自動涂膠烘干一體化系統設計與分析

周 健，孟 婥，甘國棟，卜劍秋

（東華大學 機械工程學院，上海 201620）

0 引言

在網版制作過程中，感光膠涂布和烘干是兩道重要工序，感光膠涂布是指將調制完成的感光膠均勻而有一定厚度的涂布在網版的印刷面和油墨面上，網版烘干通常是指通過通入熱空氣將網版中水分蒸發并帶走的過程[1]。

目前，在中小印刷廠中感光膠涂布都是以手工涂布為主，其中以刮斗涂布最為常用，少數采用自動網版涂布機，烘干主要采用電吹風或網版烘箱，這兩道工序工人工作量比較大，網版制作質量取決于操作工人的技術水平[2]。

針對以上問題，設計了自動涂膠烘干一體化系統，對市場上現有的自動網版涂布機和網版烘箱進行了改進，增加了搬運機械手、推出機構、搬運小車等，解決了網版感光膠涂布和烘干過程中需要人工操作的問題，提高了網版制作過程中的自動化水平。

1 自動涂膠烘干一體化系統設計

1.1 總體設計

自動涂膠烘干一體化系統的任務是對網版進行感光膠涂布和烘干，保證感光膠厚度和表面平整度符合要求，采用機械裝置自動完成兩道工序之間網版的搬運，系統總體方案如圖1所示。

系統主要由自動網版涂布機、網版烘箱、搬運機械手、推出機構和搬運小車等組成，其中自動網版涂布機的主要功能是對網版進行感光膠涂布；網版烘箱的主要功能是對完成涂布的網版進行烘干；搬運機械手的主要功能是將網版在不同工位之間進行搬運；推出機構的主要作用是將完成烘干操作的網版從網版烘箱中推出至搬運小車上；搬運小車的作用是便于工人將完成涂布烘干操作的網版搬運至下一工位。

圖1 系統總體方案

1.2 自動網版涂布機

自動網版涂布機要能夠按照工藝要求對不同尺寸的網版進行均勻而有一定厚度的涂布，并且能夠單面涂布或者雙面涂布，涂布速度可以調整，其總體結構如圖2所示。

所設計的自動網版涂布機主要由箱體、頂部夾緊機構、涂布機構、底部夾緊機構和腳輪組成。箱體作為承載模塊用來架設各部件；頂部夾緊機構和底部夾緊機構對放置在自動網版涂布機上不同尺寸的網版進行夾緊，其中頂部夾緊機構能夠上下運動，以適應不同尺寸的網版；涂布機構通過平面連桿機構控制涂膠器與網版之間的距離和角度，安裝在箱體內部的直線模組能夠帶動涂布機構上下運動，使涂膠器能夠按照工藝要求對網版均勻而有一定厚度的涂布；腳輪帶水平調節，以通過調節腳輪使自動網版涂布機水平放置在地面上。

圖2 自動網版涂布機

1.3 網版烘箱

網版完成感光膠涂布后，需要置于網版烘箱中烘干，所設計的系統包括左側網版烘箱和右側網版烘箱，當其中一個網版烘箱裝滿進行烘干操作時，網版涂布機完成涂布的網版放到另外一個網版烘箱中，左側網版烘箱和右側網版烘箱交替使用，兩個烘箱中間的平臺放置未涂布網版。網版烘箱工作時通過調速電機正反轉有左、中、右三個工作位置，圖1所示為處于中間工作位置，便于搬運機械手將網版從平臺抓取搬運到自動網版涂布機上；圖3所示為網版烘箱處于左側工作位置的示意圖，左側和右側兩個工作位置便于搬運機械手將完成涂布的網版從自動網版涂布機上搬運至網版烘箱或者將完成烘干的網版從烘箱中推出至搬運小車，通過氣缸驅動烘箱抽屜的開閉。

圖3 網版烘箱處于左側工作位置示意圖

1.4 搬運機械手

在涂膠和烘干過程中需要在不同的工位之間搬運網版，所設計的搬運機械手通過直線模組的直線運動、步進電機的轉動和舵機的轉動控制機械手臂末端執行器，通過4個三軸氣缸實現對網版的抓取，兩側三軸氣缸之間的距離可以調節，以適應不同尺寸的網版。

1.5 輔助機構

輔助機構主要包括推出機構和搬運小車，烘干完成后需要推出機構將網版推至搬運小車上，推出前烘箱抽屜全部打開，推出之后，烘箱抽屜全部閉合，推出機構上的推板略高于對應烘箱抽屜的高度，推出機構將網版推出之后，搬運小車將網版搬運至下一工位。

2 涂布機構運動學分析

感光膠涂布工藝為：在涂膠器中倒入感光膠，將網版與水平面呈90°置于上漿臺上，涂膠器水平貼緊網版印刷面，然后向上轉至與網版呈85°～90°，再勻速、平穩向上將感光膠涂布于絲網上，當涂到離涂布區頂端約2cm時，將涂膠器后仰，讓刀口外的感光膠回流入涂膠器，根據膜厚要求上漿3～6次。

涂布機構如圖4所示，平面連桿機構控制涂膠器與網版之間的角度和距離，控制一組或兩組連桿機構可以實現單面或雙面涂布，氣缸回路中壓力保持裝置保證涂膠器與網版接觸時壓力恒定，從而實現均勻而有一定厚度的涂布。

圖4 涂布機構

運動學分析是了解機構運動性能的重要方法，同時也是研究機構動力學性能的必要前提。圖5(a)所示為涂布機構的初始狀態，圖5(b)所示為涂布機構的涂布狀態。

圖5 涂布機構運動狀態

首先對桿件BE進行運動學分析，由圖5(a)的幾何關系得桿件BE的轉角：

式(1)中：

對式(1)兩邊取余弦并對時間t求導得桿件BE的角速度：

式(2)中：v是氣缸活塞桿的運動速度。

在式(2)的基礎上繼續對時間t求導得桿件BE的角加速度：

由圖5(a)可知，桿件CF上的氣缸一直處于收縮狀態，此時四邊形BEFC為平行四邊形，平行四邊形機構是應用廣泛的雙曲柄機構[3～6]，除了具有平面連桿機構的優點外，還具兩個顯著特點[7～9]： 一是兩曲柄以相同速度同向轉動，二是連桿作平動。即桿件BE和桿件CF具有相同的角速度和角加速度，桿件EF作平動，其運動狀態可以等效成桿件上任意一點的運動狀態，所以求得桿件BE的運動規律時，整個機構的運動規律也就確定了。在所設計的機構中，lAD=（190-vt）mm，lBD=61.8mm，b=158.6mm，h=58.2mm，α0=20.15°，氣缸的平均速度v=60mm/s，行程為60mm，運轉時間為1s。

將設計參數帶入式(1)～式(3)，求得桿件BE的轉角、角速度和角加速度曲線如圖6(a)～圖6(c)所示[13]。

圖6 桿件BD運動曲線

然后對桿件EG進行運動學分析，涂布狀態時四邊形BCFE為等腰梯形，由圖5(b)的幾何關系得桿件EG的轉角：

對式(4)兩邊取余弦并對時間t求導得桿件EG的角速度：

式(5)中：v是氣缸活塞桿的運動速度。

在式(5)的基礎上繼續對時間t求導得桿件EG的角加速度：

由圖5(b)可知，桿件AD上的氣缸處于收縮狀態，桿件CF中的氣缸帶動桿件EG擺動，在所設計的機構中，lFC=（130+vt）mm，lEB=130mm，lEF=43.3mm，氣缸的平均速度v=60mm/s，行程為40mm，運轉時間為0.67s。

將設計參數帶入式(4)～式(6)，求得桿件EG的轉角、角速度和角加速度曲線如圖7(a)～圖7(c)所示。

圖7 桿件EG運動曲線

由圖6～圖7可知，桿件EG的轉角約為55°，圖8為涂布狀態時桿件EG和涂膠器截面示意圖，圖8中涂膠器端口角度：

圖8 桿件EG和涂膠器橫截面示意圖

式(7)中：lGN=32mm，lGK=70mm，lMN=45mm，所以γ=52°，涂膠器刮板KM與網版的角度δ=90°-β+γ=90°-55°+52°=87°，符合工藝中85°～90°要求；桿件BD和EG的角速度不超過1.6rad/s，角加速度不超過0.9rad/s2，運轉時無剛性沖擊，運動較為平穩。

3 單側網版烘箱抽屜數量計算

設計過程中單側網版烘箱抽屜數量是一個重要參數，推出機構中推板個數和搬運小車層數都與單側網版烘箱抽屜數量相等。抽屜數量越多，搬運機械手高度越高，系統占地面積越大。

單側網版烘箱抽屜數量取決于系統一次烘干時間內能夠涂布網版的數量，在涂布之前需要將網版從平臺上抓取搬運至自動網版涂布機上，涂布完成后需要將網版從自動網版涂布機上抓取搬運至網版烘箱中。設網版烘干時間為T1，網版涂布前搬運時間為T2，網版涂布時間為T3，網版涂布后搬運時間為T4，單側網版烘箱抽屜數量為N，則：

網版烘干一般需要1200～1800s，本設計T1=1500s。

3.1 網版涂布前搬運時間計算

圖9所示為涂布前網版搬運初始狀態，搬運機械手處于豎直位置，位于頂端，網版烘箱處于中間工作位置。

圖9 涂布前網版搬運初始狀態

涂布前網版搬運流程為：

1）搬運機械手從豎直位置轉θ2至平臺上方；

2）搬運機械手下降高度H1至平臺上抓取下一塊網版；

3）搬運機械手抓取網版后轉θ1+θ2至自動網版涂布機上；

4）搬運機械手轉動至豎直位置，然后自動網版涂布機開始涂布，網版烘箱移動至左側工作位置或者右側工作位置。

流程2）中搬運機械手需下降高度與平臺上剩余網版數量有關，設計時搬運機械手的高度與單側網版烘箱抽屜的數量N有關，在所設計的機構中，烘箱抽屜高度為150mm，搬運機械手末端在流程1）中轉至平臺上方時距離地面的高度為（955+150N）mm，平臺距離地面的高度為525mm，所以流程2）中搬運機械手需下降的最大高度為H1=955-525+150N=430+150N。

所以網版涂布前搬運時間：

式(9)中，w為角速度，v1為速度。在所設計的機構中w=0.628rad/s，v1=500mm/s，θ1=0.63rad，θ2=0.74rad，代入式(9)得網版涂布前搬運時間T2與單側網版烘箱抽屜數量N的關系為：

3.2 網版涂布時間計算

圖10所示為網版涂布初始狀態，搬運機械手將網版放置在底部夾緊機構上方，頂部夾緊機構位于最上方，涂布機構位于最下方，涂布機構處于初始狀態。

圖10 網版涂布初始狀態

網版涂布流程為：

1）頂部夾緊機構以速度v2向下運動距離（H2-L）至網版頂端將其夾緊；

2）涂布機構進入涂布狀態，需要時間t1；

3）涂布機構以速度v3向上運動距離L對網版涂布；

4）涂布機構涂到網版最上方后，將涂膠器后仰，并遠離網版，需要時間t2；

5）涂布機構以速度v4向下運動距離L至最下方；

6）重復流程2）～4）n次進行n次涂布。

所以單塊網版涂布時間

在所設計的機構中，H2=1050mm，v2=100mm/s，v3=50mm/s，v4=120mm/s，t1=t2=6s，n=6，代入式(11)得單塊網版涂布時間T3與網版尺寸高度L之間的關系為：

3.3 網版涂布后搬運時間計算

圖11所示為網版涂布后搬運初始狀態，搬運機械手處于豎直位置，與頂端之間的距離為H3，網版烘箱處于左側工作位置或者右側工作位置。

圖11 網版搬運初始狀態

涂布后網版搬運流程為：

1）搬運機械手從豎直位置轉θ1至自動網版涂布機上；

2）搬運機械手夾緊網版、自動網版涂布機夾緊機構松開，需要時間t3；

3）搬運機械手抓取網版從自動網版涂布機轉θ1至豎直位置，再向上運動高度H3至頂端；

4）烘箱抽屜打開，需要時間t4；

5）搬運機械手下降高度H4將網版放入烘箱抽屜中；

6）搬運機械手上升100mm后烘箱抽屜開始關閉，關閉時搬運機械手繼續上升至最高處，烘箱抽屜關閉需要時間t5；

7）網版烘箱由左側工作位置或者右側工作位置移動至中間工作位置，需要時間t6；

流程5）中搬運機械手下降高度與放入烘箱抽屜層數有關，設計時搬運機械手的高度與單側網版烘箱抽屜的數量N有關，在所設計的機構中，烘箱抽屜高度為150mm，搬運機械手末端在流程3）中升至頂端后距離地面的高度為（895+150N）mm，網版烘箱最底層烘箱抽屜距離地面的高度為445mm，所以流程5）中搬運機械手需下降的最大高度為H4=895+150N-445=450+150N。

所以網版涂布后搬運時間：

式(13)中，w為角速度，v1為速度。在所設計的機構中 w=0.628rad/s，v1=500mm/s，t3=2s，t4=t5=5.5s，t6=6.75s，θ1=0.63rad，H3=430+150N，代入式(13)得網版涂布后搬運時間T4與單側網版烘箱抽屜數量N的關系為：

3.4 單側網版烘箱數量計算

將式(10)、式(12)、式(14)代入式(8)得單側網版烘箱抽屜數量N與網版尺寸L的關系為：

網版尺寸高度L=400～1000mm時，求得N<5.43，所以單側網版烘箱抽屜數量設計為5個，與目前市場上網版烘箱抽屜數量相同。

4 結論

1）對自動涂膠烘干一體化系統方案和工作原理進行了介紹，對涂布機構進行了運動學分析，得出運動學規律，結果表明，所設計的涂布機構無剛性沖擊，運轉平穩，符合設計要求。

2）對網版烘箱抽屜數量進行了計算，與市場上烘箱抽屜數量相同。結果表明，所設計的系統結構合理、能夠對不同尺寸的網版進行感光膠涂布和烘干，具有很強的實用性。

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