機械手在模內貼標技術中的應用分析

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摘要：研究了模內貼標技術的生產工藝和機械手在注塑機中的應用現狀及分類，重點研究機械手在注塑設備中的操作流程及機械手各系統間的關系，對模內貼標的影響因素及應對策略，概述模內貼標機械手的研究熱點和發展前景。

關鍵詞：模內貼標 機械手 注塑成型 流程

中圖分類號：TS80文獻標識碼：A文章編號：1009-5349（2016）11-0175-02

在現實生活中，隨著智能化生產設備的應用，膜內標貼（IML）技術逐步流行起來。膜內貼標產品以其表面抗磨損、高清晰度、立體效果明顯、美觀、經濟效益好等特性獲得了市場的認可。模內貼標有兩種貼標成型方式：注射成型和吹塑成型。目前歐洲80%的模內貼標是通過注射成型的。

模內貼標生產線中，機械手控制器可控制機械手完成自動拾取標簽，精確放置標簽至相關模腔。智能機械臂的廣泛應用，大大降低了人工操作的危險性和勞動強度，提高了產品質量及生產效率。

一、模內貼標技術的生產工藝

模內貼標過程中，標簽盒內放有以單張形式疊放的印刷好并模切的標簽；隨后模具開啟，機械手吸附單張標簽，定位放置到開啟的模具內。標簽印刷面朝內，標簽外側涂有固態粘合劑，并以真空負壓或靜電吸附的方式將標簽吸附于模具壁；待模具閉合后，熔融的塑料注入模具而成型，此時借助模具的高溫，模具內附有固態粘合劑的標簽熔化并與塑料容器結合成一體；經冷卻后，再次打開模具，標簽和容器成為一體，成為成型容器的一部分。

模內貼標技術與傳統貼標技術相比，具有以下幾個優勢：

（1）通過完整的生產線流程，模內貼標產品生產全部采用機械化和自動化生產，保證了生產效率和穩定性。

（2）產品質量高。通過塵絨麂皮及皮革對貼標膜的處理，提高產品的品質。

（3）通過技術的更新，為生產廠家提供質量和品牌的保護。

（4）由于是采用膜內貼標技術，因此標簽不受外界溫濕度環境的影響，延長了使用壽命。

二、智能機械臂的應用現狀

在注塑機中，采用智能機械臂可以完成注塑工件、廢料拿取等自動化生產操作動作。通過與注塑機進行整合，可以形成一套完整的自動化生產專業設備。隨著注塑成型設備自動化程度的提高，機械手已成為注塑成型設備的關注焦點。

當前智能機械臂的應用類型多種多樣。一般通過功能、運動軌跡、抓取方式及動力系統進行分類。機械臂在國內一般用于澆鑄行業，并沒有在其他行業中大規模使用。

三、機械手在注塑機模內貼標工藝中的應用

（一）機械手在注塑設備中操作流程

根據加工工藝，注塑成型模內貼標工藝主要分為圖1所示的七大步驟。注塑成型模內貼標工藝是一個循環的過程，機械手主要完成取標和取件的工作。其中機械手如何準確而穩定地取標并精確地將其放入模腔內是生產系統中需要重點考慮的因素之一。

1.機械手取標、貼標流程

機械手的取標和貼標過程以模內靜電吸附形式為例，在機械手上配置靜電產生器，當機械手將標簽移動至模具上方時，智能控制單元控制靜電產生器讓標簽產生靜電，這樣標簽將會自動貼在模具上。工序如圖2所示。

在整個取標、貼標過程中，機械手主要完成水平移動、垂直移動、旋轉等動作。

（二）機械手各系統間關系

在注塑成型模內貼標工藝的循環過程中，機械手的操作動作與整個系統是否協調配合、機械手位置定位的精確度直接決定了產品質量。將智能交互系統、控制系統及驅動系統有機結合，才能保證注塑用模內貼標工藝的品質。

1.控制系統

對各個執行單元發出控制信號，并對作業執行情況進行監控，根據反饋信息對機械臂動作進行調整及修正。包括機械臂位置定位及控制部分，通常采用連續軌跡控制及離散點控制兩種方式。

2.動力系統

在生產線中，給各個器件提供動力驅動系統。目前有機械、電動、液壓及氣動等幾種方式。在實際生產中通常采用液壓及氣動兩種方式進行生產作業。氣動式操作便捷、移動迅速、接口簡單、造價低、維修方便；液壓式結構緊湊、動作平穩、耐沖擊、耐震動、防爆性好，具有精度高及持續操控的特性，但由于漏油會對產品造成污染。

3.智能交互系統

機械手的定位、抓取、釋放等操作都需要機械臂、機械腕和抓取器等各個器件進行良好的交互。智能交互系統通過交互模塊發布指令完成相應執行動作。

（三）機械手對模內貼標工藝的影響因素

在整個生產中，尤其是在取標和貼標過程中，機械手的位置檢測能力、位置控制能力及網絡通信能力對貼標產品質量和生產效率起到非常重要的作用。

生產線操作過程中，為了避免重復貼標現象的出現，機械手貼標作業時必須精確定位標簽放置坐標。如果出現重標就可能出現貼標不正、未貼標等情況出現。如果機械手采取真空方式來吸附標簽，就必須考慮真空吸附力度問題。若吸附力過大就會吸附多頁待貼標簽。當吸附力不夠時，會出現掉標現象。氣壓和掉標問題還易導致缺標現象。針對這些問題，可以通過調節機械手的真空吸力、有效消除靜電的方法來解決。

智能化機械手與注塑機交互模塊的設計影響著整個生產線的效率。在生產線正常運轉過程中，機械手各個環節的傳感器將大量參數傳遞給位置控制系統，為控制系統調用不同的位置控制程序提供依據，機械手控制系統實時將大量控制數據傳輸到各執行部件。同時從圖2可以看出機械手與注塑機在各生產環節協調配合才能更好實現“一模多腔”。這些因素使得整個生產系統需要具備完善的通信能力。

在模內貼標工藝中，規定智能機械臂放置標簽的精確度在±02mm以內。并且必須保證機械臂運行的精度及其穩定性。機械臂定位精度可結合傳感器位置定位技術和調節機械手的控制系統不同算法與參數的方式來實現。

（四）模內貼標機械手的研究熱點

（1）模內貼標工藝中因重標導致的歪標、掉標等現象主要是因標簽間靜電過大引起的。消除靜電是保障貼標質量的主要任務之一。全球靜電控制與消除行業巨頭英國制造商“密其國際”研制出消除靜電的發生器，由該公司994IML型模內貼標高壓發生器和微型靜電發生器組合而成，通常應用于體積較小的拾標器中。

（2）針對機械手控制系統中的通信問題的研究，主要有基于CAN總線方式，及基于LabVIEW的串行通信方案，多數研究均是基于實際應用生產線、實際硬件及開發軟件而制定不同的通信方案。

（3）機械手定位精度的研究一直是關注的焦點，主要有針對機身震動特性的分析、機械手動力學分析及機械手原點回歸方案的研究。機械手最終定位的精度主要由控制系統的控制策略來決定。目前國內機械手控制系統中主要采用模糊控制、自適應控制、魯棒控制及反饋控制等策略。

四、展望

當今歐洲市場約85%—95%的食品包裝物采用模內貼標技術加工而成，歐美主要塑料制品公司通過引入模內貼標成型設備提升產品品質、生產效率，最終提升經營收益。模內貼標生產系統正向“一模多腔”“多模多腔”的趨勢發展著，而該生產系統中主要部件機械臂必然隨著智能化生產系統的發展而廣泛應用。根據工業4.0的發展趨勢，機械臂在今后幾年的發展趨勢如下：

（1）效率更高、精確度更高、易于維護；

（2）智能化、組件化、結構簡單化；

（3）其控制系統向開放型控制器發展，采用模塊化結構，提高系統的可靠性、易操作性和可維修性；

（4）智能交互能力更強；通過智能控制和自主系統的有機結合，構成完整的智能化生產系統。

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責任編輯：孫瑤