新型滚烫机结构和控制系统设计

I 摘 要 近些年随着高档产品的包装大量采用转移烫金工艺，传统平压平烫金机难以满足生产的需要，因此，机加工企业开展圆压圆烫金机研制 ，其核心设备是加热系统。 电加热器是一种 在生活中常见 的电 力 加热设备 。 电加热器 内部存在一个 温度传感器 ，根据其传达信来使 电加热器 温度 自 行变化， 使温度均匀 扩散加热表面。 如何在单片机的基础上设计烫金机的加热系统 ,设计中主要运用到了单片机相关知识和传感器（压力、温度、霍尔传感器等）方面的知识，而在测温过程中，使用单片机作为核心来操作，并通过数字接口的测温元件 温度，且将实时温度在四位数码管上显示出来 ， 主要设计了温度的测量系统、报警系统及转速方面，主要用到了霍尔传感器和单片机的结合及设计了软、硬件两个方面。 关键词： 烫金机 电加热器 单片机 温度传感器 霍尔传感器 n as of of is to of to is An is a in is a to of to to on of in of , in of as to on in CU of of is of a 目 录 摘 要 . I . 录 . 第 1 章 绪论 . 1 述 . 1 金机技术的发展及现状 . 1 国烫金机技术的发展 . 1 金机技术的应用 . 1 内外烫金技术发展对比 . 1 金技术概述及影响因素 . 2 第 2 章 烫金机 电加热器机械结构 设计 . 3 金机的工作原理 . 3 加热方式的选择 . 3 加热器的组成 . 3 加热功率的确定 . 3 器的产量 . 3 位时间内承印物所需热量 . 3 加热功率 . 4 制电热辊速度的因素 . 4 机选择 . 4 的设计 . 5 的分类 . 5 择轴的材料 . 5 的结构设计 . 5 转强度计算 . 5 扭合成强度计算 . 6 核强度 . 7 章小结 . 8 第 3 章 基于单片机的测温系统设计 . 9 度传感器 . 9 度传感器的发展 . 9 度传感器 . 9 测温原理 . 10 度传感器与单片机的关系 . 11 路设计 . 11 片机引脚、复位电路与晶振电路 . 11 度采集 . 13 警系统设计 . 14 序设计 . 15 程序设计 . 15 度子程序 . 16 度数据显示子程序 . 18 章小结 . 18 第 4 章 基于单片机的转速控制系统设计 . 19 统总体设计思路 . 19 件电路设计思路 . 19 件设计思路 . 19 机转速控制系统 . 19 尔传感器 . 20 尔传感器的应用 . 20 尔开关 . 20 序设计思绪 . 21 片机程序设计 思路 . 22 片机转速计算程序 . 22 序设计 . 22 件电路设计 . 23 片机最小系统电路 . 23 钟电路 . 24 位电路 . 25 示电路 . 26 章小结 . 26 致 谢 . 27 参考文献 . 28 附录一 . 29 附录二 . 34 附录三 . 35 1 第 1 章 绪论 述 烫金机，主要用途为烫印，它工作为通过温压作用将烫金纸上图文等转移到承印物上。现如今市面上的烫金机主要有平压平烫金机、圆压平烫金机、圆压圆烫金机这几种；因为传统平压平烫金机已经难以满足生产需求，因此，机加工企业开展圆压圆烫金机的研制 2。 金机技术的发展及现状 国烫金机技术的发展 烫金机技术是早年间从外国引进来的一种烫印工艺。现在 市场上有很多精美的烫金技术产品，如纸张、名片、照片等，而烫金的完成则需要烫金机。 随着 烫金机技术存在多年以来 ，材料 使用 和烫金版 制作 水 准 的提高， 还有 新机器设备的使用， 使得 国内烫金工艺 有了一个新的开端，而各种烫金 工艺 得到了 广泛 的 应用。 金机技术的应用 立体烫金： 此 技术 是 一种复合技术，是利用腐雕技术将烫金 及 凹凸 印压 的图文制成一个上下配合的 阴阳模 凹凸版， 让两者 一次 性 完成。这 技艺 同时 实现两种技术 ， 从而降低 了 产 品废 弃率 ， 使 产率和品质 都有了拔升 。 全息图烫金： 这是一种 激光全息图，利用 了 光 的 干涉原理 ， 制作方法 采用了 空间的频率编码。 因为 全息图 有 色彩佳、层次明、图逼真、光换好、技术高等特点 而 广泛 使用在 防伪领域。 烫印须明温、速、力之联系，方悟其奥妙，而烫印之材料、面积对其亦有影响。 内外烫金技术发展对比 国外现今烫金机有着相当高的水准，国内也就一两种机器在某些方面能与世界领先水准相比。而圆压平、圆型机及联机还难以望其项背，须加大开发力度。 国产烫金机要整体赶上国际先进水准还相当远，要进一步改进机器，在性能及 售后服务上需缩小差距，且钻研关键零件及系统性能，将之用于实际，关键部位采用多种设计设计，使机体性能增强到新高度。 目前国内市场对烫金机的需求持续提高，且国产机较廉价，还有传统的观念改变和国家的重视，让国产烫金机全方位赶超国际先进水平还是有望的。 2 金技术概述及影响因素 烫金是在温速力作用下将电化铝箔图文烫印到商品上，其流程：准备装版垫版定参数试烫签样烫印 （ 1） 温度对烫金的影响 烫印时，温度很重要，温度控制一定要在特定范围里，令 分离 涂层 融化，使铝层完整转移。若温度太高，则会使电化铝融化脱落，染色树脂变质，烫印效果降低。 （ 2） 环境对烫金的影响 烫金机的机体需要安放在光照好、宜操控且通风不潮的地方。 （ 3） 压力对烫金的影响 铝层转印需靠压力完成，压力决定了烫印附着牢度。压力不够会使电化铝不能完美转印在承印物上；而压力太大则会将承印物压坏。通常情况下，烫印压力的准则是色不掉、牢度优。 （ 4） 转速对烫金的影响 转速，即加热辊的转速，反应了烫印过程中产品与铝箔接触的时间，而烫印牢固程度会随之改变。过快则致使印迹模糊或不合格；过慢则使 质量过差且会影响产量。 3 第 2 章 烫金机 电加热器机械结构 设计 金机的工作原理 原理是在 烫金辊和承压辊 合压作用 下将镀层镀在产品上 。其工艺主要是热压转移 ，利用温度使 铝层与铝膜 脱 离的同时转印 在 承印物上 且使 胶牯剂熔化 。 卸压后 胶牯剂 凝固 ， 让商品 上 的覆盖 层附着牢固 。 加热方式的选择 本设计中选择直接加热，具体是将电热管置于铜铝合金辊 芯 中，热量由辊 芯传递到辊的外管，达到加热的目的 8。考虑到辊 芯 受热膨胀，在辊 芯 与外管之间应留有间隙，该间隙必须均匀，此外，辊表温度还受到电热管中电阻丝位置和及与 辊 芯 接触情况的影响 8。 加热器的组成 主要 由 外管 、 电 加热管和 辊芯 几部分组成，辊 芯 内圆柱内装有加热管，两个垫肩装在辊 芯 两侧，在辊的外圆柱面上，装有沿轴的轴向，可根据需要调整的活动套筒位置，需要烫印的图案固定在套筒上。 这样 有效解决 了辊芯 膨胀的问题 。 加热功率的确定 器的产量 若机器承印物的最大幅宽为 B(m)，承印物线速度为 V (m/，承印物重量为 b(g/则机器的产量 M=B V铸根据所设计的刷花机的技术参数 B=V =n =10 300r/ 50g/以最大转速 n =300r/计算得 M =20g/s。 位时间内承印物所需热量 承印物烫金 温度为 80 140 ,现以 120 计，室温按 10 计算 ，则加工过程中单位时间 内承印物所需 的热量 t 的关系为 ，C 为变 量 ，加热到 120 吸热 为 8 (2t )80(0( 120808010 4 加热功率 将 M=20g/s 代入上式，则电加热功率 W=20=虑到热损失，取 W=5 制电热辊速度的因素 因 烫金层 由室温达到烫印定形温度的吸热过程需要一定时间，这就对电加热辊的速度造成了限制，电热辊转速过高， 承印 物线速度大，导致 承印 物来不及加热到所需温度便离开了电热辊表面，造成烫印无法达到所需要求 8。 承印 物升温时间取决于其材质的导热性能，根据导热系数的定义 (2 式中 导热系数 (W/m C Q 一传导的热量 (1) D 一材料厚度 (m) t 一温差 (C) H 一传导热量的时间 (S) A 一传热面积 ( Q= B L(L 为烫金版包围在电加热辊上的长度 )。 A=B L， 则 (2由上式可知， t、 由材料的性质决定，一般保持不变，因此 承印 物克重和 承印 物厚度是影响 H 的因素。 在 承印 物克重大、厚的情况下，烫金层吸热所需时间较长，生产中应适当降低转速，才能保证烫金效果。 机选择 根据所知条件及要求，选用 Y 系列一般用途的三相异步电动机，其不易燃、不易爆、具有较好起动性能的特性非常适合本设计，查询 Y 系列电动机技术参数表，选着电动机的额定功率 P 为 t 的设计 的分类 根据承受的载荷轴可分为三类 ： 心轴 为 工作时只受弯矩的轴，又分为转动心轴和固定心轴 ； 工作时主要承受转矩，不承受或承受很小弯矩的轴 为 传动轴 ； 转轴 工作时既承受弯矩又承受转矩 1。 根据任务 书可知，本设计选用的是转轴。 按轴线 变化分 为曲 、 直轴两大类。 而 直轴根据外形 又 分为光轴和阶梯轴 1。根据任务书可知，本设计选用的是 阶梯 轴，且为空心轴。 择轴的材料 轴材料常见有两种：碳素钢、合金钢。碳素钢较廉价，且对集中应力感应小，使用最为广泛。碳素钢以 45 钢使用最多。可经过热处理改善其机械性能。 1 根据设计要求，并考虑轴的工艺性及经济性，本设计中选择的材料是 45钢。经调质，其硬度选择为 220 的结构设计 按轴的工作情况画出结构设计草图。由轴的最细部分直径 推断其他各轴段的直径。轴各段的长度由其装配空间确定。辊芯受热会发生膨胀，因此其与外管之间要有间隙。 转强度计算 初步估算轴径 ,用于进行结构设计。 扭转 强度条件为： （ 2 T 扭转切应力， T 轴所传递的扭矩， N 轴抗扭截面系数， 3 P 轴所传递的功率， n 轴的转速， r/ T 许用扭转切应力， 由上式可得 空心 轴的直径 为： 3 40 )1n( 6 (2 0A 取决于材料的系数 , 45钢0126 103，故取值为 120; ,1d 为空心轴内径 ， d 为外径， = 故 （ 2 根据所选加热管尺寸确定内径 1d 为 外径 d 为 选择 d 为 70 扭合成强度计算 矩 （ 2 承反力 （ 1）水平反力 （ 2 （ 2）垂直反力 （ 2 矩 （ 1）水平弯矩 360 00 4m i n 5 08 0300 a a 2212 20t a 7 9 2 9 51 6 0（ 2 9 2 9 51 6 0（ 2 则 2 （ 2 （ 2）垂直弯矩 0 1 8 61 6 0 1（ 2 0 1 8 61 6 0 1（ 2 则2(2（ 3） 总弯矩 6 5 0 1 9 2 95221（ 2 6 5 0 1 9 2 96222（ 2 则 21 (2核强度 根据轴的扭转切应力为脉动循环变应力，故 ， 折合系数。按第三强度理论，弯扭合成强度条件 1 （ 2 式中： 轴的计算应力， M 轴所受的弯矩， ； T 轴所受的扭矩， ； W 抗 弯 截 面 系 数 ， 3 根 据 其 截 面 的 形 状 1 ， 343 1 5 ； 1 轴的许用弯曲应力， 12222 P 8 查轴的常用材料及其主要力学性能表可得 ，故安全 1。 因为加热辊最大工作压力不超过 以不需用进行刚度校核。 章小结 本章主要介绍了电加热辊结构组成以及其核心部件电加热管，简述了烫金的工作原理，并简单计算了轴的结构数据，还有分类和材料的选着，之后就是校核其强度。在书写过程中，查阅各方面的资料，让我对烫金机及其加热结构有了一个全面的、充分的、深刻的认识。 9 第 3 章 基于单片 机的测温系统设计 度传感器 度传感器的发展 传感 器 技术 在当今社会 的应用越来越广泛 了！之 中 以 温度传感器的应用 最为深 远 。 温度传感器 大致经历了 三个发展阶段：分立式 模拟集成 智能集成。 1821 年德国物理学家赛贝发明了热电偶传感器（既分立式）； 20 世纪 80年代模拟集成温度传感器问世； 20世纪 90 年代中期智能温度传感器亦数字温度传感器诞生。 度传感器 字式接口 度传感器是 团制造的一款单总线增强型，体小精度高 ，便宜易 接线， 抗干扰能力强，封装成后可应用于多种场合 。其转换精度达到九到十二位，可在 +125测温， 华氏是 257 华氏度 ， +85C 测温精度为 。一个温度测量体系中使用它，拥有线路简易、“一线总线”接口的特点，益常便利。 4位 度传感器、配置寄存器、温度报警器。 一是用寄生电源，此时 接地的， I/O 接单片机 I/O；另一种是 地而 电源 相连接，I/O 和 I/O 线连接。 无论是哪一种， I/O 都要接在五千欧姆左右的上拉电阻上。 具独特的单接方式， 10 图 3部结构框图 测温原理 图 3温原理图 低温度系数晶振 高温度系数晶振 预置 斜率累加器 计数器 1 =0 计数器 2 =0 比较 预置 温度寄存器 64 位 单 线 接 口 控制逻辑与存储器 高速缓存 温度传感器 8 位 成器 配置寄存器 高温触发器 低温触发器 加 1 停止 位 /清除 11 度传感器与单片机的关系 使用单片机操控温度传感器进行实时测温并显示数值，并能够根 据需求预设温度进行报警。 系统框图如下图： 图 3统框图 使用温度传感器 单片机 本系统的中心来进行数据的采集、处理、显示、报警 。 别显示了目前的温度和温度的上下限以及温度计进行的时间。 路设计 片机引脚、复位电路与晶振电路 复位、晶振电路和单片机衔接成最小系统电路，所选连接方式确定合适引脚的选则。 单片机 引脚图如下 度控制 报警电路 温度传感器 时钟 /复位电路 显示电路 12 图 3单片机与 晶振电路有两个引脚相连。 （ 1） 反向内部时钟工作电路的输入与震荡放大器的输入。 （ 2） 来自反向放大器的输出 。 两种时钟形式，一为片上时钟振荡。另为外部时钟模式。晶振电路图如图 3示。 图 3晶振电路 13 别外接石英晶体与震荡电容，共之便成构成片内的时钟震荡方式。震荡周期与外接石英晶体周期相同。在时钟起震后，会生成某频率特定的时钟 信息，单片机处理器根据时钟信号完成自身工作。 两个电容的主要作用是校正波形，震荡器的作用是制造时钟震荡。而整个电路产生自激震荡。 复位电路中温度传感器有两种复位形式：上点复位、按键复位。在此采用按健复位，即使用一个复位电容搭配按健的组合令复位简捷。 引脚 于复位输入。在复位电路中电容作用复位后充电，而上拉电阻作用是限流护电路。 图 3复位电路 度采集 温控电路包含温度传感器及单片机 设计的主要目的就是将两者结合运作。 图 3硬件上的温感器与 两种连接方法：一为 接， I/O 与单片机 I/O 线相连， 地；另一为用寄生电源供电 10。此为一，如图 3示 : 14 图 3温度采集电路 警系统设计 直流电源供电，源蜂鸣器报警输出。当所测温度不在预设温度时，数据口响应并拉高电平，报警器产生作用，而另外一端则直接连接 3示为报警电路图。 图 3报警电路示意图 15 序设计 程序设计 图 3主程序流程 主程序功能是对温度即时显现，读出并处理温度传感器测量的实时温度值，温度测量每周期循环一次。第二功能查询是否设置键被按下时，为了达到设定温的上下限，具体见图 3此可知整个程序中必须包含这几个部分：读写温度传感器、温度转换、温度数据处理等子程序。 Y Y N 初始化中断和定时器 开始 显示初始化 被按下？ 从 取温度并显示 温度极限 返回 执行报警程序 N 按键设置 16 度子程序 读出存储器中的数值并进行对比，不正确不读出温度数据。图 3其程序流程图。 图 3 中央处理器对温度传感器的访问程序为：重置温度传感器，再运作指令，之后操控。温度传感器每一步控制都要按照严格的工作时序与通讯协议来进行。 x=0; Y N 开始 初始化 取温度指令 温度转移成功 ？ 移入温度寄存器 单片机读取温度数据 结束 17 0; 0); 1; 4); x= 0); 程序将 延时准确，后提高 另外一方面，由于温度传感器单线通讯功能不能同时进行并完成，且时间结构严密，因此读间写时顺序的重要性就显得非常突出。要想操纵读写，先得初始化。操纵 温测系统中，主机命令略过 发出同一的温换启码，就对所有 经一周期后，就可一一读取 7。此法 a,b; ; ); 0); ; ; ; a=); b=); ; b; =00+0 =-; =00/10+0=0+0 此程序将来自显现传达温度的信息。 章小结 本章简要剖析了通过单片机来控制温度的系统设计步骤及实现方式。须察阅相关资料来知晓这些物件的基础结构及主要性能等等。该系统的测温度范围是80温度检测系统依据使 用者预设的温度范围对特定范围内的温度进行测控。 19 第 4 章 基于单片机的转速控制系统设计 生活中我们总会使用模拟式和数字式测量转速。模拟、数字式的检测元件分为速度测量发电机、光电编码器或霍尔元件，所测为模拟量、脉冲信号。监视和控制运行中的电机，利用 片机操控的智能化转速测量仪，转速是很重要的因素。 此设计中主要运用到了霍尔传感器、 示屏、 平转换芯片、 行口这四个元器件。本章主要说了操控的中心是单片机 对电机转速进行测量，及 与 间的串行通信关系，让 将测得转度化为数字在 5 位 示屏显现。 统总体设计思路 件电路设计思路 依照设计需求确定所需元件，完成系统原理框图及系统电路原理图的设计。 转速测量单片机硬件设计框图图 4 1。 图 4片机部分硬件框图 件设计思路 到三个子节，然后第二次清 0记数初值用于第二 次计数及计算。为了与 们需要单片机晶振为十一点零五九二兆赫兹。 机转速控制系统 系统让单片机接收霍尔传感脉冲信号，其外部中断及内部定时器得到电机转速并显在屏幕上。其通信由单片机通过电瓶转换电路，并通过串口将数据发送，然后由 复位电路行单元 显示电路 发送电路 时钟电路 20 尔传感器 霍尔传感器是一种 利用 磁场 的原件，广泛使用。它能够用来检测磁场及其变化，能够在与磁场有关连的不同地方使用。霍尔原件 体积不算大、寿命不小、重量轻盈、频率高（可达 1，因此广泛应用 于 测量 、 计算机和信息技术等领域。 按功能分为模拟 量输出的线性器件和数字量输出的开关器件。 霍尔器件的形态是多种多样的。 按被检对象的性质可将 将其 分为直接测出受检对象本身的磁场或磁场特性 的直接应用型和 测被 检 对象上由外力形成的磁场，此磁场将作为被检信息的载体，通过它，将许多物理量转换成电量来进行检测和控制的间接应用型。 集成霍尔传感器是通过硅集成电路工艺把霍尔器件与测量线路合成起来而得到的一种传感器。它消除了边界传感器与测量电路中材料、部件，电路三者间的一个。 尔传感器的应用 霍尔器件只对垂直表面上的磁感应强度有反应，因此磁力线一定要与器件表面保 持垂直。 若不垂直，则算出其垂直分量来得出目标磁场的磁感应强度为多少 。另外霍尔元件的尺寸非常之小，单点检测只是其应用之一，通过计算机将所得数据尽心处理就能得到场的分布状态 。 在进行行动坐标的传感时，一般而言会让磁体跟着被检测物体运动，霍尔元件则被固定在合适位置监测工作磁场。 尔开关 尔开关电路最好使用在响应变动、斜率陡峭、磁通量密度不是很强的磁场，而将其应用于单极或多对磁环的场合中同样是很优秀的。其组成部分包含了反向霍尔电压发生器、电压保护器、电压调整器、信号放大器、史密特触发器 及集电极开路输出级。在 - 40 150 之间工作，贮藏温度为 150 ，在机械及机电一体化领域有着广泛应用。 电源电压 出高电平电流 4V B 电源电流 4V 输出低电平电压 0B200出端开路 10 出上升时间 2V S 输出下降时间 2V S 21 霍尔开关元件的电路图： 图 4序设计思绪 在测量电机转速的时候，单片机可分为好多个分支，而后在主程序中调用各分支， 其流程图如下。 开始 初 始 化 计算程序 转换 非压缩 换 显 示 程 序 返 回 22 图 4 3 主程序流