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造紙廠中的卷筒和平板紙切割
摘要：
這篇文章描述了發(fā)生在葡萄牙造紙廠，在設計和最優(yōu)化的切割卷筒和平板紙的生產過程中所出現(xiàn)的一個現(xiàn)實性的工業(yè)難題。全球性的工業(yè)難題主要是寬度的設定，這些寬度的設定在生產的過程中一定要符合相應的條款，主要的目標就是要能夠使一系列已經(jīng)定好的卷筒和平板紙與主要的卷筒相分離。寬度結合的這個過程將決定即將被生產加工的主要卷筒的質量和重量、切割的樣式以使損失達到最小，從而滿足生產的需要。
進程中的技術進程對這個擁有兩個加工階段的進程起著決定性的作用。本文還介紹了模型的細節(jié)和解決的方法。還包括一些解說性的計算方面的結果。
2003 Elsevier Ltd. 版權所有
關鍵詞：結合的最優(yōu)化；成品紙庫存；自發(fā)式
1、引言
在造紙廠設計紙張的生產過程中采用了許多具有實質效果的特殊方式，其中的每個方式又有自己獨特的特點，同時這種方式還要求必須有8個精確無誤的數(shù)學公式和解決方法[1-3]。然而，把所耗費的損失降到最小卻是由客觀性的物理作用而決定的。其余的部分則是由運行整個過程的時間、數(shù)字和切割型號的特性等因素列表而組成的。另外還有一些是常見的強制力、相關客戶的說明書、戰(zhàn)略決定和生產過程中的一些技術特性。
這篇文章主要闡述了應葡萄牙造紙廠CPP的要求而設計的一套流程，主要用以產品的設計和切割紙張的卷筒。這套系統(tǒng)被命名為[COOL]（[COOL]代表葡萄牙的單詞，意思是能使寬度的聯(lián)合達到最佳化），是復雜系統(tǒng)的一部分，用來支撐生產紙張和操縱托盤的工具。
在這篇論文里所解決的就是制定切割的型號以及生產依照型號和質量而進行分類的紙張來滿足預定規(guī)格的卷筒和平板紙。這個系統(tǒng)基本上就是處理在符合定單的前提下設計紙張，切割主要卷筒的過程中所出現(xiàn)的問題。切割預計要與主軸相連，并且要考慮把損失降到最小化同時還要滿足定單的數(shù)量要求。一個多樣化的技術上、操作上出現(xiàn)的強制力包含在設計的進程之中，并引發(fā)了一個奇怪的難關。
從這種觀點來看，這項難題存在于成品紙庫存這個問題之中[4-6]。這個問題忽視在卷筒末端將會出現(xiàn)損失而公式化的被采用，這樣1D進程就被設計出來。在切割過程中的技術特性決定了擁有兩個工業(yè)階段的進程的方法論的必要性。另一個1D的切割問題可以在已經(jīng)出版的文學上得到證實。不僅是造紙業(yè)，這項進程還可以應用到其他工業(yè)，例如鋼鐵行業(yè)[7、8]和塑料行業(yè)[9]。
我們設想一個原始的解決方法來解決前面所出現(xiàn)的問題，與僅用人工就能獲得解決方法相比，這種方法就正如造紙廠所證實的那樣用節(jié)省紙張來達到重視改良的效果。這種方法是基于兩個獨特的呈直線型的計劃模型，而這個模型則是由單一的阿拉伯算法計算而得的。那么，為了滿足以往被忽略的全部限制所得到的解決方法就必須類似于后選擇步驟。這個解決方法所獲得的有效性是通過工業(yè)難題的整合應用模型的改革運動而獲得的，這種改革運動是用微軟CPLEX⒍0的商業(yè)最優(yōu)化來解決的。
這篇論文的整體結構如下：第2段介紹了生產的難題和它的工業(yè)背景。特殊強調了工業(yè)環(huán)境的特殊作用以及相關的解決辦法。第3段和第4段將描述出現(xiàn)的問題和解決問題相應的方法論。第4段列舉了一個小例子來說明解決問題的進程。第5段現(xiàn)實性的討論了一些可能出現(xiàn)的結果。
2、工業(yè)環(huán)境
這一研究案例是在一家葡萄牙造紙廠中進行的，因為是從紙漿開始生產紙產品，所以此案例可視為一個垂直工業(yè)流程，產品包含卷筒紙和平板紙。工廠在兩類市場中運做：一類是標準紙，另一類是按要求預定紙。整個生產周期一共六周，并且由于技術因素，紙生產中存在一個或加速或減速的提前預警產品的生產連續(xù)性問題。
圖1 制造流程
圖1顯示了該廠通過生產線的成品紙從紙漿中生產出再按固定寬度繞在主卷筒機上,然后主卷筒機隨卷線機將卷筒紙切成小筒紙,這些卷筒紙或被直接提供給客戶或送入中間倉庫。
在卷線機和切割機上都有少量的固定寬度的切割碎片留在紙上。這主要由采用的生產流程所決定。
圖2顯示了計劃和生產流程的相干方面。重點是主產品和副產品計劃和產量的不同。計劃是基于客戶同屬的產品定貨。同一紙種和等級的卷筒紙和輔助卷筒紙一起構成了預訂產品的規(guī)格。這種助卷筒紙只包含卷筒紙和平板紙中的一種。因此兩種輔助卷筒紙是有區(qū)別的：一種是平板輔助卷筒紙，一種是卷筒輔助卷筒紙。輔助卷筒紙只按照有關的主卷筒紙構成其切割方式的。
介紹了輔助切割，以便于對于產品生產過程和采取的解決方法有一個更好地了解。這與有關的技術過程密切相關。且當應用到切紙機時，就要求對于額外的紙寬進行考慮。在主切割方式的副切割方式的定義由相應的兩項解決方案決定。在副卷筒和切割方法的終結中必須進行討論。這些限制決定了方法的可行性。
訂購系統(tǒng)如圖3所示，可在國內外市場訂購（因為此公司也在葡萄牙以外運作）由市場營銷部負責。如果認為合適的話，與外部訂購相同。可源于這些定單產品要求或是切割定單或是預期定單。當一位客戶的卷筒紙的定單可由現(xiàn)存（存在半成品倉庫）的卷筒紙滿足其要求時就生成一份切割定單，當客戶的平板紙定單可由現(xiàn)存（存于標準倉庫）的平板紙滿足時，就生成一份預期定單。
圖2計劃和生產流程
圖3 訂購系統(tǒng)
3問題描述
為了使完成生產定單時的浪費最少，造紙中存在的工作主要是切紙方法的整合過程。它決定了主卷筒紙的重量和質量。生產系統(tǒng)的發(fā)展將支持產品定單的切割計劃。不會干擾相關定單的完成與每個生產循環(huán)的成品紙的生產。這些是市場營銷部所做的決定，最終在使用cool系統(tǒng)的模擬中得到了支持。
在與主卷筒機有關的切割方法的定義中必須考慮到一些限制條件。這些限制條件可分為以下兩方面：
操作限制（包括管理和客戶要求）
*只有每個寬度單位的等重的卷筒紙才可以結合在一起
*只有內外直徑相同才可以結合
*客戶的內外徑規(guī)格的要求必須得到滿足
*必須考慮到輔助卷筒機的任務，因為切紙機有不同的特點。對于切割方法提出了最小寬度的要求，以便使可用的機器得以利用。
技術限制（主要歸因于機器的特點）
* 在輸入時主卷筒機的最大和最小寬度；
* 旋切刀的限制數(shù)；
* 切割機最大，最小板紙寬度；
* 切割機的最大切割卷筒紙直徑；
* 在切割機和卷線機中的邊料；
在造紙工業(yè)中還必須考慮一系列的歐洲耗材標準。當在完成訂單的過程中（見表1）在這個范圍內，客戶有義務接受訂貨數(shù)量的不足。當產量大于最大定購數(shù)量時，市場部會努力勸說客戶接受這些額外數(shù)量的產品。由于產品固有的損耗，在計劃階段是決不會考慮負損耗的。
4.解決步驟
所采取的解決方法在生產中已經(jīng)清楚表明。主要可分三步。如圖4所示。第一部包括的內容見表1?；谥骶硗驳墓潭▽挾群陀唵蔚墓潭▽挾葋磉x擇輔助卷筒和切割方法。之后一系列的切割方法要通過排除不完善的輔助卷筒機方法或切割方法來進行篩選。所有剩下的切割方法都必須排除生產過程中存在的技術操作限制而具有可行性。
第二步，在第一步中被選擇和接受的切割方法在解決問題的線性規(guī)劃模式的應用。發(fā)展兩個真實問題的可行方法。按照循環(huán)步驟的線性解決方案，要滿足在前面步驟中被忽略的各種相關變化的限制條件。
在隨后部分都會得到詳細的闡述。
介紹一個小的真實的工業(yè)例子來說明解決步驟，它與主卷筒紙長度不定情況下的生產要求。內直徑或外直徑?jīng)]有被確定的含義是在平板紙購貨或卷筒紙定購中客戶并未指定直徑的具體數(shù)值。寬2520mm紙的等級為250g/mm,厚度為345mm。相關的產品要求見表2。
自發(fā)循環(huán)
循環(huán)過程來解決cp模式和在前面被忽略的整合屬性的采用。限制例如：
(1)客戶確定的卷筒紙直徑必須得滿足,這就意味包括卷筒必須總是按要求的直徑采取多樣性，為了使這個過程的影響最小，定購數(shù)量如表3。解決方案按照固定直徑卷筒的在建立zp模型前要選擇卷筒長度最多樣的一個。
(2)板紙的結合重量最少,相當于紙最小長度,以便避免切紙機的無效率使用
(3)與以前的幾項相似切割方法限制的重量最小以便卷線機避免無效率使用,同時使用每種切割方法來切割最小量的紙.
循環(huán)模式用Lp模式的最終解決方案來開始并努力調整這些方式長度來滿足以上提到的限制.新的方法雖可能與Lp1保持相似,但必須滿足定購數(shù)量,第一,循環(huán)過程中盡量排除那些沒有最低重量條件的方式(以上限制2和3).必須提前注明不要排除訂單的獨特形式.然后,剩下的形式要足足包括使用,以補償被破壞的方法的效果.
這個過程基本由連續(xù)的選擇在每個方法中不能被滿足的項目數(shù)量的切割方式.然后討論用第一種切割方法切割的數(shù)量,最后,使沒有被滿足的項目得以滿足.這個過程不斷重復,直到在所有一切切割方式中沒有滿足的項目都得以滿足為止.
即使當使用模式1時,這個循環(huán)過程也能導致標準耗材以上的過量生產.
表3所示的解決方案中只有與板紙結合的最小重量相公的限制沒有被fp16的長度所滿足。因為它由此方法決定的板紙結合的最小重量比限制條件小，為（2730：00mm）.因為在此種方法中只有PR1002而且在FP21（x14）中也存在。所以FP16方法可被排除。FP21的數(shù)量最終的解決方法見表4。
圖5顯示了表2中COOL系統(tǒng)產出的數(shù)據(jù)。
圖5大規(guī)模例證的計算結果
5計算結果
計算測試的主要目的在于確認所采取的解決步驟的有效性和在發(fā)展出的兩個線形程序模式（模式1和模式2）中建立一個對比分析。在第一組計算中所甬道的數(shù)據(jù)是由市場部提供的，它與造紙長中要解決的實際問題一致。有關的定單數(shù)從3到16，定單的最大和最小寬度分別為1392mm和238mm,平均寬度為690mm。盡管這些只有相對較小的例子，但通過這些例子，公司希望使系統(tǒng)的應用者能夠容易的對于COOL系統(tǒng)在使用的初始階段的表現(xiàn)給以評價。
計算所用的數(shù)據(jù)可在www.apdio/sicuo中找到。
計算法則由c語言完成。計算結果由450赫茲的奔騰3處理器完成。
為了對用以上的描述的線形模式和自發(fā)循環(huán)得到的解決方法的質量進行評價，使用了IP模式。這種IP模式能使生產的紙的數(shù)量最小同時又能嚴格滿足定單的數(shù)量。為了考慮上述提到的全部限制，包括幾個不同的變化：平板紙結合的最小重量（最小重量平板紙），應用復合整合程序模式CPLEXV。6。0版軟件來解決IP模式。
見圖6。每個發(fā)展得到解決方法的表現(xiàn)（基于兩個LP模式。模式1，模式2）都得到了客觀的評價圖6（A），用IP模式得到的結果的速率和用線形步驟得到的IP模式在每個測試實驗中得到表現(xiàn)：Y軸的數(shù)值為1。00與IP模式結果相同。從此章中可知基于過程的線形結果大部分是與用IP模式得到的數(shù)據(jù)一致的：模式1得到的數(shù)據(jù)的與測試的%70相同，而從模式二得到的數(shù)據(jù)中有50%與之相同。但有一個例外，IP結果決不超過22%。
本章中的圖6（B）用于證明所采用的線形方法的充分性。在循環(huán)過程前后的結果速率都以計算。在循環(huán)過程之前在Y軸上的數(shù)值1。00就與LP模式的結果相同。在絕大多數(shù)情況下，LP路徑的結果都與最終結果一致，這就意味著在循環(huán)過程中考慮的整個屬性限制都不會改變線形程序的結果。
這兩章都表明了用模式1（使生產的紙長度最小而且不允許超出耗材標準過量生產）得到的結果都比模式2（不產生中間庫存）的結果好。而且，這些說明了有必要改進模式2的循環(huán)過程。
表5對比了由兩個線形程序得到的結果，包括3個組成部分：生產出的中間庫存的數(shù)量，在標準上超出生產的產品的數(shù)量以及不可再利用的紙的數(shù)量（廢品）。所有的數(shù)量都按照整體數(shù)量的百分數(shù)來表示不考慮采取的每一個模式的客觀作用：模式2盡量不產生中間庫存而模式1盡量不超量生產產品。盡管如此有時這些超出部分是循環(huán)過程的必然結果。但與模式2比較它的數(shù)量就遠小于模式2所產生的庫存量。
因為只有廢品是不可再利用的部分所以圖6對基于此過程的兩種LP模式所得到的價值進行了一個對比。最終結果是在產生的廢物最小化方面，用模式1得到的價值比用模式2得到的價值略微小一些。
按照這一系列的對比實驗，模式1在所有方面的表現(xiàn)均優(yōu)于模式2。但模式2仍可在COOL系統(tǒng)的最終版本中使用。因為每種模式都有可能使得到的解決方案都更或甚至要求不同的工業(yè)條件：當允許或建議產生中間庫存的模式1可被利用。當要求生產足夠多的中間庫存以滿足市場的模式2就會被使用。就效率而言，LP 方法可以只使用采用IP方法生產時的時間的75%盡管對于測試的例子中的IP方法的平均解決時間為18小時，當在實際生產過程中需要時也會使用。進行搜集和測試了更大規(guī)模的一系列例子以便評價當面對大規(guī)模定貨時基于IP而發(fā)展的方法的效率的表現(xiàn)。
所有這些例子包括30個不同面的例子和在以上提到的真實定單中隨機抽取的例子。主要的目的是為了對于我們的方法在特殊條件下的效率進行評估。
這些測試采用模式1。結果速率和LP+ROUND-UP/IP見圖5正如我們所看到的，我們用我們的方法和用基于CPLEX的IP方法在客觀作用上并無大的異同。采用兩種方法，用于解決10個例子所使用的時間見表6。
正如我們預測的，在整個程序的時間中選擇所使用的時間總是很長。但這一缺點并未經(jīng)常限制整合程序的使用，例如在例子第5，7，10中便是如此。在這些例子中操作效率的不同也許更大一些。
COOL系統(tǒng)已在造紙廠中證明了其有效性并正在廣泛使用。在經(jīng)濟和環(huán)境上的巨大利益得到認可。根據(jù)報道轉換消耗已經(jīng)降低了3%。這意味每年多余1000的節(jié)約。而且在能源上也得到了巨大的節(jié)約。況且，與紙不同，能源不可重復利用。
6 結論
這篇論文介紹了COOL系統(tǒng)，此系統(tǒng)是在葡萄牙造紙長中解決特定的切割儲存問題時發(fā)展出來的。使得在生產和切割主卷筒紙時的邊緣廢料最少是發(fā)展此解決過程的主要目的。由于技術原因，主卷筒紙分成兩個部分，同時滿足一系列的技術和操作限制。兩項切割的特點對于采取的解決過程是至關重要的。
由于此問題的結合屬性，基于切割方法計算的解決過程得以發(fā)明。為了滿足大部分的限制條件，這些方法是要進行選擇的。并且這些方法在決定每種紙的生產的重量和數(shù)量的問題的線性程序計算中被用作選擇列。以往被忽略的整合屬性的限制通過線形程序解決方案在之后的選擇中也被包括進去了。
基于模式的兩個線形程序得以發(fā)展和得到測試。盡管使用兩個模式得到的結果非常令人滿意，但是在它們中的對比分析和在每一個中的對比分析以及用整合程序模式的到的方法的分析表明循環(huán)程序仍有必要改進。盡管如此，卻應該摒棄發(fā)展自發(fā)解決問題系統(tǒng)的想法。
自動化切紙機在工業(yè)上有很大優(yōu)勢：可以減少產品循環(huán)和可以完成即時的定單，還可以提高客服質量。由于巨大的經(jīng)濟和環(huán)境利益以及操作優(yōu)勢，COOL系統(tǒng)已經(jīng)在造紙廠中得以應用，并得到了積極的反饋。
北京印刷學院 畢業(yè)設計（論文） 課 題 名 稱： 卷筒紙膠印機印刷滾筒設計 專 業(yè) 班 級： 機-10-2 班 學 生 姓 名： 孫晶晶 學 生 學 號：100110207 指導教師： 程常現(xiàn) 職稱： 副教授 日期： 2013 年 5 月 1 日 II 摘 要 首先針對卷筒紙膠印機進行總體方案設計，進而確定卷筒紙膠印機的 總體布局，隨后，對卷筒組件進行設計。介紹了卷筒的工作原理及關鍵技 術。然后，確定了合理的卷筒總體結構，分別對卷筒的各零部件作了設計， 產生了裝配圖、零件圖與設計說明書等設計文檔。最后，對卷筒的旋轉軸 和軸承進行了詳細的分析和校核，計算表明，該卷筒設計符合要求。 本課題是以卷筒紙膠印機為基礎，參考目前市場上常用的卷筒紙印 刷機進行設計，對滾筒和離合壓的等常用結構進行設計。通過參考同類機 器的設計實現(xiàn)印版和橡皮布的裝卡和鎖緊、滾筒之間的離合壓及調壓；滾 筒的轉動可實現(xiàn)手動和電動；離合壓機構可以使用手動和氣動兩種形式。 印版滾筒的裝卡機構采用窄縫式，橡皮布的裝卡采用夾板式；離合壓、調 壓采用單偏心機構。并用 SolidWorks 軟件建立了卷筒紙膠印機印刷裝置 實體模型。 關鍵詞：卷筒紙膠印機，印刷裝置，實體 III Abstract Firstly, the overall scheme design for web offset printing machine, which will determine the overall layout, web offset printing machine then, carries on the design to the spool assembly. This paper introduces the working principle and key technology of roll. Then, the drum structure reasonable, the drum parts were designed, produced the assembly drawing, part drawing and the design specification and design documents. Finally, on the rotation of the drum shaft and bearing are analyzed and checked, detailed calculation shows that, the drum is designed to meet the requirements of. This topic is web offest press based on the market at present, reference commonly used web printing machine design, carries on the design to the common structure of cylinder and clutch pressure. Clutch by reference to similar machine implementation of the plate and blanket clamping and locking, drum pressure and pressure; the rotation of the roller can realize manual and electric; the on-off pressure mechanism can use manual and pneumatic two forms. A printing plate cylinder clamping mechanism adopts a narrow slit type, blanket clamping the splint; clutch pressure, pressure regulating single eccentric mechanism. And the establishment of the web offset printing device of solid model in SolidWorks software. Keywords: web offset printing device, entities IV 目 錄 摘 要 ........................................................II ABSTRACT .....................................................III 第 1 章緒論 .....................................................1 1.1 概述 ......................................................1 1.2 印刷機分類 ................................................1 1.3 印刷機的構造 ..............................................6 1.3.1 印刷機滾筒 ............................................6 1.3.2 收放卷裝置 ............................................6 1.3.3 傳動部分 ..............................................6 1.3.4 供墨系統(tǒng) ..............................................6 1.3.5 干燥系統(tǒng) ..............................................7 1.4 工作原理 ..................................................7 1.5 國內外研究現(xiàn)狀 ............................................9 1.6 卷筒紙膠印機的發(fā)展趨勢 ...................................10 第 2 章 滾筒的結構設計 .........................................12 2.1 印版滾筒的設計 ...........................................12 2.1.1 膠印機滾筒概述 .......................................12 2.1.2 膠印機滾筒裝卡機構設計 ...............................12 2.1.3 印版滾筒軸向結構設計 .................................13 4.2 滾筒的設計 ...............................................13 4.2.1 滾筒概述 .............................................13 2.2.2 滾筒裝卡機構設計 .....................................14 第 3 章 卷筒組件要求與設計計算 .................................16 3.1 卷筒的基本要求 ...........................................17 3.1.1 旋轉精度 .............................................17 3.1.2 剛度 .................................................17 3.1.3 抗振性 ...............................................18 3.1.4 溫升和熱變形 .........................................19 3.1.5 耐磨性 ...............................................19 3.2 卷筒組件的布局 ...........................................19 3.3 卷筒結構的初步擬定 .......................................23 3.4 卷筒的材料與熱處理 .......................................23 3.5 卷筒的技術要求 ...........................................24 3.6 卷筒直徑的選擇 ...........................................25 V 3.7 卷筒軸承的選擇 ...........................................26 3.8 軸承的選型及校核 .........................................28 3.9 卷筒前端懸伸量 ...........................................31 3.10 卷筒支承跨距 ............................................32 3.11 卷筒組件的驗算 ..........................................32 3.11.1 支承的簡化 ..........................................33 3.11.2 卷筒的撓度 ..........................................33 3.11.3 卷筒傾角 ............................................34 3.12 卷筒軸承的潤滑 ..........................................35 第 4 章 滾筒調整機構設計 .......................................36 結 論 .........................................................37 參考文獻 ......................................................38 致 謝 ........................................................40 1 第 1 章緒論 1.1 概述 生產印刷品及完成印刷過程使用的機械、設備、儀器的總稱。一般分 為制版機械、印刷機、裝訂機械 3 類。 另外，用于文具，電子類產品印刷的移印機、絲印機應用也較廣泛。 1.2 印刷機分類 印刷機產品的種類繁多，有不同的分類方法。 1．按印版種類分類。按所用印版種類的不同可將印刷機分為以下四 種。 （1）凸版印刷機。凸版印刷是用凸版施印的一種印刷方式，凸版印刷 機是使用凸版完成印刷過程的機器。這里所說的凸版是指圖文部分明顯高 于空白部分的印版，如活字版、照相凸版和感光性樹脂版等。 首先由勻墨輥 1 和著墨輥 2 在印版滾筒 3（圓柱形的印版支承物）的 印版上著以油墨，然后進紙，在紙的背面由壓印滾筒 5（圓柱形的壓印體） 施以印刷壓力，從而使印版上的油墨轉移到紙上。此種印刷方法屬于直接 印刷方式，即印版上圖文部分的油墨直接轉移到承印物表面的印刷方式。 （2）凹版印刷機。凹版印刷是用凹版施印的一種印刷方式。凹版印 刷機是用凹版進行印刷的機器。這里所說的凹版是指圖文部分低于空白部 分的印版，主要有照相凹版和雕刻凹版。 凹印機的著墨方法與凸印機不同，即采用短墨路系統(tǒng)。首先使整個版 面全部著墨，然后把圖文部分 2 以外的油墨用刮墨刀 4 刮凈，當紙張 5 從 壓印滾筒 6 與印版滾筒 1 中間通過時進行壓印，完成印刷。為此，印刷部 應設有利墨裝置。這種印刷方法也屬于直接印刷方式。 （3）平版印刷機。平版印刷是用平版施印的一種印刷方式。平版印 2 刷機是使用平版完成印刷過程的機器。這里所說的平版是指圖文部分與空 白部分幾乎處于同一平面的印版，如平凹版、PS 版、多層金屬版以及無水 平版等。 由于現(xiàn)代平版印刷機一般采用間接印刷方式，即印版上圖文部分的油 墨，經(jīng)中間載體的傳遞，轉移到承印物表面的印刷方式，故也將平版印刷 機稱為平版膠印機，即按照間接印刷原理，印版通過橡皮布轉印滾筒將圖 文轉移到承印物上進行印刷的平版印刷機。 印版滾筒 P 上的印版在著墨前首先用水輥 2 在版面上著水（空白部分 4 著水而抗墨） ，然后用墨輥 3 在版面上著墨（圖文部分著墨） ，利用水墨 互斥原理進行印刷。因此，在結構上除設有輸墨裝置外，還設有給水裝置。 另外，印版上圖文部分的油墨不是直接轉移到承印物表面，而是先轉印到 橡皮布上，再由橡皮布轉移到紙上，故特設橡皮滾筒 B。當紙張從橡皮滾 筒與壓印滾筒中間通過時，在印刷壓力的作用下進行壓印，完成印刷。 （4）絲網(wǎng)印刷機：絲網(wǎng)印刷是孔版印刷的一種。孔版印刷是指印版 的圖文部分可透過油墨漏印至承印物上的印刷方式。絲網(wǎng)印刷印版呈網(wǎng)狀， 版面形成通孔和不通孔兩部分，印刷時油墨在刮墨板的擠壓下從版面通孔 部分漏印在承印物上。絲網(wǎng)印刷機是供絲網(wǎng)印刷用的機器，可分為平型和 圓型絲網(wǎng)印刷機。 ①絲網(wǎng)印版：一般簡稱網(wǎng)版，版面呈網(wǎng)狀，由絲網(wǎng)模版、絲網(wǎng)和網(wǎng)框 組成的一種孔版。 a．絲網(wǎng)模版：由感光膠膜、膜片或其他材料附于絲網(wǎng)上，使空白部 分不漏墨的封閉層。 b．絲網(wǎng)：制作絲網(wǎng)印版支承體用的編織物，主要有尼龍絲網(wǎng)、聚酯 絲網(wǎng)和不銹鋼絲網(wǎng)等。 c．網(wǎng)框：支承絲網(wǎng)用的框架，由木材、金屬或其他材料制成。分為 固定式和可調式兩種形式。 3 ②刮墨板：將絲網(wǎng)上的油墨刮擠到承印物上的工具。 ③絲網(wǎng)印刷臺：絲網(wǎng)印刷機上放置承印物的裝置，在印刷時吸住承印 物，并與刮墨板共同產生有效印刷壓力。 ④網(wǎng)版間隔:絲網(wǎng)印刷機網(wǎng)版印刷面與承印物表面之間的距離。壓印 時靠網(wǎng)版間隔和絲網(wǎng)回彈性的作用，網(wǎng)版即刻脫離承印物表面，以保證在 印刷過程中網(wǎng)版印刷面與承印物表面處干線接觸狀態(tài)，這是實現(xiàn)絲網(wǎng)印刷 油墨良好轉移的重要條件之一。 2．按用途分類。按用途不同可將印刷機分為一般印刷機和特種印刷 機。 （1）一般印刷機:供一般印刷用的印刷機。所謂一般印刷是指采用凸、 平、凹等版式，以紙張為承印材料，以印刷書刊、報紙、產品目錄等一般 印刷物為主要對象，以傳遞信息為主要目的的印刷方式，如書版印刷機、 報版印刷機等。 （2）特種印刷機:供特種印刷用的印刷機，主要有軟管印 刷機、不干膠標簽印刷機、移印機等。 3．按承印物類型分類。主要包括以下兩種。 （1）單張紙印刷機:指以單張紙或其他單張材料為承印物的印刷機。 （2）卷筒紙印刷機:指以卷筒紙或其他卷筒材料為承印物的印刷機。 4．按壓印機構形式分類:按壓印機構和裝版機構形式不同可將印刷機 分以下幾種。 （1）手壓平印刷機:壓印機構和裝版機構均呈平面形的印刷機。印刷 部的基本構楊如圖 1－5 所示。 ①壓印平板:平壓平印刷機用于對版臺施加印刷壓力的平板。②版臺。 手壓平或圓壓手印刷機供裝營印版用的平臺。③著墨輥:印刷機上將油墨 涂布到印版上的輥。 把印版裝在版臺上，待印版由著墨輥著墨后，將承印物鋪在上面，由 壓印平板施加印刷壓力，完成印刷。 4 （2）圓壓平印刷機:也稱平臺印刷機。壓印機構呈圓筒形，裝版機構 呈平面形的印刷機。圖 1－6 為圓壓平印刷機印刷部的構成示意圖。 印版固定在版臺上作水平往復運動，壓印滾筒在規(guī)定位置旋轉，在壓 印時壓印滾筒的圓周統(tǒng)速度應與版臺平移速度相等。印刷時，壓印滾筒上 的咬紙牙咬住紙張帶動其旋轉，依靠壓印滾筒與印版接觸時的印刷壓力完 成印刷。版臺往復一次，完成一個印刷過程。 壓印時，由于是圓柱面與平面接觸，所以比平壓印刷機容易得到較大 的印刷壓力（接觸區(qū)單位面積上受到的力） ，而總壓力又不致過大,這樣， 有利于進行大幅面印刷。 根據(jù)壓印滾筒的運動特點不同，圓壓平印刷機又可分為以下四種類型。 ①?；剞D印刷機：版臺作往復運動，前進時，壓印滾筒旋轉一周，返 回時，壓印滾筒停止旋轉，完成一個印刷過程的印刷機。其工作原理 壓印滾筒轉動并與印版接觸時進行壓印，接著壓印滾筒停止旋轉，版 臺作返回行程，這時印版從滾筒空檔下通過，二者不相接觸。 ②二回轉印刷機：版臺每往復運動一次，壓印滾筒連續(xù)旋轉二周，完 成一個印刷過程的印刷機。 當壓印滾筒旋轉第一周時，壓印滾筒下降與印版接觸進行壓??；當壓 印滾筒旋轉第二周時，壓印滾筒上升，脫離印版版面，此時版臺作返回行 程。 ③一回轉印刷機：版臺每往復運動一次，壓印滾筒轉一周，完成一個 印刷過程的印刷機。圖 1－7（c）為其工作原理圖。 本機印刷部采用大直徑的壓印滾筒，滾筒表面有兩個部分，一部分直 徑較大；用于壓?。涣硪徊糠种睆捷^小，以保證版臺在返回時不與印版表 面接觸。 ④往復轉印刷機：壓印滾筒每往復旋轉一次，完成一個印刷過程的印 5 刷機。其工作原理為圖 11－7（d）所示。版臺在印刷行程時，壓印滾筒按 逆時針方向旋轉并下降與印版表面接觸進行壓?。话媾_返回行程時，壓印 滾筒按順時針方向旋轉并上升脫離印版表面。 （3）圓壓圓印刷機：壓印機構和獎版栩村幼導圓筒形的印刷機。印 刷部的基本構成如圖 1－8 所示。 將圓弧形印版裝于印版滾筒上，由壓印滾筒施加印刷壓力，承印物從 兩個滾筒中間通過完成壓印。 這種印刷機由于采用了連續(xù)旋轉的印版滾筒形式，利用兩個滾筒的線 接觸進行壓印，不僅結構簡單，運動比較平穩(wěn)，避免了版臺往復運動產生 的慣性沖擊，叮以大大提高印刷速度，而且，還可將印刷裝置設計成機組 形式，易于進行雙面、多色印刷。因此，圓壓圓印刷機得到廣泛應用。 根據(jù)給紙形式不同，圓壓圓印刷機又分為單張紙印刷機和卷筒紙印刷 機。單張紙印刷機套印比較準確，適于印刷精細印品；卷筒紙印刷機幾乎 全部采用了連續(xù)旋轉運動機構，印刷速度很高，并可附設折頁裝置，所以， 是進行現(xiàn)代化大量印刷的有效設備。 5．按印刷色數(shù)和面數(shù)分類。在同一個印刷過程中，按所完成的印刷 色數(shù)和面數(shù)不同可將印刷機分為以下幾種類型。 ①單色印刷機：在一個印刷過程中，只完成單色印刷的印刷機。②雙 色印刷機。在一個印刷過程中，完成雙色印刷的印刷機。 ③多色印刷機：在一個印刷過程中，完成兩種以上墨色印刷的印刷機。 ④雙面單色印刷機：一個印刷過程中，在承印物的雙面都完成單色印 刷的印刷機。 ⑤雙面多色印刷機：一個印刷過程中，在承印物的雙面至少有一面完 成多色印刷的印刷機。 6 1.3 印刷機的構造 1.3.1 印刷機滾筒 印刷機滾筒（輥筒）是印刷機械 的核心部件，其表面光潔度、幾何 精度的高低會對印刷品的質量產生重要影響，尤其是在印制精美印刷品時， 絲毫的誤差都會降低印刷品的整體效果，使對開印刷產品兩邊發(fā)虛或失真。 由于印刷過程中使用的酸性油墨、酒精 、水等化工原料會腐蝕印刷機滾 筒（輥筒）的兩邊，常常導致墨輥筒、版滾筒（輥筒 ）的局部塌陷和斑 點；對于鍍鉻滾筒（輥筒） ，經(jīng)常由于異物的帶入而產生壓坑。此外，長 期、超負荷的使用也會導致印刷設備發(fā)生磨損失效。 1.3.2 收放卷裝置 收放卷自動交接料裝置，實現(xiàn)不停機接換料，大大節(jié)省了更換新紙卷 的時間，提高了機器 的生產效率。張力系統(tǒng)采用伺機電動控制，收卷采 用變頻電機控制。 1.3.3 傳動部分 主電機調速采用變頻調速器并配備精密齒輪，其傳動精度高，噪音低， 整機運行平穩(wěn)。采用氣動離合壓機構精確調節(jié)印刷壓力 ，印刷壓錕氣動 離合，并有保護鎖定功能，壓力任意可調。刮刀角度三維可調，刮墨刀設 有軸向往復移動機構，以改變刮墨刀 在印版上的軌跡，達到更好的印刷 效果，同時使刮墨刀磨損均勻，并延長刮墨刀的使用壽命。 1.3.4 供墨系統(tǒng) 采用國內最先進的氣動膈膜泵著墨油墨箱裝置。實現(xiàn)印版 凹陷部分 吸墨充分，確保圖象效果更佳。該裝置形成了供墨循環(huán)系統(tǒng)，由于油墨被 連續(xù)不斷地攪動，油箱 內的油墨可以充分利用，效果更好。 7 1.3.5 干燥系統(tǒng) 為適應塑料薄膜凹版印刷的特點和使油墨在塑料薄膜上迅速干燥的要 求，本機在每印刷單元機組上均配有加熱烘干箱和冷卻干燥箱，采用密封 式高效熱風循環(huán)干燥系統(tǒng)，干燥溫度由控溫儀自動控制，并根據(jù)印刷工作 需要增減電熱功率，實行節(jié)能、安全及環(huán)保工作，為操作者提高較好工作 環(huán)境。 1.4 工作原理 印刷機的一個工作循環(huán)是：給件→定位→落版→降到墨板 、升回墨 板→刮墨 行程→升到墨板 → 降回墨板→抬版→回墨行程 →解除定位→收 件。在連續(xù)循環(huán)動作中，只要能實現(xiàn)功能，每個動作占用的時間應盡量短， 以縮短每個工作循環(huán)同期，提高工作效率。在印刷行程中，到墨板擠壓油 墨和絲網(wǎng)印版 ，使絲網(wǎng)印版與承印物形成一條接觸線，稱為壓印線 。這 條線在刮墨板刃口處，無數(shù)條壓印線構成印刷面。實現(xiàn)理想的壓印線是很 困難的，因為印刷行程是一個動態(tài)過程。 8 圖 1.1 印刷工作原理 經(jīng)傳動機構傳遞動力，讓刮墨板 在運動中擠壓油墨和絲網(wǎng)印版，使 絲網(wǎng)印版與承印物形成一條壓印線，由于絲網(wǎng)具有張力，對刮墨板產生 力，回彈力使絲網(wǎng)印版除壓印線外都不與承印物相接觸，油墨 在刮墨板 的擠壓力 F1 作用下，通過網(wǎng)孔，從運動著的壓印線漏印到承印物上。在 印刷過程中，絲網(wǎng)印版與刮墨板進行相對運動，擠壓力 F1 和回彈力 F2 也隨之同步移動，絲網(wǎng)在回彈力作用下，及時回位與承印物脫離接觸， 以免把印跡蹭臟。即絲網(wǎng) 在印刷行程中，不斷處于變形和回彈之中。 印刷機刮墨板在完成單向印刷后與絲網(wǎng)印版一起脫離承印物，同時進 行返程回墨，即完成一個印刷循環(huán)?；啬蟪杏∥锏纳厦媾c絲網(wǎng)印版反面 的距離稱為同版距或網(wǎng)距，一般應為 2～5mm。手工印刷時，操作工人的手 法與熟練程度直接影響壓印線的形成。在實踐中絲印工作者積累了許多寶 貴經(jīng)驗，具體可歸納為六點，即保證刮墨板運動中的直線性、勻速性、等 角性、均壓件、居中性和垂邊性。印刷時刮墨板應直線前進，不能左右晃 動；不能前慢后快，前快后慢或忽慢忽快；到墨板的傾斜角應保持不變， 特別要注意克服傾斜角逐漸增大的通病；印刷壓力要保持均勻一致；保持 刮墨板與網(wǎng)框內側兩邊的距離相等；到墨板與邊框保持垂直。 印刷機平面絲網(wǎng)印版夾持在網(wǎng)框上由平網(wǎng)曲面絲網(wǎng)印刷機帶 動作勻 速平移，由于網(wǎng)版的摩擦便放置在支承裝置上的承印物隨之轉動。在壓印 線處曲面承印物的線速度與平面絲網(wǎng)印版移動速度一致，實現(xiàn)刮墨印刷。 理論上壓印 線應在曲面承印物最高一條母線處，以利于加大離網(wǎng)角，保 證印刷質量。為調整方便，刮墨板一般采用 60°±15°頂角，要求能作垂 直程度與上下尺寸的調整。 印刷機圓筒形容器或圓錐形容器的 曲面印刷可采用兩對滾輪支座， 長度與直徑之比小于 1．5 的蓋類和杯類用軸套支座，軟性中空容器可用 充氣裝置支撐。橢圓面近似為圓柱面的一部分，可以用圓柱 體鑲嵌辦法 9 支承。在圓錐體的表面進行印刷的原理，與在圓柱體表面進行印刷的原理 基本相同，所不同的是絲網(wǎng)印版的圖形形狀和絲網(wǎng)印版的運動形式。在制 作用于 圓錐體表面印刷的絲網(wǎng)印版時，要先畫出圓錐體表面的展開圖， 并根據(jù)展開圖求出扇形的中心，再選取適當網(wǎng)框制作絲網(wǎng)印版。 印刷機在版的下方用 4 個輥支撐承印物，刮板呈固定狀，按扇形移 動版框，刮板加壓就可進行圓錐版的表面印刷了。印刷時，圓錐形承印刷 在一定的刮板壓力下與絲網(wǎng)印版呈線接觸；當絲網(wǎng)印版繞扇形展開圖的軸 心作水平扇形移動時，承印物在支撐裝置上作同步旋轉運動；油墨在刮板 的壓擠下，漏印到承印物的表面，完成印刷。 1.5 國內外研究現(xiàn)狀 20 世紀人類社會最偉大的科技成果是計算機的發(fā)明與應用，計算機及 控制技術在機械制造設備中的應用是世紀內制造業(yè)發(fā)展的最重大的技術進 步。 卷筒紙印刷設備形成龐大的數(shù)控設備家族，每年全世界的產量有 10～20 萬臺，產值上百億美元。 世界制造業(yè)在 20 世紀末的十幾年中經(jīng)歷 了幾次反復，曾一度幾乎快成為夕陽工業(yè)，所以美國人首先提出了要振興 現(xiàn)代制造業(yè)。90 年代的全世界數(shù)控機床制造業(yè)都經(jīng)過重大改組。如美國、 德國等幾大制造商都經(jīng)過較大變動，從 90 年代初開始已出現(xiàn)明顯的回升， 在全世界制造業(yè)形成新的技術更新浪潮。如德國機床行業(yè)從 2000 年至今 已接受３個月以后的訂貨合同，生產任務飽滿。隨著我國的發(fā)展，國內引 進了許多世界上先進的卷筒紙印刷設備，使我國印刷業(yè)進入了高速發(fā)展階 段，報業(yè)、商業(yè)印刷以及包裝印刷迅猛崛起印刷技術。以海德堡、曼羅蘭、 高寶、小森、三菱、西研、德蘭特-格貝爾等為代表的公司都推出了采用 新技術的卷筒紙膠印機，其都具有印刷速度高、生產效率高、自動化程度 高、印刷質量好等特點 10 1.6 卷筒紙膠印機的發(fā)展趨勢 卷筒紙膠印機的基本發(fā)展方向是多色式印刷，有較好的發(fā)展。多色式 印刷，多色機可以打印多種顏色，效率高，主要是提高印刷速度，減少輔 助時間。從兩個方面來保證卷筒紙膠印機效率高。具體包括： （1）高速發(fā)展方向 由于高時效性的報紙，因此，使用卷筒紙膠印機首先要求高速度。大 型卷筒紙膠印機，主要由滾筒直徑的兩倍，每轉 4 的報紙。每小時超過 160000 件的報紙印刷。近年來出現(xiàn)了用卷筒紙膠印機雙卷筒新聞。因為每 小時輥速度，同樣可以印制的 160000 多份報紙。和更靈活的，可以節(jié)省 板。在卷筒紙膠印機業(yè)務，書刊，過去為了保證印刷質量，大部分選用中 小型機單或半寬度。隨著技術的發(fā)展，印刷質量控制問題已經(jīng)完全解決， 目前，與本機的商業(yè)和書籍已經(jīng)開發(fā)出更多的單和單一的趨勢。印刷速度 也不斷提高。鼓的輪轉印刷機的速度達到了每小時十萬。為了保證印刷質 量，追求高速度的卷筒紙膠印機發(fā)展的基本方向。 （2）精密智能自動化的發(fā)展 結合計算機技術，微電子技術，光纖通信技術和網(wǎng)絡技術，在輪轉印 刷機上的應用。不僅解決了張力控制問題，印刷，油墨控制問題，而且還 配備了色彩管理系統(tǒng)，組織或 CIP4（CIP4 接口。為了滿足高速度，高質 量的要求，機床的精度普遍提高，并逐步配備自動組卷系統(tǒng)，自動或半自 動換版系統(tǒng)，機器自動故障診斷顯示折疊機系統(tǒng)，遠程診斷和調整系統(tǒng)， 自動，甚至可以直接與印刷裝訂設備。一些新聞網(wǎng)站抵消紙庫完全實現(xiàn)帶 紙，紙，機器自動換版，自動換紙路，所有印刷自動控制，加工，包裝， 印刷，整理客戶地址，自動輸送自動化。作為一個結果，自動化，智能化 控制，大大減少了輔助時間，卷筒紙膠印市場更好地適應短版，質量高， 短時間內發(fā)展的需要。 11 （3）標準化，模塊化的開發(fā) 卷筒紙膠印機的主要結構和內容，根據(jù)不同的切割尺寸的要求，設計 了一個標準化的模塊。一方面可以組織專業(yè)化生產，穩(wěn)定和提高產品質量， 根據(jù)市場和用戶的需求，更重要的是，使用不同的排列組合，組合成不同 的形式及時機，以滿足市場和客戶的要求。如果有需要，可以配備在用戶 的機器上的色組，改裝機。 （4）向多功能的方向發(fā)展 擴大使用的卷筒紙和使用范圍的另一個顯著特點。主要包括： 1.多單位，多紙路，一個可以同時打印多個磁帶機，大大提高工作效 率。 2、直接光刻，改變每個帶各印刷色數(shù)，減少印刷單元印刷多色印刷。 （5）對數(shù)字膠印機 近年來，隨著計算機技術的發(fā)展，數(shù)字技術，計算機 CTP 制版技術， 很快的數(shù)字印刷技術的發(fā)展。數(shù)字卷筒紙膠印機是重要的發(fā)展方向之一。 曼羅蘭公司推出的 dicoweb 網(wǎng)絡數(shù)字膠印機的代表。目前，數(shù)字印刷機的 “板塊”一般是可以記錄不能擦，擦不能記錄。曼羅蘭公司推出的 dicoweb 網(wǎng)絡數(shù)字印刷機的“ 盤” ，不僅可以記錄也能擦。它是在印版滾筒 上套一個由特殊材料制成的金屬套，在類似的帶狀材料使用 Creo 曝光的 激光頭，然后轉移色帶上的親水性或親愛的油原料進入金屬套，形成“版 本” ，可以打印。印刷完畢后，用清潔液清潔圖像可。需要“版本的金屬 套” 。這種技術也可以移植到單張紙數(shù)字印刷機。 （6）結合輪轉印刷機 隨著技術和印刷產品市場發(fā)展的要求越來越高，有時膠印機不僅是一 個單一的滿足需求。因此，會出現(xiàn)在不同的印刷方法的組合式印刷機。的 卷筒紙膠印機組合主要有：在柔性版印刷或打印模式組合印刷的組合，和 12 其他數(shù)字印刷機的組合。選擇哪種組合，根據(jù)用戶的具體要求確定。 第 2 章 滾筒的結構設計 卷筒紙膠印機的印刷部件跟單張紙膠印機區(qū)別不大，只是結構有簡單 一些。因為不需要叼紙牙結構，滾筒的空擋很小，印版和橡皮的安裝比較 方便。 2.1 印版滾筒的設計 2.1.1 膠印機滾筒概述 印版滾筒是裝卡印版的滾筒，卷筒紙膠印機和單張紙膠印機的印版滾 筒結構不同，印版裝卡和調整機構也不同。卷筒紙膠印機的印版滾筒可以 設計成安裝一塊印版的結構，也有設計成安裝兩塊印版的結構。 2.1.2 膠印機滾筒裝卡機構設計 印版滾筒安裝夾機構可以分為夾板式印版滾筒、裝四塊印版的印版滾 筒、套紅印版滾筒、卷軸式印版滾筒、窄槽式印版滾筒和無縫滾筒等幾種。 目前采用最為廣泛的是窄槽式印版裝夾機構，本次畢業(yè)設計亦采用了此種 機構。 圖 1-1 所示的為目前廣泛應用的窄槽式印版裝夾機構。這種裝夾機構 只是在滾筒體上開一個約 1~1.5mm 的窄槽, 將印版在彎版機上彎成前端小 于 90o的角（按窄槽的角度確定）, 一般為尾端大于 90°的角, 先將印版 的前端勾住滾筒上窄槽與滾筒外圓夾角小于 90o的角, 再將尾端插入滾筒 的槽內, 印版就裝好了。這種印版要求彎版尺寸非常準確, 利用印版前端 和尾端的擠壓力使印版在滾筒體上固定。 這種裝版機構的優(yōu)點是操作非常簡單，缺點是如果印版彎版尺寸不合 13 適, 印版就不能很好的緊緊地貼在版滾筒上, 印版壽命會受一定的影響。 2.1.3 印版滾筒軸向結構設計 整體部件是對稱的，在兩邊對稱處安裝齒輪以保證滾筒不會產生扭曲。 采用走肩鐵式的滾筒，兩端的螺紋用于安裝鎖緊螺母，進行印版滾筒 的軸向定位和調整。 圖 1-4 為印版滾筒 SolidWorks 所做的實體，兩端的偏心套完成離合 壓和調壓的工作，在滾筒的兩端安裝成對的齒輪，從而達到一個比較好的 傳動效果。 滾筒走肩鐵是現(xiàn)在比較流行的方式，可以使印版滾筒運轉的更加平穩(wěn)。 14 4.2 滾筒的設計 4.2.1 滾筒概述 橡皮滾筒的作用是將印版滾筒上的圖文轉陰到橡皮布上，在轉印到紙 張上。另外，橡皮滾筒還有滾筒離合壓和調壓的工作部件。橡皮滾筒具有 橡皮布裝卡機構，橡皮布必須平整均勻地包在橡皮滾筒上，使用中不允許 有松動現(xiàn)象。新橡皮布使用一段時間之后一般會伸長，故要求裝卡橡皮布 機構能重新拉緊橡皮布。不同的機器裝卡機構也不同，根據(jù)機器使用裝卡 機構分類，橡皮滾筒可分為壓板式橡皮滾筒、卷軸式橡皮滾筒、窄縫式橡 皮滾筒及套筒式橡皮滾筒等。 2.2.2 滾筒裝卡機構設計 在本設計中采用的是壓板式橡皮滾筒。橡皮滾筒槽內安裝有橡皮夾板 和張緊螺栓。橡皮布兩端先用橡皮夾板夾住，然后再放入橡皮滾筒槽內， 擰動螺栓可使 橡皮布緊緊截面地貼在滾筒上。當橡皮布松動時擰緊螺栓 可以使橡皮布張緊。 此種橡皮布裝卡機構裝卡雖然比較費時間，但如圖 2-2 橡皮布的裝卡 它的結構緊湊，適合應用于本設計中的小滾筒單版膠印機。 15 在本設計中，采用的是滾筒離合壓的結構。其中一個橡皮滾筒作為離 合壓和調壓的基準以及主動輪，另一個滾筒則完成兩個橡皮滾筒的離合壓 和調壓的工作。在此處說明滾筒軸向結構，離合壓部分則在下一部分說明。 圖 3-3 為兩個橡皮滾筒的主動滾筒，它作為調壓的基準。 16 圖 3-3 橡皮滾筒（主動）SolidWorks 實體圖 最右邊的齒輪和電動機齒輪相嚙合，成為整個印刷平臺的動力源。左 端的鎖緊螺母在對滾筒進行軸向定位的同時，完成整個印刷平臺的手動操 第 3 章 卷筒組件要求與設計計算 卷筒組件是印刷機的執(zhí)行件，它的功用是支承并帶動卷筒旋轉，完成 表面成形運動，同時還起傳遞運動和扭矩、承受切削力和驅動力等載荷的 作用。由于卷筒組件的工作性能直接影響到印刷機的加工質量和生產率， 因此它是印刷機中的一個關鍵組件。 卷筒和一般傳動軸的相同點是，兩者都傳遞運動、扭矩并承受傳動力， 17 都要保證傳動件和支承的正常工件條件，但卷筒直接承受切削力，還要帶 動工件或刀具，實現(xiàn)表面成形運動，因此對卷筒有較高的要求。 3.1 卷筒的基本要求 3.1.1 旋轉精度 卷筒的旋轉精度是指卷筒在手動或低速、空載時，卷筒前端定位面的 徑向跳動△r、端面跳動△a 和軸向竄動值△o。如圖 2-1 所示：圖中實線 表示理想的旋轉軸線，虛線表示實際的旋轉軸線。當卷筒以工作轉速旋轉 時，卷筒回轉軸線在空間的漂移量即為運動精度。 卷筒組件的旋轉精度取決于部件中各主要件（如卷筒、軸承及支承座 孔等）的制造精度和裝配、調整精度；運動精度還取決于卷筒的轉速、軸 承的性能和潤滑以及卷筒部件的動態(tài)特性。各類通用印刷機卷筒部件的旋 轉精度已在印刷機精度標準中作了規(guī)定，專用印刷機卷筒部件的旋轉精度 則根據(jù)工件精度要求確定。 △ a△ o△ r 圖 3-1 卷筒的旋轉誤差 3.1.2 剛度 卷筒組件的剛度 K 是指其在承受外載荷時抵抗變形的能力，如圖 2-2 所示，即 K=F/y（單位為 N/ m） ，剛度的倒數(shù) y/F 稱為柔度。卷筒組件的? 18 剛度，是卷筒、軸承和支承座的剛度的綜合反映，它直接影響卷筒組件的 旋轉精度。顯然，卷筒組件的剛度越高，卷筒受力后的變形就越小，如若 剛度不足，在加工精度方面，卷筒前端彈性變形直接影響著工件的精度； 在傳動質量方面，卷筒的彎曲變形將惡化傳動齒輪的嚙合狀況，并使軸承 產生側邊壓力，從而使這些零件的磨損加劇，壽命縮短；在工件平穩(wěn)性方 面，將使卷筒在變化的切削力和傳動力等作用下，產生過大的受迫振動， 并容易引起切削自激振動，降低了工件的平穩(wěn)性。 圖 3-2 卷筒組件靜剛度 卷筒組件的剛度是綜合剛度，影響卷筒組件剛度的因素很多，主要有： 卷筒的結構尺寸、軸承的類型及其配置型式、軸承的間隙大小、傳動件的 布置方式、卷筒組件的制造與裝配質量等。 3.1.3 抗振性 卷筒組件的抗振性是指其抵抗受迫振動和自激振動而保持平穩(wěn)運轉的 能力。在切削過程中，卷筒組件不僅受靜載荷的作用，同時也受沖擊載荷 和交變載荷的作用，使卷筒產生振動。如果卷筒組件的抗振性差，工作時 容易產生振動，從而影響工件的表面質量，降低刀具的耐用度和卷筒軸承 的壽命，還會產生噪聲影響工作環(huán)境。隨著印刷機向高精度、高效率方向 發(fā)展，對抗振性要求越來越高。 評價卷筒組件的抗振性，主要考慮其抵抗受迫振動和自激振動能力的 19 大小。 3.1.4 溫升和熱變形 卷筒組件工作時因各種相對運動處的摩擦和攪油等而發(fā)熱，產生了溫 升，溫升使卷筒組件的形狀和位置發(fā)生畸變，稱為熱變形。熱變形應以卷 筒組件運轉一定時間后各部分位置的變化來度量。 卷筒組件溫升和熱變形，使印刷機各部件間相對位置精度遭到破壞， 影響工件加工精度，高精度印刷機尤為嚴重；熱變形造成卷筒彎曲，使傳 動齒輪和軸承的工作狀態(tài)變壞；熱變形還使卷筒和軸承，軸承與支承座之 間已調整好的間隙和配合發(fā)生變化，影響軸承正常工作，間隙過小將加速 齒輪和軸承等零件的磨損，嚴重時甚至會發(fā)生軸承抱軸現(xiàn)象。 影響卷筒組件溫升、熱變形的主要因素有：軸承的類型和布置方式， 軸承間隙及預緊力的大小，潤滑方式和散熱條件等。 3.1.5 耐磨性 卷筒組件的耐磨性是指長期保持其原始精度的能力，即精度的保持性。 因此，卷筒組件各個滑動表面，包括卷筒端部定位面、錐孔，與滑動軸承 配合的軸頸表面，移動式卷筒套筒外圓表面等，都必須具有很高的硬度， 以保證其耐磨性。 為了提高卷筒組件的耐磨性，應該正確地選用卷筒和滑動軸承的材料 及熱處理方法、潤滑方式，合理調整軸承間隙，良好的潤滑和可靠的密封。 3.2 卷筒組件的布局 卷筒組件的設計，必須保證滿足上述的基本要求，從而從全局出發(fā)， 考慮卷筒組件的布局。 20 印刷機卷筒有前、后兩個支承和前、中、后三個支承兩種，以前者較 多見。兩支承卷筒軸承的配置型式，包括卷筒軸承的選型、組合以及布置， 主要根據(jù)對所設計卷筒組件在轉速、承載能力、剛度以及精度等方面的要 求，并考慮軸承的供應、經(jīng)濟性等具體情況，加以確定。在選擇時，具體 有以下要求： （1）適應剛度和承載能力的要求 卷筒軸承選型應滿足所要求的剛度和承載能力。徑向載荷較大時，可 選用滾子軸承；較小時，可選用球軸承。雙列滾動軸承的徑向剛度和承載 能力，比單列的大。同一支承中采用多個軸承的支承剛度和承載能力，比 采用單個軸承大。一般來說，前支承的剛度，應比后支承的大。因為前支 承剛度對卷筒組件剛度的影響要比后支承的大。表 2-1 所示為滾動軸承和 滑動軸承的比較。 表 3-1 滾動軸承和滑動軸承的比較 滑動軸承 基本要求 滾動軸承 動壓軸承 靜壓軸承 旋轉精度 精度一般或較差。 可在無隙或預加 載荷下工作。精 度也可以很高， 但制造困難 單油楔軸承一般， 多油楔軸承較高 可以很高 剛度 僅與軸承型號有 關，與轉速、載 荷無關，預緊后 可提高一些 隨轉速和載荷升 高而增大 與節(jié)流形式有關， 與載荷轉速無關 21 承載能力 一般為恒定值， 高速時受材料疲 勞強度限制 隨轉速增加而增 加，高速時受溫 升限制 與油腔相對壓差 有關，不計動壓 效應時與速度無 關 抗振性能 不好，阻尼系數(shù) D=0.029 較好，阻尼系數(shù) D=0.055 很好，阻尼系數(shù) D=0.4 速度性能 高速受疲勞強度 和離心力限制， 低中速性能較好 中高速性能較好。 低速時形不成油 漠，無承載能力 適應于各種轉速 摩擦功耗 一般較小，潤滑 調整不當時則較 大 f=0.002～0.008 較小 f=0.001~0.08 本身功耗小，但 有相當大的泵功 耗 f=0.0005～0.001 噪聲 較大 無噪聲 本身無噪聲，泵 有噪聲 壽命 受疲勞強度限制 在不頻繁啟動時， 壽命較長 本身壽命無限， 但供油系統(tǒng)的壽 命有限 （2）適應轉速要求 由于結構和制造方面的原因，不同型號和規(guī)格的軸承所允許的最高轉 速是不同的。軸承的規(guī)格越大，精度等級越低，允許的最高轉速越低。在 承受徑向載荷的軸承當中，圓柱滾子軸承的極限轉速，比圓錐滾子軸承的 高。在承受軸向載荷的軸承當中，向心推力軸承的極限轉速最高；推力球 軸承的次之；圓錐滾子軸承的最低，但承載能力與上述次序相反。因此， 應綜合考慮轉速和承載能力兩方面要求來選擇軸承型式。 22 （3）適應精度的要求 起止推作用的軸承的布置有三種方式：前端定位—止推軸承集中布置 在前支承；后端定位—集中布置在后支承；兩端定位—分別布置在前、后 支承。 采用前端定位時，卷筒受熱變形向后延伸，不影響軸向定位精度，但 前支承結構復雜，調整軸承間隙較不便，前支承處發(fā)熱量較大；后端定位 的特點與前述的相反；兩端定位時，卷筒受熱伸長后，軸承軸向間隙的改 變較大，若止推軸承布置在徑向軸承內側，卷筒可能因熱膨脹而彎曲。 （4）適應結構的要求 當要求卷筒組件在性能上有較高的剛度和一定的承載能力，而在結構 上徑向尺寸要緊湊時，則可在一個支承（尤其是前支承）中配置兩個或兩 個以上的軸承。 對于軸間距很小的多卷筒印刷機，由于結構限制，宜采用滾針軸承來 承受徑向載荷，用推力球軸承來承受軸向載荷，并使兩軸承錯開排列。 （5）適應經(jīng)濟性要求 確定卷筒軸承配置型式，除應考慮滿足性能和結構方面要求外，還應 作經(jīng)濟性分析，使經(jīng)濟效果好。 在中速和大載荷情況下，采用圓錐滾子軸承要比采用向心軸承和推力 軸承組合配置型式成本低，因為前者節(jié)省了兩個軸承，而且箱體工藝性較 好。 綜合考慮以上因素，本設計的卷筒采用前、后支承的兩支承卷筒，前 支承采用雙列向心短圓柱滾子軸承和推力球軸承的組合，D 級精度；后支 承采用圓柱滾子軸承，E 級精度。其中前支承的雙列圓柱滾子軸承，滾子 直徑小，數(shù)量多（50—60 個） ，具有較高的剛度；兩列滾子交錯布置，減 少了剛度的變化量；外圈無擋邊，加工方便；軸承內孔為錐孔，錐度為 1：12，軸向移動內圈使之徑向變形，調整徑向間隙和預緊；黃銅實體保 23 持架，利于軸承散熱。前支承的總體特點是：卷筒靜剛度好，回轉精度高， 溫升小，徑向間隙可以調整，易保持卷筒精度，但由于前支承結構比較復 雜，前、后支承的溫升不同，熱變形較大，此外，裝配、調整比較麻煩。 3.3 卷筒結構的初步擬定 卷筒的結構主要決定于卷筒上所安裝的刀具、夾具、傳動件、軸承和 密封裝置等的類型、數(shù)目、位置和安裝定位的方法，同時還要考慮卷筒加 工和裝配的工藝性，一般在印刷機卷筒上裝有較多的零件，為了滿足剛度 要求和能得到足夠的止推面以及便于裝配，常把卷筒設計成階梯軸，即軸 徑從前軸頸起向后依次遞減。卷筒是空心的或者是實心的，主要取決于印 刷機的類型。此次設計的卷筒，也設計成階梯形，同時，在滿足剛度要求 的前提下，設計成空心軸，以便通過刀具拉桿。 卷筒端部系指卷筒前端。它的形狀決定于印刷機的類型、安裝夾具或 刀具的形式，并應保證夾具或刀具安裝可靠、定位準確，裝卸方便和能傳 遞一定的扭矩。 3.4 卷筒的材料與熱處理 卷筒材料主要根據(jù)剛度、載荷特點、耐磨性和熱處理變形大小等因素 選擇。 卷筒的剛度與材料的彈性模量 E 值有關，鋼的 E 值較大 （2.1×10 N/cm 左右） ，所以，卷筒材料首先考慮用鋼料。鋼的彈性模量72 E 的數(shù)值和鋼的種類和熱處理方式無關，即不論是普通鋼或合金鋼，其彈 性模量 E 基本相同。因此在選擇鋼料時應首先選用價格便宜的中碳鋼（如 45 鋼） ，只有在載荷特別重和有較大的沖擊時，或者精密印刷機卷筒需要 減少熱處理后的變形時，或者軸向移動的卷筒需要保證其耐磨性時，才考 慮選用合金鋼。 24 當卷筒軸承采用滾動軸承時，軸頸可不淬硬，但為了提高接觸剛度， 防止敲碰損傷軸頸的配合表面，不少 45 鋼卷筒軸頸仍進行高頻淬火 （HRC48～54）.有關 45 鋼卷筒熱處理情況如下表 2.2 所列： 表 2-2 使用滾動軸承的 45 鋼卷筒熱處理等參數(shù) 材 料 牌 號 工 作 條 件 使 用 機 床 常 用 代 用 熱 處 理 硬 度 輕中負載 車、鉆、 銑、卷筒 45 50 調質 HB220～ 250 輕中負載局部要求高硬 度 卷筒軸 45 50 高頻淬 火 HRC52～ 58 輕中負載 PV≤40（N·m/cm ·s2 ） 車、鉆、 銑、卷筒 45 50 淬火回火 高頻淬火 HRC42～ 50 HRC52～ 58 此次設計的印刷機卷筒，考慮到卷筒材料的選擇原則，選用價格便宜 的中碳鋼（45 鋼） 。查表 2-2 中，因工作中承受輕、中負荷，且要求局部 高硬度，故熱處理采用高頻淬火，HRC52～58。 3.5 卷筒的技術要求 卷筒的精度直接影響到卷筒組件的旋轉精度。卷筒和軸承、齒輪等零 件相連接處的表面幾何形狀誤差和表面粗糙度，關系到接觸剛度，零件接 觸表面形狀愈準確、表面粗糙度愈低，則受力后的接觸變形愈小，亦即接 觸剛度愈高。因此，對卷筒設計必須提出一定的技術要求。 （1）軸頸 25 此次設計的卷筒，應首先考慮軸頸。支承軸頸是卷筒的工作基面、工 藝基面和測量基面。卷筒工作時，以軸頸作為工作基面進行旋轉運動；加 工卷筒時，為了保證錐孔中心和軸頸中心同軸，一般都以軸頸作為工藝基 面來最后精磨錐孔；在檢查卷筒精度時，以軸頸作為測量基面來檢查各部 分的同軸度和垂直度。采用滾動軸承時，軸頸的精度必須與軸承的精度相 適應。軸頸的表面粗糙度和硬度，將影響其與滾動軸承的配合質量。 對于普通精度級印刷機的卷筒，其支承軸頸的尺寸精度為 IT5，軸頸 的幾何形狀允差（圓度、圓柱度等）通常應小于直徑公差的 1/4～1/2。 （2）內錐孔 內錐孔是安裝刀具或頂尖的定位基面。在檢驗印刷機精度時，它是代 表卷筒中心線的基準，用來檢查卷筒與其他部件的相互位置精度，如卷筒 與導軌的平行度等。由于刀具和頂尖要經(jīng)常裝拆，故內錐孔必須耐磨。 錐孔與軸承軸頸的同軸度，一般以錐孔端部及其相距 100～300 毫米 處對軸頸的徑向跳動表示；其形狀誤差用標準檢驗錐著色檢查的接觸面積 大小來檢驗，此乃綜合指標；還要求一定的表面粗糙度和硬度等。 3.6 卷筒直徑的選擇 卷筒直徑對卷筒組件剛度的影響很大，直徑越大，卷筒本身的變形和 軸承變形引起的卷筒前端位移越小，即卷筒組件的剛度越高。 但卷筒前端軸頸直徑 D1 越大，與之相配的軸承等零件的尺寸越大，要 達到相同的公差則制造越困難，重量也增加。同時，加大直徑還受到軸承 所允許的極限轉速的限制，甚至為印刷機結構所不允許。 通常，卷筒前軸頸直徑 D1 可根據(jù)傳遞功率，并參考現(xiàn)有同類印刷機的 卷筒軸頸尺寸確定。查《金屬切削印刷機設計》第 506 頁表 5-12 中，幾 種常見的通用印刷機鋼質卷筒前軸頸的直徑 D1，可供參考，如下表 2-3 所 示： 26 印刷機，查上表中對應項，初取 D1= D2=30。 表 3-3 卷筒前軸頸直徑 D1的選擇 機床功率 （千瓦） 機床 1.47～2. 5 2.6～3. 6 3.7～5. 5 5.6～7. 3 7.4～11 11～14. 7 車床 60～80 70～90 70～105 95～130 110～14 5 140～16 5 銑床 50～90 60～90 60～95 75～100 90～105 100～11 5 外圓磨 床 — 50～90 55～70 70～80 75～90 75～100 3.7 卷筒軸承的選擇 根據(jù)前述關于軸承的選擇原則，查《金屬手冊》第 375 頁，選取前支承的 角接觸球軸承。 27 KOYO22311RHR 軸承參數(shù) d(內徑):55mm ? OD(外徑):120mm ? B(厚度):43mm ? r(最小):2 ? Cr(額定動載荷):236kN ? Cor(額定靜載荷):264kN ? Grease(脂潤滑):3000rpm ? Oil(油潤滑):4000rpm 28 ? b_type(類別):球面滾子軸承 圖 3-6 軸承結構參數(shù)及安裝尺寸 3.8 軸承的選型及校核 3.8.1 確定軸承型號 軸承的類型有很多種，主要根據(jù)其承載情況和調心等要求，進行選擇。 因為本課題設計的是膠印機滾筒設計，所以卷筒軸上軸承的轉速很高，負 荷很大，且工作時間很長，最主要的是，經(jīng)過很長時間工作后，會因為不 均勻磨損而產生不平衡附加作用力。軸承間距大，軸會產生撓曲，此外， 軸承的中心也難保證同心，因此選用調心滾子軸承。查表選出軸承型號 450918C, dxBxD=45X100X36 調心滾子軸承. 卷筒軸兩端支撐采用滾動軸承支撐，根據(jù)工況，每天工作 8 小時，單 向轉動，只有在被卡住故考慮不計。且由于軸的跨距較長，兩支撐軸承在 同心的要求，確定使用調心滾子軸承。 在根據(jù)安裝軸承段軸的直徑，以及軸的轉速和要求的傳遞的轉矩查機 械設計手冊表 6-2-77 可初步選用 450918C 型號的調心滾子軸承。 29 3.8.2 軸承的校核 上步選定軸承為調心滾子軸承 450918C（GB/T 288-1994）,，其額定 動載荷為 =1050 , =1830 ， =0.30， =2.3rCkNr0key (1)計算軸承的支反力 假設在工作過程中所受的力為 遠大于卷筒軸的重力，故忽kNF136? 略重力不計，且根據(jù)軸的結構可看作軸承受力平均，得軸承的支反力 。NR50621? (2)計算軸承派生軸向力 查機械設計表 10.7，