激光打標機壓輪送料系統關鍵零部件的優化設計

鄭?！≡▽?/p>

摘 要：壓輪送料系統是電容條帶激光打標機的核心部件之一，直接決定著電容條帶激光打標機的打標速度、精度、質量和穩定性。文章對壓輪送料系統關鍵零部件的設計進行初步研究，總結出一些優化設計方法。

關鍵詞：激光打標機；壓輪送料系統；電容條帶；優化設計

1 概述

近年來，激光打標技術在印刷領域應用越來越為廣泛，具有永久性、防偽性、非接觸、精度高、能耗低、適用范圍廣、加工效率高、開發周期短等優點。激光打標機按送料方式可分為兩種：一種是裸機，需手工放置工件并使其定位，手動觸發打標開關；另一種是集成了自動送料系統，通過傳動機構自動將工件送入打標區域，進行飛行或靜態打標。文章所涉及的壓輪送料系統，就是為實現電容條帶元件快速、精確、穩定的激光打標服務的。

2 壓輪送料系統基本原理

壓輪送料系統結構如圖1所示，將條帶元件沿導軌自左向右送入壓輪與從動同步輪之間的同步帶上，送料系統將其向右輸送，激光打標機依次對每一元件進行打標。

對于標刻圖形不是特別復雜的元件，一般采用飛行打標的方式以提高效率，即元件勻速平穩地通過打標區（兩從動同步輪中心線之間區段），送料過程不間斷，檢測光束每檢測到一只元件就對其進行打標，激光在計算機控制下對元件的速度進行飛行補償，使打出的圖形符合要求。對于標刻圖形較為復雜的元件，則要求檢測光纖每檢測到一件元件就瞬間停止送料，待打標完畢后繼續送料，反復啟停，要求每次啟停送料的精準性。

3 電容條帶元件的受力分析

將條帶元件看做一剛體，并忽略其厚度（一般2mm以內）與電容條帶加速到V帶的時間（一般0.1s以內），對其進行受力分析，見圖2。

V帶-同步帶線速度；G-條帶元件所受重力；FN壓-壓輪對其正壓力；FN從-從動輪對其反力；Fs帶-同步帶對其靜摩擦力；Fd導-導軌對其滑動摩擦力；F滾壓-壓輪對其滾動摩擦力。

μ導-其與導軌的滑動摩擦系數； fs帶-其與同步帶的靜摩擦系數；δ壓-其與壓輪的滾動摩阻系數；R壓-壓輪半徑。

顯而易見，Fs帶為驅動力， Fd導與F滾壓均為阻力，為提高系統傳動可靠性，應設法增大Fmax帶，減小Fd導與F滾壓。

4 關鍵零部件的優化設計

為使條帶元件能勻速平穩地通過，保證激光打標的質量，就需對此傳動系統的關鍵部件如步進電機、同步帶與同步輪、壓輪、彈簧等關鍵零部件進行優化設計。

4.1 步進電機細分數

步進電機在非超載情況下，電機的轉速只取決于脈沖信號的頻率而不受負載變化的影響，只有周期性的誤差而無累積誤差，可為壓輪送料系統提供穩定的速度V帶。

由電磁感應定理知，步進電機輸出力矩和電機線圈的電流成正比，即：T=KT×i 。KT為電機力矩常數。由此可知：步進電機細分數越大，電機運轉越平穩；步進電機細分數越小，電機運轉時振動越大。這是因為細分數高時，電流曲線光滑，電機輸出力矩的波動也就小而連續，電機運行就更加平穩。由文獻2可知，8細分以上電流波形較為平滑。2、4細分時，單步位移的誤差較小，隨著細分數增加，單步位移的誤差增大。細分數大于8細分時，步進電機細分的不均勻性有顯著提高。因此將細分數定為8較為合適。

4.2 壓輪

如上述，為提高系統傳動可靠性，應減小F滾壓以減小阻力，根據（e）式，即應減小δ壓，適當增大R壓，因為過度增大R壓將增大壓輪的轉動慣量，影響壓輪的滾動，由此可能造成電容條帶在壓輪上打滑產生F滑壓，而滑動摩擦遠大于滾動摩擦，使得阻力增大，將嚴重影響送料。

一般應盡可能減小FN壓，以減小阻力，但為保證得到足夠大的驅動力Fmax帶，有時需適當增大FN壓，這可通過調節壓板上的螺母得到合適的彈簧壓力來實現。另一方面，壓輪應選硬度較低的材料，以增大緩沖，否則易將電容條帶壓壞。但一般情況下，對于彈性材料，硬度越低，摩擦系數越高。

由于天然橡膠具有很好的耐磨性，很高的彈性、扯斷強度及伸長率，綜合比較，選擇天然橡膠。由于O型圈橫截面為圓形，接觸面積較小，既保證了彈性，又具有較小的摩擦系數，因此可作為壓輪的包覆材料。

4.3 同步帶與同步輪

同步帶傳動綜合了帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動各自的優點，具有準確的傳動比，無滑差，可獲得恒定的速比，傳動平穩，效率高，能吸振，噪音小，傳動比范圍大。

4.3.1 同步帶材料

靜摩擦系數fs帶作為是驅動電容條帶必不可少的因素，而為了增大Fmax帶，根據（4）式，可通過增大fs帶來實現。聚氨酯彈性體的耐磨性十分優越，又具有彈性好、使用壽命長、噪音小、傳動效率高等優點，非常適合做摩擦驅動材料。硬度對聚氨酯彈性體摩擦系數的影響較大，一般情況下，硬度越低，摩擦系數越高。

4.3.2 同步帶齒形

同步帶齒有梯形齒和弧齒兩類。由于帶齒剛度相對較大，帶齒間的帶基部分繞帶輪齒頂產生柔性撓曲變形，而帶齒部分產生多邊形效應，多邊形效應是影響同步帶傳動精度的一個重要因素。而其中的主要影響因素則是梯形齒同步帶多邊形的邊長，由于梯形齒同步帶傳動中齒頂不與帶輪槽接觸， 帶齒形成直邊產生多邊形效應，而圓弧齒同步帶齒頂與齒槽接觸，部分地減小了圓弧齒同步帶帶齒形成的多邊形邊長，從而大大降低了多邊形效應，使其傳動精度、傳動噪聲、沖擊振動小于梯形齒同步帶。

4.3.3 確定帶輪直徑（依據JB-T_7512）

（1）確定主動輪齒數Z1

首先設主動輪轉速n1≤900r/min，查得應Z1≥14。

由于主動輪的轉動慣量與其質量、半徑的平方成正比，即JZ=m（R2+r2）/2。而小慣量的系統，啟動、加速、制動的性能均好于大慣量的系統，因此，Z1應在允許范圍內盡可能小，但過小會影響包角大小。在此取Z1=24，查得d1=38.20mm。

結合實際打標情況，已知V帶≤1000mm/s，由V帶=π×d1×n1可得n1≤500r/min，與上述假設相符。

5 結束語

激光打標機是實現自動化、現代化生產的重要工具，壓輪送料系統的設計需要綜合考慮其對于飛行打標傳動均勻性與靜態打標傳動精確性。

對于該傳動系統，我們應盡可能增大同步帶的靜摩擦系數fs帶 ，這樣便可減小滿足運行的最小彈簧壓力FN壓，同時也相應地減小了主要運行阻力F滾壓。當然，提高導軌的表面光潔度以減小導軌對電容條帶的滑動摩擦力Fd導也是十分必要的，同時，理論與實際經驗相結合，合理設計和優化其每一重要零部件，并在實踐基礎上不斷對產生的問題進行分析，改進，完善。

參考文獻

[1]哈爾濱工業大學理論力學教研室.理論力學[M].第七版.北京：高等教育出版社，2009.

[2]newmaker.步進電機細分數對運動平臺性能影響的研究[EB/OL].http：//www.newmaker.com/art_31853.html，2008-12-26.

[3]郭建華，谷淑娟，夏金林.梯形齒與雙圓弧齒同步帶傳動精度分析[J].齊齊哈爾大學學報，1999.

[4]JB-T_7512圓弧齒同步帶傳動[S].北京：中華人民共和國機械工業部，1994.

[5]田雨，張杰，韋永繼，等.聚氨酯彈性體摩擦系數影響因素探討[J].聚氨酯工業，2002.