GMS-7型裹背机结构改进设计

GMS-7型裹背机结构改进设计
任丛丛;蔡吉飞;解润
【摘要】In order to improve the working performance GMS-7 type spine taping machine, reduce the cost of spine taping and the labor intensity. This paper discusses the working principle of the wetting unit in the spine taping machine, designs a brushing glue device using normal paper tape and checks the deflection of scraper in the unit. As a result, the designed spine taping machine is capable of brushing the glue on the normal paper tape. Besides, the folding process that folds the paper tape going to be brushed is researched as a consequence, the relation curve between folding angle and the advancing distance of paper tape and the free form feature of plow surface are obtained, which improved stick the paper tape on the spine of promissory note with glue smoothly.%为提高GMS-7型裹背机的工作性能，减少裹背成本，降低工人劳动强度，分析了GMS-7型裹背机的裹背条上水润湿装置的结构原理，将其改进设计为普通纸带的刷胶装置，并对该刷胶装置中的刮刀变形量进行了校核。

结果表明，所设计的刷胶装置能够实现普通纸带的刷胶裹背。

分析了裹背条折叠粘贴过程中的折边工艺原理，得到了折边翻转角0与纸带行进距离s之间的关系曲线，进而得出了犁形板的曲面特征，改进后的犁形板能够使裹背条在本票书脊处粘贴得更加平整。

【期刊名称】《北京印刷学院学报》
【年(卷),期】2012(020)004
【总页数】5页(P20-24)
【关键词】裹背机;本票;刷胶;犁形导轨
【作者】任丛丛;蔡吉飞;解润
【作者单位】北京印刷学院信息与机电工程学院,北京102600;北京印刷学院信息
与机电工程学院,北京102600;北京印刷学院信息与机电工程学院,北京102600【正文语种】中文
【中图分类】TS885
GMS-7型裹背机是本票产品包装方面广泛应用的一种印后设备,其结构简单,操作
方便,深得用户的欢迎。

但用户在使用过程中遇到一些问题,例如,所用的预涂胶裹背条价格较高；通过犁形导轨实现纸带的折叠成型,纸带底面成型质量不高,需要操作
人员二次手工整平,增加了劳动强度。

在产品价格日渐走低和劳动力成本逐渐升高
的情况下,降低GMS-7型设备的耗材价格，提高设备自动化水平成为用户的迫切
需求。

GMS-7型裹背机的结构可分为本票输送、裹背条输送与润湿、本票折叠粘贴以及本票堆积收齐几大部分。

本票输送主要由进本机构来完成,进本机构在圆盘包本机、书芯贴背机及上书壳机上均有应用。

文献[1]介绍了两种应用于上书壳机的进本机构,第一种为立本堆放推送分本输送,该进本机构能够实现书芯的成堆分离输送,但其书芯码放输送带需要单独的步进电机驱动,成本较高。

第二种为平本堆放回转分本
输送机构,该机构结构简单,但主要适用于长距离生产线的书芯分离输送。

裹背条输
送与润湿部分由放卷机构和润湿机构组成。

其中放卷机构在卷筒纸印刷、胶粘带、纸带打包、织物涂布、材料复合、纺织印染等设备上均有广泛应用[2-3]。

GMS-7型裹背机中采用的放卷机构与打包机中的放卷机构类似,结构简单,操作灵活方便,满
足了目前的使用要求。

由于目前该裹背机采用的裹背条为特制的预涂水溶胶裹背条,价格昂贵,因此,用户希望能采用普通纸带在线刷胶的方式来替代这种裹背条。

要满足用户要求,需要设计一种纸带刷胶装置。

文献[4]公开了一种应用于邮册制造领域的线性涂胶及合片装置,通过控制位于胶盒上方转轴的转动,带动转轴上的涂胶轮转动实现对聚酯膜的线性涂胶,该装置主要适用于对上胶量要求不严格的产品进行涂胶。

文献[5]公开了一种橡皮擦商标纸包贴机的涂胶机构,通过与离合衬套相配合的扇形涂胶轮及刮刀,实现对橡皮擦商标纸的涂胶,但该涂胶机构只适合对尺寸固定的纸带进行涂胶。

影响纸带折叠粘贴精度的关键因素是折边成型装置。

文献[6]介绍了一种采用交叉带实现纸张折边工艺的方案,该折边方式结构简单,适应高速折边过程,但主要用于实现纸带的180°折边,不适用于裹背机中纸带的90°翻折。

文献[7]介绍了一种用伺服电机控制横封夹运动,从而使得成型器完成对包装纸管的折叠成型的装置,但该折叠成型方式较复杂,不适合该裹背机中裹背条的折叠成型。

本文对裹背机的裹背条润湿部分和折边成型部分分别进行了分析研究,并做了相应的改进。

将原有上水装置改进为纸带刷胶装置,用普通纸带代替了价格昂贵的预涂水溶胶裹背条；对原犁形导轨曲面进行了优化设计,提高了裹背后纸带底面的平整度,省略了人工二次整平工序。

1 GMS-7型裹背机工作原理
GMS-7型裹背机是一种能够将裹背条包裹到已装订好的带有封皮和封底的本票书脊处的装订设备,主要应用于票据的印后装订。

其工艺流程如图1所示。

图1 GMS-7型裹背机工艺流程
Horizon公司生产的GMS-7型裹背机主要由以下机构完成本票的裹背工艺：本票供给机构、裹背条输送与润湿机构、裹背条粘贴与折叠机构、收本票机构、传动机构以及电气控制机构。

各机构之间相互配合,完成对本票的裹背。

2 裹背机裹背条输送与润湿部分
2.1 结构原理分析
裹背条输送与润湿部分的功能是以适当的走纸张力,平稳而准确地将裹背条输送给下一单元,同时能够准确地对裹背条进行定位裁切以及上水润湿。

裹背条从穿纸带的方向依次经过纸卷座、纸带张力调节单元、导向辊、动力单元、裁切单元、润湿单元、导向单元。

图2 GMS-7型裹背机润湿装置示意图
图3 普通纸带刷胶示意图
GMS-7型裹背机所采用的裹背条是一种预涂水溶胶纸带,它在与书脊黏合之前必须经过均匀的上水润湿,才可与书脊进行正常黏合。

GMS-7型裹背机的润湿装置结构如图2所示,在该裹背机的润湿单元中,裹背条从着水辊与送带辊中间穿过。

送带辊是一个带有真空吸气孔的旋转辊,吸附裹背条的非胶面并在导向皮筋和半圆导向块的辅助作用下输送裹背条,同时，着水辊将水均匀涂覆在预涂水溶胶裹背条表面,完成对裹背条的润湿。

该润湿装置中水量的大小是由一个位置可调并带有海绵的刮水板来控制的,当海绵与着水辊间隙大、压力小时,传递到裹背条上的水量就会增大；反之则减小。

2.2 改进设计
该裹背机所使用的裹背条为预涂水溶胶裹背条,价格昂贵(市场价约为30～40元/卷),普通纸带每卷只有几元钱,因此,裹背机使用厂家强烈要求用普通纸带刷胶裹背的方式替代预涂水溶胶裹背条裹背,以达到降低裹背成本的目的。

若将图2所示的水斗中的水直接更换为胶料,将会导致水斗、水斗辊、着水辊、导向皮筋、导向辊、半圆导向块等与胶料接触并被胶料粘脏,加大操作人员的清洗工作量。

此外,由于水斗辊对水和胶料的附着力不同,刮刀的安装角度、刚度等参数也需随之改变。

因此,必须对原有结构进行改进设计。

改进方案为将导向装置简化为图3所示的半圆导向块,并与着胶位置互换,先完成纸带导向输送,然后再对纸带进行
刷胶,从而缩短纸带上胶与下一工序之间的距离,在避免胶料固结的同时,减少了被胶料污染的零件数量,在不影响刷胶质量的前提下减少了操作人员的清洗工作量。

图4 刮刀受力分析示意图
观察发现,纸带表面胶膜的均匀性是影响裹背质量的关键因素,若胶膜不均匀,则容易在裹背完成后产生气泡,使得裹背表面不够平整。

影响胶膜均匀性的关键是刮刀,若刮刀在使用过程中有较大变形,则涂覆在纸带表面的胶料的均匀性就会减小[8]。

为保证胶料表面的均匀度,刮刀的最大变形量应控制在5°之内,因此,需对刮刀的变形量进行校核。

在正常工作过程中,对刮刀进行受力分析如图4所示。

图4中,FR为胶料随辊子转动产生的射流对刮刀所产生的冲击力,G为刮刀自身的重力。

假设所用胶料为理想流体,附着在胶轮上并与胶轮以同样的速度旋转,则得到系统动量在dt时间内的变化率为[9]：
根据牛顿第二运动定律,它等于t时刻系统受到的所有来自胶料的冲击力的矢量和
因此,刮刀受到的来自胶料的冲击力为
FR=ρqvυsin θ
(1)
其中：
qv=υhd
(2)
式中：ρ为胶料的密度约0.96×103kg/m3；v为胶料的喷射速度,即胶轮转动的线速度为0.36m/s；qv为胶料的体积流量；h为刷胶辊的高度0.064m；d为被刮
刀刮下的胶料的厚度,经多次测量求得其平均值为2mm；θ为刮刀刀刃与胶料转动切向方向之间的夹角,在刮刀处于工作位置时,刮刀刀刃与胶辊被压触点的切线的夹
角为28°～35°[10]。

为便于计算,θ取30°。

将各参数分别代入公式(1)、(2),经计算可得
qv=4.6×10-5m3/s
FR=7.96×10-3N
为使用方便且节约成本,选用印刷厂刮墨刀作为该上胶装置的刮刀,材料密度为
7.9×103kg/m3；厚度0.15mm；宽度22mm；长度与刷胶辊长度相同,为
0.064m；可求得刮刀自身的重力为
G=ρvg=7.9×103kg/m3×(0.064m×0.022m×0.00015m)×9.8m/s2=1.6×10-
2N
由弯曲变形公式可得
即：
(3)
由于刮刀横截面为矩形,所以,其惯性矩,E为材料的弹性模量,将各参数分别代入公式(3),经叠加可得刮刀最大变形角为
θ=θG+θFR=
2.8°<5°
经以上分析计算可知,所选择的刮刀满足刷胶均匀性的要求。

在实际使用过程中发现,所设计的刷胶装置不但降低了裹背成本,且裹背完成的产品也得到了客户的认可。

3 裹背条粘贴与折叠部分
3.1 结构原理分析
图5 裹背过程示意图
裹背过程如图5所示。

当本票从输书台转移至主传送台上时,在传书辊的滚压和皮带的作用下向前继续传送,同时,被吸附在吸纸辊上的裹背条随吸纸辊的转动而传送,当裹背条的前端到达吸纸辊最高点时,由于主传送台在吸纸辊的正上方存在一小于吸纸辊直径的缺口,使得本票与裹背条在缺口处接触,本票上方有一排滚轮,随着本票的继续向前传送,使得裹背条长度方向的一边缘与本票靠近书脊的长度方向的一边缘在滚轮的作用下压合,完成图5a所示的粘贴过程。

折页过程是通过图6所示带有曲面的犁形导轨来实现的,两次折叠的原理相同,但两犁形导轨先后呈90°排列,完成裹背条的两次折叠。

两次折叠粘贴完成后,经多个小轮的滚压将裹背条与本票压实,最终完成整个裹背过程。

3.2 改进设计
在GMS-7型裹背机的实际使用过程中,发现裹背完成的本票存在一些不足,裹背条粘贴不够整齐,有微小褶皱,而且本票边缘不够整齐,需人工进一步压平。

经长期实践操作发现,产生以上不足的主要原因在于犁形导轨的曲面精度。

因此,要得到高精度的裹背效果,需要对犁形导轨曲面进行优化。

在图6所示犁形导轨的作用下,两次折叠过程分别使裹背条的折边部分在水平面内翻转90°,且翻转过程中折边的角加速度的变化情况对裹背条的折边精度有很大影响。

图6 犁形导轨三维图
假设犁形导轨的长度为S,本票的步距为L,传送带带动本票的传送速度为V,则裹背条上任意一点通过犁形导轨的时间为T=S/V。

假设裹背条折边部分任一点的角速度、角加速度、角位移分别为ω、ε、θ,该点距离犁形板的起始点的距离为s,则在折边起始位置和终止位置处分别有：
ω0=0,ε0=0,θ0=0；ωt=0，εt=0,θt=π/2；
假设K1,K2,K3分别为待求系数,角加速度方程设为公式(4),通过积分就可求得角速度和角位移的表达式：
ε=ε0+K1s+K2s2+K3s3
(4)
(5)
(6)
即：
(7)
将初始条件和终止条件分别代入方程(7),则当s一定时,便可得到速度V与待求系数之间的关系曲线如图7所示。

图7 待求系数变化曲线
将方程(6)简化可得：
(8)
该裹背机的裹背速度为4000本/小时,裹背条在折边过程中的传送速度约为
0.36m/s,代入公式(7),可求得K1、K2、K3的值分别为58.2、-349.1、465.4,将数据代入公式(8),即可得到折边上的任一点距离犁形导轨距离s与该点翻转过的角度θ之间的关系,其关系曲线如图8所示。

图8 折边转角变化曲线
通过以上分析可知,当裹背条以不同的速度输送时,其角加速度曲线的待定系数K1、K2、K3也随之变化,因此,每一个速度值均对应一个特定的翻转角变化曲线。

在已
知速度的前提下得到转角的变化曲线,有助于设计合理的犁形导轨曲面,实现裹背条
的平稳、整齐折叠。

4 结论
将上水单元改为裹背条刷胶装置,可实现普通纸带的在线涂胶裹背,代替价格昂贵的
预涂胶裹背条,大大降低了裹背成本,所选择的刮刀经校核发现其最大变形角小于5°,满足刷胶均匀性的要求。

对裹背条折叠过程进行力学分析,得知在裹背速度为4000本/小时时,折边转角θ与折边上一点距离犁形导轨的距离s有关。

通过两者之间的关系曲线,对犁形导轨的
曲面进行优化,保证裹背条的平稳整齐折叠,提高了纸带的折叠成型精度。

参考文献:
[1] 苗海龙,赵春辉.书刊装订工艺及设备[M].北京：印刷工业出版社,2007：266-267.
[2] 成刚虎.印刷机械[M].北京：印刷工业出版社,2007：243．
[3] 李相和.新型放卷滑移装置[J].轻工机械,1999(4)：44-45．
[4] 李小杰.线性涂胶机及线性涂胶合片机：中国,201020001017.6[P],2010-09-22．
[5] 叶国华.橡皮擦商标纸包贴机的涂胶机构：中国,200720114325.8[P],2008-08-03．
[6] 王鑫珠,蔡吉飞,段林娟.医用乳胶手套内包装纸折边装置研究[J].中国印刷与包装研究,2010,2(6)：55-59.
[7] 孙茂泉,严伟跃.信封条状包装机的开发设计[J].轻工机械,2006,24(3)：127-129．
[8] 洪诗捷,沈奕.涂胶膜厚优化实验与控制方法[J]. 现代显示,2005(58)：44-46．
[9] 郭凌华.包装印刷设备[M].北京：中国轻工业出版社,2009：65.
[10] 张国强,吴家鸣.流体力学[M].北京：机械工业出版社,2006：64．。