单张封口条离型纸剥离机理分析和机构设计.pdf
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1、Modeling and Simulation 建模与仿真建模与仿真,2023,12(5),4868-4881 Published Online September 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/mos https:/doi.org/10.12677/mos.2023.125442 文章引用文章引用:陈为泽,张国凤.单张封口条离型纸剥离机理分析和机构设计J.建模与仿真,2023,12(5):4868-4881.DOI:10.12677/mos.2023.125442 单张封口条离型纸剥离机理分析和单张封口条离型纸剥离机理分析和 机构设计
2、机构设计 陈为泽,张国凤陈为泽,张国凤 浙江理工大学机械工程学院,浙江 杭州 收稿日期:2023年2月14日;录用日期:2023年9月20日;发布日期:2023年9月27日 摘摘 要要 为了解决现包装企业剥离封口条上离型纸这一工序依旧是人工来完成,从而设计一套剥离装置。封口条为了解决现包装企业剥离封口条上离型纸这一工序依旧是人工来完成,从而设计一套剥离装置。封口条离型纸为单张离散的,且底纸里嵌入了细铁丝,因此不能采用成卷式标签的剥离方法。故模仿人工剥离,离型纸为单张离散的,且底纸里嵌入了细铁丝,因此不能采用成卷式标签的剥离方法。故模仿人工剥离,先使用刀具对离型纸边界的粘接力进行破坏,达到初剥离
3、的效果,后利用夹持装置进行完全剥离。由于先使用刀具对离型纸边界的粘接力进行破坏,达到初剥离的效果,后利用夹持装置进行完全剥离。由于挠性试件在剥离过程中会使得刚度下降,从而影响夹持效果,故采用挠性试件在剥离过程中会使得刚度下降,从而影响夹持效果,故采用comsol的粘附和剥离对离型纸剥离的粘附和剥离对离型纸剥离进行仿真,得出最佳的夹持距离为进行仿真,得出最佳的夹持距离为7 mm。后根据设计要求,设计刀具运动轨迹,提出一套凸轮连杆机。后根据设计要求,设计刀具运动轨迹,提出一套凸轮连杆机构来实现刀具运动轨迹,在构来实现刀具运动轨迹,在matlab中绘制凸轮,导入中绘制凸轮,导入Solidworks进
4、行运动仿真,来验证轨迹进行运动仿真,来验证轨迹。关键词关键词 Comsol,剥离仿真,剥离机构,离型纸,凸轮连杆,剥离仿真,剥离机构,离型纸,凸轮连杆 Design and Test of Stripping Device for Single Sheet Sealing Strip Release Paper Verification Weize Chen,Guofeng Zhang School of Mechanical Engineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou Zhejiang Received:Feb.14th,20
5、23;accepted:Sep.20th,2023;published:Sep.27th,2023 Abstract In order to solve the problem that the process of stripping the release paper on the sealing strip of 陈为泽,张国凤 DOI:10.12677/mos.2023.125442 4869 建模与仿真 the current packaging enterprise is still manual,a set of stripping device is designed.The
6、re-lease paper of the sealing strip is single and discrete,and the thin iron wire is embedded in the back paper,so the stripping method of rolled label cannot be used.Therefore,to simulate manual stripping,first the tool is used to destroy the adhesive force of the release paper boundary to achieve
7、the effect of initial stripping,and then the clamping device is used to completely peel.Be-cause the rigidity of the flexible specimen will decrease during the stripping process,which will affect the clamping effect,the adhesion and stripping of comsol are used to simulate the stripping of the relea
8、se paper,and the best clamping distance is obtained.Then,according to the design re-quirements,the paper designs the tool motion path,proposes a set of cam linkage mechanism to realize the tool motion path,draws the cam in matlab,and imports Solidworks for motion simula-tion to verify the path.Keywo
9、rds Comsol,Stripping Simulation,Stripping Mechanism,Release Paper,Cam Linkage Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 烘焙产业蒸蒸日上,数据显示,20112017 年,我国烘
10、焙食品消费额的年复合增长率 11.9%,远高于烘焙市场已然成熟的美国(2.2%)和日本(0.11%)。2018 年以后烘焙行业增长整体放缓,但仍处快速发展期。近年来,随着环保意识逐渐深入人心,简化、绿色成了食品包装的主流,焙烤食品也不例外,故自带铁丝封口的纸袋广泛用于烘焙食品的封装。目前,我国的纸袋和封口条的生产已有比较完善和成熟的流水线设备,但是将封口条粘贴在袋口处这道工序依旧需要人工来完成,工人需用手将封口条上的离型纸剥离,再将带有粘胶剂那一面的封口条较为精准地粘贴到纸袋口,即完成此工序,看似并不复杂的工序,但在数量极其庞大的纸袋前,工作量大,需要大量的人工成本。现市面上标签剥离大多是针对
11、成卷式标签的连续剥离,此类标签剥离的原理是标签跟随纸带贴合在剥离板上运动,当标签随底纸匀速运动时,由于标签自身挺度 EI 及惯性作用,黏结力不足以使标签产生较大曲率,固标签脱落。由于封口条为单张形态,且底纸上带有铁丝卷边,故成卷式标签的剥离方法并不适用于封口条离型纸的剥离。本文采用 comsol 的粘附和剥离对离型纸剥离进行仿真,得出最佳的夹持距离,并设计一套封口条离型纸剥离装置。后根据设计要求,设计刀具运动轨迹,提出一套凸轮连杆机构来实现刀具运动轨迹,在matlab 中绘制凸轮,导入 Solidworks 进行运动仿真,来验证轨迹。2.封口条离型纸剥离机理研究封口条离型纸剥离机理研究 2.1
12、.封口条组成结构特征封口条组成结构特征 本文采用的封口条来自温州某包装企业,封口条由离型纸和带有铁丝卷边的底纸组成,如图 1 所示。离型纸通过胶粘剂黏附在底纸上。Open AccessOpen Access陈为泽,张国凤 DOI:10.12677/mos.2023.125442 4870 建模与仿真 Figure 1.Composition of sealing strip 图图 1.封口条的构成 2.2.封口条剥离机理分析封口条剥离机理分析 封口条是将离型纸粘接在底纸上,离型纸剥离时,剥离刀刃切入封口条的离型纸和底纸之间,使得离型纸剥离时粘接边界处产生界面破环(即胶层全部与被粘物脱开)。克服
13、粘接力脱开的边界条件为:dFF=(1)剥离时离型纸所受到胶粘剂的粘接力可以等效为受到一个均布载荷(),q x yq=,封口条一端为固定端,一端为自由端。自由端受到粘接边界的集中应力,等效于受到一个集中的粘接力 F 和剥离刀具对粘接边界 Z 方向的分力dF的共同作用。等效模型如图 2 所示。Figure 2.Force equivalent model of release paper 图图 2.离型纸受力等效模型 影响标签剥离的关键因素是粘接的剥离强度,剥离强度是指在规定的剥离条件下是粘接件分离时单位宽度所能承受的最大负荷,其单位一般为 N/m。通常测量粘接件的 180剥离强度。剥离强度受试样
14、宽度、厚度、胶层厚度、剥离速度和剥离角度等因素的影响。一般情况下,剥离强度随着剥离角的增大而下降,剥离角为 180时的剥离强度最小;剥离强度随着加载速度的增加而提高1 2。由于封口条属于挠性试件与挠性试件的粘接,所以标签剥离强度的测定需采用 GB/T2791-1995 中规定的测量方法来测量3。180剥离强度的测定在电子式材料试验机上进行,对于两个挠性试件的粘接需采用 T 型剥离4,加载速度为 200 mm/min,试样宽为 25 mm,长度大于 200 mm,测试原理图 3 所示。陈为泽,张国凤 DOI:10.12677/mos.2023.125442 4871 建模与仿真 Figure 3
15、.Schematic diagram of T-type stripping 图图 3.T 型剥离原理图 以恒定的拉伸速度施加载荷,自动记录上得到应力应变曲线图,胶层破坏后,利用以下公式计算剥离强度5:bSKA ab=(2)式中:bS为剥离强度;K 为应力应变曲线图上单位高度所表示的负荷量;A 为曲线图形的面积;a,b分表表示曲线图形底线的长度和试件宽度。经测定封口条的 180剥离强度为 8 N/25 mm。封口条离型纸粘接宽度为 8 mm,所以离型纸的剥离强度为 sb=2.56 N/8 mm。2.3.基于基于 Comsol 的剥离仿真的剥离仿真 Comsol 中固体力学模块里的剥离功能可以模
16、拟两层结构的剥离,剥离仿真采用的内聚力模型(cohesive zone model,简称 CZM)是基于以下应用条件的材料模型:1)粘结层的应力随着边界分离距离的增加而增大。2)在两个边界的分离距离到达一定程度之前,粘结层表现出线弹性行为。3)在物体的弹性变形达到峰值后,应力随着进一步变形而减小。4)消耗完一定的能量后,两层之间的粘接将彻底断裂。5)如果在粘结完全断裂之前卸载负载,层结构将被视为受到了损坏,其弹性刚度则随之减小。剥离仿真参数的确定:由于 comsol 中的粘附是依靠罚函数来模拟的,可以视作使用了一个刚性的弹簧来模拟接触。由于测得的离型纸剥离强度为 sb=2.56 N/8 mm。
17、故将罚刚度设为:Pn=320 N/mm3。把封口条组成材料中上层的离型纸薄膜记为材料 1,下层的底纸记为材料 2。查材料手册可知:材料 1 的弹性模量 E1=2800 MPa,泊松比10.41=,密度 =1570 kg/m3;材料 2 的弹性模量 E2=2000 MPa,泊松比20.25=。密度 =380 kg/m3。针对不同的本构定律,可以从三个选项中做出相应的选择,如图 4 所示。陈为泽,张国凤 DOI:10.12677/mos.2023.125442 4872 建模与仿真 Figure 4.Relationship between stress and boundary separati
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