纸张分页贴标机的设计与研究

吕 偿，谢远霞，代英英

（1.广东白云学院，广州 510450；2.东莞米目米信息科技有限公司，广东东莞 523430）

0 引言

标签是产品在市场流通中承载产品信息的重要组成部分［1］。随着物联网高速发展，通过手机扫一扫产品标签即可获取该产品的生产日期、出产地、产品主要参数等，给消费者提供透明化的产品信息，同时有利于市场监督管理和智能仓储分拣［2］。产品生产制造过程中，在包装或产品上贴标是不可或缺的一道工序。贴标工序属于简单重复性工种，小批量生产时往往采用人工完成，而大批量生产采用人工贴标效率低，随着用工成本的增加无疑提高了产品的成本［3-4］。因此，面对大批量生产时采用的全自动无人为干预的高效、精准贴标机应运而生。当前针对个性化产品贴标，市场上大部分被贴标产品为非标，须针对特定产品进行研发，根据客户需求设定设计参数，其通用化程度低。对此，国内外学者根据不同被贴标产品需求做了大量的设计与研究。肖鹏等［5］以通用不干胶为设计需求，采用真空吸附取标、气压吹填覆标的方式完成取标、贴标动作。伍志祥等［6］按标签自身特征设计了剥标板的剥离角度，覆标机构在60°～75°，贴标角度小于30°对于罐装贴标对象有较好的贴标效果［7-8］。罗序平［9］根据不同几何特征的瓶类进行了贴标机结构的设计与分析。而以纸张为被贴标产品，进行连续贴标的产品鲜有报道。本文旨在设计一种先对层叠状态下的纸张进行分页，再在单张状态下完成对纸张贴标的贴标机。对被贴标纸张的厚度、长、宽、贴标位置可根据实际情况作相应调整，在纸张贴标范畴实现通用性。

1 纸张分页贴标机功能需求分析

纸张分页贴标机适用于在层叠状态下不同规格的纸张（扁平状包装纸），逐张分页并在指定位置完成贴标，以实现产品在生产过程中全自动化和智能化，满足现代化批量生产的需求。

纸张分页贴标机应满足以下功能需求：

1.1 纸张规格型号繁多

每种纸张的规格尺寸存在差异，分页贴标机可根据纸张规格调整送料机构、贴标机构、收料机构，以满足不同规格纸张贴标要求。

1.2 标签规格较多

每个产品对标签的需求各不相同，对应根据标签大小、挺度、黏度、标签与标签间距作合理化设计。使送标、剥标、覆标、抚标4个动作精准、协调，能高效、连续地完成贴标。

1.3 贴标位置可根据用户需求调整

产品的贴标位置可根据包装设计特点确定。因此，贴标机构应具备水平移动、上下移动及固定架转动即3个自由度，以应对贴标位置的变化。

纸张分页贴标机在满足基本功能需求时亦须满足相关性能指标，其技术参数见表1。

表1 纸张分页贴标机技术参数Tab.1 Technical parameters of paper paging and labeling machine

2 纸张分页贴标机功能设计分析

2.1 贴标对象

贴标对象为纸张类产品，具有纸张的分页和贴标2个功能。将纸张从层叠状态逐张分页成单张状态，在纸张指定位置完成连续、高效、精准贴标。所贴标签单面粘附于成卷蜡纸上，以自动化形式完成贴标后，蜡纸可自动回收。

2.2 贴标工序分析

根据贴标对象特征和贴标要求，拟定贴标机的主要功能模块。本贴标机的贴标对象为纸张，其大小为标准A3（长为297 mm，宽为420 mm），初始时处于层叠状态。拟定采用飞达机构使纸张逐张分成单张状态，飞达机构的真空吸盘通过吸附抓取使纸张分离，随后凸轮机构使飞达机构先在纸张平面法线方向抬高H1，然后沿切线方向移动B1，将纸张传送至送料机构，送料机构以传输带将纸张快速传送至贴标位置。根据贴标位置要求，调整安装在调整机构横梁上的贴标机构，贴标机构由送标机构、剥标机构、收标机构及抚标机构组成，贴标头通过主动轴辊带动供标机构和收标机构，剥标机构使标签与蜡纸快速分离，贴附标签于产品的贴标位置，由抚标机构完成二次抚压。在整个贴标过程完成后，纸张由传送带输送至收料机构。其贴标工艺过程如图1所示。

图1 纸张分页贴标机工艺流程Fig.1 Technological flow chart of paper paging and labeling machine

2.3 贴标总体方案设计

纸张分页贴标机如图2所示，分页贴标过程均由PLC集中控制。飞达上料机构抓取纸张后沿输送带传输方向移动，该移动动作由凸轮机构完成但受限于凸轮推程较小，使之在传输方向移动行程受限，故在飞达机构抓取纸张后输送至传输带时，在传输带与飞达机构连接位置加装带有橡胶圈的滚子组，滚子组与传输带转向相反，即在纸张接触滚子组瞬间，在滚子组与传输带摩擦力作用下，快速将纸张传输至传输带，解决了凸轮结构推程不足的问题。传输带将纸张输送至预设的贴标位置，测物电眼检测纸张位置并将信号反馈至PLC控制系统，启动贴标机构。标签纸受牵引辊作用在供标辊、导向辊、张紧轮、收标轮实现传输。根据贴标位置要求和贴标产品特征，贴标机构安装在调整机构上的移动可满足纸张类产品的贴标位置需求。

图2 纸张分页贴标机总成图Fig.2 General assembly diagram of paper paging and labeling machine

3 纸张分页贴标机功能单元设计

3.1 贴标系统结构设计

3.1.1 贴标机构原理设计

贴标是贴标机的核心，贴标的结构设计合理性对贴标质量有重要意义。贴标机构如图3所示，标签卷置于标签放料机构，标签带绕过张紧轮刹车机构，保证标签卷处于张紧状态，并在机器运行故障时可及时刹停标签，保障标签卷可持续性使用。标签带通过导向轮进入剥标机构，在完成剥标后标签带被收料机构回收，使蜡纸可二次利用。

图3 贴标头结构图Fig.3 Structural diagram of labeling head

3.1.2 贴标匀速供标设计

匀速供标是贴标稳定性的前提，标签带须由放料机构匀速运行至收料机构，保证有相同的线速度，而放料轮在输出标签带的同时标签卷半径递减，收料轮上标签卷半径递增，在标签放料轮和收料轮线速度相等的前提下，其角速度必为非恒值。基于此，标签放料轮和收料轮均不能作为牵引机构，为实现匀速供标，故在标签收料机构前设计牵引辊作为标签传输的驱动力。牵引辊由两个偏心辊组成，其中一个为主动牵引辊，带有橡胶圈以增大牵引摩擦力，另一个为金属牵引辊，调整安装角度使标签带与主动牵引辊的包角为120°～180°，以形成足够的摩擦力，从而实现稳定、匀速的供标。

3.1.3 贴标头剥标原理

标签剥离原理如图4所示，假设标签总长为l，标签与标签带之间的黏结力近似为作用于标签上的均布载荷。当标签随标签带以匀速v运动时，由于标签自身挺度EI（抗弯刚度）及惯性作用，黏结力不足以使标签产生较大曲率。标签在自身抗弯刚度作用下回弹，在惯性作用下保持原速度向前移动，并会在距自由端x处开始与标签带分离，直至完全分离。

图4 剥标原理示意图Fig 4 Schematic diagram of label stripping principle

3.2 标签剥离参数分析

参照压敏胶带剥离黏结力的标准试验法［10］，将标签与剥标板之间的黏结力近似于施加在标签上的均布载荷，假设标签长度为l，宽度为b，厚度为h。标签与剥标板之间的载荷为q，将标签剥离简化力学模型为如图5所示。

图5 剥标原理的力学模型Fig.5 Mechanical model of label stripping principle

标签在黏结力q作用下发生弯曲变形，假设自由端部分曲率半径为 ρ（x），标签整体部分的曲率半径为r（x），故标签开始剥离的临界条件：

由弯曲变形理论可知［11］：

式中E——弹性模量；

I——对标签横截面的惯性矩。

根据弯曲内力理论，其弯矩：

根据弧长定理：

θ（x）为截面转角方程即为挠度方程一阶导数，受均布载荷的固定端约束的梁模型，其挠度方程：

式（5）一阶导数：

将式（3）、（4）、（6）代入式（2），可得：

由式（7）可知，根据标签自身材料参数、几何参数可确定剥标曲率半径。

3.3 剥标关键技术分析

剥标板在标签剥离时需有合理的剥离角度，较小的剥离半径更易使标签从标签带上剥离，提高贴标的成功率。但剥离半径越小，标签带受的牵引力越大，易导致标签带断裂，从而使贴标次品率增加。故此，选择合适的剥离半径尤为重要，合适的剥标半径可由通式（7）得出。

3.4 贴标调整机构的设计

将贴标机构安装于调整机构以满足不同角度、位置贴标需求，安装方式如图6所示。调整机构具有4自由度，以笛卡尔坐标系为参考，手轮1，2，3分别控制贴标机构在X、Y、Z轴方向的位移，手轮4可控制贴标机构绕Y轴转动即调整贴标头与输送带之间角度。

图6 贴标机构安装示意Fig.6 Assembly diagram of labeling mechanism

4 结语

根据功能需求设计纸张分页贴标机，该贴标机包含了送料机构、飞达上料机构、传输机构、贴标机构、调整机构、收料机构。重点分析贴标的关键技术，阐述贴标原理和标签纸实现匀速供标的方法，并对标签剥离建立简要的力学模型，通过分析得出标签从标签带分离时自由端的曲率半径，为设计高质量剥标提供理论参考。