（机械工程专业论文）智能高速扫描设备的研究与开发.pdf

摘要摘要随着我国信息化建设速度与应用程度的不断提高，信息管理工作渗透到各领域及各行业，随之而来的是大量纸张信息采集的“瓶颈”问题日趋突出，如国家的大型普查工作、各种考试、医疗( 学) 档案、各种票据等等均存在纸张信息电子化问题。如何快速、准确、安全的获取数据及图像信息，使纸质文档电子化、数字化，已成为提高信息管理水平的关键因素之。纸质文档电子化工程已成为社会亟需解决的难题。以近几年国家大力推行各种考试的网上阅卷为例，如何将大量纸张试卷在短期内高速、准确、安全的扫描，如何对海量数据信息进行有效采集和处理的问题显得尤为突出。目前解决方案有两种：一种是使用专用的光学标记阅读机( 简称o m r ) ，另外种是使用高速扫描仪。但在实际应用两种解决方案都存在着一些问题和缺陷。这造成了目前许多行业在对高速扫描仪产品有着迫切需求的同时，高速扫描仪的应用、普及却踌躇不前的尴尬局面，并由此严重阻滞了相关行业的信息电子化进程，这不能不令国人十分遗憾。基于这个考虑，2 0 0 6 年开始，综合运用当今流行的多种先进技术，以“高速”、“多功能 及“实时处理”为研究目标，研制了智能高速扫描设备，以适应不同领域大规模数据处理的需要。智能高速扫描设备是一融合了高速扫描、智能识别、图像处理、图像加密、精密机械及控制等多种综合性技术的高新科技产品。与国外同类产品相比，该项目具有自主的知识产权，其录入速度、阅读幅面、图像输出、图像安全等指标优于国外产品，而价格远远低于国外同类产品。智能高速扫描设备项目的研制成功打破了国外产品一枝独秀的市场格局，降低了信息化建设的成本，促进了本行业技术的进步。关键词：图像信息；智能高速；精密机械a b s t r a c tw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc h i n a si n f o r m a t i z a t i o nc o n s t r u c t i o na n da p p l l c a t l o no tt h ed e 盯e eo ft h ei m p r o v e m e mo fi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ti na l la r e a st oi n f i l t r a t et h ev 撕o u ss e c t o r s ，as e r i o u s ，b o t t l e n e c k ”p r o b l e mh a st ob es o l v e dw h i l ed e a l i n gw i t na汀e a td e a lo fi n f o r m a t i o nc o l l e c t e do np a p e r ，s u c ha sl a r g e - s c a l en a t i o n a ls u r v e yav a r i e t vo fe x 锄i n a t i o n s ，m e d i c a ls e r v i c e ( s t u d y ) f i l e s ，t h e r ea r eav a r i e t yo f1 n s t n 蚰e n t sa n ds o0 nt h ei s s u e0 fi m 衄a t i o na n de l e c t r o n i cp a p e r h o wt oo b t a i nd a t ea n d1 m a g ei n f o r m a t i o nr a p i d l y a u c c u l a t e i y ，s a f c l yh a sb e e no n eo ft h ek e yf a c t o r st o1 m 】可o v e 骶i n f o 册a t i o nm a n a g 锄e n tl e v e l p a p e rd o c u m e n te l e c t r o n i ce n g i n e e r i n gh a sb e c o m e 锄u r g e n tn e e dt 0s o l v es o c i a lp r o b l e m s a sa l le x a m p l eo fo n l i n em a r k i n ge x 锄m a t l o n smt h e1 a s tf e wy e a r s ，h o wt od e a lw i t hal a r g en u m b e ro fe x a m i n a t i o ni n f o m a t l o np a p e rmh i 出s p e e d ，a c c u m c y ，a n ds e c u r i t ys c a n n i n g ，h o wt oc o n d u c te f f e c t i v em a s sd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n go ft h ei s s u ei ss t r o n g l ya n dp a r t i c u l a r l yp r o m l n e n t a tp r e s e n t ，t h e r ea r e 铆os o l u t i o n s ：o n ei st h eu s eo fs p e c i a lo p t i c a lm a r k 陀a d e r ( r c f c 觥dt 08 8o m r ) a n o t l l e fi st h eu s eo fh i g h s p e e ds c a n n e r s h o w e v e r ，i nt h ep r a c t i c a l 印p 1 1 c a t l o no ft h et 、os o l u t i o i l se x i s ts o m ep r o b l e m sa n ds h o r t c o m i n g s t h i sh a sr e s u l t e dm 弧u r g e n c yd e m 锄df o rp r o d u c t so fh i g h - s p e e ds c a n n e r sa tt h es a n l et i m e b u tt h ep r e s e n tp r o d u c t so fh i g h s p e e ds c 锄e r su s e dc a n n o tb es a t i s f i e dw i t ht h en e e do fa l ld l f f e r i n ts i t u a t i o n s b a s e do nt 1 1 i sc o n s i d e r a t i o n ，s t a r t i n gi n2 0 0 5 ，t h ei n t e g r a t e du s eo ft o d a y sp o p u l a r舢g eo fa d v a i l c e dt e c h n o l o g yt o ”s p e e d ”，”m u l t i - f u n c t i o n a l ”a n d r e a l - t i m ep r o c e s s m g ”f o ft l l es t u d yo b j e c t i v e s ，t h ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e l l i g e n th i g h - s p e e ds c 锄m ge q u i p m e n tt o d i f f e r e n ta r e a st oa d a p tt ot h en e e d so fl a r g e 。s c a l ed a t ap m c e s s m g i n t e l l i g e n th i g hs p e e ds c a n n i n ge q u i p m e n ti sac o m b i n a t i o no fk g h s p e e ds c a n n m 岛i n t e l l i g e mr e c o g n i t i o n ,i m a g ep r o c e s s i n g ，i m a g ee n c r y p t i o n ,s u c h舔p r e c l s l o nm a c k n e r ya n dc o n t r o law i d er a n g eo fi n t e g r a t e dh i g h - t e c hp r o d u c tt e c h n o l 0 9 1 e s c o m p a r e d 谢t l if o r e i g ns i m i l a rp r o d u c t s ，t h ep r o j e c th a si n d e p e n d e m1 m e l l e c t u a lp r o p 呻r i g h t s ，t h ee n t r ys p e e d ，t or e a df o r m a t ，i m a g eo u t p u t ，i m a g es e c u r i t y1 s 呲钉t h a i lf o r e i 驴p r o d u c t s ，s u c ha si n d i c a t o r s ，a n dt h ep r i c e sa r ef a rl o 、e rn l a l l 廿1 es 1 咖l a rp r o d u c t s 加o a d t h es u c c e s s f u ld e v e l o p m e n to ft h ep r o j e c ta b o u ti n t e l l i g e n t h l 曲s p e e d1 1 i山东大学硕十学位论文s c a n n i n ge q u i p m e n tb r e a k st h ef o r e i g np r o d u c t so ft h em a r k e ti t s e l f , r e d u c i n gt h ec o s to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yt op r o m o t et h et e c h n o l o g i c a lp r o g r e s so ft h ei n d u s t r y k e yw o r d s ：p i c t o r i a li n f o r m a t i o n ；i n t e l l i g e n c eh i 曲s p e e d ；p r e c i s i o nm a c h i n e r y原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其它个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：兰巡e l期：! 皇：篁：至关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文和汇编本学位论文。( 保密论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：! 垫坠醴导师签名役嗍乒笪第1 章绪论1 1 研究背景及意义第1 章绪论随着我国信息化建设速度与应用程度的不断提高，信息管理工作渗透到各领域及各行业，随之而来的是大量纸张信息采集的“瓶颈问题同趋突出，如国家的大型普查工作、国家考试、医疗( 学) 档案、各种票据等等均存在纸质介质信息电子化问题。如何快速、准确、安全的获取数据及图像信息，使纸质文档电子化、数字化，已成为提高信息管理水平的关键因素之一。纸质文档电子化工程己成为社会亟需解决的难题。以近几年国家大力推行各种考试网上阅卷为例，如何将大量纸张试卷在短期内高速、准确、安全的扫描，如何对海量数据信息进行有效采集和处理的问题显得尤为突出。目前解决方案有两种：一种是使用专用的光学标记阅读机( 简称o m r ) ，另外一种是使用高速扫描仪。但在实际应用两种解决方案都存在着一些问题和缺陷。1 1 1 光学标记阅读机光学标记阅读机( o p t i c a lm a r kr e a d e r 缩写o m r ) ，是一种高速光学标记读取设备。o m r 技术已有四十年以上的历史，目前光学阅读技术采用反射阅读技术( o p t i c a lr e f l e c t i o n ) ，经由光学阅读设备所接收到的反射光强弱来识别有无标记。o m r 虽然具有识别速度快和价格低廉的优势，并且在众多领域有着广泛的应用背景，但存在以下问题：( 1 ) 目前国内外o m r 设备识别的信息卡都小于a 4 幅面，还不能处理大于a 4幅面信息卡。( 2 ) 对信息卡的纸张质地要求较高。光学标记阅读机多采用1 0 0 1 5 0 9 的o m r 专用纸。如使用劣质纸张则有可能在印刷时纸张一着油墨或于考试时为考生手心汗渍沾染即造成纸张变形，严重者会造成读取资料位置错误。纸张如硬度及厚度不够很容易在读卡时造成折损以致读卡不顺，品质不良的纸张容易产生纸毛、山东大学硕十学位论文纸屑，掉落的细小纸毛、纸屑容易沾黏于读卡机的传送滚轮，使纸张传送不顺，并且容易造成读卡设备光电零件的的损耗，严重降低设备的使用年限，甚或影响读卡结果。( 3 ) 对信息卡的印刷的套印和基准边的裁切精度较高，印刷误差不能大于士0 1 m m 、裁切误差不能大于0 2 m m n 3 。如答案卡裁切误差过大则可能造成答案卡进纸偏斜，而产生种种检测点或检测线错误，严重者还可能造成读取资料错误甚且无法读卡。( 4 ) 扫描识别排放顺序有严格的规定。( 5 ) 仅能采集、识别标记涂点信息和条型码信息口1 ，信息卡包含的信息量少；无高速图像扫描和信息识别功能，无法实现标记数据与图像信息同时高速采集的目的。限制了更多行业领域的应用和推广。国内光电输入设备中，一般为单一化o m r 录入设备，国外近年光学阅读设备除了原有o m r 判读功能外，并增加简单影像扫描功能，在读卡的同时能将答案卡原始影像扫描存档b 1 。将o m r 和图像扫描有机结合、集成一体的多功能录入设备，并对录入数据进行自动识别，生成电子档案的综合性系统，国内硬件产品技术处于低端阶段。1 1 2 高速扫描仪高速扫描仪( h i g hs p e e ds g a n l l c r ) 能对纸张的图像进行快速扫描，使纸张信息以图片形式存储。目前随着行业应用领域电子办公化的飞速发展，高速文档扫描仪市场是呈增长的态势。但存在下面的问题：( 1 ) 只具有图像扫描功能，不具备深入的图像识别及图像处理、数据加工功能。要实现图像处理、数据加工功能，需等高速扫描仪输出图像数据后，另需专门图像处理、识别平台进行后期处理，流程复杂、工作效率低。以近几年国家高考推行的网上阅卷为例，在高考网上阅卷工作中，每年高考近4 0 0 0 万张试卷要求在一周内高速、准确处理完成，并且要确保信息在存储、传输等方面的安全。目前图像扫描设备主要使用国外高速扫描仪。使用国外高速扫描仪在实际应用存在着一些问题和缺陷，从而限制了网上阅卷的普及与发展。以典型的网上阅卷试卷2第1 章绪论扫描流程为例，由于高速扫描仪只具有图像扫描或简单图像处理功能，使得高速扫描仪输出图像数据后，还要有专门图像处理、识别平台进行后期处理，才可提交给阅卷现场进行网上评卷。由于试卷扫描到图像处理中间环节的增加，不可避免地暴露出一些问题，其主要包括：流程复杂、工作效率低：由于图像处理滞后于试卷扫描，使得在试卷扫描过程中不能及时发现试卷异常问题，如考号重复、缺考确认、图像不清晰等，一旦在图像处理、识别或阅卷过程发现了此类问题，需用原始试卷确认或重新扫描时，将会使试卷管理及扫描工作复杂化，大大降低了工作效率。( 2 ) 成本高：后期图像处理识别平台的存在，需要增加硬件设备的投入及人员服务、管理费用。( 3 ) 数据安全性无保障、可靠性差：从试卷扫描到图像处理，中间环节的增加无疑降低了数据的可靠性，为了防止数据丢失、恶意篡改而使管理难度大大增加。为了解决以上问题，最佳的网上阅卷试卷扫描流程应：试卷扫描的同时实时进行图像处理、识别，扫描结束输出的数据即可直接应用到阅卷现场，流程清晰、明了，易于管理，可真正体现网上阅卷的优势所在：高效、公平、公正。( 4 ) 长期以来，国内扫描仪生产多是低档低速普通扫描仪，国内还没有能掌握高速扫描仪技术的厂家。在国外也只有几家公司掌握高速扫描仪核心技术，如美国n c s 公司、柯达( k o d a k ) 公司、日本富士通( f u j i t s u ) 公司等。凭借技术垄断，国外厂家的产品整套设备的复杂度较高，价格昂贵，维护成本高，而且功能不能完全满足国内数据采集的应用需求，适应性不强。以上因素造成了近年来，许多行业在对高速扫描仪产品有着迫切需求的同时，高速扫描仪的应用、普及却踌躇不前的尴尬局面h 3 ，并由此严重阻滞了相关行业的信息电子化进程，这不能不令国人十分遗憾。1 1 3 本课题研究的意义针对上述存在的问题和出现的情况，为打破国外对高速扫描技术的垄断，推进民族化进程，进一步加快和推进相关行业的信息电子化进程，为其在国民的工山东大学硕十学位论文作和生活中打开无可限量的服务空间，提出了智能高速设备的研究与开发这一科研课题。自0 5 年以来，凭借多年o m r 技术及o c r 、i c r 技术的研发积累和产品使用经验，深入研究高速扫描仪的相关技术，以顽强的毅力和坚定的信念，开始研制融光学图像扫描、图像处理、图像加密、智能识别等功能于一体的高速扫描阅读设备，在国内率先实现突破性进展，设计制造了智能高速设备。智能高速设备的研制成功，结束了高速图像采集和高速识别不能两全的尴尬状况，填补了国内高速扫描设备的空白，重要性能指标均已超出国外品牌机型，整体性能处于世界同类机型的先进水平。它灵活的富有创造力的设计理念，给现代图像处理带来了新的变革。下面是此智能高速设备与国外高速扫描仪产品性能和价格的比较。4表1 1 智能高速设备与国外高速扫描仪产品性能和价格比较厂家美国n c s 公司英国d r s 公司日本富士通高端产品智能高速设备n c s 5 0 0 0ip s 9 6 0f i - 5 9 0 0 c型号自动进纸1 0 0 0 张7 0 0 张5 0 0 张5 0 0 张器容量阅读速度1 4 ，4 0 0 张小9 ，0 0 0 张小时9 ，0 0 0 张小时6 ，0 0 0 张小时( a 4 双面。时2 5 6 灰度)扫描幅回最大为a 3 幅面最大为a 4 幅面最人为最大为a 3 幅面( 4 2 0 2 9 7 珊)( 2 9 7 2 1 0 衄) )( 3 5 6 2 2 7 姗)( 4 2 0 2 9 7 姗)输出纸仓1 0 0 0 张6 0 0 张5 0 0 张5 0 0 张分拣纸仓两个2 0 0 张容量一个2 0 0 张容量无无数字水印、数字图像安全无无无签名图像处理图像增强、实时实时切分、o m r 识实时切分、o m r 识b a r c o d e 识别切分、0 m r 识别、别、b a r c o d e 识别别、b a r c o d e 识别b a r c o d e 识别、七段码识别参考价格2 0 万约8 0 万人民币约2 0 0 万约6 5 万人民币从表1 1 可以看出，该高速扫描设备在数据的录入、识别、传输速度及输出结第1 章绪论果的质量方面与国外的产品不相上下，甚至在某些关键指标上优于国外设备而价格却不到国外产品的三分之一，具有很高的性价比。本课题具有以下的经济效益和社会效益，其中社会效益包括：( 1 ) 该智能高速设备在国家各种大型考试中广泛使用，对考试手段现代化起到了巨大的推动作用。( 2 ) 在信息处理领域( 包括人事电子档案、选票数据处理、基础教育电子档案、税务、保险、银行票据电子化等) 广泛使用，极大地提高了工作效率。( 3 ) 该系列产品的广泛应用，取代了信息的人工采集，解决了同时高速录入图像信息和光学标记信息的关键问题，使信息录入过程更为迅速、安全和可靠；( 4 ) 加大了应用部门的监管力度和范围，提高了各应用行业的现代化管理水平和工作效率；( 5 ) 加快了相关行业信息化发展的速度，并完全能够替代进口产品，特别是高端产品方面，填补国内空白，节约大量外汇资金，从而在整体上推动了国民经济的发展。对行业进步的推动作用包括：( 1 ) 扫描速度及数据安全性等主要技术指标超过国外同类产品，带动了行业的技术进步。( 2 ) 广泛应用，为技术成果产业化奠定了坚实的基础，形成了新的数据处理产业，带动了相关产业的发展。智能高速设备在教育部、财政部、人事部、卫生部等的各种数据采集及统计系统，得到了广泛的应用，发挥了重要作用，实现了良好的社会及经济效益。1 2 本课题的主要研究内容及工作本课题涉及一种智能高速设备开发的整个流程，研究的主要内容包括：( 1 ) 系统总体结构的研究与设计( 2 ) 机械设计：方案比较与设计，详细结构设计( 3 ) 硬件设计：元件选型，结构设计( 4 ) 控制系统设计5山东人学硕十学位论文机械系统部分负责将纸张高速、平稳、可靠的送入，重张分离、传送，通过图像扫描设备，对纸张进行分选后平稳整齐的堆叠；控制系统部分负责将光信号转换成电信号和机械各种功能和动作的控制等。1 3 本章小结促进图像扫描、处理技术的进步，通过更可靠的设计、更好的技术、更合理的设备价格来实现快速、高效的纸张图像信息扫描、识别和处理，从而推动民族自主技术进步和科技创新，推进我国相关行业的信息电子化进程。我们所研究的课题就基于此方向。6第2 章总体思路与技术指标第2 章总体思路与技术指标2 1 本课题的需求分析智能高速扫描设备是面向行业类的高端产品，不仅要求在扫描速度、图像处理功能上技高一筹，而且还要满足不同领域的应用，符合不同应用环境的应用需求。因此，首先分析相关要求，明确要研究的主要技术，进而提出解决问题的思路、方案。智能高速扫描设备是针对大规模图像数据采集与处理市场进行产品研制的。市场需求为速度要求很高，同时要求对图像进行实时处理，数据安全性璐1 要求高，纸张规格复杂，成本控制相比要求较低，其主要需求包括以下几个方面：( 1 ) 整个系统的可靠性：硬件系统和软件系统都必须具有极高的可靠性；( 2 ) 可靠的纸张分离技术：高效控制重张进纸，保证每次单张送进：( 3 ) 对纸张较高的适应性：不同尺寸、质地、厚度的纸张在各种应用环境( 如干燥、潮湿等) 中：均能实现高速、平稳、可靠传送；( 4 ) 设备良好的人性化、易用性口3 ；( 5 ) 耐用性：主要部件寿命不低于一千万张，易损部件( 进纸模块和分纸模块) 寿命不低于1 0 0 万张。( 6 ) 高品质的图像扫描和处理功能；( 7 ) 多主机、多c p u 负载调节技术；( 8 ) 并行计算技术；( 9 ) 满足抗干扰、抗辐射等电磁兼容性要求：传感器和线路设计、线缆选取和布局、线路板设计、机壳设计从分考虑内部和外部抗干扰；电磁辐射满足相关技术要求。( 1 0 ) 可扩展性：系统的扩展性能好，扩展成本低；软件和硬件采用模块化化设计。7山东大学硕十学位论文2 2 本课题的总体思路考虑采用以下方案：综合运用高速图像传感器技术、智能识别技术、图像处理技术、数字加密技术、精密机械设计等技术，研究开发具有自主知识产权，集高速图像扫描( c i s ) 、光学标记识别( o m r ) 为一体的，且具有信息卡( 信息载体) 双面扫描阅读、智能识别、图像处理、图像信息加密、自动读卡、自动分拣等功能的高端高速智能扫描设备。如图2 1 所示的总体功能结构图中，整个设备分为机械系统及控制、图像扫描、原始图像处理、智能识别、图像切分、表格描述、结果输出等部分。图2 1 总体功能结构图纸质文档在录入控制和机械控制机构的操纵下，由入纸仓进入走纸通道，并通过高速c i s 光电传感器进行高速数据采集，得到原始图像信息；由原始图像处理模块对其进行处理：包括色差校正、清晰度检测及增强、过滤检测等；根据表格描述，对预处理结果区分出字符区、条码区、涂点区和图像区；其中字符区、条码区和涂点信息区被数字化智能识别模块转化为识别结果，图像区被图像切分模块切割成预定的图像文件；对切分前及切分后的图像嵌入数字水印进行加密及压缩；最后将纸质文档送入输出纸仓，并通过千兆网口将结果数据传输到计算机中。8第2 章总体思路与技术指标2 3 主要技术指标主要性能技术指标：( 1 ) 送纸方式：全自动( 2 ) 进纸仓：1 0 0 0 张( 7 0 9 r e ) 容量的自动升降进纸仓( 用户可任意定义纸仓容量)( 3 ) 接纸仓：一个1 0 0 0 张容量的自动升降接纸仓两个2 0 0 张固定容量的分拣接纸仓( 三个接纸仓用户可选择设定功能)( 4 ) 扫描幅面：最小：8 0 m m x 8 0 m m最大：2 9 7 m i n x 4 2 0 m m( 5 ) 扫描传感器：双面高速c i s 传感器( 6 )光源：r 、g 、b 、i r 四种任意选取；( 7 ) 图像分辨率：滤色灰度：1 0 0d p i 、2 0 0d p i 、4 0 0 d p i2 4 位真彩：1 0 0d p i 、2 0 0 d p i( 8 ) 阅读速度：l o o d p i ，灰度，a 3 幅面，双面，1 8 0 张分l o o d p i ，灰度，a 4 幅面，双面，2 4 0 张分( 9 ) 输出图像格式：j p e g ，b m p ；( 1 0 )o m r 误码率：盟1 0 。7( 1 1 )条码拒识率：g x l 0 。5( 1 2 )双张率：s 5 1 0 。4( 1 3 )卡纸率：q 1 0 4( 1 4 )显示：l c d 触摸显示器屏；( 1 5 )接口：千兆以太网络；( 1 6 )电气要求：交流2 2 0 2 4 0 v ；5 0 - 6 0 h z( 1 7 )工作温度：摄氏1 5 - - 3 5 0 ( 华氏5 9 - - - 9 5 6 0 )( 1 8 )工作湿度：1 5 - - 一7 6 r h9山东人学硕+ 学位论文2 4 本章小结本章阐述了本课题的设计总体思路与主要性能技术指标，为后文系统的设计提供了依照。1 0第3 章机械系统总体设计3 1 设计思路第3 章机械系统总体设计智能高速扫描设备的基本功能是在信息卡逐张依次通过静止的信息采集处理装置过程中实现o m r 、o c r 、b a r c o d e 或图像信息的采集和处理工作。由于其处于高端信息处理机型，所以功能模块必须有自动进纸仓、纸张单、双张控制装置、纸张输送装置、信息采集处理装置、纸张自动接收装置聃1 。此外根据对走纸过程和识别处理中出现的错误做出不同处理，还设有两个出错处理纸仓和大容量的自动接纸装置。为解决高速并行处理的问题，要求送纸通道较长以便实现处理数据缓冲。要实现a 3 大幅面高速双面图像功能，而且纸张原有的排放次序不能被打乱。系统设计充分考虑到高速( a 3 幅面，双面，3 张秒) 、多种幅面( 3 2 k - - a 3 ) 、多种纸张厚度( 6 0 - - - 1 5 0 9 m 2 ) 、防纸张拉伸、扭偏的需求，采用先进机械设计理念，并结合实际创造了多种机械部件结构，保证了整机运行的稳定可靠性。在满足机器功能的前提下，综合考虑工作可靠性、结构复杂程度、加工工艺性、使用及维护的便利程度等因素旧3 ，在结构设计上充分做到结构紧凑，调试简单，机械系统结构可分为以下几个功能模块：( 1 ) 进纸仓部分( 2 ) 搓纸及双张控制部分( 3 ) 送纸传输部分( 4 ) 图象扫描部分( 5 ) 回转纸路部分( 6 ) 纸路分拣部分( 7 ) 接纸仓部分接纸仓部分又包括出正确接纸仓和两个可分拣的错误接纸仓。( 8 ) 传感器采集及控制部分l j j 东大学硕十学佗论文机械系统结构采用全开放模块化设计，各功能模块之间既相互独立又有机组结合成为一体，它们之间的布局和关系如图3 1 所示。图3 - 1 功能模块结构示意图各主要功能模块主要作用：( 1 ) 进纸仓部分满足纸张大小的多样性和纸张容量多样的要求，自动实现升降( 2 ) 搓纸及双张控制部分搓纸部分及双张控制部分将进纸仓里的纸张顺畅、可靠的送给，并有效的控制重张、连张进纸情况。( 3 ) 送纸传输部分将送纸通道中的纸张平稳、顺畅的传送。( 4 ) 图象扫描部分对纸张的双面图像信息进行扫描、采集与传输。( 5 ) 回转纸路部分将纸张回转，不打乱原纸张排列顺序，缩减机器空间。( 6 ) 纸路分拣部分根据每张纸张的处理结果进行判断，决定每张纸张进入的接纸仓通道。1 2第3 章机械系统总体设计( 7 ) 接纸仓部分满足纸张大小的多样性和纸张容量多样的要求，将进入接纸仓部分的纸张平稳、整齐的排放、堆收。其中固定接纸仓l 和固定接纸仓2 可以根据用户自己定义错误类型。自动接纸仓实现自动感应升降接纸，同时又保持上表面接纸的高度。( 8 ) 传感器检测及控制部分实时监测各个功能模块的运行状态，为相关功能模块提供动作控制标准和依据，控制整个机器系统总体功能的顺利实施n 。3 2 关键参数的确定( 1 ) 纸仓行程的确定进纸容量以7 0 9 m 2 纸张为基准，其厚度为0 1 n u n ，1 0 0 0 张纸张总厚度为1 0 0 m m ，考虑实际纸张间的间隙及调节余量，确定设计有效行程为l l o m m 。( 2 ) 自动纸仓电机参数的确定承载最大纸张尺寸为a 3 ( 4 2 0 m mx2 9 7 m m ) 幅面，最大纸仓载荷即承载最大纸张容量时，纸张的质量m l - - 0 4 2 0 0 2 9 7x 7 0 1 0 0 0 8 7 3 2 k g支撑附件质量m 2 踟8 k g总质量m = m l + m 2 = 8 7 3 2 + 0 8 = 9 5 3 2k g主电机扭矩t - - 9 5 3 2 9 8 1 2 1 0 0 = 1 1 2n m实际选用电机轴输出扭矩t = 1 4n m( 3 ) 送纸传输部分电机参数的确定当设备以1 0 0 d p i 分辨率扫描图像时，送纸传输速度最快。图像传感器扫描速度为1 2 2 微秒每行，则纸张每行进一英寸距离所需时间t - - 1 2 2 x 1 0 0 = 1 2 2 0 0 肛s - - 0 0 1 2 2s送纸电机最快速度v m a 。 - 2 5 4 m m 0 0 1 2 2 s = 2 0 8 1 9 6 7m m $转速1 1 = v m 。( n x d ) = 2 0 81 9 6 7 ( 尢2 2 ) 18 0 7 3 9 3r m i n选用电机额定转矩0 3 2n m ，最大转矩0 9 5 n m ，额定转速3 0 0 0r p m 。( 4 ) 送纸通道有效行程的确定从出扫描传感器至图象数据处理完，所需最长时间为3 5 0 m s ( 经相关试验实际山东人学硕十学位论文确定值) ，在此其间纸张所走过路程l l = 2 0 8 1 9 6 7 x 0 3 5 = 7 2 8 6 8 8 5 m m 。为保证分纸机构有足够反应时间t m i n - - 6 6 m s ，每张纸张间的间隔6 6 m s ( 软件图像处理所需的时间) ，间隔l 2 = 1 8 0 7 3 9 2 7 x 0 0 6 6 = 1 1 9 2 8 8 m m 。则总行l o = 7 2 8 6 8 8 5 + 1 1 9 2 8 8= 8 4 7 9 7 6 5m m ，实际设计有效总行程l = 1 0 7 5 m m ，所以满足要求。3 3 机械系统动力源和传动的选取( 1 ) 自动进纸仓部分作为承载纸张的平台的自动进纸仓，在设计上为满足大容量纸仓要求，考虑到设计、加工成本和控制难易程度因素，动力选用一直流减速电机来实现进纸仓升降动作。传动采用同步带轮+ 高强度同步带传动。( 2 ) 送纸传动部分送纸传动部分主要考虑以下因素：( a ) 不同的分辨率，多种扫描速度多种变化的要求；( b ) 各个扫描分辨率上，速度运转平稳，速度恒定的要求；( c ) 频繁的快速启动、快速停止，突然变速的要求n 2 。羽；( d ) 各转动轮组中心距较大，整个机械系统传动路线较长基于以上考虑，选用两个交流伺服电机作为主传动系统动力源。在动力传递方面，选用精密同步带轮+ 精密微型同步带传动。该传动方式传动比准确，噪音低、传动效率高，传动链简单而且加工精度低、安装和调试要求低n 3 。( 3 ) 搓纸系统由于搓纸是间歇性动作，为达到搓纸与送纸速度最佳匹配，搓纸动作的动力采用与送纸传动系统中的一个伺服电机同一动力，它们之间的动力通过一电磁离合器来实现衔接。根据需要通过控制电磁离合器的吸合和断开动作来控制搓纸的时间和长短n 们。传动采用同步带传动+ 齿轮传动。( 4 ) 重张分离部分阻尼轮动力电机采用一微型直流电数电机，压力调节电机选用一微型步进电机。相关传动采用齿轮传动。1 4第3 章机械系统总体设计( 5 ) 纸路分拣部分采用一微型步进电机来实现三个接纸仓的任意状态的停留和快速、准确位黄切换。传动采用同步带传动。( 6 ) 自动接纸仓部分因结构设计与自动进纸仓部分相同，所以动力源和传动与自动进纸仓部分的相同，以简化设计，节约采购成本。3 4 机械系统结构原理图3 - 2 所示的是机械系统结构原理图。图中：1 进纸仓，k 搓纸轮，k 分纸轮，o 阻尼轮，l 送纸轮，旺图象扫描部分，。7 - 回转纸路部分，江纸路分拣部分，旺出错接纸仓1 ，1 出错接纸仓2 ，1 2 正确接纸仓部分，k 1 - 进纸仓下限位开关，k 2 正确接纸仓下限位开关，s 肚_ 进纸仓有无纸传感器，sl 搓纸上限位传感器s 2 、s k 双张判断传感器，s 卜图像扫描开始传感器，s b 图像扫描结束传感器，s 4 、s 7 、s 8 、s 9 _ 纸道检测传感器，s i o 、s 11 、s 1 k 回转纸道检测传感器，s 1 3 、s 1 4 、s 1 5 、s 1 6 、s 1 7 、s 1 8 、s 1 9 、$ 2 2 、s 2 3 回程纸道检测传感器，s 2 0 _ 一正确接纸仓有无纸传感器，s 2 l 正确接纸仓接纸高度检测传感器。原理图3 - 2 中各种电机包括：m 1 进纸仓升降电机，m 2 阻尼轮动力电机，m k 阻尼轮压力调节电机，m k 送纸动力电机1 ，m b 送纸动力电机2 ，m 江纸路分拣动力电机，m 7 正确接纸仓升降电机，m k 搓纸压力调节电机图3 2 机械系统结构原理图还表示了整个机器的动力源及传动链分配情况。1 5幽3 - 2 机械系统结构原理幽垂：茎丝丝耋丝呈篁堡竺图3 3 是该高速扫描设备的外形图。3 5 本章小结酗3 3 高速扫描设备的外形图智能高速扫描设备是在信息卡逐张依次通过静止的信息采集处理装置实现采集和处理工作。对走纸过程和识别处理中出现的错误做出不同处理。解决高速并行处理的问题，而且纸张原有的排放次序不被打乱。在满足机罂功能的前提下，综合考虑工作可靠性、结构复杂程度、加工工艺性、使用及维护的便利程度等因素，在结构设计上充分做到结构紧凑，调试简单-以高速、智能、稳定为出发点，综合运用多学科技术，对高速扫描系统整体思路、方案设计进行设计、完成了功能模块的划分，从整体对系统进行了规划，为下一步详细的阐述做了铺垫。第4 章机械系统关键模块详细设计第4 章机械系统关键模块详细设计4 1 进纸仓部分4 1 1 进纸仓部分方案设计进纸仓有如下两个方案可选：方案一：旋转式进纸仓进纸托板图4 1 旋转式进纸仓如图4 1 所示，旋转式进纸仓，这种方案优点是结构简单。存在问题有以下几点：( 1 ) 每张进纸的角度都受到放入进纸托板中的纸张的多少和所处的位置的影响，大容量放纸容易出现进纸不畅、打滑和歪斜现象n 刀。( 2 ) 受进纸的影响不能在长度空间内实现压缩设计。( 3 ) 纸仓容量通常在2 0 0 张( 8 0 9 m 2 ) 以内，不适合作为大容量进纸仓方案。方案二：平行升降式进纸仓进纸托板图4 2 平行升降式进纸仓1 9山东大学硕十学位论文如图4 2 所示，平行升降式进纸仓，这种方案较方案一设计结构稍复杂些。此方案优点是：( 1 ) 每张进纸的状态不受放入进纸托板中的纸张的大小、多少及所处的位置没有影响，对纸张的适应性强，进纸的效果较方案一较好n 8 1 。( 2 ) 利于实现小空间设计，缩小机器体积。( 3 ) 适合作为大批次、大容量进纸仓。方案的确定：作为公司高端机型，主要面向的客户是数据处理相对集中、数据处理规模大，扫描任务繁重，扫描实时处理时间要求较短的场合( 例如各种大型考试中) ，注重速度、质量和效率。要求进纸仓容量大，性能稳定。考虑上述因素，比较两个方案，最终选用了方案二。在方案二的基础上进一步细化、完善设计方案，最终设计了自动馈纸升降式进纸仓。这种进纸仓容量为1 0 0 0 张( 8 0 9 m 2 ) ，可以满足大容量、多批次文档扫描处理的要求。4 1 2 自动馈纸升降式进纸仓的详细设计如图4 - 3 所示，自动馈纸进纸仓的结构原理图。图4 - 3 自动馈纸进纸仓的结构原理图图中：1 进纸仓板，2 导套，3 滑柱，4 _ 升降电机，5 传动带，第4 章机械系统关键模块详细设计6 传动轮，7 一弹性元件，8 搓纸轮，9 上限位传感器，1 0 一有无纸传感器，1 1 下限位传感器主要部件的功能( 1 ) 升降电机：为整个进纸仓提供上升或下降动力( 2 ) 传动轮和传动带：将电机动力传递到进纸仓板( 3 ) 导套和滑柱：为进纸仓上下升降提供导向( 4 ) 有无纸传感器：检测进纸盘有无纸张放入( 5 ) 上限位传感器：进纸仓上升的最高位置检测传感器( 6 ) 下限位传感器：进纸仓下降的最低位置检测传感器进纸仓的自动升降和自动馈纸功能原理如下：进纸仓板的上升位置受上限位传感器和搓纸轮位置的控制。在纸仓处于无纸且最大纸仓深度设置状态下，当纸仓下降至下限位传感器“o n 状态时，纸仓电机停止；当有无纸传感器处于“o f f 状态，系统检测到进纸仓有纸，主机发出命令，升降电机起动，拖动纸仓板上升；当升至进纸仓板上表面的纸张将搓纸轮托起至搓纸平面时，上限位传感器处于“o f f 状态，主机反馈给升降电机停止命令，纸仓维持在搓纸高度；正常走纸时，随着进纸仓中的纸张逐张依次被送出，上表面的纸张高度逐渐降低，搓纸轮随之下降，当下降至最低允许搓纸平面时，上限位传感器处于“o n 状态，升降电机再次起动，将纸仓再次抬至上限位传感器处于“o f f 状态，升降电机停止，维持搓纸正常高度。这样不断反复上述动作，从而实现搓纸上表面的相对恒定和纸仓的自动馈给。当进纸仓板上的纸全部被送出时，有无纸传感器处于“o n 状态，进纸仓逐渐下降至最低位置，下限位传感器处于“o n ”状态，升降电机停止。纸仓的自动升降和自动馈纸功能目的是保证每张入纸的进纸摩擦力都保持一致，实现纸张的自动供给和最佳的进纸效果，以有利于后工序的纸张处理和传输。应用中，用户可以根据自己实际使用批次容量的需要在1 0 0 1 0 0 0 张之间任意设定进纸仓容量，最大程度上方便用户使用。2 i山东大学硕+ 学位论文4 2 搓纸及重张分离机构在实际应用中，由于每批量的纸张文档的新旧、表面质量、重量、尺寸以及纸张之间的压粘情况都存在差异，这就要求此类设备对处理纸张的适应性更高。然而，几乎所有类似纸张文档处理设备对使用的纸张都有严格的的限定，只能处理所要求的类型的纸张，而处理实际中的非常尺寸及较差表面质量的纸张都不理想。这种不足，限制了纸张处理设备的实际应用效果和范围。现有的固定接触压力式的纸张分离结构，由于送纸轮与分纸轮始终保持接触，在搓纸轮和送纸轮失去主动力时，分纸轮会一直对纸张前进造成一定的阻力，不但影响送纸的稳定，而且加速了送纸轮与分纸轮的磨损n9 1 。由于磨损，送纸轮与分纸轮对纸张的分纸摩擦力实际处于不断减小的动态状态，在使用寿命的后半期，由于磨损严重，导致重张进纸频繁，进纸故障增加，人工干预增加，将低了工作效率。作为系统定位是讲求速度、质量和效率，要求系统可靠性高，性能稳定阻2 。考虑上述因素，针对现有技术的不足，在搓纸及重张分离机构进行详尽去分析的基础上，对方案进行改进、细化，设计开发了一种性能优异、应用更广泛的搓纸及纸张分离机构。因搓纸机构和重张分离机构关系密切密不可分，所以先分别介绍搓纸机构和重张分离机构初步方案，再将两者连在一起详细介绍。4 2 1 搓纸机构方案搓纸部分作用是将纸张高速、可靠的搓入，它是是影响高速扫描设备性能的关键因素之一。有两种搓纸机构初步方案可选：方案一：固定搓纸轮方式如图4 4 所示，固定搓纸轮方式。这种方案优点是结构简单。缺点是：( 1 ) 由于搓纸轮位置固定，使得搓纸压力不容易控制。( 2 ) 对纸张的适应性较差。第4 章机械系统关键模块详细设计图4 4 固定搓纸轮方式方案- - 浮动式搓纸轮方式如图4 5 所示，浮动式搓纸轮方式。这种方案与方案一相比较，优点是：( 1 ) 搓纸压力容易控制。( 2 ) 对纸张的适应性强，搓纸效果较好。图4 - 5 浮动式搓纸轮方式考虑到实践中每批次扫描纸张的新旧、表面褶皱情况、重量、尺寸以及纸张之间的压实情况都有差异，为提高对纸张的适应性，搓纸部分采用了方案二。4 2 2 重张分离机构方案重张分离机构的功能是将纸张文档逐张依次送入下一道工序，并能有效防止重张、连张进纸。重张分离机构设计有以下三个方案。方案一：分离垫方式图4 - 6 分离垫方式山东大学硕十学位论文如图4 - 6 所示，这种方式包括送纸轮和分纸垫。送纸轮轴心位置固定，分纸垫为弹性浮动部件，分纸垫与送纸轮之间保持弹性接触。这种方式虽结构简单但分离垫容易磨损，配件使用寿命较短而且纸张分离性能可靠性一般，适用于7 0 9 m 2 - 1 5 0g m 2 的纸张，常用于小型化办公设备对纸张的重张要求不严的场合，如打印机、复印机进纸结构中。方案二：梳子牙分离方式图4 7 梳子牙分离方式如图4 7 所示：这种方式包括送纸轮和分纸轮，两轮均为梳子牙结构且转动方向相反。从横向看送纸轮和分纸轮之间没有间隙，不过从顺着轮子梳子牙方向看，两轮之间相互交错嵌入而又互不接触。纸张从两轮形成的波状间隙中穿过1 。这种方式对于这种方式需要调节两轮之间的