高速多色印铁机关键技术研究 李凡开题报告（最终版）

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1、南京理工大学硕士研究生学位论文开题报告姓 名： 李 凡 学 号： 111010059 学 科： 机械制造及自动化 所在院系： 机械工程学院 指导教师： 丁武学 副教授 2012 年 9 月 15 日填1一、一、 拟选定学位论文的题目名称拟选定学位论文的题目名称高速多色印铁机关键技术研究二、二、 选题的科学意义和应用前景选题的科学意义和应用前景 金属包装行业是中国都市型工业的重要组成部分，金属包装以其特有的固加性、密封 保藏性、金属装饰魅力而成为不可替代的传统观的包装方式1。经过改革开放 30 多年的 发展，金属包装已经形成一个完整的包装体系，具有十分广阔的应用领域。行业资料显示， 国内外包装市

2、场对印铁设备的需求量很大，年需求量大约在 800 台套以上，并且以每年 10%的速度增长。其次，目前我国金属包装行业的印铁装备普遍存在技术落后、能耗大、 污染严重、生产效率低和劳动环境差等问题，严重制约了行业的发展2。另外，金属印品 的应用领域也为目标产品的应用提供了广阔的市场。本课题研究的重点在于提高印铁机铁 皮的传输速度和涂印的定位精度，为我国金属印涂装备的发展提供技术指导，打破国外的 技术和市场垄断。 印铁机是铁皮印刷的核心设备，机组精度的好坏直接影响着最终印品的质量，具有很 深的研究价值。在以马口铁为代表的铁皮印刷生产实践中，发现存在以下问题。 (1) 铁皮的传输速度慢、效率低、定位不

3、准确，甚至有铁皮之间的碰撞和划伤。这直 接影响着套印的准度。 (2) 印刷辊筒的传动精度不够，存在传动误差和错位，辊筒运转过程中会产生振动。 使得印品的色度和光亮不一致，甚至是从影和印迹模糊。这些都会直接导致印品 质量的下降。 (3) 印刷辊筒的压力控制不当，尤其以压印辊筒最为突出。这种现象的存在导致印刷 图案的局部印墨深浅不一致，容易产生次品甚至废品。另据调查资料显示，国内 1400 多家印铁企业中，大部分生产线都是由不同厂家的单 机组装的，不可避免地存在着设备之间的同步，烘房与废弃处理的连接、余热交换回用、 进回风等管路设计，电、液、气及控制系统集成等一系列技术问题。其生产能力匹配、自 动

4、化程度、达标排放和节能方面远低于人们的期望，亟待改造，预计每年市场需求约 250 多条生产线。2010 年的统计数据显示，我国金属包装使用的罐、盒、盖的耗量只有欧美 发达国家的 1/40，是世界平均耗量的 1/7，我国罐、盒、盖的需求还有很大的发展空间。 除此之外，在其他的如家居、家电、装饰材料等，对印铁设备的需求量也很大，据资料显 示估计需要 200 多条上述生产线34。图 1 双色印铁机组鉴于以上分析和统计，高性能、环保型的印铁设备具有很大的市场需求量，在这种大 的背景下，高速多色印铁机也随之应运而生，较之于传统的印铁设备，其具有速度高、定 位准确、传墨性能良好、多色印涂、节能环保等优点。

5、2三、三、 背景科研项目情况简介背景科研项目情况简介 本课题来源于江苏某印涂设备集团有限公司与南京理工大学共同承担的江苏省重大科 技成果转化项目：精密高速多色环保型金属薄板印涂柔性成套生产线研发与产业化。 精密高速多色环保型金属薄板印涂柔性成套生产线装备，属于印涂行业高端设备，体 现了金属印刷的发展方向，由上料、印铁、涂布、烘干、出料、堆码、废弃处理与回用组 成，可以实现从原材料输入到成品输出的印铁过程自动化，且能满足一定材料宽度、厚度 以及不同图案印刷的使用要求，是一种高效、高柔性的金属薄板印涂成套设备。 课题的研究对带动我国印铁设备的发展，促进金属包装的产业升级，提升我国食品、 饮料、化工

6、罐装盒自主生产能力，具有深远意义。 课题将从实际项目出发，对印铁机铁皮传输速度、定位精度、印铁机关键结构件的优 化，印刷压力的理论分析与控制等方面进行深入研究，从而找出制约印铁机印刷速度和定 位精度的环节，并进行结构改进和优化，提高设备的精度、效率和可靠性。 四、学位论文主要研究内容四、学位论文主要研究内容 当前国内外印铁机的印张速度基本上达到了 40005000p/h，本课题研究项目中印铁设 备的印刷速度要求达 6000p/h，十字线套印误差0.05mm，处于印铁行业发展的领先位置。 根据成果转化项目总体目标和要求，结合企业的实际情况，确定本课题的研究内容主要包 括以下方面： 1.印铁机的快

7、速高效精密印刷 随着技术的进步和科技的发展，印铁设备正朝着高速度、高精度、多色彩、节能、无 污染、环保的方向前进。快速高效精密印刷是当前印铁技术的前沿发展要求，高速是提高 印刷效率的主要手段和措施，然而过高的速度也将带来难于解决的技术问题。一方面，高 速运动的铁皮要实现准确高效地印刷，对印前定位的要求十分严格，这就要求定位机构必 须具有可靠地定位效果。另一方面，高速进铁也会带来诸如惯性、振动、冲击、附加动载 荷等动力学问题，解决好这些问题对获得良好的最终印品的质量极其重要。课题预期将从 以下两个方面进行研究：(1)进铁的准确定位；(2)印品高速输送的保障。通过对定位机构 的理论分析和优化设计解

8、决高速印铁的可靠定位问题，保障印铁的精度；对高速运输铁皮 的动力学分析和仿真，解决高速印铁相关动力学问题，保障印铁的速度。 2.共轭凸轮结构优化 共轭凸轮通常也称平行分度凸轮，广泛应用于食品、包装、印刷等轻工业领域中。从 锁合的方式上来分类，共轭凸轮是属于几何锁合，由彼此固接在一起的一对凸轮控制一个 从动件使凸轮与从动件保持封闭。也正因为他的这个特点，共轭凸轮能够实现无间隙传动。 前规的准确定位对于套印准度和印品的质量致关重要，而前规得以正确的定位得益于其驱 动机构共轭凸轮的无间隙运动。然而凸轮是高副接触运动，即使是在正常条件工作也 容易产生磨损，因而降低了它的使用寿命。故在研究完前规的定位性

9、能时，有必要对共轭 凸轮的特性进行相关分析和研究。论文将对共轭凸轮进行结构建模，然后进行有限元分析， 进而对其进行运动学仿真分析，得出共轭凸轮的运动特点，发现运动过程中容易产生的问 题，并对其进行结构改进。改进的目标包括几何结构方面和动力学方面的指标，论文主要 对动力学参数压力角和质量进行优化。3.印刷压力的调整分析 印刷图案必须在一定的印刷压力下才能将印料印在承印物上，对于金属印刷来讲，这一点 显得尤其重要，适当而合理的印刷压力对最终印品的质量而言非常重要。印刷压力过大会 导致网点扩大现象严重，造成印刷图案的重影；印刷压力过小则会导致印迹过浅，网点不 结实，图案不清晰。通常以下四个方面的因素

10、对印刷压力的影响比较大：(1)马口铁的厚度 和平整度；(2)印刷的速度；(3)印品的质量要求；(4)橡皮布的厚度和弹性5。其研究重点 将在(1)和(4)方面展开，主要分析印刷不同厚度和平整度的马口铁时，印刷压力的变化以3及如何选择和调整橡皮布的厚度来保证对于不同的印张能够有合适的印刷压力与之对应。 另外，压力离让也是印铁机中导致辊筒的偏心和振动，严重影响着印品质量的一种比 较普遍的现象，必须把其控制到最小。对于一台已经安装好的机器来说，减小离让值的最 有效办法就是减小印刷压力。但是印刷压力并不能一味地减小，其原因上面已作介绍。为 了保证印刷图案的清晰和美观，也很有必要去研究影响印刷压力的关键因

11、素。 再者，印刷压力的合理选择，准确地计算及其在辊筒上的分布、测量和检测也直接与 最终印品的质量挂钩，故这些方面的工作和研究还有待于进一步的分析和研究。特别是印 刷压力的分布和计算，现阶段的理论研究和实践经验都不太成熟，是论文重点研究的对象。五、五、 预期解决的主要问题预期解决的主要问题 问题 1：规矩定位机构的优化设计 定位装置是使待印铁皮在压印之前进行准确的定位的装置。铁皮在输送板上必须沿两 个方向进行定位，即纸张前进方向和垂直于纸张前进方向，也即纵向和横向。印刷时前规 控制纸张的纵向定位，侧规控制横向定位。如果铁皮在传输时不能够准时准确地到达指定 位置，则会发生运动的干涉，导致承印物之间

12、的相互擦伤和磨损。 前规是印铁机的关键定位机构，业内也有人称其为印铁机的咽喉。其主要作用是保证 印品轴向处于准确的印刷位置。常见的前规的结构形式有：上摆式，下摆式，有挡纸舌的， 无挡纸舌的等，现阶段印铁机上用的最多的是下摆式前规结构。根据机械原理的平面铰链 四杆机构的相关知识可知，前规机构模型可以等效为两套平面四杆机构。通过对前规模型 的分析和简化，找到其主要运动参数方位角、角速度、角加速度以及杆长等。然后对 其进行相关理论分析得出各个运动参数间的关系，结合实际工作情况，确定影响前规定位 的核心指标，找到可以优化的目标函数足够的定位时间和合理的摆角范围，进行优化 分析。充分利用 matlab

13、优化模块的强大的优化分析功能，经过合理的程序编写和调试， 为前规准确无误地工作提供保障。 问题 2：高速运动结构件的动力学分析 动力学分析是高速运动结构件的关键分析阶段。铁皮在高速输送过程中可能会发生振 动、位置的偏移、冲击和噪声等问题，要使其能够在高速的条件下保持平稳的运行，传统 的做法是经过反复的实验，然后得出最佳的运动初始条件。然而，这样做虽然能够得到一 定的理想效果，但是会花费大量的人力、物力和财力，从经济上来讲是极其不划算的。 多体动力学分析软件 Adams 可以很好地对结构的在给定初始条件下的动力学仿真和 模拟，并且在它的后处理过程中能看到仿真的正确性与否，如是否有运动干涉，结构是

14、否 有冗余自由度等678。将铁皮在机架上的高速运动进行建模，然后将模型导入 Adams 里 面进行动力学仿真，观察和研究在高速运动过程中可能发生的问题，然后通过改进结构进 行多次仿真和模拟比较得到最优方案。这样可以方便我们在设计之初就可以看到所设计结 构的缺陷和不足的地方，以便于作进一步的改善和提高。Adams 可以用于复杂系统的运动 学和动力学的关系研究，并结合高速计算机对产品进行仿真计算，得到各种试验数据以便 很好地发现和分析问题。 问题 3：共轭凸轮的结构优化 对于有挡纸舌的前规，则其驱动机构采用共轭凸轮。目前，印铁机行业内的前规主要 还是使用有挡纸舌的下摆式前规，因而其驱动共轭凸轮成为

15、了研究的重点。凸轮的轮廓线 的确定，从动件运动规律的分析，凸轮的运动学特征分析和结构分析是论文要着重研究的 地方。 有限元分析法（Finite Element Method）是结构分析的主要方法和基本思路，他是将 无限连续的实体通过网格的划分得到有限个单元，然后对有限个单元进行相关结构分析， 从而得到与原来连续体相似的分析结果9。大型通用有限元分析软件 ansys 以其强大的功4能而受到越来越多的结构分析及其他相关专业科研人员的青睐，它搭建起了有限元理论和 工程实际之间的桥梁10。论文将主要运用 solidworks 对共轭凸轮进行三维建模，再运用大 型通用有限元软件 ansys 对其进行静力

16、学和模态分析，从而找出凸轮传动的薄弱环节（如 压力角、固有频率和质量） ，最后对其进行结构改进和优化。另外，凸轮的运动特点决定 了其在工作过程中容易发生磨损和振动，故而还需要借助于多体动力学分析软件对凸轮的 运动特性进行探讨。分析其主要物理参数的特性，为提高凸轮的运动性能和寿命提供理论 依据和数据支持。鉴于印铁机所用的凸轮为共轭凸轮，其轮廓线比较复杂，所以其轮廓线 的生成需要借助于 matlab、vb 等相关软件的二维图形分析功能，为三维建模创造条件和 基础。问题 4：印刷辊筒的结构优化设计 印刷辊筒是印铁机的核心构件，尤其是橡皮辊筒和压印辊筒直接与铁皮相接触，这两个辊 筒结构分析是论文研究的重点所在。下图为胶印原理图。图中 P 为印刷辊筒，B 为橡皮辊 筒，I 为压印辊筒。正是因为有了橡皮辊筒的存在使得油墨在金属板上具有更好的吸附性 和粘着力，这也是胶印名称的来历，