，主要是结构简单，传动平稳，能缓冲吸振，对于流 涎薄膜这种对受力敏感的材料是最合适的。对传动系统采用的带轮简单说明其符号 表示的含义，例如同步带轮4 0 x l 0 3 7 a f 中，第一个数字4 0 表示的是齿数，型号 1 2 硕士论文流涎薄膜收卷机组的模块化和优化设计 为x l ，所用代号0 3 7 通过0 3 7 宰2 5 4 = 9 4 咖计算得到带轮宽度，轮型代号为a f 。 辊和轴的直径由所选的电机决定，根据提供和选用的电机特性和电机容量，采 用下列公式和步骤进行求解【2 1 1 。 d 辱 ( 2 1 ) 上式中的符号意义为：【o 1 】为许用弯曲应力值，单位为m p a ；折算系数a ，一 般取0 【0 6 ：m 和t 分别是弯矩和扭矩，p 和n 分别为功率和转速。 根据选用的电机，按照辊和轴所受的工作扭矩估算轴径，作为辊和轴的最小轴 径“i n 。有配合要求的辊和轴上的零件，要便于装拆，尽量采用标准直径。对于要 安装标准件如轴承的辊轴直径一般采用圆整的方式，取数字5 的倍数，且要满足装 配尺寸的要求。 辊和轴的结构设计，运用经验公式d d = ( o 3 o - 3 5 ) a ，a 为中心距【2 2 1 。根据辊和轴 上的零件分布，以及安装和定位的需要，初定辊轴的直径和长度，其中轴颈和轴头 的结构尺寸应于辊轴上的相关零件的结构尺寸，联系起来统筹考虑安排。安装传动 系统如带轮的轴端处长度，应满足轴段长度= 带轮宽度2 咖。 再考虑键槽对辊和轴有削弱的影响，要对轴径进行修正，一般对于轴径d l o o n h n ，有个键槽d 要增大3 ；轴径d 1 0 0 i i u n 时，开一个键槽的轴径d 增大 5 7 。 基于对流涎薄膜的幅宽不同进行划分完成模块设计，实现薄膜牵引功能的牵引 辊参数如表2 2 所示。 表2 2不同幅宽的c p p 牵引辊尺寸和装配参数( 恤m ) 以流涎聚丙烯c p p 幅宽值作为模块依据进行设计，通过分析给出牵引辊的直 径、轴长和总长，和装配的轴承以及传动的带轮。牵引辊和流涎薄膜有一定的接触 表面，因此对于辊面要求镀硬铬处理，使辊面具有一定的硬度和耐磨性。对于镀铬 后再进行抛光处理，表面粗糙度要求为1 6 。同时流涎薄膜的幅宽最大达到4 m ，对 于如此宽幅的薄膜，生产装置牵引辊要求校动平衡，动平衡精度等级为g 6 3 ；且对 于牵引辊两端有形位公差的要求。 2 流涎薄膜收卷机组的模块化设计硕士论文 2 4 1 2 张力辊模块设计 由于流涎薄膜是宽幅的，张力辊面临的问题是振动和不稳定。在张力辊中由于 机械间隙的存在，如齿轮传动间隙、联轴器间隙和减速机间隙等，会在膜辊运行过 程中产生周期性的振动。由于流涎薄膜材料的特性，当幅状薄膜进出张力辊的力矩 差，大于张力辊和薄膜包角产生的摩擦力矩时，流涎薄膜会在张力辊上发生滑动摩 擦，即发生打滑现象瞄j 。 l ，2 和一鳞钉 ；一国定块4 一轴承5 张力辊7 一张力倍感嚣8 一张力锟艇支撑 图2 - 6 张力辊模块设计 设计的张力辊模块如图2 6 所示。由于流涎薄膜要求两端平整，图2 6 中的张 力辊左右两端对称，通过固定块和张力辊辅支撑将张力传感器安装在辊两端，对流 涎薄膜收卷时作用在薄膜上的收卷张力进行检测。为保证检测薄膜张力值的准确度， 对于张力传感器要求在用于收卷机组使用前，在高于最大流涎薄膜生产速度的情况 下进行动平衡处理。由于收卷张力对薄膜的收卷质量影响大，在第四章中有对基于 模块化设计的收卷张力的优化设计。 c p p 不同幅宽的张力辊模块设计中的尺寸和装配参数如表2 3 。 表2 3 不同幅宽的c p p 张力辊模块的尺寸和装配参数( 吼) 张力辊的模块设计中，张力辊是一个装配体，由张力辊本体、轴头和端盖过盈 配合组成，从而实现精确感应其上薄膜的张力变化。张力辊本体的表面要求氧化处 理，光滑平整，表面粗糙度要求为o 8 。同样由于是宽幅，张力辊设备进行动平衡处 理，精度等级为g 6 3 ；使用材料4 5 ；且有形位公差要求。张力辊两端连接轴承处的 轴端表面粗糙度要求为1 6 。 。 1 4 硕士论文 流涎薄膜收卷机组的模块化和优化设计 2 4 1 3 展平辊模块设计 通过对展平辊一端施加作用力，使辊产生一定的弧度，随着流涎薄膜的生产运 行，展平辊对薄膜实现横向地拉伸，对牵引过程中和分切后的薄膜进行展平，消除 生产过程中由牵引拉力作用产生的薄膜宽度上的褶皱。 卜手轮 2 一螺母3 一蜗枵 4 一嗣益 j 一键 l ；一蜗轮履上盖7 一段平税拳体 笤一蜗雪台 9 一蜗轮廛下盖 l0 。l3 ，t j 一螺钉 t l 一支撑套 l2 一霉宅条 ：4 一乏聚 图2 7 展平辊模块设计 展平辊模块的设计如图2 7 。展平辊装置一端通过支撑套、固定架和支架固定 安装在相应的墙板位置上，另一端采用蜗轮蜗杆传动，实现对辊作用力的施加。通 过其上连接的手轮，通过转动的角度，调整改变展平辊的弧度，从而实现对薄膜不 同材料的展平。展平辊就是一个通用模块，只要配置相关的展平辊座即可与牵引墙 板实现快速安装，具体的设计和装配参数如表2 4 所示。 表2 4 不同幅宽的c p p 展平辊的尺寸和装配参数( m m ) 展平辊本体的表面光滑平整，表面材料采用三元乙丙橡胶层，v 型带轮与胶层 连接；技术要求展平辊定位准确和转动灵活；且两端分别连接蜗轮和支撑套，接触 表面粗糙度要求为1 6 。流涎薄膜生产过程中施加的作用力，使展平辊产生的一个最 大弧形高。流涎薄膜在进入和离开展平辊，在辊面上形成一定的包角。展平辊是挠 度可调的构件，无论挠度为何值，展平辊的轴线都在一个平面内。当流涎薄膜通过 展平辊时，保持其弧形固定不动，而辊面在摩擦力的作用下随薄膜的运动而转动将 薄膜展平。由于展平辊对流涎薄膜的作用明显，在第三章将对薄膜展平具体分析， 并进行优化设计。 2 4 1 4 导辊模块设计 导辊的作用是改变薄膜的运行方向，和合理布置流涎薄膜在各个辊和轴上的接 触角度。 2 流涎薄膜收卷机组的模块化设计 硕士论文 l ，6 一定垃套2 ，9 一螺钉 5 一孑乙用弹， 兰挡圈了一键 3 一釉承 4 一导向辊 8 一垫圈 l0 一传动带轮 图2 8 导辊的模块设计 图2 8 是对于导辊的模块设计，其中具体的参数如表2 5 所示。 表2 5 不同幅宽的c p p 导辊的尺寸和装配参数( m m ) 导辊的表面经氧化处理后，要求光滑平整和不得有明显缺陷；技术要求为定位 准确和安装灵活，从而实现导辊的无差别装配。材料使用铝合金，由于轴长较长的 缘故，要求动平衡精度g 6 3 ，中间与流涎薄膜接触的轴径分别为m l o o 、1 2 0 和1 4 0 l l 】i i l 的辊面粗糙度要求1 6 ，且有形状公差和形位公差的加工要求。 2 4 1 5 橡胶辊模块设计 橡胶辊，也称压辊或靠辊，是在流涎薄膜收卷机的膜卷前面安装一个可以改变 位置的辊，主要作用是将薄膜压靠在收卷轴上，将薄膜平整迅速地收卷到收卷轴的 卷芯上，实现高速高效的收卷1 2 4 】。由于流涎薄膜是在橡胶辊和收卷轴之间被收卷的， 故橡胶辊还有一个作用，对收卷轴产生一定的压力。这个由橡胶辊产生的压力能排 除收卷过程中流涎薄膜与收卷轴间的空气，使收卷轴上的膜卷紧致不变松。 图2 9 橡胶辊的模块设计 图2 9 是橡胶辊的模块设计，由图得知，橡胶辊的传动依靠左右两端的气缸实 现。橡胶辊是辅助装置且收卷轴采用气涨轴，采用气缸传动方便实惠。橡胶辊模块 1 6 硕士论文 流涎薄膜收卷机组的模块化和优化设计 中的尺寸和装配参数如表2 6 。 表2 6 不同幅宽的c p p 橡胶辊模块的尺寸和装配参数表( ，们哪) 橡胶辊模块同样要求校动平衡，精度等级为g 6 3 ，且有定位公差的加工要求。 辊两端的气缸安装在移动机构的墙板上，通过墙板两个预留孔，在空间位置根据x 轴和y 轴的相对距离确定橡胶辊模块的装配和安装。 模块中的橡胶辊主体是由橡胶辊本体、芯轴、轴承和挡圈组成，其中芯轴与本 体为焊接件，要求焊接可靠和焊缝平整。橡胶辊本体为三层结构，最里面的是端盖， 采用材料4 5 ；中间层是简体，材料q 2 3 5 a ；最外面的包层是橡胶，表层要求涂三元 乙丙胶层，硬度保证在5 5 6 0 间。芯轴材料为4 5 ，调质处理；由于芯轴两端有装配 要求，故表面粗糙度为1 6 。挡圈材料也采用4 5 ，发黑处理。 2 4 2 分切装置的模块设计 流涎薄膜经过分切后进入收卷，实现流涎薄膜的切边和宽幅分切的分切装置， 主要包括切刀部件、固定杆和两端的固定架，如图2 1 0 。切刀部件可做成固定模块， 根据需要所用合适的数目，实现快速有效的薄膜生产。 图2 1 0 分切装置的模块设计 如图2 1 l 所示，右边是一条实际生产线的分切装置，左边是分切装置中切刀部 件的三维图。根据用户需要的流涎薄膜宽度进行分切，并对生产过程中两端的不合 格薄膜切边处理，增加和减少分切部件的数