曲面膠印機支撐箱體結構的設計與分析*

王昌佑，陳 忠，王賢洵，王賢淮

（1.廣東隆興包裝實業有限公司，廣東潮州 515638；2.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州 510640）

隨著人們生活水平的提高，現代社會對新型食品包裝容器的需求越來越大，要求越來越高。該類容器除了要滿足基本的容器功能外，對外表面的圖案及色彩也有很高要求。對于PET 塑料杯外表面上的色彩鮮艷的圖案需要采用特殊的柔性版膠印技術完成印刷，為此須配套高效的錐形容器曲面膠印刷機。為了保證這類曲面膠印機的印刷質量，需要一個堅固的機箱，用以支撐高速運轉的大鼓輪印刷傳動系統、送墨傳送系統和步進分度傳動系統。但是，傳統的曲面膠印機的機箱采用兩支撐板的主體結構[1]，存在支撐剛度差、印刷與傳動不能分區隔離等缺點，以致于造成整機動態性能差、印刷質量不高以及衛生性不能很好控制等一系列問題。

為此，本文針對曲面膠印機兩板式支撐結構的缺點，提出了一種曲面膠印機三板式支撐結構，以改進整機的動態性能，提高印刷質量。論文首先論述曲面膠印機的主體機構與傳動關系，其次設計一種用于曲面膠印機的三板式支撐結構，通過模態分析，討論三板式支撐結構的動態特性。所設計的結構應用在多色曲面膠印機中取得了很好的效果。

1 曲面膠印機的工作原理[2]

曲面印刷機是一個高度機電一體化的印刷設備，其基本的印刷原理采用柔性凸版與膠印復合印刷模式，因此兼有膠版印刷與柔性版印刷的優點。其結構及印刷示意圖如圖1 所示，曲面膠印機通過竄動膠輥2 把UV 油墨1 均勻涂抹到柔性凸版3 上；柔性凸版上的單色圖形轉印到鼓輪橡皮布4 上，橡皮布上的多色圖形，則通過多組柔性凸版通過恒定機械傳動鏈以同步的方式套印在同一個橡皮布上；大鼓輪5與步進分度模頭7以雙電機獨立控制方式確保橡皮布與步進分度模頭7 上的錐形塑杯步進同步接觸滾動印刷。

圖1 錐形塑杯印刷機工作示意圖

為了保證錐形塑杯的印刷質量，需要一系列的功能工位，具體如示意圖2 所示。整個步進印刷工步包括進杯1、頂杯2、電暈及檢測3、頂杯4、印杯5、次品彈出6、UV固化7、出杯8八個工位。各工位按一定的節拍步進進行，其中印杯工位5 完成大鼓輪橡皮布上的套色圖形轉印到錐形塑杯表面。

圖2 錐形塑杯印刷機的印刷工步示意圖

因此，曲面膠印機傳動系統主要包括大鼓輪印刷傳動系統、送墨傳送系統和步進分度傳動系統。這些傳動系統的動態性能直接影響到整機的印刷精度與質量。隨著曲面膠印機的工作速度達到36 000個印杯/小時，對支撐這些傳動系統的支撐箱體提出了更高的要求。

2 曲面膠印機三板支撐結構的設計與模態分析

大鼓輪印刷傳動系統、送墨傳送系統等都需要一個支撐框架，實現傳動系統的支撐與各傳動軸的空間布置。為此，需要考慮支撐動態特性的結構設計。

2.1 三板支撐結構的結構設計

曲面膠印機核心傳動系統是大鼓輪印刷傳動系統，其功能是使印版輥與大鼓輪圓周分布的橡皮布之間實現無摩擦對滾，完成多色圖案的準確套印。其中，多個印版輥環繞大鼓輪圓周間隔分布，因此，整個傳動系統是空間分布的多軸系統。由于曲面多色膠印的速度很快，各橡皮布的印刷節拍造成不可避免的強迫接觸沖擊，有可能造成套色不準與錯位，直接影響印刷質量。為此，必須提高大鼓輪印刷傳動系統的剛性及動態性能。

為保證曲面膠印機大鼓輪印刷傳動系統的動態特性、提高其剛度，如圖1 所示，設計一個三板式支撐結構。其中，板1、2、3 分別是三個支撐板，傳動主軸支撐在板1、3的軸承上，通過板2把大鼓輪3和大齒輪5分成兩個腔室，分別是印刷腔室和傳動腔室。同時，多個印版輥傳動軸支撐在板1、2、3 上，其中，印版輥處于印刷腔室，小齒輪處于傳動腔室。從而實現了印刷與傳動的空間隔離，保證了印刷的衛生與整機的整潔。更為重要的是，板1、2、3通過至少3個連接軸4 緊固在一起，提高了整機的支撐剛度，保證快速印刷的動態性能。

圖3 三板式大鼓輪印刷傳動系統結構圖

圖4 兩板式支撐結構的模態分析

2.2 模態分析

為了進一步評價三板式支撐結構的動態特性。本文通過3D實體建模，在ANSYS Workbench中完成了兩板式支撐結構與三板式支撐結構的模態分析，以對比分析新型三板式支撐結構的優越性。分析結果如圖4、5所示。

根據分析結果可知，兩板式結構的一階模態頻率1 436 Hz，而三板式支撐結構的一階模態頻率為1 524 Hz。表明，三板式支撐結構的動態剛度要遠好于兩板式支撐結構。

3 結論

圖5 三板式支撐結構的模態分析

隨著曲面膠印機的印刷節拍越來越快，對整機動態特性提出了更高的要求。本文提出的三板支撐結構能夠顯著提高整機的動態性能，實現了印刷與傳動的空間分離，保證了印刷過程的衛生要求。所設計的三板式支撐結構已成功應用在公司產業化的曲面膠印機上，在保證印刷質量的前提下，使得整機印刷速度達到了36 000個印杯/小時。

［1］蔡建偉，胡中越.曲面膠印機［P］.中國專利：200620061956.3.2007-08-22.

［2］王賢淮，陳忠，王昌佑，等.錐形塑杯曲面膠印機印刷差速分析與鼓輪設計［J］.現代制造工程，2009（6）：128-131.