机械手在模内贴标技术中的应用分析

李自臣陈梅�┗瞥�华

摘要：研究了模内贴标技术的生产工艺和机械手在注塑机中的应用现状及分类，重点研究机械手在注塑设备中的操作流程及机械手各系统间的关系，对模内贴标的影响因素及应对策略，概述模内贴标机械手的研究热点和发展前景。

关键词：模内贴标 机械手 注塑成型 流程

中图分类号：TS80文献标识码：A文章编号：1009-5349（2016）11-0175-02

在现实生活中，随着智能化生产设备的应用，膜内标贴（IML）技术逐步流行起来。膜内贴标产品以其表面抗磨损、高清晰度、立体效果明显、美观、经济效益好等特性获得了市场的认可。模内贴标有两种贴标成型方式：注射成型和吹塑成型。目前欧洲80%的模内贴标是通过注射成型的。

模内贴标生产线中，机械手控制器可控制机械手完成自动拾取标签，精确放置标签至相关模腔。智能机械臂的广泛应用，大大降低了人工操作的危险性和劳动强度，提高了产品质量及生产效率。

一、模内贴标技术的生产工艺

模内贴标过程中，标签盒内放有以单张形式叠放的印刷好并模切的标签；随后模具开启，机械手吸附单张标签，定位放置到开启的模具内。标签印刷面朝内，标签外侧涂有固态粘合剂，并以真空负压或静电吸附的方式将标签吸附于模具壁；待模具闭合后，熔融的塑料注入模具而成型，此时借助模具的高温，模具内附有固态粘合剂的标签熔化并与塑料容器结合成一体；经冷却后，再次打开模具，标签和容器成为一体，成为成型容器的一部分。

模内贴标技术与传统贴标技术相比，具有以下几个优势：

（1）通过完整的生产线流程，模内贴标产品生产全部采用机械化和自动化生产，保证了生产效率和稳定性。

（2）产品质量高。通过尘绒麂皮及皮革对贴标膜的处理，提高产品的品质。

（3）通过技术的更新，为生产厂家提供质量和品牌的保护。

（4）由于是采用膜内贴标技术，因此标签不受外界温湿度环境的影响，延长了使用寿命。

二、智能机械臂的应用现状

在注塑机中，采用智能机械臂可以完成注塑工件、废料拿取等自动化生产操作动作。通过与注塑机进行整合，可以形成一套完整的自动化生产专业设备。随着注塑成型设备自动化程度的提高，机械手已成为注塑成型设备的关注焦点。

当前智能机械臂的应用类型多种多样。一般通过功能、运动轨迹、抓取方式及动力系统进行分类。机械臂在国内一般用于浇铸行业，并没有在其他行业中大规模使用。

三、机械手在注塑机模内贴标工艺中的应用

（一）机械手在注塑设备中操作流程

根据加工工艺，注塑成型模内贴标工艺主要分为图1所示的七大步骤。注塑成型模内贴标工艺是一个循环的过程，机械手主要完成取标和取件的工作。其中机械手如何准确而稳定地取标并精确地将其放入模腔内是生产系统中需要重点考虑的因素之一。

1.机械手取标、贴标流程

机械手的取标和贴标过程以模内静电吸附形式为例，在机械手上配置静电产生器，当机械手将标签移动至模具上方时，智能控制单元控制静电产生器让标签产生静电，这样标签将会自动贴在模具上。工序如图2所示。

在整个取标、贴标过程中，机械手主要完成水平移动、垂直移动、旋转等动作。

（二）机械手各系统间关系

在注塑成型模内贴标工艺的循环过程中，机械手的操作动作与整个系统是否协调配合、机械手位置定位的精确度直接决定了产品质量。将智能交互系统、控制系统及驱动系统有机结合，才能保证注塑用模内贴标工艺的品质。

1.控制系统

对各个执行单元发出控制信号，并对作业执行情况进行监控，根据反馈信息对机械臂动作进行调整及修正。包括机械臂位置定位及控制部分，通常采用连续轨迹控制及离散点控制两种方式。

2.动力系统

在生产线中，给各个器件提供动力驱动系统。目前有机械、电动、液压及气动等几种方式。在实际生产中通常采用液压及气动两种方式进行生产作业。气动式操作便捷、移动迅速、接口简单、造价低、维修方便；液压式结构紧凑、动作平稳、耐冲击、耐震动、防爆性好，具有精度高及持续操控的特性，但由于漏油会对产品造成污染。

3.智能交互系统

机械手的定位、抓取、释放等操作都需要机械臂、机械腕和抓取器等各个器件进行良好的交互。智能交互系统通过交互模块发布指令完成相应执行动作。

（三）机械手对模内贴标工艺的影响因素

在整个生产中，尤其是在取标和贴标过程中，机械手的位置检测能力、位置控制能力及网络通信能力对贴标产品质量和生产效率起到非常重要的作用。

生产线操作过程中，为了避免重复贴标现象的出现，机械手贴标作业时必须精确定位标签放置坐标。如果出现重标就可能出现贴标不正、未贴标等情况出现。如果机械手采取真空方式来吸附标签，就必须考虑真空吸附力度问题。若吸附力过大就会吸附多页待贴标签。当吸附力不够时，会出现掉标现象。气压和掉标问题还易导致缺标现象。针对这些问题，可以通过调节机械手的真空吸力、有效消除静电的方法来解决。

智能化机械手与注塑机交互模块的设计影响着整个生产线的效率。在生产线正常运转过程中，机械手各个环节的传感器将大量参数传递给位置控制系统，为控制系统调用不同的位置控制程序提供依据，机械手控制系统实时将大量控制数据传输到各执行部件。同时从图2可以看出机械手与注塑机在各生产环节协调配合才能更好实现“一模多腔”。这些因素使得整个生产系统需要具备完善的通信能力。

在模内贴标工艺中，规定智能机械臂放置标签的精确度在±02mm以内。并且必须保证机械臂运行的精度及其稳定性。机械臂定位精度可结合传感器位置定位技术和调节机械手的控制系统不同算法与参数的方式来实现。

（四）模内贴标机械手的研究热点

（1）模内贴标工艺中因重标导致的歪标、掉标等现象主要是因标签间静电过大引起的。消除静电是保障贴标质量的主要任务之一。全球静电控制与消除行业巨头英国制造商“密其国际”研制出消除静电的发生器，由该公司994IML型模内贴标高压发生器和微型静电发生器组合而成，通常应用于体积较小的拾标器中。

（2）针对机械手控制系统中的通信问题的研究，主要有基于CAN总线方式，及基于LabVIEW的串行通信方案，多数研究均是基于实际应用生产线、实际硬件及开发软件而制定不同的通信方案。

（3）机械手定位精度的研究一直是关注的焦点，主要有针对机身震动特性的分析、机械手动力学分析及机械手原点回归方案的研究。机械手最终定位的精度主要由控制系统的控制策略来决定。目前国内机械手控制系统中主要采用模糊控制、自适应控制、鲁棒控制及反馈控制等策略。

四、展望

当今欧洲市场约85%—95%的食品包装物采用模内贴标技术加工而成，欧美主要塑料制品公司通过引入模内贴标成型设备提升产品品质、生产效率，最终提升经营收益。模内贴标生产系统正向“一模多腔”“多模多腔”的趋势发展着，而该生产系统中主要部件机械臂必然随着智能化生产系统的发展而广泛应用。根据工业4.0的发展趋势，机械臂在今后几年的发展趋势如下：

（1）效率更高、精确度更高、易于维护；

（2）智能化、组件化、结构简单化；

（3）其控制系统向开放型控制器发展，采用模块化结构，提高系统的可靠性、易操作性和可维修性；

（4）智能交互能力更强；通过智能控制和自主系统的有机结合，构成完整的智能化生产系统。

参考文献：

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[2]王三秀，俞立，徐建明，邢科新，王正初.机械臂自适应鲁棒轨迹跟踪控制[J].控制工程，2015，02：63-65.

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责任编辑：孙瑶