曲面胶印机支撑箱体结构的设计与分析*

王昌佑，陈 忠，王贤洵，王贤淮

（1.广东隆兴包装实业有限公司，广东潮州 515638；2.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州 510640）

随着人们生活水平的提高，现代社会对新型食品包装容器的需求越来越大，要求越来越高。该类容器除了要满足基本的容器功能外，对外表面的图案及色彩也有很高要求。对于PET 塑料杯外表面上的色彩鲜艳的图案需要采用特殊的柔性版胶印技术完成印刷，为此须配套高效的锥形容器曲面胶印刷机。为了保证这类曲面胶印机的印刷质量，需要一个坚固的机箱，用以支撑高速运转的大鼓轮印刷传动系统、送墨传送系统和步进分度传动系统。但是，传统的曲面胶印机的机箱采用两支撑板的主体结构[1]，存在支撑刚度差、印刷与传动不能分区隔离等缺点，以致于造成整机动态性能差、印刷质量不高以及卫生性不能很好控制等一系列问题。

为此，本文针对曲面胶印机两板式支撑结构的缺点，提出了一种曲面胶印机三板式支撑结构，以改进整机的动态性能，提高印刷质量。论文首先论述曲面胶印机的主体机构与传动关系，其次设计一种用于曲面胶印机的三板式支撑结构，通过模态分析，讨论三板式支撑结构的动态特性。所设计的结构应用在多色曲面胶印机中取得了很好的效果。

1 曲面胶印机的工作原理[2]

曲面印刷机是一个高度机电一体化的印刷设备，其基本的印刷原理采用柔性凸版与胶印复合印刷模式，因此兼有胶版印刷与柔性版印刷的优点。其结构及印刷示意图如图1 所示，曲面胶印机通过窜动胶辊2 把UV 油墨1 均匀涂抹到柔性凸版3 上；柔性凸版上的单色图形转印到鼓轮橡皮布4 上，橡皮布上的多色图形，则通过多组柔性凸版通过恒定机械传动链以同步的方式套印在同一个橡皮布上；大鼓轮5与步进分度模头7以双电机独立控制方式确保橡皮布与步进分度模头7 上的锥形塑杯步进同步接触滚动印刷。

图1 锥形塑杯印刷机工作示意图

为了保证锥形塑杯的印刷质量，需要一系列的功能工位，具体如示意图2 所示。整个步进印刷工步包括进杯1、顶杯2、电晕及检测3、顶杯4、印杯5、次品弹出6、UV固化7、出杯8八个工位。各工位按一定的节拍步进进行，其中印杯工位5 完成大鼓轮橡皮布上的套色图形转印到锥形塑杯表面。

图2 锥形塑杯印刷机的印刷工步示意图

因此，曲面胶印机传动系统主要包括大鼓轮印刷传动系统、送墨传送系统和步进分度传动系统。这些传动系统的动态性能直接影响到整机的印刷精度与质量。随着曲面胶印机的工作速度达到36 000个印杯/小时，对支撑这些传动系统的支撑箱体提出了更高的要求。

2 曲面胶印机三板支撑结构的设计与模态分析

大鼓轮印刷传动系统、送墨传送系统等都需要一个支撑框架，实现传动系统的支撑与各传动轴的空间布置。为此，需要考虑支撑动态特性的结构设计。

2.1 三板支撑结构的结构设计

曲面胶印机核心传动系统是大鼓轮印刷传动系统，其功能是使印版辊与大鼓轮圆周分布的橡皮布之间实现无摩擦对滚，完成多色图案的准确套印。其中，多个印版辊环绕大鼓轮圆周间隔分布，因此，整个传动系统是空间分布的多轴系统。由于曲面多色胶印的速度很快，各橡皮布的印刷节拍造成不可避免的强迫接触冲击，有可能造成套色不准与错位，直接影响印刷质量。为此，必须提高大鼓轮印刷传动系统的刚性及动态性能。

为保证曲面胶印机大鼓轮印刷传动系统的动态特性、提高其刚度，如图1 所示，设计一个三板式支撑结构。其中，板1、2、3 分别是三个支撑板，传动主轴支撑在板1、3的轴承上，通过板2把大鼓轮3和大齿轮5分成两个腔室，分别是印刷腔室和传动腔室。同时，多个印版辊传动轴支撑在板1、2、3 上，其中，印版辊处于印刷腔室，小齿轮处于传动腔室。从而实现了印刷与传动的空间隔离，保证了印刷的卫生与整机的整洁。更为重要的是，板1、2、3通过至少3个连接轴4 紧固在一起，提高了整机的支撑刚度，保证快速印刷的动态性能。

图3 三板式大鼓轮印刷传动系统结构图

图4 两板式支撑结构的模态分析

2.2 模态分析

为了进一步评价三板式支撑结构的动态特性。本文通过3D实体建模，在ANSYS Workbench中完成了两板式支撑结构与三板式支撑结构的模态分析，以对比分析新型三板式支撑结构的优越性。分析结果如图4、5所示。

根据分析结果可知，两板式结构的一阶模态频率1 436 Hz，而三板式支撑结构的一阶模态频率为1 524 Hz。表明，三板式支撑结构的动态刚度要远好于两板式支撑结构。

3 结论

图5 三板式支撑结构的模态分析

随着曲面胶印机的印刷节拍越来越快，对整机动态特性提出了更高的要求。本文提出的三板支撑结构能够显著提高整机的动态性能，实现了印刷与传动的空间分离，保证了印刷过程的卫生要求。所设计的三板式支撑结构已成功应用在公司产业化的曲面胶印机上，在保证印刷质量的前提下，使得整机印刷速度达到了36 000个印杯/小时。

［1］蔡建伟，胡中越.曲面胶印机［P］.中国专利：200620061956.3.2007-08-22.

［2］王贤淮，陈忠，王昌佑，等.锥形塑杯曲面胶印机印刷差速分析与鼓轮设计［J］.现代制造工程，2009（6）：128-131.