激光打标机压轮送料系统关键零部件的优化设计

郑海　袁建宁

摘 要：压轮送料系统是电容条带激光打标机的核心部件之一，直接决定着电容条带激光打标机的打标速度、精度、质量和稳定性。文章对压轮送料系统关键零部件的设计进行初步研究，总结出一些优化设计方法。

关键词：激光打标机；压轮送料系统；电容条带；优化设计

1 概述

近年来，激光打标技术在印刷领域应用越来越为广泛，具有永久性、防伪性、非接触、精度高、能耗低、适用范围广、加工效率高、开发周期短等优点。激光打标机按送料方式可分为两种：一种是裸机，需手工放置工件并使其定位，手动触发打标开关；另一种是集成了自动送料系统，通过传动机构自动将工件送入打标区域，进行飞行或静态打标。文章所涉及的压轮送料系统，就是为实现电容条带元件快速、精确、稳定的激光打标服务的。

2 压轮送料系统基本原理

压轮送料系统结构如图1所示，将条带元件沿导轨自左向右送入压轮与从动同步轮之间的同步带上，送料系统将其向右输送，激光打标机依次对每一元件进行打标。

对于标刻图形不是特别复杂的元件，一般采用飞行打标的方式以提高效率，即元件匀速平稳地通过打标区（两从动同步轮中心线之间区段），送料过程不间断，检测光束每检测到一只元件就对其进行打标，激光在计算机控制下对元件的速度进行飞行补偿，使打出的图形符合要求。对于标刻图形较为复杂的元件，则要求检测光纤每检测到一件元件就瞬间停止送料，待打标完毕后继续送料，反复启停，要求每次启停送料的精准性。

3 电容条带元件的受力分析

将条带元件看做一刚体，并忽略其厚度（一般2mm以内）与电容条带加速到V带的时间（一般0.1s以内），对其进行受力分析，见图2。

V带-同步带线速度；G-条带元件所受重力；FN压-压轮对其正压力；FN从-从动轮对其反力；Fs带-同步带对其静摩擦力；Fd导-导轨对其滑动摩擦力；F滚压-压轮对其滚动摩擦力。

μ导-其与导轨的滑动摩擦系数； fs带-其与同步带的静摩擦系数；δ压-其与压轮的滚动摩阻系数；R压-压轮半径。

显而易见，Fs带为驱动力， Fd导与F滚压均为阻力，为提高系统传动可靠性，应设法增大Fmax带，减小Fd导与F滚压。

4 关键零部件的优化设计

为使条带元件能匀速平稳地通过，保证激光打标的质量，就需对此传动系统的关键部件如步进电机、同步带与同步轮、压轮、弹簧等关键零部件进行优化设计。

4.1 步进电机细分数

步进电机在非超载情况下，电机的转速只取决于脉冲信号的频率而不受负载变化的影响，只有周期性的误差而无累积误差，可为压轮送料系统提供稳定的速度V带。

由电磁感应定理知，步进电机输出力矩和电机线圈的电流成正比，即：T=KT×i 。KT为电机力矩常数。由此可知：步进电机细分数越大，电机运转越平稳；步进电机细分数越小，电机运转时振动越大。这是因为细分数高时，电流曲线光滑，电机输出力矩的波动也就小而连续，电机运行就更加平稳。由文献2可知，8细分以上电流波形较为平滑。2、4细分时，单步位移的误差较小，随着细分数增加，单步位移的误差增大。细分数大于8细分时，步进电机细分的不均匀性有显著提高。因此将细分数定为8较为合适。

4.2 压轮

如上述，为提高系统传动可靠性，应减小F滚压以减小阻力，根据（e）式，即应减小δ压，适当增大R压，因为过度增大R压将增大压轮的转动惯量，影响压轮的滚动，由此可能造成电容条带在压轮上打滑产生F滑压，而滑动摩擦远大于滚动摩擦，使得阻力增大，将严重影响送料。

一般应尽可能减小FN压，以减小阻力，但为保证得到足够大的驱动力Fmax带，有时需适当增大FN压，这可通过调节压板上的螺母得到合适的弹簧压力来实现。另一方面，压轮应选硬度较低的材料，以增大缓冲，否则易将电容条带压坏。但一般情况下，对于弹性材料，硬度越低，摩擦系数越高。

由于天然橡胶具有很好的耐磨性，很高的弹性、扯断强度及伸长率，综合比较，选择天然橡胶。由于O型圈横截面为圆形，接触面积较小，既保证了弹性，又具有较小的摩擦系数，因此可作为压轮的包覆材料。

4.3 同步带与同步轮

同步带传动综合了带传动、链传动和齿轮传动各自的优点，具有准确的传动比，无滑差，可获得恒定的速比，传动平稳，效率高，能吸振，噪音小，传动比范围大。

4.3.1 同步带材料

静摩擦系数fs带作为是驱动电容条带必不可少的因素，而为了增大Fmax带，根据（4）式，可通过增大fs带来实现。聚氨酯弹性体的耐磨性十分优越，又具有弹性好、使用寿命长、噪音小、传动效率高等优点，非常适合做摩擦驱动材料。硬度对聚氨酯弹性体摩擦系数的影响较大，一般情况下，硬度越低，摩擦系数越高。

4.3.2 同步带齿形

同步带齿有梯形齿和弧齿两类。由于带齿刚度相对较大，带齿间的带基部分绕带轮齿顶产生柔性挠曲变形，而带齿部分产生多边形效应，多边形效应是影响同步带传动精度的一个重要因素。而其中的主要影响因素则是梯形齿同步带多边形的边长，由于梯形齿同步带传动中齿顶不与带轮槽接触， 带齿形成直边产生多边形效应，而圆弧齿同步带齿顶与齿槽接触，部分地减小了圆弧齿同步带带齿形成的多边形边长，从而大大降低了多边形效应，使其传动精度、传动噪声、冲击振动小于梯形齿同步带。

4.3.3 确定带轮直径（依据JB-T_7512）

（1）确定主动轮齿数Z1

首先设主动轮转速n1≤900r/min，查得应Z1≥14。

由于主动轮的转动惯量与其质量、半径的平方成正比，即JZ=m（R2+r2）/2。而小惯量的系统，启动、加速、制动的性能均好于大惯量的系统，因此，Z1应在允许范围内尽可能小，但过小会影响包角大小。在此取Z1=24，查得d1=38.20mm。

结合实际打标情况，已知V带≤1000mm/s，由V带=π×d1×n1可得n1≤500r/min，与上述假设相符。

5 结束语

激光打标机是实现自动化、现代化生产的重要工具，压轮送料系统的设计需要综合考虑其对于飞行打标传动均匀性与静态打标传动精确性。

对于该传动系统，我们应尽可能增大同步带的静摩擦系数fs带 ，这样便可减小满足运行的最小弹簧压力FN压，同时也相应地减小了主要运行阻力F滚压。当然，提高导轨的表面光洁度以减小导轨对电容条带的滑动摩擦力Fd导也是十分必要的，同时，理论与实际经验相结合，合理设计和优化其每一重要零部件，并在实践基础上不断对产生的问题进行分析，改进，完善。

参考文献

[1]哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学[M].第七版.北京：高等教育出版社，2009.

[2]newmaker.步进电机细分数对运动平台性能影响的研究[EB/OL].http：//www.newmaker.com/art_31853.html，2008-12-26.

[3]郭建华，谷淑娟，夏金林.梯形齿与双圆弧齿同步带传动精度分析[J].齐齐哈尔大学学报，1999.

[4]JB-T_7512圆弧齿同步带传动[S].北京：中华人民共和国机械工业部，1994.

[5]田雨，张杰，韦永继，等.聚氨酯弹性体摩擦系数影响因素探讨[J].聚氨酯工业，2002.