王晓慧，翁茂荣，马雷明，徐 杭

（浙江工贸职业技术学院，浙江温州 325000）

0 引言

目前市场上大部分复卷设备都是针对有芯的绕卷，这些复卷设备的技术都已经比较成熟。但是由于顾客的需求不同，企业也需要生产无芯绕卷。纸筒芯轴作为有芯绕卷的重要组成成分，在环保水平以及资金成本上，使其都劣于无芯绕卷。如图1所示。

图1 有芯绕卷和无芯绕卷

在传统复卷机上，如果要生产出空心卷筒纸[1]，可以利用前卷取辊、后卷取辊、设置导辊，放置好原料卷筒纸，同时运用压纸辊、芯轴支撑体共同构成空心卷筒纸装置，实现这个功能需要工人花费较多时间去干预，工作效率低，最终造成生产效率低下[2]。不少厂家为了节约成本，兼顾提高环保水平，取消支撑硬纸筒等支撑机构，此举反而造成传统的复卷机构难以运作，故障频发。市场上也有不少改装有芯复卷机生产无芯绕卷案例，机器改造后往往出现绕卷结束芯棒回缩脱出、成品横向移动距离过大等情况，以至于目前市场上一直缺少能够同时实现无芯绕卷技术和有芯绕卷技术两用的产品功能的设备[3]。其中有芯复卷工作原理如图2所示。

图2 有芯复卷工作原理

福伊特苏尔寿公司（VOITH SULZER）和美卓公司（Metso）是目前国际上技术领先的复卷机制造及有芯绕卷技术设计应用企业，其有芯绕卷技术已非常成熟，并深深影响到其他国家地区的复卷机制造企业[4]。无芯复卷机制造技术的推广，要追溯到挪威的Bragerne 公司，该企业设计开发的BM-1005-1000产品，能够实现每分钟150卷（450 m）的卷取速度，全程不需工人的额外参与，通过无芯轴实现高速自动复卷。纵观国内外相关文献及目前市场常见复卷技术，以有芯绕卷技术设备居多，高效无芯绕卷设备较少见，双芯两用功能设备还未见相关产品[5]。

上述利用前卷取辊、后卷取辊，实现无芯复卷工作设备，国内也有产品应用，但其工作原理实际上还是利用气胀轴作为芯轴[6]，完成复卷工作，后期工人需要手动抽出芯轴，因为非全自动完成，固工作效率降低，复卷设备难以提升速度。目前研究主要是如何把有芯绕卷机器改造为无芯绕卷，几乎没有对一台机器如何实现双芯两用的技术进行研究，且有的也只是处于研究报告和理论设计层面之上，而没有真正能够用于实际生产上。个别期刊和专利中设计双芯功能，具有控制不方便，PLC控制成本高[7]，不便于产业化等特点。

工业技术的不断进步、客户对产品质量要求的不断提升、市场对绕卷种类需求的不断扩大，不断刺激绕卷复卷设备生产企业朝着功能多样、高效运作方向不断开发，行业不断发展，双芯可选复卷装置设计理念也由此产生。

1 自动换卷技术

本文根据双芯可选复卷装置要求设计开发了一种双芯两用可选复卷装置，主要用于对各种原料如纸类、薄膜等材料进行绕卷和复卷，从而实现便于运输和储存。绕卷复卷等工作在现有的复卷机器上很容易实现，但是由于不同用途的原料所要求的绕卷种类不同，因此目前市场上常见设备要么是有芯复卷装置[8]，要么是无芯复卷装置。未见有一台复卷装置上实现双芯两用可选功能，本课题针对这个难点进行了研究，在同一台复卷装置上实现两芯可选功能，根据需要可以实现有芯复卷和无芯复卷的两种功能的切换，最终实现降低作业成本，拓展设备适用范围等特点。

其主要由起卷机构、绕卷结构、收卷机构、传动机构、退位机构等组成，该产品具有双芯轴及双芯轴用轴套，可以实现两芯切换功能，在选用无芯复卷时，所采用的芯棒是锥形槽轴[9]，因为芯轴锥度太大会导致绕卷时受力不均影响绕卷质量，锥度太小会导致无芯绕卷时退卷不顺利从而影响绕卷效率和质量；槽的深度和个数也会影响收卷退卷，槽深和个数也是要经过多次仿真和实验确定的最佳值，从而确保起卷和绕卷质量。

2 双芯可选复卷技术机构设计

2.1 总体机构设计

本文所述复卷装置的设计，其设备结构主要包括转盘、机架、驱动轴、轴套、下料装置、卷袋装置。其中卷袋装置是主要设计单元。

卷袋装置包括两个同轴设置的转盘2，其中一个固定设置，另一个可转动。驱动轴3 从两个同轴线的转盘中心位置穿插过，利用轴承实现与机架的可活动连接，轴承则通过固定在转盘2上面的轴套保持空间位置不变，并与驱动轴3完成转动配合。如图3所示。

图3 总体结构设计

2.2 起卷机构设计（无芯起卷）

有芯起卷较为简单，是装备所带；选用无芯绕卷时，则需要进行更换锥形槽轴，并且控制不同的吹气棒进行吹气，一个吹气棒安装在芯轴的上前方机架上，气棒上有吹气孔，吹气孔有多个，朝向锥形槽轴的槽处进行吹气（为了退卷顺利）[10]，另外两个则是朝向材料表面的不同位置和角度进行吹气，利用槽轴摩擦力和气体压力使得材料顺利起卷。如图4所示。

图4 无芯组合件芯轴

2.3 无芯绕卷机构设计（芯轴设计）

为了可以实现双芯两用，又能保证无芯绕卷质量和退卷顺利，设计了无芯复卷用的锥形槽轴，因为芯轴锥度太大会导致绕卷时受力不均影响绕卷质量，锥度太小会导致无芯绕卷时退卷不顺利从而影响绕卷效率和质量；芯杆与中间管设有导向槽配合机构，导向槽的深度和个数也会影响收卷退卷，槽深和个数也是要经过多次仿真和实验确定的最佳值的导向柱。如图5所示。

图5 有芯绕卷芯轴

固定管与中间管在同一轴线、中间管与芯棒也在同一轴线，三者共同构成芯杆机构，转盘上安装固定管，中间管在固定管中可转动，并通过轴承保持径向位移不变。中间管中放置芯棒，在轴向上，芯棒相对中间管可轴向滑动，且同样保持径向位移不变。芯棒长度保证其前后可在中间管两端伸出。芯棒的轴向移动通过杆身上的弹性限位块，与靠近中间管活扣一段设置的限位套中的限位凹槽相配合来限制。固限位套的内径不能小于芯杆的外径，属于间隙配合。

2.4 收卷机构设计（可变量程气缸、退位装置）

有芯绕卷在完成材料复卷工作后，芯轴需要回缩，并脱出材料，其横向移动距离有一定要求，由于存在纸管，该横向距离与无芯绕卷所需距离差别较大[11]。有芯回缩距离较近，无芯绕卷则需要回缩距离较大，因此在收卷退位控制方面换用了可调节行程气缸控制；并且利用导向杆、驱动架以及气缸等形成的机构能提供更长距离的横向移动，可以适用无芯和有芯的绕卷。

气缸固定在驱动架上，它是作为驱动架在导向杆移动的动力源，其活塞杆与芯杆同轴，另设有U 型活扣，活扣两端设有横向限位部，芯杆与活扣靠近的位置，设有连接盘，用于端部连接，对于两个横向限位部，要求其间距小于连接盘外径，但要大于芯杆的外径，另限位部与U 型扣间距不小于连接盘厚度，U 型扣位置要在芯杆绕转盘中心旋转圆形轨迹上。为适用双芯可用绕卷工作，上述气缸活塞杆可通过推动连接盘，实现驱动机构的横向距离随不同工作场景改变。

2.5 双用轴套的设计

为了实现双芯两用可选，所设计的与无芯绕卷芯轴用轴套孔的长度和精度有非常高的要求，孔的长度太长会使得设备尺寸增加，太短会即降低轴套和芯轴的同轴度，影响绕卷质量；孔的精度也直接影响芯轴在轴套里的跳动量，从而影响退卷和绕卷，因此要求较高。

中心轴和套管设置同轴，但可以独立旋转，促使两个芯杆也能独立传动工作，该设计方式既维持机器稳定工作，又优化和节约机器整体空间。如图6所示。

图6 两用轴套

2.6 控制系统设计

有芯绕卷和无芯绕卷采用一体化控制。利用可调行程开关进行绕卷种类选择；采用光电式开关传感器对绕卷的位置信息进行采集；利用PLC对起卷和收卷进行直接控制。

3 复卷过程实现

3.1 卷袋具体机构

卷袋装置包括两个同轴设置的转盘2，其中一个固定安装、一个可旋转运动。

3.2 卷带具体实现过程

驱动轴从两个同轴线的转盘中心位置穿插过，利用轴承实现与机架的可活动连接，轴承则通过固定在转盘上面的轴套保持空间位置不变，并与驱动轴完成转动配合。转盘的动力则是通过电机驱动机架齿轮-机架齿轮与转盘边缘齿牙啮合-转盘旋转，从而实现动力输入。

两个芯杆相对于可转动转盘的中心对称设置，可实现周向转动和轴向运动[12]。套管与中心轴通过圆形轴承套接，共同构成驱动轴，套管轴承外圈、中心轴轴承内圈均固定连接，套管轴承内圈、中心轴轴承外圈非固定连接。

中心轴、套管两端共设置有4个皮带轮（皮带轮一、皮带轮二、皮带轮三、皮带轮四），两个芯杆也分别设置有两个皮带轮（皮带轮五、皮带轮六），其中皮带轮二与皮带轮六、皮带轮四与皮带轮五分别通过皮带传动实现动力传输。

通过设计两个独立的驱动机构（驱动电机），利用皮带联动原理，分别驱动皮带轮一、皮带轮三，再通过皮带轮一、皮带轮三分别驱动中心轴及套管，形成两个动力传递路线。传递路线一：驱动电机-皮带轮一、中心轴-皮带轮二-皮带轮六-芯杆；传递路线二：驱动电机-皮带轮三-套管-皮带轮四-皮带轮五-芯杆；两个动力传递路线独立稳定运行，整体驱动设计结构最终节约了空间、实现了驱动距离的横向可移动，能够满足无芯、有芯双芯可选运行功能。

图7 驱动机构

4 结束语

通过对现有有芯绕卷装置的起卷机构（无芯）、绕卷结构、收卷机构、双芯轴及双芯轴用轴套的改进和创新设计，实现了两芯切换功能[12]。最后通过实验调试验证本复卷机可以实现有芯复卷和无芯复卷的两种功能的切换，本产品可适用于塑料袋、薄膜等有芯绕卷和无芯绕卷，稳定性和多功能性得到了足够的体现，其作用所产生的效益是不可估量的，因此本产品具有很好的经济效益。具有成本低、适用范围广等特点。

适用场合有芯卷（塑料袋、薄膜等）和无芯卷（塑料袋、薄膜等）的分切和复卷，适应不同客户和不同材质所需绕卷种类的需求，多功能化复卷装置提高了生产效率和降低了经济成本；绕卷长度为300～600 mm；绕卷宽度为200～400 mm；制品厚度为0.01 mm；电动机功率为10 kW。