印后智能制造

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  项目背景
  我国制造业发展参差不齐,有些行业的产业化水平比较高,可能已经达到了数字化和智能化,但是有些行业还处在一个水平比较低端的人工作业阶段,如书刊印刷装订行业。
  长期以来,我国书刊印刷装订与印刷存在着严重的不平衡状态,产生的原因主要有以下几个方面:首先,印刷工序单一,而装订工序繁多,造成工作量相差悬殊;第二,书刊的品种规格和纸张及装订材料的变化幅度大,也使装订工作量大大增加;第三,书刊印刷装订机械的发展落后于印刷机的发展。
  近几年,随着印刷行业对印后市场的关注度增加,以及劳动力成本越来越高,推动了书刊印后设备一直保持着快速增长的趋势。
  书刊热熔胶胶订工艺具有工序少、速度快、周期短、质量稳定以及装订美观等特点,成为书刊装订的主流工艺,其主要生产设备——配页胶订联动生产线正朝着自动化、数字化、智能化、功能多样化的方向发展。
  目前8开试卷类教材教辅持续热销和快速增长,而国内外只有普通规格的(16开、32开)配页胶订联动线,8开、大8开书刊只能人工刷胶装订和单机生产。16开、32开的纸张胶订位置就是长边,在配页机中配页时,只需要将16开、32开的纸张按照长边在底端从配页机中出来,直接胶订长边,不需要翻转90°,而8开试卷需要胶订短边,在配页机中配页时,只能将长边放在底端,从配页机中出来,必须翻转90°,转换成短边朝下,才能进入胶订机胶订。
  项目研发过程
  南通三精机械制造有限公司根据客户的要求,定制了大8开配页联动线,成功研制了8开试卷进书机械手,将8开配页机与圆盘胶订机联动。但8开试卷需要人工翻转90°才能进入胶订机胶订,为此客户要求解决8开试卷自动翻转问题。


  普通工业机器人需要十几万元甚至二十几万元,且速度慢,集成成本高。在市场上也没有找到我们需要的1kg以下的工业机器人。在大量了解机器人设计资料基础上,终于设计出模拟人工翻转8开试卷的专用机器人:利用气动手指抓放8开试卷,采用旋转气缸加摆臂让抓取8开试卷的气动手指来回摆动,实现翻转,并用小旋转气缸实现手腕的小幅往复摆动,便于快速放开8开纸张。采用加速装置在气动手指抓取8开纸张之前进行加速和定位,在气动手指到达抓取位置时,8开纸张已经远离配页机的拨杆,避免纸张翻转过程中与拨杆产生干涉。如图1、图2所示。
  由于旋转气缸达到每分钟25次以上时,工作频率高,其油压缓冲器在短时间内失效,导致翻转摆动震动大,不稳定,无法保证正常连续翻转工作,找遍了国内外生产油压缓冲器的厂家,都解决不了这个问题。为此,又设计了用伺服电机驱动的共轭凸轮机构实现连续翻转摆动,这样集成到生产线上,形成顺序型控制工业机器人,有3个旋转自由度和1个移动自由度,经过两个用户的工业性试驗,完成模拟人工在配页胶订生产线上连续翻转8开试卷进入胶订机胶订。


  主要装订工艺流程
  如图3所示,书帖经配页机自动配页集成书芯,经过输送翻转和气动剔除,16开、32开书芯直接通过联动输送带,自动进入胶订机胶订,而8开书芯要经过书芯翻转机器人翻转后才能进入胶订机胶订。


  书芯翻转机器人总体设计
  如图4所示:人机界面为上位机,完成参数设置,工作模式选择,运行命令给定。如工作模式选择设置为单配页、单胶订、连线;8开,16开、32开;PLC作为下位机,完成开关量控制,以及与变频器、电磁阀线圈、伺服电机控制器通讯的实现,如通过旋转编码器位置检测,反馈信号给PLC、再由PLC给伺服控制器动作信号。
  选择“8开”状态,“伺服电机2”工作,将8开书芯加速;气动电磁阀1工作,气动手指夹紧8开书芯;“伺服电机1”工作,驱动共轭凸轮机构摆杆摆动,从而带动气动手指和抓取的8开书芯翻转;“气动电磁阀2”工作在气动手指松开8开书芯时,手腕小旋转气缸小幅摆动,快速放下8开书芯;这样连续实现8开书芯加速—气动手指夹紧—共轭凸轮机构摆动带动气动手指和8开书芯翻转,然后已翻转成垂直状态的8开书芯在配页机拨杆带动下,通过过桥输送带输送进入胶订机胶订。
  选择“16开、32开”,伺服电机1、2不工作,气动电磁阀1、2不工作,气动手指和共轭凸轮机构不工作,摆杆不摆动,书芯翻转机器人不工作,16开或32开书芯在配页机拨杆带动下,直接通过过桥输送带输送进入胶订机胶订。


  结束语
  “基于工业机器人的大八开胶订生产线”,应用工业机器人技术,自主设计研制成功书芯翻转机器人,从而实现了大8开试卷配页与胶订全自动联动,该生产线为国内外首创,热熔胶胶订,牢固美观,比手工节省10人,人均生产效率提高5倍;比单机节省5人,生产周期缩短一半,人均生产效率提高2倍,必将取代手工和单机生产,为用户“机器换人”成为可能。
  印刷行业特别是印刷装订厂仍处于“工业2.0”(电气化)的后期阶段,“工业3.0”(自动化)有待普及或补缺,“工业4.0”(数字化、智能化)刚刚开始,因此,转型升级向印后“智”造发展,将大有作为。
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