（森林工程专业论文）水溶性复膜机压合控制系统的研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的学位( 毕业) 论文，是本人在指导教师的指导下独立 完成的研究成果，并且是自己撰写的。尽我所知，除了文中作了标注和致谢中 已作了答谢的地方外，论文中不包含其他人发表或撰写过的研究成果。与我一 同对本研究做出贡献的同志，都在论文中作了明确的说明并表示了谢意，如被 查有侵犯他人知识产权的行为，由本人承担应有的责任。 学位c 毕业，论文作者亲笔签名：毵鸟红嗍如、彳 论文使用授权的说明 本人完全了解福建农林大学有关保留、使用学位( 毕业) 论文的规定，即学 校有权送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公稚论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密，在 年后解密可适用本授权书。口 不保密，本论文属于不保密。 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名：童牟, p - 兹札 f 1 期：。g 。、 “ l ， 指导教师亲笔签名 嘭 f i 期：k a6 6 f 镉建农林大学2 0 0 6 届顶十学位论文 水溶性复膜机压合控制系统的研究 摘要：本文以s f 9 5 0 水溶性复膜机为研究对象，对复膜压力、复膜压力的表示方 法以及影响复膜压力的主要因素进行了理论分析。通过复膜压合试验，得到了线压 力在5 0 0 n m 左右时为最佳压合力范围。在充分分析了复膜机的结构及工艺原理后， 着重讨论了复膜机压合机构的调节原理，在现有复膜机压合机构的基础上，改进了 以偏心凸轮为基础的复膜机压力调节机构，设计出由蜗轮蜗杆、丝杠螺母传动机构 组成的压合调节机构，提高了压力调节精度，同时也满足压合同步调节的要求，达 到了压力调节的均匀性、稳定性要求。综合运用机械、电子、计算机等学科知识， 应用传感器技术，通过单片机控制步进电机实现了复膜压力的在线检测、显示与控 制，使操作人员能比较明了地了解复膜压合状况，基本实现了复膜压力的机电一体 化控制，提高了自动化程度。 基于机电一体化技术的压合机构控制系统的应用有效地解决了水溶性复膜机 研制过程中的关键技术问题一复膜压力精确调整实现以先进的科技手段解决关键 性的技术问题，为水溶性复膜机的广泛推广奠定了基础，增强了水溶性复膜机的市 场竞争能力，能在产业化、系列化生产中收到很好的社会效益和经济效益。 关键词：水溶性复膜机；复膜压力；单片机：步进电机 中图分类号：t s 8 0 3文献标识码：a 水螽= 性复膜甘”k 含控制系统的研究 c o n t r o ls y s t e mr e s e a r c ho fp r e s sm e c h a n i s mo n w a t e r s o l u b l ef i l m i n gm a c h i n e a b s t r a c t ：t h i sa r t i c l et a k es f 9 5 0w a t e r s o l u b l ef i l m i n gm a c h i n ea sr e s e a r c h o b j e c t ，t h e o r e t i c a la n de x p e r i e n t i a li n v e s t i g a t i o no nf i l m i n gp r e s sa r ec o n d u c t e di n t h i st h e s i s w ea l s od i da n e x p e r i m e n t o nt h ep r e s s ，g e t t i n gt h eb e s t s c o p e o f 5 0 0 n m a f t e ra n a l y z i n gt or e p l yt h ec o n s t r u c t i o ns p o r to fw a t e r s o l u b l ef i l m i n g ， e m p h a s i z e dt od i s c u s st op r e s sm e c h a n i s mo fw a t e r s o l u b l ef i l m i n gm a c h i n e o nt h e b a s i so f o r i g i n a lp r e s sm e c h a n i s m ，i m p r o v i n g t h e p r e s sm e c h a n i s mo ft h e c a m m e c h a n i s mo fr e g u l a t i n g t h en e wp r e s sm e c h a n i s mw a sd e s i g n e db a s e do nt h ew o r m a n ds c i c w i ti m p r o v e dt h ea c c u r a c yo fr e g u l a t i n ga n ds o l v e dt h ei m p o r t a n tt e c h n i c a l p r o b l e m si nt e r mo fs y n c h r o n a lr e g u l a t i n g i nt h i st h e s i s ，t h ec o n t r o ls y s t e mo fp r e s s m e c h a n i s ma r ed e s i g n e da n da n a l y z e dw i t hs c mt e c h n o l o g yb a s e do nt h em a c h i n ea n d e l e c t r o n i c sc o u r s ek n o w l e d g et os o l v ec o n t r o la n dd i s p l a yp r o b l e m s i tr e a l i z e d m e c h a t r o n i c sc o n t r o lo ft h ep r e s sm e c h a n i s ma n di m p r o v e da u t o m a t i o nd e g r e e o nt h eb a s eo ft h e o r e t i c a ld e s i g na n da n a l y s i s ，t h ew o r k i n gs t a t eo fw a t e r s o l u b l e f i l m i n gm a c h i n ea n di t sl a m i n a t i n gs y s t e ma r et e s t e dt h r o u g ht h ee q u i p m e n ta p p l i e dt o d os e r i a le x p e r i m e n t t h er e s u l t so ft h e o r e t i c a ld e s i g na n da n a l y s i sa r ep r o v e dc o r r e c t a n dp r a c t i c a l ，s o m en e wp r o b l e m sa p p e a r m e a n w h i l e ，t h ec r u s h i n ge f f e c ta n ds a v i n g e n e r g yo ft h ee q u i p m e n tw o r k i n gi np r o c e s so fg r i n d i n gi r o n s t o n ea r er e s e a r c h e d ，a l l t h e s el a yaf o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rs t u d yo ft h et e c h n o l o g y k e yw o r d s ：w a t e r s o l u b l ef i l m i n g ：f i l m i n gp r e s s ；m i c r o c o n t r o l l e r ；s t e p p i n gm o t o r c l ct l u m b e r ：t s 8 0 3d o c u l n c n tc o d e ：a 福建农林太学2 0 0 6 届硕士学位论文 1前言 1 ，1 水溶 生复膜机简介 复膜就是将塑料薄膜涂上黏合剂，与纸印刷品经加热、加压后使之黏合在一起， 形成纸塑合一产品的加工技术。复膜机是根据复膜工艺将塑料薄膜覆盖于以纸张为 载体的复膜品表面，使之粘合在一起，形成纸塑合一的印后表面整饰加工机械1 1 1 。 通过纸张复膜技术达到对印品载体美化、保护、保存的效果，使纸张复膜加工 技术得以广泛应用于书籍封面、杂志、挂历、地图等传统印刷品的印后加工1 2 l 。 复膜加工技术诞生于上世纪5 0 年代，最早用于美国陆军。我国从上世纪6 0 年代中期开始将复膜技术用于书籍封面、精细画册、高级礼品盒等印后表面的再加 工，当时采用手工裱胶的简陋设备【引。进入8 0 年代，随着改革开放的深入，高分 子化学工业的发展，塑料薄膜、粘合剂的生产技术水平有了极大地提高，尤其是塑 料薄膜复合技术及机械的大量引进、消化、吸收，使我国的复膜工艺及机械有了突 飞猛进的发展1 4 j 。 9 0 年代中期，国内的复膜机只有油性复膜机，它使用的黏合剂内含甲苯、丙 酮等易挥发的有机物质，对人体有一定伤害，并污染环境。复膜时还需烘干及施加 高压，所以功耗大、效率低、危险系数高【5 1 。随着绿色环保呼声的日益高涨，9 0 年代后期，水性复膜开始得到人们的重视。 水性复膜所用的黏合剂为水溶性环保型黏合剂，无毒、无味。复膜时也无须加 热和施加高压工序，因而水性复膜大大减少了纸塑复合的工艺流程；由于水性胶黏 剂可溶解复膜品表面的喷粉，所以，水性复膜产品具有高亮度、高品位、易回收、 无污染、节能等特点【6 】。 水性复膜最大的特点是在湿的状态下复膜，不需加热烘干，压合时辊压低，复 膜后自然晾干。水性复膜纸层、膜层和胶层在合压辊下的微观状态如图1 1 所示。 图1 1 水性复膜微观状态 f i g ur e l - 1 t h em i c r o g r a mo f w a t e r s o l u b l ef i l m i n g 3 一 膜层 胶层 纸层 水溶硅复膜机压台控制系统的研究 在复膜过程中，涂胶膜经过压力辊粘合在复膜制品上，由于水基胶含固5 5 ， 粘度为8 0 0 1 0 0 0 c p s ，流动性较有机溶剂胶好，在压合时，无任何溶剂挥发，对 人体无毒，具有环保效果，湿态的水性胶在润湿薄膜和复膜纸张的同时，还能在薄 膜和复膜纸张的界面扩散、流动、渗透，填补纸张缺陷及复膜过程中喷粉造成的复 膜品表面的凸凹不平。胶中水分被纸张吸收后，水性胶在薄膜和复膜品之间形成一 层均匀致密的胶膜，使复膜制品表面平整度、透明度、光泽度远远高于采用溶剂型 胶粘剂的复膜制品【7 j 。 上世纪8 0 年代初我国自行设计了第一代复膜机，仅仅在短短的二十几年问， 经过不断地更新换代，至目前为止，已发展到第二代第三代多品种、多系列、多规 格的二十几种复膜机产品i s 】。但是就e l 前国内复膜机市场来说，大多数复膜机仍然 采用有机溶剂胶复膜机进行复膜，由此技术特性产生以下问题： 1 ) 复膜过程产生大量高浓度、有毒、有刺激性气味的有机溶剂气体( 甲苯、 丙酮等) ，不仅对操作人员的身心健康造成严重的损害，而且对周围环境产生严重 的污染，每消耗1 吨胶就消耗甲苯1 2 吨左右。 2 ) 复膜过程上胶走膜烘干温度要求6 0 6 5 ，热压成型温度要求1 1 0 1 2 0 ，复膜过程消耗了大量的能源。 3 ) 复膜过程易燃易爆，其贮存、运输、复膜生产均存在火灾隐患。 随着绿色环保呼声日益高涨，目前发达国家政府纷纷采取相应的措施，限制有 机溶剂胶复膜制品的使用和改善复膜制品的回收处理。研制环保节能型复膜机势在 必行。 影响环保、节能型复膜机发展的因素主要有工艺和设备两方面。在复膜工艺上， 在上世纪9 0 年代初期，国外研制出不含有机溶剂、无毒、无污染水基纸塑复合黏 结剂【8j ，我国经过这几年的努力，也相继研制出无毒、无污染的水基纸塑复合胶( 例 如b s t - 7 水基纸塑复合胶) 。这为环保节能型复膜机的开发提供了重要的技术依据 和工艺基础。在设备上由于水基胶复合工艺不同于有机溶剂胶复合工艺，其水溶性 胶粘度低、涂斫i 层厚、压合压力低，无需涂撕i 走膜烘干和加热压合工序，使原有的 技术特性无法适用于水基胶复合技术特性，因此国内外都在加紧研制开发一种新型 的、适用这种水基胶复合技术的复膜机替代有机溶剂胶复膜机。 s f 9 5 0 垂! 水溶性复膜机是2 0 0 2 年省科技厅立项的省重点科技计划项目，该机采 用先进水基胶复合技术，在现有先进的复合机技术基础上，经过分析、研究丌发出 来f 门，具有无毒、尢污染、无烘f 、无热压工序的环保节能型复膜机。 福建农林大学2 0 0 6 届硕士学位论文 s f 9 5 0 型水溶性复膜机上胶走膜无需烘干、压合成型无需加热；上胶涂布系统 采用水平计量辊筒挤压式涂布及精细涂布计量调节机构，实现水基胶涂布适应性、 均匀性和稳定性，达到计量调整精度o 0 1 m m ：压合系统采用双辊同步压合形式及 偏心凸轮摇杆压力调节机构，实现复合压力均匀性、稳定性及最佳压合力范围，达 到复膜制品疵斑点率 1 8 ，剥离强度符合j b t 5 4 2 2 - - 9 1 纸张复膜机标准要 求：优化涂布系统、导膜纠偏系统、压合系统等，可完全消除印刷喷粉所造成的斑 点以及复合所产生的卷边，其复膜表面平整度、透明度均可超过有机溶剂复膜机的 复膜质量：采用导膜纠偏系统，达到基材传送偏差 l m m 。 s f 9 5 0 水溶性复膜机由放卷系统、输纸系统、上胶涂布系统、压合系统、收卷 系统组成。其工作原理如图1 2 所示。复膜机卷筒薄膜由放卷系统放卷、切膜机构 切除薄膜多余边宽，经张紧展平导膜机构展平后，进入上胶涂布系统进行薄膜上胶、 匀胶及涂布。上胶的薄膜经弧形展膜纠偏机构展平纠偏后，进入压合系统，与此同 时，纸张印品通过输纸系统，也进入压台系统与上胶薄膜共同压合成型。最后由收 卷系统收卷复膜制品，经熟化定型【1 1 。 6 5 4321 1 收卷系统 2 放卷系统3 上胶辊简4 上胶胶辊 5 压合铁辊6 导膜机构7 压台胶辊 图1 2 复膜机工作原理 f i g ur e1 2 t h ef i l mm a c h i n es y s t e m 1 2 压台系统的结构特点 复膜机构在工作过程中，必须有离压、合压两个工作状态。当复膜制品进入辊 简叫。辊简应能相互滚压，即进入j 压合复膜状态，而当复膜制品停止供给或有其他 水溶性复膜机压台控制系统的研究 需要时，滚筒应能及时脱开( 互不接触) ，即进入离压状态。 复膜必须在一定的压力下进行。适当大小的复膜压力是依靠调节两滚筒中心距 来获得的。压合机构应能保证合压时压力均匀、稳定，实现不同涂布量的最佳压合 力范围。压力调节机构应当便于操作控制，调节灵敏度和精度要高。 s f 9 5 0 环保节能型水性复膜机压合系统的压合方式采用双辊简同步压合方式 进行压合；压合调整机构采用偏心凸轮螺杆滑块压力调节机构，如图1 3 所示。 调整两端的升降螺套和两滑座位置，使两辊筒母线平行度一致、间隙一致。压力大 小可通过双摇杆机构精细调整转动中心轴，使两端偏心凸轮旋转同一角度，从而保 证了压合胶辊与压合铁辊的线压力均匀一致。在偏心凸轮的作用下，两端调节座可 同时抬升或下降，从而实现两辊简间的不同压力的精细调整【1 1 。 1 升降螺套2 调节痤3 偏心凸轮4 中心轴5 滑座 图1 3 压台机构 1 3 压合系统的研究现状及存在的问题 长期以来，复膜机以其结构简单紧凑，功耗低，速度快等优点而同益得到广泛 的应用。世界发达国家，如f l 本、英固、瑞士等酬家一已经形成复腆机系列化乍产。 我国复膜机制造技术起步于上世纪8 0 年代初期，国内的几大复膜机生产厂商所生产 的复膜设备，一般仍然依赖国外生产的复膜设备或其仿制品1 9 - t0 】。 根据传动方式的不同，各国相继研制出各种不同的复膜机压合调整机构。卜要 有液压差动顶杆调节机构、滑块离压顶杆机构，以及偏心凸轮调节机构等。其t 要 福建农林大学2 0 0 6 届硕士学位论文 功能是调节两辊筒中心距以实现复膜过程中两辊筒同步压合，进入压合复膜状态。 日本富士塑料制品机械制作株式会社研制的l w f c 一3 型复膜机，代表了同本 先进水平和世界先进水平，其压合调节系统采用液压差动顶杆调节机构。 英国e u r o b o n d 股份有限公司研制的e u r o b o n d3 2 0 0 a l s 水溶性复膜机， 是上世纪9 0 年代中期研制的复膜机产品，该机功能齐全、自动化程度高，其压合 调节系统采用滑块离压顶杆机构。 温州市瓯海光明印刷机械厂研制的s r f m 9 0 0 型水溶性复膜机产品，该机是 2 0 0 2 年仿制英国e u r o b o n d 复膜机产品，其压合调节系统同样采用滑块离压项 杆机构。 从国内的几大复膜机生产厂商( 如汕头金兰包装机械厂，天津轻工机械厂) 所生 产的复膜设备来看，各大企业对复膜压合系统大抵也是采用上述两种压合调节机 构，其压合系统仅限于压合调节形式的改进上，仍停留在传统的结构和控制方式上。 复膜机复膜压力的调节主要是由人工操作完成的。根据上胶涂布量大小、纸张厚度、 复膜速度、压合效果等复膜经验来判断，并加以凋整，直接影响到产品质量及其稳 定性和生产效率。 在传统的手动控制中，只能对压力进行简单的控制，而不能进行精确的动、 静态补偿，在一些运行速度较低且压力精度不高的场合，可达到要求。但现在，大 多数工艺过程为了提高产量和成品率，越来越追求速度和精度的不断提高，这就要 求在动、静态均保持复膜压力精确。传统的手工压力调节很难达到这些要求，这就 需要在压力调节中实现数字化控制。可以方便地对复膜压力进行控制和调节，达到 生产工艺的要求，提高生产效率，不断满足现代生产高速化、精确化的需要。 1 4 本课题研究的内容 基于目前水溶性复膜机压合系统的现状，本课题研究的关键在于复膜压合调节 机构的机械改造与基于单片机技术的压合调节控制。本文以s f 9 5 0 水溶性复膜机 为研究对象，对复膜压力的表示方法、影响复膜压力的主要因素进行了理论分析， 并在现有水溶性复膜机上，测试复膜胶辊压缩变形量与线压力的对应关系，通过复 膜压合试验，确定最佳压合力范围，并在充分分析了复膜机的结构运动后，着匝讨 论了复膜机的压台机构的调节原理，在现有复膜机压合机构的基础上，改进了以偏 心凸轮为基础的复膜机压力调节机构，设计由蜗轮蜗杆、丝杠螺母传动机构组成的 调节机构，提高了压力调节精度，同时也满足压合同步调节的要求，达到了压力渊 节的均匀性。综合运用机械、电子、计算机等学科知u ，应用传感器技术，通过单 7 一 水溶性复膜机压合控制系统的研究 片机控制步进电机实现了复膜压力的在线检测、显示与控制。使操作人员能比较明 了的了解复膜状况，基本实现了复膜压力的机电一体化控制，提高了自动化程度。 1 5 本课题研究的意义 由于数字化调压系统的优点及广阔的发展前景，本课题在复膜机的调压控制系 统中引进机电一体化技术，符合当前复膜机机电体化的发展趋势。 本课题的研究推动了环保节能型复膜机产业化、系列化发展进程。基于机电一 体化技术的压合机构控制系统的应用有效地解决了环保节能型复膜机研制过程中 的关键技术问题一复膜压力调整，实现以先进的科技手段解决关键性的技术问题， 为环保节能型复膜机的广泛推广奠定基础，增强环保节能型复膜机的市场竞争能 力，能在产业化、系列化生产中收到很好的社会效益和经济效益。 福建农林大学2 0 0 6 届硕士学位论文 2 复膜压力分析 复合压力是指利用塑料薄膜上涂有的水溶性胶，使复膜品与塑料薄膜粘合所需 的压力，而这种压力是由复膜机的复膜压合机构产生的，故也称压合压力。复膜压 力是复膜机设计的一个基本参数，也是控制复膜质量的重要因素之一。 在复膜过程中复膜压力对复膜表面质量及复合剥离强度是至关重要的。为了进 行良好的复膜，施加适当压力是不可缺少的因素。从保证复膜质量，提高压合机构 耐用性以及延长复膜机寿命的角度看，非常需要施加适当的复膜压力。施加的复膜 压力，其大小取决于一系列的因素，它与纸张厚度、复膜速度、胶水性质、上胶涂 布量等有关。 最佳的压力应当是施加的最小压力，即一方面具备完成复膜的条件，另一方面 又使压合机构的变形最小。复膜压力太小会出现斑点、气泡，会造成粘胶剂不能有 效均匀地渗透至纸基纤维中去，剥离强度低。复膜压力太大，将造成复膜制品皱折， 把复膜品边缘处的胶水挤出，导致复膜品边缘出现流痕，同时也会使复膜辊简产生 过大的应力或变形，影响有关零件的工作和寿命1 1 】。因此，精确地确定复膜压力， 对于复膜工艺过程非常重要。但是，迄今为止大部分复膜厂还在采用凭经验调试的 方法来确定复膜压力，即一面目测复膜质量，一面调节复膜压力，此种方法既占用 生产时间，又缺乏定量的科学标准，在很大程度上取决于操作者的技术水平。为了 改变这种状况，应该尽量做到工艺参数数据化，即按照复膜制品的要求给出合理的 复膜压力规范。这不仅有利于提高产品质量，节约生产时问，而且为复膜生产自动 化创造了条件。 2 1 复膜压力的表示方法 根据水溶性复膜机复膜压合的工艺特点，复膜压力的表示方法主要有三种： 1 ) 胶辊压缩变形量a 值用压缩量a 表示复膜压力比较直观，压缩量a 值的大 小在复膜机上，就是两压合辊筒的半径之合与两辊筒压合后的中心距离之差，如图 2 1 所示。 a = r + r 2 一爿一6f 2 1 1 其中：a 一压合胶辊与压合铁辊的实际中心距 r ，一压合铁辊的半径 r ，一压合胶辊的半径 6 一复膜纸张的厚度 水溶性复膜机挂含控制系统的研究 用压缩变形量a 表示复膜压力，在生产实践中应用比较广泛，但它没有反映出 实际压力的大小。 图2 - 1 压缩变形量 f i g u r e2 - 1t h * p i c s st r a n s f i g u i a t i o “ 图2 - 2 两辊筒间压力分布 f i g u r e2 - 2 t h ef i l mp r e s sd i s t r i b u t i n g 2 ) 比压p这是用单位面积上所受到的压力p 来表示复膜压力的大小。用 比压来表示复膜压力是比较科学的。但是，在复膜机上，两辊筒合压接触区宽度上 和长度方向上的压力是不均匀的，因此还必须研究两个方向上接触区压力分布的情 况，以便分析最大压力尸腑；和平均压力只，如图2 2 所示。 3 ) 线压力足这种方法是把两辊筒接触加压所需要的总压力( 即作用在轴承上 的压力) ，除以滚筒的有效长度，即得到单位长度上的平均压力。用这种方法得到 的压力不能确切地表示出接触区压力分布的情况1 1 4 - 1 8 1 。 虽然压缩量不能直接反映实际的复膜压力，但是它的数值在调整复膜机时比较 直观和易于掌握，因此生产现场广泛采用。关键问题是必须确定各种条件下每一压 缩量所对应的最大复膜压力，这样在复膜操作中就可根据合理的复膜压力找到相应 的压缩量，据此调整复膜机。在一定的条件下，压缩量按图2 1 原理计算，它是 用名义总距离减去实际距离所得到的数值。 2 2 复膜压力计算 薄膜部分的胶水必须在合适大小的复膜压力作用下才能使复膜表面质量提高 和复膜剥离强度增加。复膜压力的大小对复膜质量、复膜机结构、压合辊耐门! 力和 材料等有直接的影响。复膜压力过小，复膜制品图文不清晰：复膜压力过大，复膜 制品变形加剧，图文失真。 塑些坐竺查兰! 竺! 旦堕! ：兰堡堡苎一 复膜压力指的是粘合过程中压合胶辊在复膜制品表面上承受的压力，其方向 沿复膜面的法向指向复膜面。其大小通过调节滚筒中心距来调整复膜压力，因此可 用压合胶辊的压缩量来表示复膜压力。在静态条件下，接触宽度中点的复膜压力与 压合胶辊变形量的关系： 只：e ；e a ( 2 - 2 ) 。 6 式中：只一接触宽度中点的复膜压力； e 一压合胶辊的弹性模量： s 一压合胶辊相对压缩量： a 一压合胶辊绝对压缩量； 6 一胶辊包衬原始厚度。 分析两辊筒接触情况，如图2 3 所示。压合辊筒和压合铁辊半径各为r 。和r ：， 复膜压力为p ，在接触表面局部弹性变形生成了近似2 m 的长方形接触面积。根掘 赫兹理论可得到： 6 ；竺 正 式中：肛。、：为两材料的泊松比；e ，、e ：为材料的弹性模量。 矗 移 【 ，、d c 、l = d 瓠 彳 l 一 一 矗 mlk 山 基 山 ( 2 3 ) 图2 - 3 两接触辊简复膜压力 f i g u r e2 - 3 t h cf i l mp r e s so fr o l l e r 该面积上压力分稚不是均匀的，作用在接触面中线上的最大接触压力为甲均 压力的! 倍。根据材料力学可知压应力： 刀 水溶性复膜机压台控制系统的研究 盯： s 依据( 2 - 3 ) 和( 2 - 4 ) 得： 盯瑚x i ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 由( 2 - 2 ) 和( 2 5 ) 可以看出，作用在复膜制品上的最大压应力与6 以及压合胶辊 的材料性质有关。由弹性力学可知，复膜制品表面受到的压应力6 越大，压合胶辊 表面的应变越大1 1 9 1 。 2 3 复膜压力的影响因素 复膜压力的影响因素很多，其中比较主要的有： 1 ) 复膜制品的表面性质它主要反映在纸张的表面状态上。比较平滑的纸张如 铜版纸等所需的复膜压力较小，为保持复膜辊筒不变形可将复膜铁辊与复膜胶辊涮 的压力保持在最小允许值的最佳范围内。而比较租糙的纸张为了达到较好的复膜效 果可使复膜铁辊与复膜胶辊间的压力保持最佳状态而适当加大压合力。新闻纸、涂 料纸、仿铜版纸、胶版纸其纸张表面性质不同，复膜时所需压力也有不同。 2 ) 匀胶间隙涂布层的厚度直接影响粘合剂涂布量的多少，对纸塑复合b o p p 范膜和纸张复膜制品的粘合牢度有很大关系，在定范围内，可以说粘合度跟涂布 层厚度成正比例。因粘合剂用量过大，造成涂布层较厚，会出现两种问题：一是粘 合剂固化时的内聚应力相应的大，较大的内聚应力会使薄膜产生收缩。另一个是由 于粘合剂涂层厚，干燥时，内含的溶剂不能彻底挥发，残余量大，留在纸塑复合成 品的薄膜和复膜基质之间，既对胶层产生融蚀，又对薄膜产生溶胀。这两种问题的 存在，不可避免地破坏粘合强度，出现条纹或龟裂状的气泡，剥离强度降低。 。3 ) 复膜速度实践证明，复膜压力与复膜速度成j 下比关系。当复膜速度显著增 加时，复膜压力也需相应增加。这是因为当复膜速度提高时，复膜表面问接触的时 问也有所减少，必须使用较大的压力，使复膜面之间不完全接触的程度减少，便于 复膜胶水使塑料薄膜与复膜制品有效粘合。 近代高速复膜机的复膜压力一般比旧式机器高一些，因为高速复膜机除了速度 高、压合时间较短以外，它的辊筒半径较小，所以压合时的压合宽度畦三相应减少， 福建农林人学2 0 0 6 _ | ；i ；硕i ：学位论义 必须增大复膜压力，才不会影晌复膜质量。 4 ) 压合滑移分析理论上，如果压合铁辊和压合胶辊对滚的接触表面若属于无 滑动的相对滚动运动，则既能得到理想的复膜质量，复膜表面也不会产生磨损。但 实际复膜过程中，压合胶辊被压缩，压合铁辊表面与压合胶辊表面存在速度差，压 合胶辊相对压合铁辊有微量滑移，对复膜制品产生切向摩擦力。滚筒转速越高，薄 膜滑移量越大，复膜表面受到的摩擦力增大，压合铁辊的磨损也必将增大。分析复 膜过程中薄膜的滑移现象是研究复膜压力必不可少的因素之一。滑移分析【2 0j 如图 2 4 所示。 图2 4 速差分析 压合过程中压合胶辊受压变形，在压合胶辊接触弧面上取a 点，其速度为圪： 暇= 器一掣 矿一=cos(a,l+a2)=碉旧(ro-z+x) 式中：屹一a 点线速度； r 一滚筒节圆半径； z 一高于滚筒齿轮节圆的大小。 设滚筒转速m ，压合辊表面线速度屹，则 。；监：兰；l r o r dr o + z 1 3 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 水卉 f 性复膜机压合控制系统的研究 ( 2 8 ) 代入( 2 7 ) 式得： 矿，面r 面o - z 丽+ x 司 2 - 9 ) 此时压合胶辊对于复膜表面滑动的相对速度差： = 圪一一v 。( r 。- z + x 习一1 ) ( 2 - l 。) 从上式可以看出压力越大相对速度差亦大，这对复膜质量有较大的影响。 2 4 确定最佳压合力范围 对于压合铁辊与压合胶辊的线压力与它们之间的变形量的对应关系，经过测 试如表2 1 所示。测试条件：调整复膜机进入临界复膜状态，即此时压合胶辊与 压合铁辊之间的间隙为零。在合压复膜开始以后，压合胶辊的进给量就是压合胶辊 变形量的间接反映。压合铁辊直径d p l 0 0 m m ，长度9 8 0 m m ；压合胶辊直径0 1 0 0 m m ， 长度9 8 0 r a m ，压合胶辊表面材料为聚胺脂，径向厚度2 0 m m ，邵氏硬度为5 2 。 表2 - 1 压缩变形量与线压力对应关系 t a h i e2 一lt h ef c l a l i o no fp r e s st r a n s f i g ur a t i o na n d1 i n cd r c s s 压缩变形量 测量序号 压合线瓜力 n m 根据复膜压力影响因素，已知复合压力的大小直接影响复膜制品的疵斑点率 。诣m啪鬟埘伽雠曼；洲|姗至l o 0 0 o 0 o 0 o o 0 0 o 0 0 0 一 o 卫 石 舟 工 正 国 m o 洱 缶 浩 埘一 o o o 0 1 l 1 1 1 2 2 2 2 2 3 福建农林大学2 0 0 6 届硕i ：学位论文 和剥离强度，而疵斑点率和剥离强度又与上胶涂布量有关，为了确定最佳压合力范 围，进行了复膜压合实验。 复膜压合质量实验方法采用正交分级实验方法，实验材料：厚度为0 0 1 5 m m 、 宽度为3 0 0 m m 的b o p p 卷筒薄膜、b s t 一7 水基纸塑复合胶、1 2 0 9 m 2 的胶版纸和 铜版纸。实验条件：常温下以5 1 5 m m i n 压合速度进行复膜压合。复膜制品经自 然干燥后进行测试测试方法如下： 1 ) 剥离强度测试根据j b t 5 4 2 2 - - 9 1 要求，取复膜压合试样经熟化后，胶版 纸复膜品用手剥离塑料薄膜时，纸的表面纤维应破坏，并能转移到塑料薄膜上，对 铜版纸复膜品用手剥离塑料时，纸上的印刷油墨能转移到塑料薄膜上，记录数掘每 一试样，测5 个样品。 2 ) 疵斑点率测试取复膜压合试样为0 3 x 6 m 制品，将其划分为6 0 x 6 0 m m 方 格，疵斑点率p = r e x l 0 0 ，m 为有疵斑点总格数，n 为方格总格数。记录m 、n 数 n 据。每试样取3 个样品测试，取其疵斑点率平均值。正交实验结果如表2 2 所示。 表2 - 2 正交实验结果 t a b l e2 - 2t h er e s u l to fp c p c n d i c u l ar i i ye x p er i m e n 9 7 0 0 0 31 8 合格 沣：y 1 一复台堆力，y 2 一j ：胶涂布量 3 ) 结果分析根据y 1 、y 2 因素位极和求出剥离强度、疵斑点率极羞r ，结果 如表2 3 所示。 槠 梢 格 格 格 恪 格 斛 a u u u u a u a u 八 u 5 9 2 3 1 6 l 3 2 i 2 1 1 l 2 l 1 2 3 l 2 3 l 2 o 0 0 0 o 0 0 眦 姗 枷 m 湖 姗 姗 枷 瑚 水溶性复膜机艉台拄制系绒的研究 表2 - 3 结果分析 t a b l e2 - 3t h er e s u l ta n a l y z i n g 根据上述剥离强度、疵斑点率的极差可知，在影响剥离强度因素中，复合压 力和涂布量对剥离强度影响很小；在影响疵斑点率因素中，压力占主要因素，其次 是涂布量。 复合压力对疵斑点率的影响如图2 3 。涂布量对疵斑点率的影响如图2 - 4 所示。 s2 - 5 矬 z 璀 懈l - 5 1 o 5 o 02 0 04 0 06 0 0 8 0 0 压力( n f l l 2 ) 图2 5 复合压力对疵斑点率的影响 f i g u r e 2 - 5 t h ef i l m i n gp r e s si n f l u e n c e t od e f e c tr a t eq u a n t i t y 窑2 甜 谯 挂l 0 4 厚度( f i l m ) 图2 - 6 涂布量对疵斑点率的影响 f i g u r e2 - 6t h ef i l m i n gn u m b eri n f l u e n c et o d e f e c tr a t eq u a n t i t y 根据图2 5 分析，当压合力在3 0 05 0 0 n m 之间时，对疵斑点率影响较大； 当压合力大于5 0 0 n m 后，对疵斑点率的影响变化平坦。根据图2 - 6 分析，当涂布 量出0 1 m m 间隙调整至0 2 m m 间隙时，对疵斑点率影响较大；当问隙大于o 2 m m 时，其对疵斑点率的影响较小，其变化曲线平坦根据上述分析，当压合力为5 0 0 n m 左右、涂布量间隙在0 2 m m 左右时，疵斑点率指标反映较好，处在较佳状态。 3o20 1 一 0 l d 5 0 0 塑些垒丛生堂型! 显型! ! ! 堂垡丝兰一 3 压合控制系统总体设计 3 1 控制系统的总体设计 在进行工业控制系统方案设计时，技术性能与经济指标是我们必须同时考虑的 两个因素。所选择的方案不但要符合生产实践对控制的要求，还要力求获得较高的 性价比。 控制系统主要由主控制器、步进电机、压合机构、传感器以及键盘显示器件组 成。系统总体结构如图3 - 1 所示。 图3 1 水溶性复膜机控制系统结构框图 f i g u r e3 - 1 t h ef i l mm a c h i n ec o n t r o ls y s t e m 压力控制系统要完成的主要功能是由位移传感器适时采集当前复膜过程中压 合胶辊的位移量，采集完的数据经过处理发送到主控制器，主控制器根据处理的数 据，完成对复膜胶辊与复膜铁辊间隙的显示，以便操作人员及时了解当前的复膜状 态。操作人员根据显示的数据，结合不同复膜制品的实际情况，从键盘输入期望的 压合胶辊的调节量。控制系统对输入数据进行处理，生成脉冲信号，然后通过步进 电机驱动器发送给步进电机来控制步进电机的运动，步进电机将电脉冲信号转化为 角位移。步进电机旋转的角位移经由压合传动机构转化为滑块的直线位移，推动复 膜胶辊运动，达到调整压力的目的。 3 2 机械系统分析与设计 复膜机压合系统的机械设计是实现复膜机机电一体化的基本要求，参照目前 s f 9 5 0 型水基胶复合机所使用的压合调节机构，为了适应的复膜压力的机电一体化 控制以及进一步提高压合调节系统的精度，对原有复膜机压合调节机构进行了相应 的改进。 水浒性复膜机压台控制系统的研究 压合调节传动装置是复膜机的动力输出部分，改进后的压合调节机构主要分为 螺旋传动和啮合传动两部分，其中啮合传动是指蜗轮蜗杆组成的传动副，螺旋传动 主要是丝杆套与调节螺杆组成的调零传动副和蜗轮内孔螺纹与丝杆套组成的进给 传动副，改进后结构简图如图3 - 2 所示。 1 蜗杆2 蛹轮3 丝杠套4 调节螺杆 5 导向螺钉6 压合胶辊7 ，滑座8 压合铁辊 图3 - 2 改进压合调节机构 f i g ur e3 - 2t h ei m p r o v e dp r e s sm e c h a n i s m 压合胶辊的压力传动是由左右两端蜗杆带动蜗轮旋转的。蜗轮内孔由梯形螺 纹加工而成，蜗轮的转动，带动丝杆套的轴向移动，从而使调节螺杆顶紧左右两端 滑座上下移动。固定座上的导向螺钉保证丝杆套轴向移动。另外，为了保证压合铁 辊与压合胶辊合压时在垂直方向上的母线平行度，设计了精细调零装置。丝杆套内 孑l 和调节螺杆均加工成梯形螺纹，转动左右两端调节螺杆即可预定实现左右两端压 合胶辊与压合铁辊在垂直方向上的母线平行度。滑座上的两端弹簧是为了排除蜗杆 传动副、丝杆传动副、螺纹传动副的传动间隙。 3 2 1 螺旋传动的参数选择【2 1 】 3 2 1 1 调零传动副参数选择 复膜机压合系统工作之前，为了保证压合铁辊与爪合胶辊合压时在难直方向 ： 福建农林大学2 0 0 6 届硕二| ：学位论文 的母线平行度，设计了手动精细调零装置。 1 ) 选择材料和许用应力调节螺杆材料选4 5 钢，调质处理，屈服强度 d 。3 6 0 n m m 2 ，查表可得调节螺杆许用应力： 一是_ 1 2 0 7 0 n r a m 2 ，取q = 1 1 0n ram2(3-1) 丝杆套材料选用4 5 钢，调质处理，查表得许用弯曲应力： 盯如t ( 1 1 2 ) 仃p ，取1 1 0n r a m 2 ； ( 3 _ 2 ) 许用剪应力： f p 2 0 6 盯p ；6 6 n m m 2 。 ( 3 - 3 ) 调零螺旋传动属于低速调整，查表其螺旋副许用压力b 】取1 0n m m 2 。 2 ) 按耐磨性计算螺纹中径调节螺杆选用梯形螺纹，可根据公式： 咖o s 腼= o s j 罴“石一 洚。， 式中的| f 为轴向载荷，这里是指复膜压力，即复膜胶辊所受的压力。对于水溶 性复膜机，根据在复膜工作中测试的压合胶辊进给量与线压力的关系，在设计中取 复膜压力f 最大约为5 0 0 0 n 。 螺纹中径d 2 = 1 4 6 m i l l ，调节螺杆可选d 2 ；1 6 m m ，d 。= 1 8 5 m m ，d 3z 1 3 5 m m ， d i 一1 2 m m 的梯形螺纹，螺纹螺距p 4 m m ，螺母高度日一倒：= 1 5 x 1 6 ；2 4 m m ，则螺纹 圈数n i s l e 一2 4 4 6 。 3 ) 自锁性验算 由于系单头螺纹，导程p = 4 r a m ，故螺纹升角为 = r c 加以手= 口r c 缸，l 三m4 5 5 0 。 ( 3 5 ) 耐g l 1 6 、7 查表钢对钢摩擦系数，= 0 1 3 0 1 7 ，取0 1 5 ，可得当量摩擦角为 ，9 一，c f 口n 专= a r c t a n 0 1 1 5 5 。- 8 8 2 7 。 ( 3 - 6 ) c o s 曼 c d s l 5 。 、 a 4 5h r c ，可查的蜗轮 的许用接触应力b k - k 。b l = 2 1 8 m p a 。 计算中心距a22 8 9 2 m m ，取中心距口；5 0 m m ，因i = 3 0 ，故查表取模数m 。2 5 m m ， 蜗杆分度圆直径d ，一2 8 m m 。这时d l a = 0 5 6 ，查得接触系数z ：；2 3 6 ，因为z ，cz ， 因此以上计算结果可用。蜗轮蜗杆主要参数与几何尺寸如表3 2 所示。 表3 - 2 蜗轮蜗杆机构的主要参数 t a b l e 3 2p a r a m e t e ro fw o r m e e hi s m 名称代号 计算关系式 计算结果 中心距 蜗杆头数 蜗轮齿数 模数 传动比 蜗轮变位系数 蜗杆直径系数 蜗杆分度圆直径 蜗杆齿顶圆直径 蜗杆齿根圆直径 蜗杆分度圆导程角 蜗杆轴向齿厚 蜗轮分度圆直径 2 1 选取 2 1 选取 2 1 选取 2 1 选取 i = z z z l 上2 = a i m q 1 + d 2 ) 2 m q = d l m d 1z m q d 。1 = d l + 拍。l d l l = d l 一2 h ，1 t g y = i n z l a l = 。l q s ，；黜? 2 d ，z ，玎， 5 0 m m 1 2 9 2 ，5 m m 献 献 献 献 文 文 文 文 考 考 考 考 参 参 参 参 按 按 按 按 d 屯 小 捞州呲fl i - 础 捞 一 三； - 霎 5 3 7 ； 也 g 吐“ ， 虬 如 塑壁垒丛查鲎! 竺! 旦堡兰兰些堡苎 蜗轮拔数z ：；2 9 ；变位系数工：一o 1 ：验算传动比i ；：翌1 ：2 9 ，这时传动比 误差为塑三丝：0 0 3 3 ：3 3 ，是允许的。 j u 最后应对蜗轮进行弯曲静强度验算，其公式为： 咋；拦k 埽s b ，】 ( 3 _ 1 6 ) 查得齿形系数y f1 2 8 7 ；螺旋角系数2 1 - 主矿2 0 - 9 5 7 5 。 许用弯曲应力b l p l k 。 查表得b l ；5 6 m p a ，寿命系数k f ；o 6 “，b l = 3 6 0 8 6 m p a 。 盯f ：蕊关尝。z 8 7 。0 9 5 7 5 ；1 0 7 8 m p a 。b f ( 3 1 7 ) 7 2 8 7 2 5 z 5 c o s 5 1 0 “ 、。 故其弯曲静强度足够。 3 3 步进电机的选择 步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。步进电机是 一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到个脉冲信号，它就 驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度( 即步进角) 。可以通过控制脉冲 个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，同时也可以通过控制脉冲频率来 控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的【22 1