二、作品背景

在电子制造、包装印刷、薄膜加工等领域，卷状材料（如标签膜、工业复合薄膜等）的裁切、分离与精准移载是核心工艺环节。传统生产模式中，该环节多依赖人工操作，存在以下显著弊端：

1).生产效率低下：人工完成 “放卷→定位→裁切→取膜” 的流程速度慢，难以匹配大规模生产线的节拍需求；2).加工精度不足：人工定位、裁切的误差大（如标签尺寸偏差、贴膜位置偏移等），严重影响产品质量一致性，尤其在电子元器件贴膜、精密标签贴附等高精度场景下，弊端更为突出；3).人工成本与劳动强度高：重复的机械性操作易导致工人疲劳效率的波动。

随着工业自动化技术的发展，各行业对生产线 “连续化、高精度、无人化” 的需求愈发迫切。为解决人工操作的痛点，提升卷状材料加工的自动化水平与生产效能，亟需一套集成 “放卷、到位检测、裁切、底膜分离、变距取膜” 等功能的自动化机构，实现卷料从 “连续卷材” 到 “单个工件精准移载” 的全流程自动化处理。基于此背景，本卷材自动化处理机构得以开发。

三、项目介绍

本项目研发的塑料膜卷料加工与装配机，实现卷状膜材从 “连续放卷” 到 “精准裁切 - 底膜分离 - 变距取料” 的全流程自动化，为电子贴标、光学贴膜、包装标签等后续工序提供 “单个膜片工件” 的高精度供料，是自动化生产线核心前端装备，如图1所示。

工具；SOLIDWORKS

装配体的质量属性

     配置： 默认

     坐标系： -- 默认 --

质量 = 5.809 千克

体积 = 5809133.975 立方毫米

表面积 = 1573290.338 平方毫米

质心 : ( 毫米 )

X = -853.542

Y = 272.956

Z = -36.053

惯性主轴和主惯性矩: ( 千克/平方毫米 )

由重心决定。

 Ix = ( 0.952, -0.291, -0.095)    Px = 86747.787

 Iy = ( 0.303,  0.943,  0.139)    Py = 130561.715

 Iz = ( 0.049, -0.161,  0.986)    Pz = 163947.666

惯性张量: ( 千克/平方毫米 )

由重心决定，并且对齐输出的坐标系。 （使用正张量记数法。）

Lxx = 90943.772 Lxy = -11890.932 Lxz = -5571.827

Lyx = -11890.932 Lyy = 127702.929 Lyz = 6501.017

Lzx = -5571.827 Lzy = 6501.017 Lzz = 162610.466

惯性张量: ( 千克    平方毫米 )

由输出座标系决定。 （使用正张量记数法。）

Ixx = 531305.509 Ixy = -1365302.208 Ixz = 173191.150

Iyx = -1365302.208 Iyy = 4367406.833 Iyz = -50666.061

Izx = 173191.150 Izy = -50666.061 Izz = 4827574.478

Izx = 13002848.937 Izy = -5693807.441 Izz = 58768491.682

图1塑料膜卷料加工与装配机械机渲染展示

四、结构说明

塑料膜卷料加工与装配机采用模块化设计，各功能单元独立且协同配合，核心结构包含放卷单元、到位检测单元、裁切机构、拉底膜单元、取膜变距吸头单元及支撑机架，如图2和图3所示以下分单元详述：

1). 卷膜供料单元

组成：卷膜盘、张紧调节机构（阻尼器 / 磁粉制动器）、导向辊组。

功能：承载卷状膜材并提供持续、恒张力的膜材供应。卷膜盘适配不同直径的卷膜；张紧调节机构通过阻尼力控制放卷张力，避免膜材因过松堆叠或过紧拉伸；导向辊组（表面经镀铬 / 硬质处理）引导膜材走向，保障膜材平整输送至后续工序。

2). 定位检测单元

组成：光电传感器（或光纤传感器）、可调式安装支架、定位挡块。

功能：精准检测膜材的加工定位，为裁切动作提供触发信号。传感器安装于膜材输送路径旁，支架支持水平 / 垂直方向调节，可适配不同宽度、不同定位标记（如色标、定位孔）的膜材，确保重复定位误差≤±0.1mm。

3). 裁切机构

组成：裁切刀（气动直线切刀 / 伺服驱动滚刀）、刀架驱动组件（气缸 / 伺服电机）、膜材压紧治具。

功能：接收 “到位信号” 后，对膜材进行精准分切。压紧治具先对膜材进行 “软接触” 式固定（避免压伤膜材），随后裁切刀快速动作；切刀刃口采用硬质合金材质，保障裁切边缘平整，裁切尺寸误差≤±0.2mm。

4). 底膜牵引单元

组成：牵引辊组（主动辊 + 从动压辊）、驱动气缸 / 步进电机、底膜张紧组件。

功能：分离裁切后膜片与底膜（适用于 “膜材 + 底膜” 的复合卷料）。主动辊表面经防滑处理（如滚花、包覆橡胶），确保对底膜的牵引力稳定；从动压辊通过弹簧浮动压紧，可适配不同厚度的底膜，利用 “牵引张力差” 实现膜片与底膜的高效分离。

5). 取膜变距吸头单元

组成：真空吸头组、变距调节机构（连杆气缸 / 伺服模组）、水平 / 垂直直线运动模组。

功能：吸附裁切膜片并精准移载。真空吸头采用硅胶材质（避免划伤膜材），通过负压吸附膜片；变距调节机构可灵活调整吸头间距（适配后续工位布局），直线运动模组负责将膜片移送至下一道工序，移载定位精度≤±0.1mm。

6). 支撑机架

组成：铝合金型材 / 钣金加工件、模块化安装接口。

功能：为各单元提供稳定的安装基础，保障各机构相对位置精度；机架预留模块化接口，便于后期维护、升级及与其他产线设备对接。如图所示整体结构：

           图2 塑料膜卷料加工与装配机械机三维模型展示

           图3 塑料膜卷料加工与装配机械机工程图展示

五、运动原理

1. 系统工作流程

1) 卷膜安装：将卷膜安装到气胀轴上，充气固定

2) 张力调节：通过磁粉制动器和张力传感器联动，调节卷膜张力

3) 导向纠偏：光电纠偏传感器检测卷膜边缘位置，自动调整导向辊位置

4) 送料控制：根据设定长度，由伺服电机控制送料速度和距离

5) 精确定位：光电编码器实时检测卷膜输送长度，确保裁切位置准确

6) 裁切动作：伺服电机驱动下刀快速裁切，裁切时间≤0.1s

7) 成品输送：同步带输送机构将裁切后的膜片平稳输送至下一工序

8) 自动换卷：当卷膜直径小于 φ100mm 时，自动提示更换卷膜

2.机械运动原理

以放卷机构为核心载体，卷料被精准导入卷料系统。电机启动，通过高精度齿轮传动驱动同步带，进而带动滚轮机构，实现料带的平稳放卷与输送。料带在滚轮牵引下进入检测装置，检测装置通过识别四个连接料片的位置，精准判断料带是否到位，并立即发出信号制停电机，实现精准定位。

电机停止后，变距吸头机构迅速响应，自动调整吸头间距，精准吸取四个连接料片，确保料带在后续加工过程中的稳定性。随后，裁切机构启动，采用高精度切刀，将四个连接料片与主料带精确切断，实现料膜与连接料片的完全分离。

切断后的料膜在底部滚轮机构的牵引下继续向前输送，最终由紫色收卷滚轮完成收卷。与此同时，已加工完成的料带由推出机构自动推出，完成整个加工循环。整个运动过程节拍紧凑、动作丝滑，充分体现了自动化设备的高效与精准，如图4所示。

                       图4 运动简图展示

六、设计原理

塑料膜卷料加工与装配机如图所示的设计原理基于 “自动化流程协同 + 精准控制” 理念，通过机械结构与电控系统的深度融合，实现卷膜 “放卷、定位、裁切、分离、取料” 全流程的无人化、高精度运行，各核心单元设计原理如下：

①　放卷单元

如图5所示供料采用 “恒张力控制”原理，通过阻尼器（或磁粉制动器）调节卷膜盘的放卷阻力，使膜材在输送过程中保持稳定张力（避免过松堆叠或过紧拉伸）；同时，多辊导向组通过 “协同导向” 确保膜材平整、无偏移地输送至后续工位，为精准定位和裁切提供基础条件。

               图5放卷单元放大图

②　到位检测单元：

如图6所示光电触发定位基于 “光电 / 光纤传感触发”原理，利用传感器（光电或光纤式）对膜材的定位标记 （如色标、孔位）或边缘进行检测。当膜材输送至预设的 “裁切基准位置” 时，传感器输出电信号，作为裁切动作的 “触发指令”，确保每次裁切的重复定位误差≤±0.1mm，如图 4所示。

③　裁切机构：

如图7所示遵循 “先压紧后裁切”逻辑，通过气缸（或伺服电机）驱动压紧治具 ，先对膜材进行 “柔性固定”（避免压伤膜材，同时防止裁切时膜材移位）；随后，裁切刀（气动直线刀或伺服滚刀）快速动作，利用 “刃口剪切力” 将膜材分切为预设尺寸的单个工件，保障裁切尺寸误差≤±0.2mm（动力源可根据精度、速度需求适配气缸或伺服电机）。

④　拉底膜单元：

如图8所示张力差分离针对 “膜材 + 底膜” 的复合卷料，基于 “张力差分离” 原理：裁切完成后，牵引辊组（主动辊 + 从动压辊）夹紧底膜，由气缸或步进电机驱动移动，通过 “拉扯底膜产生的张力差”，使裁切后的膜片与底膜分离，为后续取膜工序创造无干涉的拾取条件（牵引辊表面做防滑处理，如滚花、包覆橡胶，确保牵引力稳定）。

                       图8拉底膜单元放大图

⑤　取膜变距吸头单元：真空吸附 + 变距适配结合 “真空吸附 + 变距调节”原理：

如图9所示真空吸头通过负压产生吸附力拾取膜片（硅胶材质吸头避免划伤膜材）；变距调节机构（连杆气缸或伺服模组）可根据后续工位的间距需求，灵活调整吸头间距，实现 “不同布局工位的精准适配”；水平 / 垂直运动模组（伺服滑台或气缸）驱动吸头，将膜片稳定移送至下一道工序，保障移载定位精度。

 图9取膜变距吸头单元放大图

⑥　整体控制：

PLC 闭环协同以 “PLC 为核心的闭环控制”为中枢：PLC 接收 “到位检测”“张力检测” 等传感器信号，通过程序逻辑协调气缸、伺服电机、真空发生器等执行机构的动作时序，实现 “放卷→检测→裁切→拉底膜→取膜移载” 的无缝衔接与自动化循环；同时，通过人机界面（HMI）可进行参数设置、状态监控与故障诊断，提升设备操作性与稳定性。

综上，设备通过 “机械结构的功能分工 + 电控系统的时序协同”，将各单元的物理动作与检测反馈深度结合，达成卷膜从 “连续供料” 到 “精准裁切、移载” 的全流程自动化，满足高精度、高效率的生产需求如图10所示。

七、设计方案

1.系统总体设计

整体结构布局

采用 "水平直线式" 布局，沿卷膜运动方向依次设置放卷机构、张力调节机构、导向纠偏机构、裁切机构和输送机构。各机构通过钢结构机架集成，机架采用 Q235 钢板焊接成型，表面经喷塑处理，确保结构刚性与耐腐蚀性。设备底部设置可调地脚螺栓，用于调整水平度与适应不同地面高度。

2，控制系统设计

1) 控制核心

采用 PLC (型号 FX3U-48MR/ES-A) 作为主控制器，负责接收各传感器信号，执行逻辑运算与运动控制指令。

2) 人机交互界面

(1) 配备 7 英寸触摸屏 (威纶通 MT8071iE)，功能包括：

(2) 参数设置：卷膜宽度、裁切长度、速度、张力等

(3) 运行监控：实时显示设备状态、参数、故障信息

(4) 手动操作：各机构单独控制，方便调试

(5) 权限管理：管理员 / 操作员两级权限，防止误操作

3.优化设计：

1) 机械结构优化

(1) 放卷机构模块化设计

针对传统放卷机构换卷效率低的问题，采用模块化快换卷系统。将气胀轴与卷膜支架整合为独立供料模组，通过防呆插接件与主机架快速对接，换卷时间从 2 小时缩短至 15 分钟。同时引入不停机自动换卷技术：当主卷膜直径小于 φ100mm 时，传感器触发备用卷膜架自动平移至接驳位，通过涂胶辊现场涂胶并粘贴连接膜，实现新旧卷膜无缝对接，确保生产连续性。