（机械电子工程专业论文）绞盘式激光照排机输片机构的控制研究.pdf

摘要 本文主要研究了绞盘式激光照排机的输片机构及其工作方式，并在此基础上设计 了相应的控制流程。绞盘式激光照排机作为一种比较复杂的机电产品，本文的研究内 容只是整个系统中的一部分，所做工作为今后进一步研究奠定了基础，为以后产品的 整体改进提供了部分理论基础和实践准备。研究内容主要包括以下方面： 根据绞盘式激光照排机输片机构的特点，分析输片机构产生各种误差的原因，在 以前方案的基础上进行改进，设计出输片过程的控制流程，并针对缓片机构调整了电 机速度控制方案。 在扫描电机的控制方面，采用全数字锁相环取代以往的数字电路，使用v h d l 语言 对数字锁相环的各环节进行了分块设计和仿真。 关键词：绞盘式激光照排机输片机构数字锁相环 a b s t r a c t t h i st h e s i sd e s e r i b e sf i l mt r a n s m i tm a c h i n e r ya n df l o wo fw o r ko fc a p s t a ni m a g e s o t t e r c o n t r o lm e t h o da n ds o f t w a r ef l o wc h a r ta r ed e s i g n e da e c o r d i n g l v c a p s t a ni m a g e s e r e ri sa h n d o f c o m p l e xm e c h a n i c a lp r o d u c t ，w h a tt h i st h e s i si si n v o l v e di u s td e a l sw i t hap a r to f t h e w h o l ec a p s t a ni m a g e s e t t e rs y s t e m ，t h ew o r kd o n eh a se s t a b l i s h e dt h ef o u n d a t i o nf o rt h e f u r t h e ri n v e s t i g a t i o ni nt h ef u t u r e ， a n dh a sd o n eag o o di o bo fp r e p a r a t i o no ft h e o r ya n d p r a c t i c et of m i s ht h ef u r t h e ri m p r o v e m e n to f c o n 打o ls y s t e mo f c a p s t a ni m a g e s e r e r w ed e s i g nah e n r i , c o n t r o lm e t h o do nf i l mt r a n s m i tm a c h i n e r yb a s e do na n a l y s i n gt h e f a c t o r sw h i c hc a u s ee r r o r so ff i l mt r a n s m i tm a c h i n e r y ，a n di m p r o v et h ec o n t r o lo ff i l m s p e e db u f f e ra c c o r d i n gt ot h ef o r m e rd e s i g n w ei n t r o d u c ed i g i t a lp h a s el o c k e dl o o pi n t ot h ec o n t r o lo fs c a n n e rm o t o r ，a n d c o m p l e t e t h e d e s i g n a n ds i m u l a t i o n o f d i f f e r a n t m o d e l s o f d p l l w i t h v h d l k e yw o r d s ：c a p s t a ni m a g e s e t t e r ，f i l mt r a n s m i tm a c h i n e r y , d p l l 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文绞盘式激光照排机输片机构的控制研究 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 学位论文。 作者签名： 指导导师签名： z k 一一 鼬五国夏 第一章国内外研究现状和研究意义 1 1激光照排机及其在制版行业中的存在意义 在印刷工业中，图文信息从光信号变成电信号，就要用输入扫描仪，而经过处理 后的电信号复原为光信号，在胶片上进行曝光输出，那就需要输出记录仪，激光照排 机就是能同时输出文字和图像的光机电一体化设备。激光照排机是新一代文字图像制 版c a d c a m 的关键输出设备，它是集激光光学、精密机械、自动控制于一体的高科技 产品，激光照排机将印前系统制作的版面文字、图像和图形内容，精确细致地扫描在 感光胶片上，而后将胶片冲洗出来，制版后在印刷机上大量印刷。激光照排机的特点 是输出精度高，使用胶片做记录材料，是印前系统中最精密的输出设备之一。“1 近几年来，由于新兴的计算机直接制版( c t p ) 技术与数字印刷技术的出现，照排 机的使用范围已受到很大的冲击。那么随着c t p 技术和数字印刷机的发展，激光照排 机的应用范围会不会大幅度减小，甚至消失。虽然一些权威人士在十多年前已经预言 了胶片将很快消失，但是至少在今天，激光照排机仍占有着一个较大市场。与c t p 相 比，激光照排机具有以下优点： 1 机器售价：目前，c t p 系统的售价中，既包括设备自身的生产成本，也包括新 产品市场宣传推广的费用，前期技术开发、研制与运营的费用。由于尚未形成规模化 的批量生产，因此c t p 系统现在的总体生产成本比较高。反映在销售价格上，就使c t p 的售价与同档次的照排机相比仍然偏高。 2 机器性能：照排机经过2 0 多年的发展，在技术上已经完全成熟。而c t p 目前 仍然处于发展完善期，功能上尚未完善，速度也不够理想，内部结构与原理尚有很多 缺陷。这些因素都让国内印刷业对其不肯轻易表示认同。 3 耗材成本与技术：使用软片成本的照排机比同样输出尺寸和幅面的制版机价格 便宜，耗材也比较廉价。因此照排机在许多印前与印刷公司仍起着重要的作用。从技 术角度来看，c t p 技术跳过了胶片这一步，直接将光栅数据送入制版设备，在版材上形 成影像，技术更进一步。但是采用c t p 技术，必须要考虑耗材问题。一般地，输出中 心的主要成本构成，除了设备方面投入外，很大一块源于消耗材料的成本。现在，国 内在软片的生产技术上有了较大的发展，但在c t p 版材的生产方面却还有很长的路要 走。这种局面的存在，客观上为照排机的应用留下了发展空间。 4 工艺要求：在传统工艺中，软片可以在出片、晒版、打样等多个工序上进行调 整。c t p 由于直接出印版，工艺的简化必然要求技术含量的提高，而其操作的灵活性也 不如软片。 5 国情所定：我国目前印刷制版企业实力整体还不是很强。当用户对印刷制版的 质量总体要求不是很高时，各输出中心总是以成本最低为前提，以低价竞争作为争夺 客户资源的手段，通过挤压竞争对手的生成空间，来实现行业整合与优化的目的。在 这种前提下，如果输出中心引进高成本、高耗材的c t p 系统，不会产生太好的经济效 益。 6 服务体系：现在，各主要的激光照排机生产厂商在国内都有办事处，也都配备 了专业技术人员产建有完善的售后服务体系，可以为国内用户提供及时有效的服务。 此外，激光照排机的配件价格相对也较低。在这方面，c t p 系统的生产厂商面l 临着巨大 的市场竞争压力，由此带来的不确定性其可能的风险，最终会转嫁给设备的最终用户。 7 人员素质：激光照排机在国内应用已经很多年了，在人员的培养方面，已经积 累了丰富的经验。目前，国内熟悉照排机操作的人员比比皆是，培训一个新手上岗的 费用也很低。但c t p 系统的操作对员工要求提高了，而且国内尚未建立起完善的培训 体系。这也是企业投资c t p 系统不得不考虑的事情。 8 企业规模：我国印刷企业数量虽多，但以中小企业为主。由于生存环境的残酷， 中小投资者总是希望尽快收回投资。但c t p 系统可能无法满足这类企业的要求，因此 风险比较大。 根据以上比较，激光照排机和c t p 在相当长的时间内能够同时发展，而且在不同 行业对激光照排机还有不同的需求。 1 2 绞盘式激光照排机的简介和课题研究意义 激光照排机按结构可分为绞盘式和滚筒式两大类。绞盘式的扫描方式分为转镜式 和振镜式；滚筒式的扫描方式又可分为外鼓式和内鼓式。一般内滚筒和外滚筒结构的 照排机都可以达到很高的记录精度。绞盘式激光照排机结构不同于其他几种照排机， 相应的性能也有所区别。 绞盘式激光照排机( c a p s t a ni m a g e s e t t e r ) 绞盘式激光照排机有时被称为轧压式照 排机，胶片由几个摩擦传动辊带动。在胶片传动的同时，激光将图文信息记录在胶片 上，因此胶片的走动速度和曝光速度必须是严格一致的。绞盘式激光照排机的激光光 源固定不动，曝光光线的偏转靠振镜或棱镜转动来实现。在成像单元，软片经过激光 曝光，进入收片盒。在成像过程中，一系列传动辊始终把感光软片拉紧，并把它从供 片盒传送到收片盒中。 绞盘式激光照排机的优点是：结构相对简单、扫描速度快、效率高、可靠性好、 便于维护。绞盘式使用的是连续版面传送技术，因此对成像胶片的长度无限制，而滚 筒式设备在胶片的长度和宽度上都有限制。这就允许绞盘式照排机的使用者进行超尺 寸胶片的照排。绞盘式照排机只需调整压辊上胶片的大小即可进行小到邮票，大到巨 幅图片的照排，而滚筒式照排机则要受到限制，只允许照排最多四版的版面尺寸，这 就使印制小印品的效率低下，浪费严重。此外，绞盘式激光照排机不需要滚筒式激光 照排机那样较漫长的装卸时间，从而使操作更快，更容易。绞盘式照排机还有其他优 点，比如可以在幅面宽度以内记录很长的版面，比内鼓式照排机节约胶片，操作方便 等，很受使用者的欢迎。 尽管有上述优点，目前绞盘式激光照排机还是存在很多问题。绞盘式激光照排机 用压辊和张力导板使胶片平铺。当胶片移动时，就容易出现偏离轨迹的现象，有时还 会有拉伸现象。当胶片过快或过慢时，在胶片上经常会出现张紧程度不同的点，这样 便会导致图像网点扩展或收缩。 绞盘式照排机的技术难点是高速旋转反射光学系统、记录胶片的稳定传输机械系 统等。绞盘式激光照排机的成像过程由两个运动合成，一个是激光在胶片表面的横向 扫描( 主运动) ，另一个是胶片从供片盒到收片盒的纵向运动( 副运动) 。输片机构由 副扫描电机、回绕电机、收片电机协同工作，其设计精度直接影响胶片的纵向运动精 度，从而影响胶片的成像质量。只有胶片稳定的与激光束成像光斑同步运动才能保证 精确成像。 目前比较市场上常见的绞盘式激光照排机产品有日本网屏、e c 雕、前景u l t r e 、长 春光机j z j 系列等。在功能和性能方面，国产品牌与进口品牌仍存在一定差距。由于 计算机直接制版工艺( c t p ) 的成熟，在印刷行业中激光照排工艺有被计算机直接制版 工艺取代的趋势，因此国内外很多激光照排机生产厂家开始转移到直接制版设备的研 制和生产上，从而导致了激光照排机的产量有下降的趋势，价格不降反升。但是直接 制版并不适用于图像归档，同时对于小幅面和小批量印刷来说绞盘式激光照排机在价 格上具有不可取代的优势。因此从实用的角度来说，对于绞盘式激光照排机的控制系 统的研究具有明显的现实意义。 从上世纪四十年代到今天，国外的各种激光照排技术已经发展得相当成熟。而我 国是从7 0 年代开始对照排系统进行立项研究，起步晚以及科研经费投入不足，使得我 国激光照排机技术落后于国外。由于国产激光照排设备在性能上与国外厂家的产品存 在差距，比如精度低、故障率高，进口激光照排机现在占据着国内的高端市场。 根据目前的市场需求和绞盘式激光照排机的特点，我们决定对其输片机构的控制 进行分析和研究。 1 3 课题研究的目的和内容 在绞盘式激光照排机的成像过程中，转镜旋转的精度和输片机构的运动精度是影 响胶片成像质量的关键。本课题的主要研究对象就是输片机构输片流程的控制。控制 对象包括副扫描电机、压紧辊电机、供片和退片回绕电机、收片盒电机以及导板、切 刀和缓片机构。在输片流程控制中，以主扫描电机的运动为基准，协同各个部分的工 作，才能提高胶片的运动精度。为了提高输片系统的运行质量，我们在胶片输送过程 中加入了胶片张力控制机构，提供均匀的拉力，以减小输片机构对胶片牵引时产生的 变形。在输片过程中，片盒内胶卷直径不断变化，从而引起的胶卷角速度和胶片线速 度不能一直保持同一比例，为了避免这种现象带来的问题，我们加入了胶片缓冲机构。 胶片行扫描速度与列扫描同步时，激光才能在胶片表面正确成像，因此我们对主扫描 电机和副扫描电机进行锁相控制，从而保证副扫描电机运行与主扫描电机同步。 第二章绞盘式激光照排机输片机构的结构和工作原理 输片机构是绞盘式激光照排机的一个重要组成部分，其主要功能是使胶片平稳地 从供片盒运动到收片盒，同时为照排机成像提供稳定的列扫描速度。本章首先介绍绞 盘式激光照排机的成像原理，在此基础上分析绞盘式输片机构的各机构的工作原理。 2 1绞盘式激光照排机的成像原理 。 数字图像首先是要经过r i p 处理才能进入激光照排机成像的。r i p 的主要作用是 将计算机制作版面中的各种图像、图形和文字解释成照排机能够记录的点阵信息，并 将这些信息送入照排机，照排机通过控制激光脉冲将图像点阵信息记录在胶片上。 供片盒 收片盒 图2 i 绞盘式激光照排机成像原理不意图 照排机主要由光学系统，胶片输送机构、供片盒和收片盒以及控制电路组成。 光学部分由激光器、调制器、光强变换器、光轴漂移校正透镜、扩束器和多面转 镜组成。这里不作深入研究，仅介绍其各自功能和简单原理。 l 、激光器：在激光照排系统中作为成像光源。 2 、调制器：根据光折射原理控制光学系统中光束的通断的光学开关。 3 、光强变换器：它通过位置的调节来改变激光束的强度，以适应各种不同的感光 胶片要求。 4 、光轴漂移校正透镜：由于温度等多种因素的影响，光束可能漂离正确路线，漂 移校正透镜就是用来消除这种漂移偏差的。 5 、扩束器：用以扩大光束直径。 6 、转镜：它是有反射镜的棱锥体，以一定速度顺时针旋转。 一o oo o 激 镜 主扫描电机 图2 2 成像示意图 在光学扫描系统中，一个关键部件是实现光束空间扫描的扫描器，光束扫描器的 形式较多，目前普遍采用的是旋转多面体( 五棱镜) ，如图2 2 所示为典型的旋转五棱 镜扫描器。五棱镜由五个反射面组成，在主扫描电动机带动下按箭头方向旋转，激光 束被多面体的反射镜面反射后，经透镜聚焦为一个微小的光斑投射到成像平面上。五 棱镜旋转时，每块反光镜表面在胶片上产生的扫描线都是按激光扫描方向移动的，要 想在胶片上产生平面图像，胶片本身必须按图中输片方向以预设的列方向的恒定速度 移动。 豳2 3 线性镜头成像示意图 激光扫描系统的另一个重要部件是聚焦镜头。聚焦镜头的位置可以在光束扫描器 之前，也可在之后。当镜头位在扫描器之前时，如图2 3 ( a ) 所示。由激光发出的激光束 首先经聚焦镜头聚焦，然后由置于焦点i i 的扫描器使焦点像呈圆弧运动。由于像面是 圆弧形的，与接收面不一致，故这种方案不甚理想。当聚焦镜头位在扫描器之后时， 如图2 3 ( b ) 所示，扫描后的光束以不同方向射入聚焦镜头，在其后焦面上形成一维扫描 像，像面是平的，但该镜头设计困难，要求当激光束随扫描器旋转二均匀转动时，在 相面上的线扫描速度必须恒定，即相面上像点的移动与扫描反射镜转动之间必须保持 线性关系，所以称该镜头为线性成像镜头。 线性成像镜头具有如下特点： l 、扫描光束的运动被以时间为顺序的电信号控制，为了使记录的信息与原信息一致， 像面上的光点应与时间一一对应的关系，即如图2 3 ( b ) 所示，理想像高y 与扫描角0 成 线性关系：( 0 角符号规定以光轴转向光线，逆时针为负，顺时针为正) 。但是，一般的 光学系统，理想像高y 与扫描角0 之间不再成线性关系，即以等角速度偏转的入射光 束在焦平面上的扫描速度不是常数。为了实现等速扫描，应使聚焦透镜产生一定的负 畸变，即其实际像高应比几何光学确定的理想像高小，对应的畸变量具有上述畸变量 的透镜系统，对以等角速度偏转的入射光束在焦面上实现线性扫描，其像高y = fx0 ， 所以称这种线性成像物镜又称f 0 镜头。 绞盘式照排机的工作原理是激光光源固定不动，曝光光线通过双五棱镜的全反射 改变光线方向。双五棱镜由主扫描电机带动旋转，从而使光线在反射后不断在胶片表 面扫描。主扫描电机恒速旋转，激光束经反射后也是以恒定角速度转动的。激光束在 焦平面上扫描速度与旋转速度是非线性关系，因此焦平面成像点的移动速度也是非匀 速的。为了解决这个问题，需要在双五棱镜和焦平面之间放置f8 镜头。 这种结构的照排机中胶片的走动速度和曝光速度必须是严格一致的，否则容易引 起成像变形。控制输片机构的送片速度，使其与激光扫描速度保持存在严格的线性关 系，才能最终保证精确地成像。 2 2 绞盘式激光照排机输片机构的结构 本文所研究的激光照排机输片机构如图2 4 所示： 光嚣 图2 4 绞盘式激光照排机输片机构示意图 l ，供片盒2 、收片盒3 ，插入辊4 、压紧辊5 、驱动辊6 、胶片位置传感器7 、切刀8 、导板9 、收片辊 上图中胶片5 个位置传感器均为非接触式传感器，用于检测胶片所处位置。导板 分别为前缓片导板，中间导板，后缓片导板。前缓片导板和后缓片导板的作用是：在 形成缓冲片环之前，胶片片头能顺利通过输片机构。中间导板位于光源上方，在曝光 雨v 、 二 ，飞 $ 。坷 4，i ，、么) f上j一3。 ，r0一弋 g o 商 前是胶片片头顺畅通过，曝光开始时打开导板，使曝光正常进行。插入辊和供片盒都 通过超越离合器由回绕电机拖动，当回绕电机正转，插入辊转动，供片盒主轴不动； 当回绕电机反转，插入辊不动，收片盒主轴转动。这样在电机的正转时和反转时片盒 外面的胶片始终受到一定拉力，避免了由于胶片向片盒外送出时受到阻力引起堵塞， 也可以有效防止胶片打卷。供片盒每次照排的胶片装片量比较大，可以避免经常上片。 每次照排结束后，用切刀将胶片切断后，启动收片盒电机，收入胶片后可以将收片盒 从照排机上取下，送去处理。 2 3 主要机构的工作原理 2 3 1 胶片缓冲机构的作用和工作方式 若胶片从供片盒输出后直接送入收片盒，胶片的张力将直接传递到供片盒轴和收 片盒轴。产生的扭矩如下： 当胶片的张力为定值时，收片盒轴上电机产生的扭矩( n c m ) 为： 1 舢= t l ( 仍) + t f + j d o l d t ( 2 1 ) 供片盒轴上电机产生的扭矩( n c m ) 为： t 钿2 = t 2 ( 仍) + t f + j d d 2 d t ( 2 2 ) 式中，j = j l + j 2 + j 3 ( 妒) ，为等效转动惯量。这里j l 、j ：和j 3 ( 妒) 分别为电机、 胶片轴和胶片的转动惯量，d q d t 为电机轴的角加速度，t 1 ( 仍) 为负载转矩，t r 为 机械部分的摩擦转矩。 根据上面的式子，照排机在输片过程中，随着供片盒胶片的减少和收片盒胶片数 量的增加，供片盒和收片盒胶卷的直径和转动惯量都会发生变化。如图2 5 ，供片盒胶 卷直径逐渐减小，收片盒胶卷直径逐渐增加。如果回绕电机和收片电机恒定转速n 运 行，胶片线速度v = r x n ，则随着供片盒内胶卷半径r 的减小和收片盒内胶卷半径r 的增大，收片线速度不断增加，供片线速度不断减小，导致输片阻力发生变化，引起 胶片在驱动辊上打滑，最终影响输片精度和成像质量。 图2 5 输片过程中胶卷的变化 对于上述问题，一种解决方案是在胶片盒内增加胶卷半径传感器，根据胶卷半径 的变化实时调整供片盒和收片盒内电机的转速，使供片速度和收片速度一致。但是， 由于传感器本身的误差，这种方法不利于保证调整精度，由于误差不断积累，即使很 小的误差也会随时间不断积累，最终无法保证正常输片，并有可能导致胶片的永久变 形，甚至由于胶片堵塞导致系统损毁。另一方面，即使精度能满足要求，要在供片盒 和收片盒的狭小空间内安装传感器也是有很大难度的，供片盒和收片盒作为照排机的 附件，增加其机构和复杂度也会引起照排成本的提高，增加维修、维护成本。 我们最终的解决方法是在绞盘式照排机中设置了胶片缓冲的供片和收片装置，避 免由于供片和收片不同步造成的输片不匀，其结构如图2 6 所示。胶片在传动的过程中 不直接从供片盒拉动胶片，也不直接将胶片送到收片盒，而是经过松弛的缓冲。减小 了胶片在运动中的受力，使前缓片环和后缓片环之间的参与曝光的胶片不再受到供片 和收片的张力影响，提高曝光时胶片在运动中的稳定性。 传感器- l 。i c ( 、) 、 图2 6 胶片缓冲机构示意图 为了保证胶片形成比较稳定的片环，在片环形成的位置附近安装两个传感器，根 据传感器的信号控制电机转速，使片环的下边缘始终保持在两个传感器之间。 对于前缓片环，当两传感器信号变为o o 时，表明前缓片环下沿位于两传感器 之上，片环还很小，则提高回绕电机速度，增大前缓片环；当两传感器信号变为1 0 时，表明前缓片环下沿位于两传感器之间，则保持回绕电机速度不变；当两传感器信 号变为1 1 时，表明前缓片环下沿位于两传感器之下，片环已经过大，有可能引起 胶片堵塞，则降低回绕电机速度，减小前缓片环。 对于后缓片环，当两传感器信号变为0 0 时，表明后缓片环下沿位于两传感器 之上，片环还很小，则降低收片电机速度，增大后缓片环；当两传感器信号变为1 0 时，表明后缓片环下沿位于两传感器之间，则保持收片电机速度不变；当两传感器信 号变为1 l 时，表明后缓片环下沿位于两传感器之下，片环过大，则提高收片电机 速度，减小后缓片环。 2 3 2 胶片在曝光处的张力控制 由于设置了f 狰缓片环和后缓片环，胶片不直接从供片盒拉入收片盒，因此胶片在 曝光处基本不再受回绕电机和收片电机转速的影响。激光在驱动辊和压紧辊之间的胶 片上成像，这段胶片的均匀性和平面度将会影响到成像质量。 一方面，这段位置胶片张力受驱动辊和压紧辊的力矩影响。驱动辊根据主扫描电 机的转动调整速度，驱动辊在加速减速时，胶片受到的张力发生变化，胶片在力的作 用下产生弹性变形。成像点阵的行间距误差受到弹性变形量的影响。 万 ，、， o 口弋 图2 7 胶片受力状况 另一方面，胶片在曝光位置处于悬空，如果张力不足，胶片就会由于受到重力下 垂，胶片曝光时不能处于平面状态。 为了解决这个问题，我们在驱动辊和压紧辊之间必须加入张力控制环节，尽量减 小由于过大张力引起的弹性变形和过小张力引起的胶片不平直。 一般张力控制系统是由伺服电机、磁粉制动器或电磁离合器、控制器、力传感器 或测量厚度超声传感器及电源组成。压紧辊与驱动电机之间通过磁粉离合器连接。由 于系统的控制参数为模拟量，因此在测试中要实现精确的张力、速度、位移和定位控 制有难度。 1 脒懈嚣糍糖轴 敬i 装! 璺 苫勤：螨 v 一 出由轴 奄 力辅 、 、i 一 宙 罐掰葺 电机 懒嚣 誊瞳撞：l 式强力砼獬曩 图2 8 一般张力控制机构的结构示意图 在照排机张力控制系统中，驱动主轴由电机驱动，带动胶片向前运行，由于压紧 辊半径为一定值；磁粉制动器提供反向制动力，使胶片拉紧，产生张力。力平衡方程 为： k i = f x r 其中：k 为磁粉制动器的特性系数，i 为提供给磁粉制动器的激磁电流，f 为所需要 的张力，r 为压紧辊半径。转矩的产生由电流控制器件一磁粉制动器提供，在一定范围 内它输出的转矩与输入的电流成正比关系。对于不同的磁粉制动器，其k 值可以离线测 定。从式中可以看出以下结论： 由于k 为电磁制动器常数，r 不变，要使f 保持恒定，只需使驱动电流i 恒定。 目前胶片制造工艺不断提高，胶片厚度极其均匀，制造公差一般在0 o l m m 以下， 胶片厚度检测可以忽略不计。此外，磁粉制动器在通电的情况下，根据电流不同，能 够产生不同的摩擦力矩。根据磁粉制动器的特性，转差速度对于磁粉制动器的摩擦力 影响很小，摩擦力主要受到激磁电流i 的影响。因此我们简化控制方案，取消厚度传感 器和张力传感器，将闭环控制改为开环控制， 动器的摩擦力，进而控制胶片张力。经测试， 大大降低了系统复杂度，降低了产品成本。 直接根据实验结果给出恒流控制磁粉制 这种控制方式同样能满足照排要求，并 磁粉制动器的磁通增长速度取决于励磁线圈的电感量，是一阶惯性环节。但磁通 建立后，形成磁粉链有一个延时过程，使磁粉制动器具有滞后的特性，因此包括电流 功率放大环节在内的磁粉制动器的传递函数为： fr g ( 曲= - = 盟e 1( 2 3 ) ( t s + 1 1 式中：耻磁粉制动器增益：l ( o 一电流驱动环节增益；一磁粉制动器滞后时间；t 一时 闻常数。 因此，驱动电流与力矩之间存在滞后与非线性特征，响应力矩会出现一定滞后。 由于我们采用恒流开环控制，这种滞后并不会造成负面影响。 经过试验，以上开环控制完全能够满足产品需求，考虑到成本因素，在实际产品 中使用的张力控制为永磁式制动器，张力大小根据以上电磁制动器在试验当中得到的 激磁电流大小决定。 2 3 3 导板和切刀的工作方式 输片机构中的导板全部由1 2 v 直流电机驱动，导板是否到位根据微动开关来判断， 在导板停靠的两个位置，分别安装有传感器架。两传感器的开关状态用二进制信号o l 表示，当信号为0 l 或l o 表示导板处于某一稳定位置，当信号为o o ， 则导板正在打开或者正在关闭。 切刀同样通过1 2 v 直流电机驱动，在输片机构的两侧分别安装有微动开关。当切 刀就位，两传感器只能有一个有信号。与导板的控制方式类似，当信号为0 l 或1 0 表示切刀处于某一稳定位置，当信号为o o 时，表示切刀正在工作。如果切刀每次 切割后复位，复位时会在胶片边缘切下碎屑，碎屑积累到一定程度会引起照排机故障。 因此每次工作切刀只做单向移动，即切刀工作后不需要复位，每次切割都从当前位置 作为起始点。上一次切割后的切刀位置就是下一次切割切刀的起始位置。 2 3 4 驱动辊和压紧辊的工作方式 在绞盘式激光照排机中，副扫描通过减速器与驱动辊连接，驱动辊与压紧辊之间 通过同步齿形带连接。在这个结构中，副扫描电机同时带动驱动辊和压紧辊转动，压 紧辊切线处的线速度略低于驱动辊切线处线速度。 在上片时，压紧辊带动胶片向驱动辊运动，一旦胶片被驱动辊压住，胶片的线速 度将会提高，压紧辊上的磁粉制动器将发生作用，压紧辊随胶片运动，磁粉制动器上 产生滑差速度并提供恒定的摩擦转矩，控制胶片张力。 2 4 主要器件的工作原理 2 4 1 主要器件 回绕电机1 个：s a n y od e n k i5 相步进电机 收片电机1 个：s a n y od e n k i5 相步进电机 驱动辊电机1 个：s a n y od e n k i5 相步进电机 步进电机驱动器：s a n y od e n k ip 埘- b i f 5 7 0 1 导板电机3 个：1 2 v 直流电机 切刀驱动电机1 个：1 2 v 直流电机 磁粉制动器1 个 胶片位置传感器9 个 微动开关8 个 2 4 2 步进电机的原理和选用 步迸电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉 冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度( 称为“步距角”) ，它的旋 转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达 到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从 而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差 ( 精度为1 0 0 ) 的特点，广泛应用于各种开环控制。现在比较常用的步进电机包括反应 式步进电机( v r ) 、永磁式步进电机( p m ) 、混合式步进电机( 册) 和单相式步进电 机等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7 5 度或1 5 度； 反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步距角一般为1 5 度，但噪声和振动 都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用 磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。 步进电机的一些基本参数： 电机固有步距角：它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。 这个步距角可以称之为电机固有步距角，它不一定是电机实际工作时的真正步距角， 真正的步距角和驱动器有关。 步迸电机的相数：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、 五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为o 9 0 1 8 0 、 三相的为0 7 5 0 1 5 0 、五相的为o 3 6 。o 7 2 。在没有细分驱动器时，主要靠选择不同相 数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则相数将变得没有意 义，只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。 保持转矩：是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电 机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的 输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩 就成为了衡量步进电机最重要的参数之一 定位转矩：是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。 步进电机的一些特点： l 、一般步进电机的精度为步进角的3 5 ，且不累积。 2 、步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退 磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机 磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏1 3 0 度以上，有的甚至高 达摄氏2 0 0 度以上，所以步迸电机外表温度在摄氏8 0 9 0 度完全正常。 3 、步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的 电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频 率( 或速度) 的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 4 、步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫 声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启 动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。 在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有 加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频( 电机转速从低速 升到高速) 。 p u1 o u tt o t q u ta tj l i l 1 ； 、 s t a rdn 【j t a口er 抛 x m 4 s 6 , p u l - 耐s l 图2 9 步进电机的矩频特性 2 4 3 磁粉制动器的原理和选用 磁粉制动器是由传动单元( 输入轴) 和从动单元( 输出轴) 合并而成。在两组单 元之自j 的空间，填有微粒状的磁粉( 体积大约4 0 微米) 。当磁性线圈不导电时，转矩 不会从传动轴传导于从动轴。但如将线圈导通，由于磁力的作用吸引磁粉产生硬化现 象，在连续滑动之间会把转矩传递。 芎?t望曹寸-二 精确簟嚣 磁 耋毁舞 图2 1 0 磁粉离合器制动器的结构 磁粉制动器具有以下特性： 1 、激磁电流与转矩成线性关系 如图2 1 1 所示，传达的转矩是大致跟随电流大小变化，因此只要变更励磁电流便 会在较大范围内控制转矩大小。一般而言，在5 - 1 0 0 的额定转矩内，即磁电流与传达 转矩成正比线形关系。 一 零 域 馨 幽 馨 ， 。 激磁电流( ) 图2 1 l 转矩和激磁电流的关系 2 、稳定的转差转矩 当激磁电流不变时，转矩将会稳定。不会受转差速度( 传动组件和从动组件之间 的差速) 影响。此特点用在张力控制上，用户只需调整激磁电流便能准确地控制转矩， 从而有效控制胶片张力。 寥 裂 黎 纲 蟛 激鞲电瀛( 1o o 激鞲电流( 8 0 激磁电流6 0 激碓电流( 4 0 激避电流( 2 0 滑差速度( m i n 1 ) 图2 1 2 转矩和滑差速度的关系 3 、防止由于滑动所致的发热现象 通常连续滑动摩擦部分会有发热现象，甚至烧损。但是此设备有完备的散热装置， 长时间运转也不会发生过热，耐用寿命长。 4 、防止由啮合摩擦所致的发热现象 磁粉制动器的选型一般以所需传递的最大转矩来选定，并注意保证实际使用的滑 差功率，应小于技术参数的允许滑差功率，余量大点更能延长使用寿命。 实际滑差功率：p = - 2 6 0 m n = f v ( 单位w ) 式中m _ 一一实际制动转矩( n m ) n 一一滑动转速( r m i n ) f 一一张力( n ) v 线速度( m s ) 在无变速机构的情况下，卷绕材料所需的最大张力与最大卷绕半径的乘积应不超 过制动器的额定转矩。 磁粉离合的选择与其位置有关，在滑差功率匹配的前提下，磁粉制动器放在高速 级，则可以选择较小规格。如不匹配，应将其置于机构的低速端( 中部或后部) 。以增 大工作转矩来降低滑差转速。 根据磁粉制动器的以上特性，我们在压紧辊轴连接处选择三菱磁粉制动器作为转 矩控制元件。 第三章输片过程分析 在对绞盘式激光照排机输片机构实现控制之前，首先要对照片机输片过程进行分 析，设计合理的流程和算法，保证照排机能够根据用户指令自动完成基本工作。实现 功能的同时也保证可靠性和机构的工作效率。输片过程主要包括照排前准备、上片过 程、曝光过程、收片过程和退片过程。 3 1 照排前准备 照排前需要做以下准备工作： l 、安装供片盒和收片盒，令供片盒胶片抽头压入插入辊。 2 、开启总开关，电源接通，激光发光，预热机器； 3 、按扫描按钮，扫描电机工作，电机达到额定转速后，指示灯亮： 4 、扫描指示灯亮后，此时主机便可启动照排机的输片系统，开始照排工作； 3 2 上片过程 在激光照排机准备就绪以后，就可以上片。 口 q ； 一u 7 。 图3 1 上片过程示意图i 图中1 - 5 分别为胶片位置传感器，a f 分别为导板接近开关 如图3 1 ，当激光器预热、主扫描电机达到稳定转速、胶片位置传感器1 有信号时， 我们认为系统就绪，可以进行上片。此时检测前缓片导板位置传感器a 、b 信号，若a = o 且b = l ，表明前缓片导板处于闭合状态，可以继续上片；否则，驱动前缓片导板电机， 等待前缓片导板闭合后，才能继续下一步。 驱动回绕电机，直到胶片前端到达胶片位置传感器3 。停止回绕电机。 i 。o ； 口广一1 0 。 图3 2 上片过程示意图2 图中1 - 5 分别为胶片位萱传感器，a f 分别为导板接近开关 如图3 2 所示，降下压紧辊，压住胶片。 检测中间导板传感器c 、d 的信号，若c = o 且d = l ，表明中间导板处于关闭状态， 可以继续下一步；否则，驱动中间导板电机，等前缓片导板闭合后，才能继续下一步。 检测前缓片导板位置传感器a 、b 信号，若a = l 且b = o ，说明i ； 缓片导板处于打开 状态，可以继续下一步；否则，驱动前缓片导板电机，等待前缓片导板进入闭合状态， 才能继续下一步。 驱动副扫描电机，在压紧辊和驱动辊的带动下，胶片前端到达胶片位置传感器4 。 停止副扫描电机。 启动胶片缓冲机构控制子程序，驱动回绕电机，使胶片在前缓片导板处形成片环。 停止回绕电机，完成上片过程，如图3 3 所示。 矣和一i ：q 、- | 箩- 、 u 9 j u 图3 3 上片过程示意图3 图中l - 5 分别为胶片位置传感器，a - f 分别为导板接近开关 程序流程图如图3 4 所示，为了防止发生由于干扰或其他因素引起的传感器信号错 误，程序中加入了定时器和计数器，起到滤波作用，可以防止误动作发生。当计数器 连续确认3 次胶片位置信号后，确认信号并执行下一步，否则认为是干扰信号。 导板打开和关闭时，使用计时器判断是否超时，当导板电机工作超出预置的时间 范围，还没有接受到传感器的到位信号，说明导板电机工作异常或传感器失效，此时 输出报警信号并停止照排。 当胶片到达压紧辊以后，启动前缓片控制程序，逐渐形成前缓片片环，为下一步 曝光做好准备。 为了避免各个流程相互干扰，流程中采用了互斥的方法，每个过程开始以后均置 位相应的运行状态信号。 图3 4 上片过程流程图 就绪信号包括胶片位置传感器l 有信号、传感器4 无信号、其他过程未运行、主扫描电机开始工作 - 1 7 3 3 曝光过程 哆) s () 口广一 i ，j 。 图3 5 曝光过程示意图1 图中1 - 5 分别为胶片位置传感器，a - f 分别为导板接近开关 如图3 5 所示，检测后缓片导板传感器信号，若e = o 且f = l ，表明后缓片导板处于 闭合状态，可以开始曝光；否则驱动后缓片导板电机，等待后缓片导板闭合后，开始 曝光过程。 打开中间导板后，启动副扫描电机并低速启动收片电机，此时可以开始给胶片曝 光，程序置位曝光允许信号。此时曝光程序可以开始，根据r i p 处理后的网格数据控 制激光通断，在胶片上扫描曝光。 与此同时，启动前缓片机构控制子程序，实时调整回绕电机转速，保持前缓片环 稳定。 当胶片前端到达胶片位置传感器5 ，检测后缓片导板传感器信号，若e - - 1 且f ：o ， 表明后缓片导板处于打开状态；否则驱动后缓片导板电机，等待后缓片导板打开。 图3 6 曝光过程示意图2 图中1 - 5 分别为胶片位置传感器，a - f 分别为导板接近开关 如图3 6 所示，后缓片导板打开后，启动后缓片机构控制子程序，调整收片电机 转速，保持后缓片片环，直到曝光结束。 图3 7 曝光过程流程图 就绪信号包括胶片位置传感器4 有信号、传感器5 无信号、其他过程未运行、主扫描电机工作。 - 1 9 3 4 收片过程 1 - 哆s 口f 一1 昌 a 图3 8 收片过程示意图 图中1 5 分别为胶片位置传感器，a - f 分别为导板接近开关 如图3 8 所示，驱动切刀，切割胶片。切断胶片后，驱动收片电机。直到胶片到 达胶片位置传感器5 。停止收片电机，使收片盒外留有少量片头。 收片脉冲信号 ) 铲 图3 9 收片过程流程图 就绪信号包括胶片位置传感器4 有信号、传感器5 有信号、其他过程未置位运行状态信号。 3 5 退片过程 口 图3 1 0 退片过程示意图1 图中1 - 5 分别为胶片位置传感器，a - f 分别为导板接近开关 - 2 0 o 如图3 1 0 所示，抬起压紧辊，反向驱动回绕电机，直到胶片穿过传感器2 ，到达 胶片位置传感器i 处，停止回绕电机，使供片盒外留少量片头。 ：n ；o ； o 莎o 。 口 图3 1 1 退片过程示意图2 图中i - 5 分别为胶片位置传感器，a - f 分别为导板接近开关 关闭所有导板，过程结束。 釜砸 f 弋秒 匝杰圃 簿 喜 游廷爹 曝丽赢磊司i 卤 弋参 臣南 图3 1 2 退片过程流程图 就绪信号包括胶片位置传感器2 有信号、传感器5 无信号、其他过程未置位运行状态信号。 3 6 其他环节的说明 照排机输片机构中，前缓片导板、中间导板、后缓片导板的的驱动电机正转时， 导板关闭。表示导板位置的两个微动开关信号组成一个二维向量( 数组) ，0 0 表示导板 没有停靠在任何一个位置上，0 1 表示导扳处于关闭状态，1 0 表示导板处于打开状态。 切刀的两个微动开关与导板一样。不同之处在于，程序中设置一个临时变量存储 切刀当前位置，切刀工作前将两个微动开关的状态存入临时变量，并对这个临时变量 求反，当两个微动开关传递回来的信号与求反后的临时变量相等时表示切割完成。 照排机输片过程中，胶片缓冲机构用于保证片环的正常工作，需要通过程序对回 o o 1 、， 一 绕电机和收片电机的速度进行调整。两传感器组合信号为o o 时表示片环下边缘位于上 限传感器之上，说明片环过小，l o 表示片环下边缘位于两传感器中间的位置，1 1 表示 片环下边缘位于下限传感器之下，说明过大。根据以上三个信号不断调整电机转速， 使片环尽可能位于两个传感器之间，即维持两传感器1 0 状态的时间尽可能长。 缓片机构工作时，判断片环位置传感器信号。当胶片位置发生变化时，调整步进电 机的脉冲频率。频率上限f 根据胶卷最小半径时需要的转速来确定，一般取的略大。 第四章扫描电机控制系统设计 激光照捧过程中要求激光光斑在胶片行方向上保持匀速运动，同时胶片也要匀速 前进，这样才能保证r i p 输出的点阵信息正确的在胶片上成像本文主要研究绞盘式 激光照捧机的输片机构控制，输片机构控制的核心部分就是副扫描电机的速度控制 副扫描电机的转速直接决定输片速度，输片速度是否稳定精确，以及是否与主扫描电 机同步决定了照捧机的成像精度。下面我们将讨论控制副扫描电机的锁相环设计方法 4 1扫描电机控制系统的组成 如图4 1 所示，绞盘式激光照排机中，主扫描电机与副扫描电机分别提供胶片平面