模切机实验台背景材料

1编号密级北京印刷学院教委面上研究项目申请书项目名称：气液增压式模切机的数字化压力测控技术研究申请人：赵世英所在单位：信息与机电工程学院申请日期：填表说明1、填写《申请书》前，请阅读《北京印刷学院科研项目管理办法》。2、以Word文档形式录入，用A4纸付印一式二份，分别于左侧装订成册，2二．立项依据1、墙板；2、上平台；3、下平台；4、导向块；5、驱动杆；6、上支撑架；7、气液增压工作缸；8、下支撑架；9、伺服阀；10、12、14、17、节流阀；11、油管；13、增压缸；15、预压缸；16、油压柱；18、第一电磁阀；19、第二电磁阀；20、气管本项目研究的国内外现状及发展趋势；研究的实际意义和理论意义；对学校学科建设和研究队伍建设的作用。项目研究内容和意义本项目是在我校研发的气液增压式模切机实验样机基础上，结合模切工艺压力加工的特点，设计并开发实时在线的数字化模切压力测控系统。借助LabVIEW虚拟仪器图形化编程软件，利用现代测试技术，有效直观地对模切机构工作特性参数进行信号采集、分析和控制输出，实现模切压力调节过程尤其是加压过程的数字化、自动化和可视化。最后通过实验验证，给出常用模切材料的模切压力修正系数。研究成果能够大幅度提高模切压力调节精度、效率和安全性，有效降低生产成本，延长产品使用寿命，推动气液增压式模切设备的数字化、产业化进程。该试验3装置经改装可以应用到其他“机—电—气—液”一体化设备中，为传统类型模切机压力测试和技术改造提供技术支撑。1.本项目研究的国内外现状及发展趋势本项目是在我校研发的气液增压式模切机实验样机基础之上，结合模切工艺压力加工的特点，借助LabVIEW虚拟仪器图形化编程软件，开发并建成实时在线的数据采集与模切压力测控系统。实现模切压力调节过程尤其是加压过程的数字化、自动化和可视化。传统模切机简介：利用钢刀、钢线排成模板，通过压印版施加一定的压力，将印品（或纸张）轧切成所要求的形状的工艺过程，称为模切压痕。全自动平压平模切机主要用于纸箱、纸盒等印刷品的模切、压痕工艺，是印后加工设备中应用最为广泛的机种之一，它主要由输纸系统、模切施压机构、收纸装置、传动系统、电控及自动排废等部分组成。图1为具有自动排废功能的全自动平压平模切机简图。图1卧式全自动平压平模切机简图其中模切施压机构是模切机上最主要的机构，其性能的优劣直接影响模切速度和精度。到目前为止，绝大多数型号的模切机仍然是使用机械结构比较复杂的双肘杆机构作为施压机构（如图2所示）。由于机械零部件较多，这种机构在实际工作过程中存在着加工装配难度大、容易磨损、噪声较大等弊端，而且这种机械式的施压机构无法实现模切系统工作压力的数字化控制。4图2双肘杆机构三维模型气液增压式模切机特点：鉴于上述传统模切机机构原理方面的不足，我校研发了一种新型的气液增压式模切机实验样机，其驱动机构的核心是气液增压系统（气液增压式模切机的结构示意图如图3所示）。气液增压缸直接驱动下平台实现上下往复运动，其最大输出压力可达600KN（约60吨）。气液增压系统有两个显著的优点，第一，预压过程是一个由压缩空气控制的快速过程，这样就能减少模切动平台运动时间，有利于提高模切速度；第二，系统接触模切材料是一个“软到位”过程，传动过程比较平稳，从而使模切上下平台的冲击减小，能够有效地避免系统的振动和噪声。图3气液增压式模切机结构示意图气液增压缸是综合利用气动与液压传动优点而设计的，它是一种利用低工作气压而获得较大输出作用力（约增大8～15倍）的特殊气缸，最大6Kg压缩空气驱动，即可达到1吨～240吨冲压力，无需液压系统；它既利用了气动的低工作压力及操作5方便，又利用了液压传动的平稳性，因而同时具有气动及液压的优点。气液增压缸工作过程主要分为三个阶段：气动的快进行程、气液增力的力行程、气动的返回行程。三阶段工作过程的速度、工作压力的大小与行程在规定范围内均可无级调节和控制；与同吨位气缸或液压系统相比，能耗极低，动作频次高。气液增压系统作为一个执行机构实现往复运动是通过气动系统的控制回路来完成的，系统控制回路如图4所示。在本系统中，通过两位三通电磁阀A、两位五通电磁阀B和两位两通电磁阀C的控制可以实现对气动系统的回路控制，已经能够实现系统空行程和增压行程的压力与速度的人工调节，但还不能实现调压过程的数字化和自动化，也不能实时记录和处理实验数据。图4气液增压系统控制回路模切压力对产品质量的影响：模切压力的大小是模切机工作性能的一个重要参数，它直接影响着模切压痕质量。根据国标规定，每台平压平模切压痕机都有额定最大工作压力，生产过程中模切机的实际工作压力不能超过额定最大工作压力。模切压力主要来源于两个方面：一是加载过程中钢线对纸板塑性压痕受到的阻力；二是加载中钢刀切透纸板，压在承印台上变形产生的压力。这两个方面的合力便是模切机所受到的总的工作阻力，也就是模切压力。模切压力过小，钢刀不能切断纸板，压痕也会过浅，纸盒将无法成型；模切压力过大，钢刀容易变形，刀刃变钝，影响模切精度，甚至在下平台上切出很深的刀痕，可能使痕线爆裂，严重影响6模压版的使用寿命。所以，理想的模切压力就是调整到在机器实际压力最小的情况下能使各切口的废边刚好分离，这样模切刀不易磨损，成品的切口边干净整齐、易于清废。为了尽可能地以最小的压力来完成模切，需要反复调节模切压力，对生产效率造成很大影响。模切工艺过程中确定模切压力的方法目前确定模切机实际所需工作压力的方法有两种：理论法和实验法。模切压力的理论计算公式如下：FKA（1）公式（1）中：F为模切所需要的力；为模切中单位面积剪切应力值；A为模切分离面的实际面积，可根据模切材料厚度和周长来计算；K为考虑模压过程的实际条件和各项技术因素影响的系数。公式(1)只能计算模切力，不能计算压痕力，公式中K值与值的影响因素太多，不易确定具体数值，因此通过公式(1)很难准确的计算出模切压力。实验法是指首先确定各单位长度上的模切力P的数值，然后再计算模切压力F的大小。可用下式计算。FKLP(2)式中:F为模切压力；L为模切周边总长（包括切口和压线）；P为单位长度切口和压线的模切力，P的值和纸张材料有关；K为考虑实际生产中各种不利因素的修正系数（一般取1.2或1.3）。由于材料和工作环境的不同，P和K都不是恒定的，只能采用经验值，这就降低了公式（2）的准确性。实际生产中模切压力调节与控制方法实际生产中模切压力的确定通常由试切法得到。首先通过公式（2）估计一个理论压力值，通过模切机压力调节机械装置进行整体调压（粗调和微调），然后通过局部加衬垫的方式进行局部调压。压力调节装置即调节上、下平台之间距离，使压力增大或减小。传统模切机常见的是利用位于机器下部或上部的楔形板来调节模切压力。模切压力的粗调是根据公式（2）计算得到的理论压力值进行加压，初设压力值不要过大，一般将初压设置在理论值的60%；通过机械式调压装置逐步增压，压力增长率控制在设备最大额定压力的5‰～10‰；当模切产品模切位置有2/3的位置达到了模切效果要求，粗调就可以结束了。接下来进行整体压力微调，压力增长率控制在设备最大额定压力的1‰以内，在90%左右的钢刀和钢线实现正常模切后，微7调结束，即整体调压结束。接下来进入局部调压阶段，直至模切盒型能够正常分离。由于传统模切机压力控制面板中显示的读数不是实际模切压力值，而是额定最大模切压力的百分率，该百分率实际反映的是调压机构行程的大小。但是模切压力与调压机构行程并不是简单线性关系，这就造成加压控制精度较差。该压力调节方法比较耗时、耗力，对操作者的要求很高。如果初压压力过大很容易造成模切版的损坏，如果压力太小需要反复试验才能达到额定值，从而降低了生产效率。模切压力研究现状国外生产平压平模切机的厂商很多，早在上世纪60年代他们就开始将先进的设计理论用于实际产品研发，研发技术以及制造水平远远领先于国内。在当今国际市场上比较有代表性的有瑞士BOBST公司、德国JAGENBERG公司以及西班牙IBERICA公司等，其中瑞士博斯特(BOBST)公司生产的模切机代表了当今世界最高水平，其产品在世界模切机市场上占有很高的份额，成为高端模切机产品的代表。目前我国模切机制造水平还相当落后，模切速度、模切精度、机械系统稳定性等主要技术指标与国外先进产品还存在一定的差距。因此有必要对模切机模切压力进行深入、系统的研究，为新型模切机的研发奠定理论基础，提高模切机科技含量，缩短与国外先进模切机的差距。模切压力直接测量法（离线测量法）由于所测的压力很大，一般的压力传感器很难达到要求。模压版与下平台之间的力并不是均匀分布，一般集中在钢刀、钢线附近。为获得较准确的模切版全幅面压力分布数据，可以采用富士压力测试系统来完成对模切压力的直接测量（离线测量法）。富士压力测试系统由富士压力测试纸（感压纸）、EPSONPerfectionV300扫描仪和富士压力图像分析系统三部分组成。富士压力测试纸有两种类型：单片型和双片型。双片型由两层复合而成，分别是带有显色材料的微颗粒层和成色层。而单片型同时拥有这两层。其基本原理是：当压力受压时，微型颗粒破裂，与成色层起反应，红色的斑点就显示在测试纸上，调整微颗粒在不同压力下破裂，就可以获得广泛压力范围的压力值，压力值越大，颜色越深。富士压力测试系统的使用方法如图5所示：扫描受过压力的富士压力测试纸，使用富士压力图像分析软件FPD-8010E对扫描图像进行分析，得出模切压力。8图5富士压力测试系统使用方法为了测量更加精确，测试纸的幅面最好略大于模压版的幅面。图6为测试纸的安装示意图。从图6中可以看出：上平台所受到的力就等于模切压力F，如果测试纸的幅面小于模压版的幅面，测出的力将小于模切压力F；测试纸应固定在模压版的背面，如果将测试纸固定在模压版与下平台上表面之间，测试纸很有可能被钢刀切断。按照图4-3所示安装测试纸，装上模压版，上纸完毕后开机并点动运行。通过模切机的机械调压装置进行调压，即调节上、下平台之间的距离使压力增大或减小。扫描受过压力的测试纸，使用图像分析软件FPD-8010E对扫描图像进行分析，得到模切压力（密度）分布图和模切压力数据表。通过分析可知：模切压力并不是均匀分布的，一般来说，刀线以及痕线附近会有应力集中，空白区域受力相对较小，刀线以及痕线越密集，上平台相应的部位受力越大。图6模切施压机构中的感压纸安装示意图上述直接测试方案操作简单，能够比较准确的测量出模切压力的大小，但是该方法只能测出模切过程中的最大压力值，不能实现对模切压力调整过程的动态测量和动态显示。因此，这种直接测试方法的应用有一定的局限性。模切压力间接测量法（在线测量法）随着现代机械测试技术的不断发展，国内一些科研机构开始尝试将先进测试技术运用到模切压力检测方面，并取得了一定的9成果。西安理工大学通过对墙板进行有限元分析得出模切压力与墙板变形之间的函数关系，然后通过测量墙板变形量，间接实现对模切压力的在线测试；天津长荣印刷设备股份有限公司最新推出的MK1060MF型平压平自动清废模切机设有压力过载保护单元，该单元采用进口压力传感器检测墙板变形，当超过最大压力时立即报警，提高了机器安全性。令人遗憾的是，上述压力测试方法并未在企业中得到广泛应用，因为它存在很多弊端：第一，墙板变形除了受模切压力影响外，还受墙板材料、结构尺寸、联接方式等因素影响，此外，通过有限元分析得出的函数关系式与实际是有差别的，因此墙板变形量与模切压力之间的函数关系式很难确定；第二，在模切压力的作用下，墙板虽然发生变形，但是变形量很小，并且模切机在工作过程中会产生振动，因此很难实现对墙板变形量的精确测量；第三，由于所测模切压力很大，墙板变形量很小，国产压力传感器或位移传感器很难达到要求，一般需要从国外进口，价格比较昂贵；第四，测试结果的精确度无法评估。数字化模切压力测控系统特点综上所述，目前围绕模切压力已进行了很多研究，取得了不少成果，但是就目前的研究和应用现状来看，还没有实现对模切机工作压力的数字化精确控制。为了实现对模切压力的