一种床垫卷包机预压机构的设计

2023-09-08范桂才

机电信息 2023年17期

摘要：针对床垫卷包机生产过程中会造成弹簧无纺布袋破损，且上一张床垫卷包完成后要停机才可投放下一张床垫，不能连续生产，效率低下等问题，根据实际情况分析原因，设计出了皮带预压机构，详细介绍了该机构的具体结构与功能，解决了卷包生产过程中所存在的问题。

关键词：弹簧床垫；卷包机；无纺布；预压

中图分类号：TH122 文献标志码：A 文章编号：1671-0797（2023）17-0044-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.17.012

0 引言

从设计到生产，再从生产到改良和优化，如今各行各业的机械化生产越来越普及[1]。床垫卷包机主要是在无纺布袋装弹簧床垫生产厂家中使用，作用是把袋装弹簧粘胶机粘接出来的半成品床垫进行多张压缩，卷包为一卷（比如10张2 000 mm×2 000 mm×200 mm的半成品床垫可以压缩卷包为1卷外径700 mm×2 000 mm长的圆柱体），很大程度上方便生产厂家的存储、运输，从而节省仓储空间，降低运输成本。

1 床垫卷包机的工作原理

床垫卷包机改良前结构如图1所示，卷包工作主要有以下三个动作流程：

（1）卷包前动作流程：无纺布卷开卷后从主机架内穿过，通过主机架内部安装的无动力滚筒缠绕减少无纺布的松弛，绕到床垫入料平台上，在卷包主轴上缠绕数圈，使无纺布绕紧卷包主轴不会松脱。卷包气缸把卷包皮带升起到贴近卷包主轴的位置，压板气缸把压板升起。准备就绪，开始投放床垫进行卷包。

（2）卷包时动作流程：操作员把床垫投放到入料平台上，床垫压着无纺布，把床垫推到贴着卷包主轴，压板机构的气缸推动压板下压床垫，卷包主轴机构转动，拖动无纺布移动，同时无纺布把床垫带入主轴，开始卷包床垫。卷包过程中，卷包气缸机构保持顶升状态，卷包越卷越大，卷包的压力大于气缸的推力，倒推卷包气缸降低。床垫弹簧被卷包压缩后有很大的反弹力，卷包气缸始终顶着卷包皮带，使卷包被压紧不会返松。当每张床垫的前段进入卷包后，压板机构气缸推动压板上升，一张床垫卷包完成后，操作员继续投放下一张床垫，压板机构气缸推动压板下压，重复以上流程继续卷包。

（3）卷包后动作流程：当要卷包的床垫卷包完后，卷包主轴转动数圈，让无纺布把卷包缠绕紧，无纺布裁切机构把无纺布切断。卷包主轴继续转动把无纺布收卷完，操作员在无纺布上缠绕多圈透明胶带防止卷包返松，完成卷包。开始脱料，卷包主轴表面安装有链条，床垫是卷包在主轴链条上的，链条移动，把床垫卷包推出，完成脱料。主轴链条退回零位后，重复以上流程继续下一卷包。

2 床垫卷包机存在的问题与解决方案

2.1 存在的问题

根据生产使用部门的反馈，总结出改良前床垫卷包机在卷包过程中存在以下主要问题：

（1）压板机构下压床垫时，有时会把床垫弹簧的无纺布袋压破，损坏床垫。

（2）每次卷包一张床垫的前端部分时，床垫是被绕在卷包机构上的无纺布拖动，而压板是不移动的，造成开始卷包时是床垫的下面先移动，再带动上面移动，床垫就会倾斜，造成不是垂直压缩，有时弹簧过度倾斜会挤破无纺布袋，损坏床垫。

（3）完成前一张床垫卷包，主轴要停机等待，等投放下一张床垫，压板重新下压后，才能继续卷包，停机投料降低了生产效率。

2.2 解决方案

根据改良前卷包机生产过程中出现的问题，研究了对应的解决方案，总结出以下几点：

（1）压板下压床垫时，容易把床垫弹簧的无纺布袋压破，是因为压板与床垫接触面积小，而且是直接压缩到位的。如果是逐渐增加压缩量，并且增大接触面积，可解决此问题。

（2）床垫不是垂直压缩，导致弹簧过度倾斜时会挤破无纺布袋，如果床垫的上下面都以相同速度移动，床垫就可以垂直压缩，从而解决此问题。

（3）停机投料，生产效率低，如果压板面积大，上一张床垫未卷包完成前即可投放下一张床垫，就可以连续生产，解决此问题。

根据以上方案的分析总结，取消原有压板机构，通过设计增加皮带预压机构来解决存在的问题。

3 皮带预压机构的结构分析与具体结构设计

3.1 皮带预压机构的结构分析

结合解决方案总结，皮带预压机构主要由以下4个部分组成：

（1）皮带机构：选型普通平带，其特点是抗拉强度较大，预紧力保持性能较好，带长可根据需要截取，价廉[2]。皮带安装在两根辊轴上，一根主动，一根从动。主动辊轴表面增加网纹滚花，滚花的实质是用滚花刀在原本光滑的工件表面挤压，使其产生塑性变形而形成凸凹不平但均匀一致的花纹[3]，用于增加辊轴摩擦力以驱动皮带。为防止皮带跑偏，在皮带两侧各增加一条导条。为承受皮带压缩床垫弹簧的较大压力，皮带内部安装支撑架，由空心型钢焊接为骨架，表面平铺2 mm厚经过折弯加工的Q235钢板，使整个支撑架能够平整地支撑皮带。皮带与入料平台呈倾斜结构安装，左低右高，床垫从右边进入皮带预压，预压好后从皮带左边出来，进入卷包主轴卷包。设计皮带入口高270 mm，可满足高260 mm以下的床垫使用。

（2）电机驱动机构：因为要保证预压皮带速度实时变化，选用伺服电机作为驱动。为与卷包的速度匹配，选用蜗轮蜗杆减速机。为适合整体结构，减速机出来后通过链条驱动皮带主动辊轴，选用10A链条。

（3）编码器机构：因为皮带预压后的床垫都是供应给卷包主轴卷包的，床垫卷包越卷越大，而主轴转速不变，外径越大的床垫卷包，对应的线速度也越大。要使床垫能够垂直压缩不倾斜，要求预压皮带要能够实时调整速度与卷包线速度相等，床垫的上下面以相同速度移动，这样床垫就可以垂直压缩，预压机构供应给主轴卷包的床垫也不会产生拉拽或堆挤，實现平顺卷包。所以增加编码器机构来保证速度相等，安装一根随动辊轴浮动靠压着卷包主轴，当主轴卷包转动时，随动辊轴就会贴着卷包跟随同速转动，无论卷包的大小，随动辊轴的线速度都与卷包外径的线速度一致。在随动辊轴的一端安装编码器，实时读取辊轴转速，然后通过PLC控制预压皮带的伺服电机，从而实现预压皮带与卷包速度的一致。

（4）气缸机构：预压机构需要保持靠近卷包，才能够保证预压后的床垫弹簧没有多余的回弹空间就已进入卷包。卷包是越卷越大的，所以设计整个预压机构浮动靠近卷包。整个预压机构通过直线轴承安装在两根直径50 mm的镀铬硬光轴上，选用两个SAU63气缸将整个预压机构推向卷包主轴。编码器机构的随动辊轴靠压在卷包上，卷包转动时也就带动随动辊轴转动而读取速度。当卷包卷大后，卷包的力大于气缸的推力，会倒推随动辊轴后退，整个预压机构也就后退。此时两个气缸也是一直把整个预压机构往卷包主轴方向推，只是气缸推力小于卷包倒推随动辊轴的力，所以整个预压机构虽然后退，但也还是会被两个气缸推着浮动压着卷包。

3.2 皮带预压机构的具体结构设计

经过以上对皮带预压机构的分析，用三维软件装配模拟，设计皮带预压机构如图2所示，具体结构设计如下：

（1）皮带机构：皮带安装在两根辊轴上，辊轴两端各安装一个带座轴承，均安装在两个内侧板上。两个辊轴中间增加由空心型钢焊接而成的皮带托架，用来承受压缩床垫时的压力，皮带托架两端安装在内侧板上。皮带托架是焊接而成，两端面会因为焊接应力与焊接误差而无法保证平行度；螺栓锁紧后，两内侧板的平行度也无法保证。辊轴两端的带座轴承是调心轴承，保证辊轴可以正常运转。皮带托架焊接两层空心型钢，下层支撑皮带，两侧避空皮带导条。主动辊轴的两个带座轴承，其对应的内侧板上加工出长槽孔，用于皮带张紧。

（2）电机驱动机构：电机工作时是单向运转，此结构要求精度不高，选蜗轮蜗杆RV减速机比较经济适用，伺服电机与减速机的安装法兰不匹配，不能够直联安装。故增加一个减速机座来过渡安装，因为减速机座同心度加工精度不够高，且电机与减速机价格相对较高，可增加安装联轴器防止因不同心而损坏。减速机是孔输出，设计一根台阶轴，一端安装在减速机上，另外一端安装在主动链轮上，台阶轴两端都增加键槽安装平键来传递动力。从动链轮安装在主动辊轴的台阶轴头上，安装一个隔套，用螺栓垫片把从动链轮通过隔套一起压紧在带座轴承的内圈上。增加一个链轮来张紧链条，链轮设计为带台阶轴，台阶轴安装两个深沟球轴承，轴承外圈安装一个轴承套后用螺栓锁紧在内侧板上，通过在内侧板上增加长槽孔来调节链条张紧。链轮链条处为防止伤人增加防护罩。

（3）编码器机构：随动辊轴两端安装调心轴承，设计轴承安装座低于辊轴面，避免摩擦卷包。辊轴一端加工螺纹孔，设计一根带外螺纹的小轴，为防止编码器轴因不同心容易损坏，小轴通过一个小联轴器连接编码器，编码器安装在钣金支架上。钣金支架与轴承座统一安装在由空心型钢焊接而成的固定件上，固定件两端通过螺栓锁紧在两内侧板上，这样随动辊轴安装在了整个预压机构的最前端，与卷包接触后跟随转动。

（4）气缸机构：内外侧板通过销轴与隔套安装连接，这样可以将皮带倾斜角度微调至与主轴匹配，再用螺栓锁紧。外侧板安装两个直线轴承座，轴承座内直线轴承使用端盖压紧。镀铬硬光轴由两个支撑座安装在入料平台上。入料平台上安装气缸座，通过可摆动角度的A座与B座安装气缸，气缸轴安装Y型接头，外侧板安装伸出板，与气缸接头连接，这样整个皮带机构通过气缸推动可以在光轴上往返运动。

4 应用效果

根据存在的问题，通过设计增加皮带预压机构，床垫卷包机改良后如图3所示。改良后应用效果显著，主要体现在以下几点：

（1）进入主轴卷包前的床垫，用皮带来进行卷包前预压，预压皮带左低右高的倾斜口，可以缓慢递增床垫弹簧的压缩量，解决了压板机构压破床垫弹簧无纺布袋的问题。

（2）控制预压皮带的速度与耗材无纺布被收卷的速度相同，床垫上下两面的线速度相同，实现床垫弹簧的均匀垂直压缩，解决了彈簧被拖拽倾斜的问题。

（3）预压皮带是持续运转的，床垫可以连续投放至入料平台上连续预压，实现了卷包主轴不停机连续卷包，提高了生产效率。

（4）卷包质量稳定，根据卷包生产部门反映，没有再出现挤破无纺布袋的情况。

5 结束语

本文主要针对床垫卷包机生产过程中容易出现弹簧无纺布袋破损，且停机投料效率低的问题，设计出了能够解决上述问题的皮带预压机构，改良了床垫卷包机，提高了卷包机的生产质量与效率，也为同行业此类设备的结构设计提供了理论参考与实践案例支持。

[参考文献]

[1] 王芳.机械自动化中的运动控制技术应用研究[J].中国设备工程，2022（19）：207-209.

[2] 北京英科宇科技开发中心.机械工程师设计手册：电子版[M].北京：电子工业出版社，2016.

[3] 杨家富，陈美宏.工程训练[M].南京：东南大学出版社，2019.