（机械工程专业论文）高性能智能字符阅读机的机构设计.pdf

摘要 摘要 光标阅读机可快速地对读入的信息进行处理，目前在国内已得到广泛的应用。 智能字符阅读机是在光标阅读机基础上发展起来的，与光标阅读机相比，加大了 阅读的信息量和读入信息的处理能力。 随着信息化的发展，一些高端用户对智能字符阅读机提出了更高的要求，不 但对电路与软件的性能提出更高的要求，而且要求有更完善的机械性能。本人就 是在这一背景下，完成了高性能智能字符阅读机的机械结构设计的。 高性能智能字符阅读机的机械结构中所独有的设计包括：1 0 0 0 张a 3 纸的浮 动纸仓、智能调压的搓分纸机构、可调位置的颜色传感器、整体式双面扫描头、 快速分拣机构和浮动式的接纸仓。所有这些设计保证了大量的信息卡可以在短时 间内快速准确地被阅读和处理完。因此，高性能智能字符阅读机可以满足用户的 要求。 关键词阅读机；机械结构；高性能 北京工业大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t o p t i c a lm a r kr e a d e r ( o m r ) c a nr e a da n dd i s p o s et h ei n f b r m a t i o nr 印i d ly a n d 肿wi th a sb e e nu s c dw j d e l yi n c h i 彻i n t e 】“g e n tc h a r a c t e rr d e r ( i c r ) h a sb e e n d e v e l o p e df 沁mo m rc o m p a r i n gw i t ho m ri c rc a n r e a da 1 1 d d i s p o s e m o r e i n f b 啪a t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e mo fi n f o 珊a t i o ni e v e i ，s o m et o pg r a d eu s e rh a v eh a dh 蟾h e r d e m a n df o ri c r1 1 0 t 0 n l yf o rb e t t e rc i r c u “r y a i l d s o f l w a r e ，b u t a l s of o rb e 仕e r m e c h a n i c a ls t l l j c t u r e i nt h i si n s t a i l c e ，i d e s i g n e dt h em e c h a n i c a ls t l l j c t u r eo fh i g h c a p a b i l i t yi n t e l l j g e n tc h a r a c t e rr e a d e r ( h c i c r ) t h e 鹏i n a lm e c l l a n i c a ls t m c t u r eo fh c i c r i n c l u d e ：t h eh i g i lc 印a c i t ym o v a b j e i n p u t t i n gp a p e rc o n t a i n e rh o l d i n gl o o op i c c e sa 3p 印e r ，r u b b i n gp 印e rm a c h i n eo f i m e l l i g e ma d j u s t i n gs t r e s s ，m o v a b l ec o l o rs e n s o li n t e g r a t ed o u b l es i d e sr 吼ds c a n n e l s p e e d i n gs 印a f 缸i n gp 印e rm a c m n ea n dm o v a b l eo u 岣u t t i n gp a p e rc o 呲a i n e r a l lo f t h i sd e s i g n i n gw i ue n s u r eag r e a td e a lo fi n f o r m a t i o nc a r dc a nb er e a da n d d i s p o s e di n as h o r tt i m e t h e r e f b r e ，h c i c rc a l ls a t i s 句t h eu s e r t sn e e d s k e y _ 0 r d s ： r e a d e r ：m e c h a n ic a l s t r u c t u r e ：h i g l lc 印a b i l i t y 第一章绪论 第一章绪论 光标阅读机( o p t t c a lm a r kr e a d i n g ) 简称0 m r ，是利用光电转换原理 将规定格式信息卡( 以下简称信息卡) 上的光学符号转换成计算机能处理的电信 号的装置。信息卡是一张纸质卡片，纸上一些确定位置印有涂写信息的矩形或圆 形标志区，用铅笔或含碳的墨水笔对这些标志区涂黑以后，光电转换部件能识别 这些信息。信息卡上每个数据的含义是由其所在信息卡上的位置而定义的，因此， 对应的计算机阅读软件只要事先约定什么位置表示什么类型的数据，就能在录入 计算机的过程中正确识别该数据。 i c r ( i n t e l l i g e n tc h a r a c t e rr e a d e r ) 即智能字符阅读机，是近年来在 o m r 基础上，融合了图像扫描技术发展起来的一种高速的大规模图形数据输入设 备，采用c i s 或c c d 传感器对文件的扫描，可将大量的分散的数据高效、快速、 准确地输入到计算机中去，并可识别数字及字母、符号，解决了计算机数据输入 的“瓶颈”问题。同时，对于0 m r 涂点，i c r 也能识别，即i c r 实际上兼容了咖r 的功能。对于具有一定规格的信息卡，i c r 可以对图像信息区进行图像扫描，对 数字及字符区进行扫描和识别，对光标阅读部分以相应的间隔进行读取，这样极 大提高了读取的效率，使得工作速度大大提高。 i c r 设计上综合了0 m r 及o c r 许多优点，比如：一次性处理信息量大；处 理速度快；识别准确率高；光学性能好，填写用笔范围广，普通钢笔、铅笔、签 字笔、圆珠笔均可；大量使用传感器技术，设置了有无纸检测和进纸重张检测等 传感器。这些传感器的应用使信息卡在走纸过程中处于全程可监控状态，保证重 张连张等非常情况及时报错，避免了有效信息的遗漏；智能识别张纸格式，i c r 能智能识信息卡的不同格式，可同时对2 5 6 种格式的信息卡进行扫描，极大地方 便使用者。因此对于像高考阅卷、人口普查等对速度、可靠性有极高要求的大规 模数据采集场合，基于普通扫描仪的o c r 系统是无法与之相比的。以下例子是 r c r 系统的典型应用： 北京工业大学工程硕士学位论文 电子档案：电子档案的需求随着计算机网络技术的发展越来越迫切，传统 的档案袋中的纸质档案在招生录取过程中从档案的整理、归类，到投档、退档的 处理都要耗费大量的人力、物力，而且容易出错，也耗费大量的时间，管理环节 多而且不好控制。而电子档案建立后，所有考生档案的调取及退回都由计算机来 控制，速度快、耗时省，不同的级别权限又确保档案流动过程不出任何差错，从 根本上解决了投档、退档环节上容易出现的许多问题。而通过i c r 将考生的报名 表、志愿表、体检表等档案信息及照片扫描到计算机中，并对考号、姓名、志愿、 身高、体重等数字化信息加以智能识别，从而奠定全部考生的电子档案基础，招 生录取时，各高校招生部门就不必再亲自派人去各省市招生现场，只须通过远程 计算机网络从计算机中调阅考生档案即可，大大节省了各种费用，缩短了工作时 间，而且减少了人为因素对录取工作的干扰。 主观题登分：在高考及其它各类考试中，除了标准化的客观题部分可直接 采用叫r 阅卷外，主观题部分在各评卷老师给出评分以后，如何将这部分分数快 速、准确地输入到计算机中一直是一个难题，传统的做法是采用人工键盘录入的 方法，需要一大批熟练的录入员，而且耗时长、容易出错；采用0 m r 涂卡的方式， 由于o m r 信息包容量小，又不直观，也很不方便。而i c r 则是一个比较好的解决 方案，由于其信息量大，因而不仅可采集总分，还可将各小题分都采集上来，而 且人工直接书写o 9 数字，比0 m r 涂点来得方便、直观，因此普遍受到欢迎。 随着我国社会信息化的发展，各类信息采集工作量越来越大，如社会调查、 学籍管理、人口普查等。这也对信息录入设备提出了更高的要求。高性能智能字 符阅读机( i c r 8 0 0 0 ) 就是为满足这一市场需求而开发的。该机的高性能主要表 现在：高速度、高可靠性、高容量( 1 0 0 0 张a 3 ) 和使用维护方便。无论同目前 国内主流产品o m r i c r 系列，还是同目前进入中国市场的国际0 m r i c r 最大供应 商d r s 最新产品p s 8 8 0 相比，该机性能都有所提高。 在这次开发工作中，本人作为唯一的机械设计工程师，所有的机械结构都 足由本人根据该项目对机械结构的要求而独立开发出来。由于设计目标较高，许 第一章绪论 多结构都是首次采用，就目前国内0 m r i c r 产品及所能了解到的国外同类产品 属于整体结构创新的功能部件有： 一体化双面扫描头，不但可以轻易地翻开对扫描管清洁、更换，还可以将 整个扫描头作为一个模块更换。设计独特的传动机构使在这一过程中的传动机构 的连接与断开十分简单。同时结构也极为紧凑。 l 、 2 、 3 、 由步进电机驱动的随时可调的进纸压力及搓纸压力调整机构， 并由机械结构实现了对搓纸橡胶块磨损的自动补偿。 可分辨信息卡颜色的颜色传感器，并可用手动设定位置。 步进电机驱动的三方向分拣机构，可实现不停顿的对信息卡的 分拣。( 英国的p s 8 8 0 通过分拣轮的正反转来实现分拣，所以 分拣时机器其它动作必须停止等待工作) 。 除以上整体结构上属于独创的功能部件外，其他部件也都是重新设计，并 存在不同程度的创新与改良，如： 1 、在同类产品中首次将浮动纸仓的轨道改为滚珠轨道，使得其在 承受1 0 0 0 张a 3 信息卡时，不但运行稳定、精度高，还使结构 变得紧凑。 2 、整机传动系统多个步进电机各管一段，同时扫描头和进纸轮动 力由主走纸系统获得。 3 、传动采用双面圆弧齿同步带，走纸轮交替布置在走纸平面的两 端，这样做可以保证同步带轮包角，大大减少张紧轮的数量。 4 、 布置了多个风扇，设计了合理的散热通道等。 此次开发工作本人所涉及的的工作流程是这样的：1 、由开发组领导提出 整机设计目标。参照英国d r s 公司p s 8 8 0 的功能，对其功能提出了更高的设计要 求。2 、由本人提出包括整机结构及各部件的设计方案及工作原理，经过论证， 最终确定设计方案。3 、用三维计算机辅助设计完成建模、装配、出图。本论文 北京工业大学工程硕士学位论文 也基本按照这个顺序展开，并在最后介绍了在此过程中应用三维计算机辅助设计 的情况。 在此次开发过程中，在机构的选型设计中主要参考了文献 【3 ，9 ，l o ，l l ，1 2 ，1 6 】，在零件设计中参考了文献 1 ，4 ，5 ，7 ，1 3 】，外购件的选择参 考了文献 6 ，8 ，1 4 ，1 5 ，1 7 】，在减振及降噪方面参考了文献 2 】。 第二章，i c r 8 0 0 0 设计目标 第二章i c r 8 0 0 0 设计目标 目前国内o m r ，i c r 的供应商五岳鑫、泰兴和山大欧玛公司占有国内绝大 部分市场份额，其中五岳鑫公司具有国内最完备的产品系列，同时代理世界最大 o m r i c r 厂商英国d r s 的顶级产品p s 8 8 0 ，这一产品系列基本代表了当前在这 一领域不同档次产品的概况。而目前正在开发的新一代高性能o m r i c r 产品 ( 1 c r 8 0 0 0 ) 力图在性能上有所突破，其设计目标是成为我国在高速信息录入方 面性能最好的设备。下面将现有五岳鑫公司系列产品性能与正在开发的i c r 8 0 0 0 设计目标作一下列表对比。 表2 1 阅读及性能对照表 纸仓最大控制 型号类型 自动扫描 扫描通讯 搓纸 分拣项目机构 与容量幅面方式 手动d s p + 串 o m r 5 0 0 无涂点 a 4无 】张口 固定d s p 十串手动 o m r l 0 0 0 b 无涂点 a 4 8 0 张 口 调节 浮动d s p + 串手动 o m r 2 0 0 0 b 无涂点 a 4 5 0 0 张 口 调节 浮动双面d s p + 串手动 o m r 2 0 0 0 d无a 4 5 0 0 张涂点 口 调节 浮动 单面涂点 d s p + 串手动 i c l u 0 0 0无图像条码a 4 5 0 0 张口调节 字符 固定 双面涂点 内置p c手动 p s 8 8 0 2 级图像条码a 4 5 0 0 张+ 网卡调节 字符 浮动 双面涂点、 1 c r 8 0 0 03 级 图像条码、 a 3 内置p c自动 1 0 0 0 张+ 网卡 补偿 字符 从上表可以看到开发中高性能智能字符阅读机产品的各项性能指标都有 较大提高，其意义在于：1 0 0 0 张纸的浮动纸仓可以一次装入更多的信息卡，减 少了装卡时间；三级分拣即可以将阅读完的信息卡按类别分别放置，又可以在同 北京工业大学工程硕士学位论文 一类信息卡的处理中将出错的卡跳出放置；最大a 3 幅面的双面4 0 0 d p i 彩色扫描 极大地加大了信息采集量和范围，独立模块的双面i c r 扫描头由于被设计为整 体结构，可以方便地更换；同时由于该扫描头设计为主动旋转的胶辊压紧方式， 使被扫描信息卡与扫描头紧密贴合，能够保证在每秒三张a 3 卡的扫描速度下达 到4 0 0 d p i 的扫描精度。 与英国今年推出的p s 8 8 0 相比，该设备设计方案有以下优点： 1 p s 8 8 0 的标准扫描速度是a 4 幅面达到每秒钟3 张，但是当出现扫 描错误需要分拣的时候，整个系统会暂时停止工作，通过输送轮反 转来实现分拣：而i c r 8 0 0 0 的自动导向式分拣机构可以在丝毫不 影响整个系统扫描速度的情况下实现分拣。 2 p s 8 8 0 的标准扫描速度是在低分辨率的条件下实现的，当扫描分辨 率提高时，受到电子系统的限制，其速度也会下降，而i c r 8 0 0 0 在最初设计构想就是在高速扫描情况下同步完成高分辨率的图像 采集与处理，数据处理能力从采集、a d 转换、图像压缩、传输各 个环节都是在高速情况下相匹配的，并且充分利用了最新的技术成 果，例如为适应在大幅面高速处理能力，负责图像处理的c p u 至 少由2 颗p 4 c p u 来完成，并需要额外的实时控制c p u 。 3 p s 8 8 0 虽然也有根据不同用户要求更换扫描头的功能，但是他的的 固定扫描头更换十分不便，使得该项功能没有什么实际意义。而 i c r 8 0 0 0 的双面扫描同被设计为可方便拆卸的整体，它和主机连接 只有螺钉、一个电缆接头和一个同步带轮。这样无论是更换、维修 都十分方便，并使用户在一台设备上可以实现更多功能。 4 p s 8 8 0 可以读不同颜色的信息卡，但其在一个工作流程中只能读同 一颜色的信息卡。而五岳鑫公司的i c r 8 0 0 0 设计了3 色分辨器， 可以通过机读卡颜色同时读入不同类型的信息卡，并分别用不同的 程序来处理。也就是说对于需要处理不同类型的信息卡时，只要用 信息卡的底色或某一色块来区分就可以了，控制系统可以根据3 色 分辨器的输入决定开启扫描头的那一颜色灯泡。同时三级分拣机构 第二章1 僳8 0 0 0 设计目标 可以配合将不同的信息卡分类放嚣。 5 p s 8 8 0 的搓分纸机构采用的是目前该类产品普遍采用的手动调节 橡胶块形式，虽然其具体方式各有不同，但其原理都是手工调节橡 胶斜块与压纸轮的位置，达到搓分纸的效果。但是随着橡胶块磨损， 搓分纸会失效，必须重新调节；另外当出现多张重张的情况时，会 将缝隙卡死，这对于大工作量高速扫描都是极为不利的。五岳鑫公 司的i c r 8 0 0 0 采用了自动补偿的搓分纸机构，其原理是通过步进 电机给搓分纸机构加压和卸压，当搓分纸机构工作时，对信息卡加 压。使上下层卡片分离，当上层卡片进入走纸道时，机构卸压，使 机构在任何情况下都不会被卡死。由于机构加压时是以压紧力组为 反馈来控制的，因此在橡胶卡块磨损后，仍能保证正常的搓纸压力， 采用一定厚度的橡胶块，就可以保证该机构在相当长的使用寿命中 都不用在此调节。 6 此外为了实现在任何的工作情况下系统工作不减速，i c r 8 0 0 0 采用 了长达1 6 0 0 m m 的走纸道，以确保在各种可能出现的情况下不影响 工作速度，走纸道一共分布1 6 对有无纸传感器，随时监测信息卡 运行位置，并控制信息卡之间间距为5 0 m m ，晟大限度地提升设备 的处理速度。 从以上分析可以看出，五岳鑫公司开发中的i c r 矗0 0 0 的目标是提供性能 最先进的i c r 产品，这一目标是通过利用最新的计算机技术成果和创新的机械 结构来实现的。同时该产品预计的价格将不超过英国d r s 公司p s 8 8 0 的三分之 一，将来在国际市场也会具有较强竞争力的。 i c r 8 0 0 0 的设计思路是首先设计出最高性能的型号以满足市场对该类产 品的最苛刻要求，同时可以利用其各个功能部件的不同组合或简化方便地派生出 不同配置的系列产品，并预留出打印头的安装位置。通过简化信息处理部分，该 产品也可以派生出高性能的高速扫描仪。 北京工业大学工程硕士学位论文 第三章总体设计概述 3 1 总体结构方案 在i c r 8 0 0 0 开发项目中，本人承担了全部的机械结构的设计工作。为完 成如前所述的设计目标，制定了如图l 所示的设计方案。 该方案采用了开放式的走纸结构，首先是以一块7 0 0 m m x 9 0 0 m m 厚 l o 5 m m 的铝合金板为载体，称为主机板。完成各项功能的部件均安装在主机板 上。根据各个部件的不同要求，在主机板上加工出各自的安装孔、长槽、及各种 需要的加工形状。有的部件安装在主机板的前方，有的贯穿主机板，有的安装在 主机板的后方。主机板与主机箱安装在一起，将安装在主机板后面的零部件容纳 其中。 各部件和被阅读信息卡接触的部分及走纸板安装在面板的前方，由于没 有任何遮挡，可以清楚地看到被阅读信息卡全程运行的情况，并可以随时处理可 能出现的问题。 为了实现1 6 0 0 m m 的走纸长度又不致使机构体积过于庞大，将走纸道设 计成为循环形式，被阅读信息卡经过沿着主机板边缘的走纸道前行并翻转了3 6 0 度后再经分拣进入接纸仓。为此，走纸板荚设计了三处弯道。 依被阅读信息卡经过的先后顺序，布置了进纸仓、搓分纸机构、搓分纸 调压机构、颜色传感器、纸厚传感器、扫描头、走纸板、分拣机构接纸仓等走纸 通道的必然组成部分。同时沿走纸通道分布了间隔不超过1 0 0 m m 的2 2 对走纸 轮，确保最小为1 0 0 m m 长的被阅读信息卡可顺利通过走纸道。 走纸道一共分布1 6 对有无纸传感器，随时监测被阅读信息卡运行位置。 其原理是使用一对光电发射一接收管分布在走纸道的两侧，留出必要的光路。通 过接收管是否接收到发射管发出的光线，就可以判断是否有信息卡正在通过该测 量点。由于所用光线为经过调制的红外光，发射接收都要经过只透过红外线的有 机玻璃，因而极大地减小了被外界干扰的可能，可靠性比较高。 主机板与主机箱由底脚支撑，正常放置后向后倾斜1 5 度，这样被阅读信 8 第三章总体设计概述 息卡就会自动向主机板靠拢并靠近，起到定的对齐纠偏作用。 在主机板的外表面贴了一层05 m m 的不锈钢板，称为面板，其作用是提 高走纸面的耐磨程度，并起到装饰作用。面板纸在必要的位嚣加工可主机板相对 应的孔，而将其它不必要的孔遮盖起来，可以使得整机外观简洁美观。同时对于 一些需要在半圆通孔上安装的部件，如成对使用并有位置要求的有无纸传感器， 可以只在面板上加工半圆孔，而在主机板上加工圆孔，简化了加工工艺。 图l 总体方案图 北京工业大学工程硕士学位论文 3 2工作过程原理 此项目开发采用了s o l i d w o r k s 2 0 0 l 三维机械设计软件，图3 所示为总体 装配前方投影图，为方便显示，隐去了操作面板、面板和机架后添加文字得到的 面板前布置图。利用此图可以说明该方案可以实现的具体功能。下面就以一个工 作循环为例说明。 进纸仓是在步进电机的带动下可以上下运动的信息卡装载机构，图3 可 以看到纸仓托盘和从面板后面伸出的托臂及为其上下运动而开的长槽，其托盘初 始位置位于有效行程的最下方。当被阅读信息卡被放到进纸仓托盘上时，遮住了 位于纸仓上侧的有无纸传感器发射端发射的光线，有无纸传感器接收端接收不到 特定的光线时，控制系统就会认为此时进纸仓内有纸。 进纸仓此时将带着被阅读信息卡向上运动直至和导纸轮及搓分纸机构的 压纸轮接触为止。导纸轮和搓分纸机构的压纸轮都可以沿着特定的轴在一个角度 范围内上下摆动，当进纸仓中的信息卡接触并将其微微抬起时，搓分纸机构的 压纸轮摆动臂会遮住光耦，进纸仓会停止上升。 导纸轮的自转轴和被阅读信息卡平面平行，但和主机板平面并不垂直， 如图2 所示有一个夹角a ，由于导纸轮是由摩擦系数较大的橡胶制作的被动轮， 当信息卡在它的压力下向右运动时，导纸轮被动旋转，会对信息卡产生一个向主 机板方向的分力，帮助信息卡靠近主机板面板。 一罡蛀磊磊 ，蚪_ - ； 昱纭轮 纸张运动方向 图2 导纸轮工作图 第三章总体设计概述 图3 面板前布置图 北京工业大学工程硕士学位论文 导纸轮的自转轴和被阅读信息卡平面平行，但和主机板平面并不垂直，如 图二所示有一个夹角a ，由于导纸轮是由摩擦系数较大的橡胶制作的被动轮，当 信息卡在它的压力下向右运动时，导纸轮被动旋转，会对信息卡产生一个向主机 板方向的分力，帮助信息卡靠近主机板面板。 搓分纸机构的压纸轮具有和导纸轮相同的纠偏角度，对信息卡同样有向主 机板靠齐的作用。 搓分纸机构的作用是将被阅读信息卡由进纸仓传送到阅读机的主走纸系 统，并且要避免重张与连张的情况发生。 压纸轮的外层为橡胶，摩擦系数比较大，而其相对的下方纸仓也有一个橡 胶块，而被阅读信息卡就位于上下的橡胶件之间。当需要进纸时，搓分纸机构的 压纸轮转动，带动最上层的被阅读信息卡向右侧运动。由于信息卡之间的磨擦系 数相对较小，上层的信息卡会向右侧运动而下层信息卡则会留下。 此时最上层的被阅读信息卡已经在一定程度上和其下面信息卡搓开，但仍 然有部分跟随重叠的现象。为此在前箱体上板，也就是主纸道的开端，设计了一 个长5 0 m m 的2 0 度角的斜坡，在最上层信息卡被压纸轮带动前行的同时，下层 跟随的信息卡会在重力及变形的作用下产生一定的分离。 为了将重叠的被阅读信息卡彻底搓分开来，在2 0 度斜面上方设计了摩擦 系数较大的橡胶履带作为进纸传动机构，橡胶履带和搓分纸机构的压纸轮同步转 动。而位于斜面下方的搓分纸调压机构中的可调压力的橡胶摩擦块向上将被阅读 信息卡压紧在橡胶块与橡胶履带之间。 由于橡胶块与橡胶履带摩擦系数略有不同，最上层被阅读信息卡前端进入 其间后，会继续前行，而由于同下方的橡胶块的摩擦力大于与其上方的信息卡的 摩擦力，跟随上方被阅读信息卡前行的信息卡在其前端刚刚接触到下方的橡胶块 时，就会立刻停止运动。而橡胶块与橡胶履带之问设计了较长的接触距离，可以 确保在多张信息卡跟随的情况下，将其一一留住。 在整个搓分纸的过程中，对压力的要求是不同的，固定的压力并不是最理 想的，所以该机构给予橡胶摩擦块的向上压力是瞬时可调的。 当橡胶块被磨损后，能够自动补偿。而在自动补偿后不能影响压力调节机 第三章总体设计概述 构的作用。 当最上层被阅读信息卡的前端进入第一对走纸轮后，由于走纸轮的驱动速 度略大，信息卡将略为加速。此时橡胶摩擦块的向上压力调整为零，对信息卡没 有摩擦阻力。搓分纸机构的压纸轮安装了超越离合器，此时也是被动旋转，没有 摩擦阻力。在经由第一对走纸轮后的有无纸传感器确认后，搓分纸机构的橡胶履 带和压纸轮会停止转动。由于前述的同样原因，停止转动后的搓分纸机构的橡胶 履带和压纸轮不会对最上层信息卡的后部分产生摩擦阻力。 当最上层信息卡的后端离开搓纸斜面时，位于搓纸斜面上下的有无纸传感 器会得到信号，此时控制系统将根据设定的前后信息卡的距离，在适当的间隔之 后，再次启动搓分纸机构及搓分纸调压机构，将下面的信息卡依次送入主走纸道。 在上方的掀开式到纸板的引导下，导纸轮可以将信息卡平稳地向前推进。 第一对走纸轮后是颜色传感器，通过r ( 红) g ( 绿) b ( 蓝) 三种不同颜色的 发光二极管分别对信息卡特定位置照射，当照射光线和信息卡颜色相同时，反射 光较强，反之则反射光弱。有三只感光二极管分别读取三种颜色的反射光，通过 比较来判断信息卡色块的颜色。 一e ；一 走纸方向 两发射管的错位可使不同 图4 颜色传感器原理图 13 北京工业大学工程硕士学位论文 对于每一种颜色，都采用了两发一收的形式，一共是6 发3 收，这样做既 加快了反应速度，又由于两发射管之间具有一定的位置关系，如图4 所示，加大 了作用范围。 颜色传感器还可以根据信息卡色块位置的不同调节其位置。 在进入扫描头之前，信息卡还要经过纸厚传感器。其工作原理是当信息卡 经过传感器压轮时，传感器通过杠杆将纸厚的变化幅度放大，杠杆的另一端遮挡 光耦，是其工作在线性区，读取光耦信号，就可以检测到纸厚的变化。也可以发 现是否有重张的情况发生。 被阅读信息卡进入扫描头，其正反两面都将被扫描。走纸平面上下各自有 一个c l s 扫描管，并有滚子将信息卡压紧。 上下是可以互相开合的两部分，合拢时上面的扫描管压在下面的滚子上， 上面的滚子则压在下面的扫描头上，下面的滚子可以由外部输入动力，在合拢时 可以将动力传给上面的滚子，上下两个滚子之间通过齿轮传动，可确保结合与脱 离顺利。 扫描管的两端都安装在弹性机构上，控制弹性机构的压缩量，可以调节信 息卡在扫描管上的压紧程度，对于c i s 来说信息卡与扫描管的贴紧程度对扫描质 量非常重要。 出了扫描头，被阅读信息卡会沿着拼接在一起的两块走纸板一直被传送到 分拣机构。在这段时间里，图像处理系统将对扫描到的内容进行处理，并决定该 信息卡将进入哪一个纸仓。 进入分拣机构后，控制系统会将以段可旋转通道转向正确的出口，被阅读 信息卡在正确的出口处，由抛纸轮组抛到相应的纸仓中。最上两层纸仓是固定式 的，纸仓容量分别为5 0 和1 0 0 张，信息卡装满时遮挡住感光时纸位传感器。下 层纸仓为浮动式的主纸仓，他能够保持最上层信息卡始终位于两个纸位传感器之 间。当进入纸仓的信息卡越来越多，积累到一定高度时，信息卡遮住全部两个纸 位传感器，浮动接纸仓开始下降，当下降到两个传感器全部露出时，纸仓停止下 降，随着信息卡的进入，高度又会逐渐加高。这样可以控制最上层信息卡始终位 f 两个传感器之间。 l4 第三章总体设计概述 缓冲档纸杆可以根据信息卡大小调整位置。信息卡最终是被压杆压住，消 除了撞击，保护了信息卡。 3 3传动布局 图5 是i c r 8 0 0 0 在隐藏主机箱体及图像采集、控制等电路系统后，从主 机板后方投影得来的，他清楚地显示了该系统的传动布置。它与图1 分别是主机 板后方和前方的投影视图，因而各个机构部件在主机板内外的部分在两图上都有 相对的投影。 步进电机1 和步进电机8 分别为迸纸仓和浮动接纸仓提供动力，通过第一 级同步带传动的减速，由第二级同步的带动纸仓沿滚珠导轨运动。第二级同步带 采用9 m m 宽m 3 圆弧齿同步带，能够满足1 0 0 0 张a 3 幅面信息卡的负载要求。 步进电机2 是位搓分纸机构的压纸轮提供附加压力的，它是通过同步带传 动带动其上的拉簧为压纸轮增加压力的。通过控制拉簧的长度，可随时调节压纸 轮压力，并可结合空气湿度、纸张强度等条件使压力值达到最佳状态。 步进电机3 为第l 、2 、3 对走纸轮提供动力，同时将动力通过电磁离合器 传递到搓分纸机构。当电磁离合器吸合，搓分纸机构的压纸轮和搓纸履带开始转 动，反之则停止转动。 步进电机4 为第4 、5 、6 、7 ，8 对走纸轮提供动力，同时将动力通过直接 传递到扫描头。通过扫描头的传动齿轮，使扫描头上下滚子始终保持与走纸轮同 步。 由于不需要为其它功能部件提供动力，步进电机5 同时为9 对走纸轮提供 动力。步进电机6 在带动剩下的5 对走纸轮的同时，还要带动抛纸轮组转动。三 个抛纸轮在系统工作的时候始终转动，通过同步带的缠绕方式使其在每个不同的 出纸道都可以得到正确的抛纸方向。 所有带动走纸轮的同步带均为双面弧形齿同步带，这样做可以在提高传动 精度的同时，大大简化了轮系的结构，在利用最少的张紧轮的情况下，使同步带 轮得到足够的包角。 北京工业大学工程硕士学位论文 步进电机7 的作用是控制分拣机构的分拣方向。它由同步带传动，直接带 动可转纸道轴，通过光耦感知其位置，使其分别对准三个接纸仓的出口。 加上如图3 所示的搓分纸调压机构的调压电机，1 0 r 8 0 0 0 一共有9 个步进 电机，其所需的步迸电机驱动器布置在通风良好的位置。 第三章总体设计概述 图5 传动布置图 17 北京工业大学工程硕士学位论文 第四章各功能部件的结构设计 4 1浮动纸仓结构设计 图6 进纸仓、浮动接纸仓结构 18 第四章各功能部件的结构设计 如图六所示进纸纸仓和浮动出纸纸仓其结构基本相同，只是托纸板和托纸 臂的形状有所不同，同时浮动接纸仓的托纸板没有安装增加最下层信息卡阻力的 橡胶块。 托纸板的两种形状的设计目的是最大限度地满足各种不同尺寸的信息卡 的取放，同时采用了厚度为4 m m 的铝合金板材制造，确保在满载时的强度。 纸仓升降的动力来源于步进电机，通过圆弧齿同步带1 的一级同步带的减 速，传递给升降同步带。在圆弧齿同步带2 的带动下，滑块带着托纸杆和托纸板 以及信息卡沿着导轨上下运动。 齿形压板利用托纸臂上的螺孔安装，其上加工了与圆弧齿相同的齿形，将 圆弧齿同步带2 和滚珠滑块连接在一起。 步进电机支架通过长孔安装在主机板上，因而可以自行张紧。圆弧齿同步 带1 和圆弧齿同步带2 通过转轴两端安装的同步带轮传动。转轴通过两个滚珠轴 承安装在轴承座上。为了使滚珠滑块有足够的行程，转轴座被切下了一角，并使 用三颗螺钉安装。 该机构采用的导轨是南京工艺装备厂生产的精密滚动导轨副g g bb a l 6 。 该导轨可以承受足够的扭矩，定位精度高，运动摩擦小。 圆弧齿同步带2 的下端带轮通过滚珠轴承、固定轴安装在一对张紧轮架 上，张紧轮架和主机板的连接端通过长孔连接，可以作一定的上下位置调整，是 同步带轮处于张紧状态。 纸仓的上限位如前所述通过搓分纸机构压纸轮的位置来控制，它的下限位 是一个行程开关，并设有个起到硬限位作用的限位螺钉。 北京工业大学工程硕士学位论文 4 2搓分纸机构 压纸轮 片 、。超越离合器 2 0 图7 被动轮 第四章各功能部件的结构设计 图7 所示为搓分纸机构的结构示意图。 在阅读机正常的工作过程中，其走纸系统的走纸轮始终处于运转状态，然 而搓分纸机构的运转是间歇的，它是可以根据指令来运转和停止的，当运转的时 候，它又要和走纸轮的转动基本保持一致。因此搓分纸机构被设计为从主走纸系 统获得动力，并能够通过电磁离合器来接通和断开动力的传递。 图7 种同步带轮1 与摩擦片固定在一起，并通过同步带与主走纸系统连接 ( 见图5 传动布置图) 。当搓分纸机构停止工作时，同步带轮1 空转：当电磁离 合器得电吸合时，电磁离合器轴将随着同步带轮1 转动，在其上安装的同步带轮 2 和履带驱动轮也将同时转动。 压纸轮的轴通过轴承座安装在摆臂的长孔上，通过调整其在摆臂上的位 置，可以将连接同步带轮3 和同步带轮2 之问的同步带拉紧。同步带轮3 安装在 压纸轮的轴的内侧，通过它使压纸轮获的动力。同时摆臂的摆动轴线与电磁离合 器的轴线重合，其摆动是通过安装在电磁离合器外壳上的滚珠轴承实现的，因此 它可以灵活摆动，并且在摆动的同时，不会改变同步带轮2 和同步带轮3 之间的 距离，因而在摆动的同时不会影响动力的传递。 压纸轮的外圈采用硬度为邵氏硬度3 0 的硅橡胶，使其可以得到充分的搓 纸磨擦力。其内圈通过超越离合器与压纸轮轴相连，其作用在前文已有叙述。该 超越离合器采用了冲压外圈滚针离合器，是一种新型的超越离合器，它属于机械 传动的基础件，有的行业称为逆止器或单向轴承，它是依靠滚针与外圈的摩擦来 实现结合与超越，径向尺寸小，结构紧凑，运转无噪音，可在任意位置实现结合 或超越。 摆臂的最外端安装了定位挡光片，通过它对特定位置光耦的遮挡来确定摆 臂的位置。同时定位挡光片上有一个孔称为挂孔，其上可以挂上一个拉簧，由图 5 中所示的步进电机3 带动同步带，可以拉紧或放松拉簧，来调节压纸轮对纸的 压力。 电磁离合器的外端安装的是履带驱动轮，履带驱动轮和履带被动轮上套有 履带，材质为邵氏硬度3 0 的硅橡胶。被动轮轴的安装部分为可以预紧的结构， 可将履带拉紧。限位轮的位置与履带相切，其轴是固定的，在调压橡胶块的正上 方，它限定了调压橡胶块向上压紧的位置，同时也是被搓分得纸张承受搓分纸压 力的位置。 4 3搓分纸调压机构设计 图8 搓分纸调压机构 第四章各功能部件的结构设计 搓分纸调压机构的动力为步进电机，步进电机的转动带动直接安装在电机 轴上的摆臂l ，摆臂l 则通过安装在摆臂另一端的滚动轴承来推压片弹簧。 片弹簧固定在摆臂2 上，当其受到推压，就会带动整个摆臂2 绕摆臂轴2 转动，同时滚动轴承2 向上推压摆臂3 。摆臂3 将绕摆臂轴3 转动，纸纸调压橡 胶块向上压到搓分纸机构的搓纸履带，此是摆臂3 和摆臂2 基本停止了转动。 此时步进电机继续转动，摆臂3 和摆臂2 由于受到阻力而停止运动，因此 片弹簧3 逐渐被压弯，同时调压橡胶块和搓纸履带之间压力也逐渐增大。当片弹 簧的另一端遮挡道光耦时，为搓纸压力的标定值。此时通过杠杆作用，在步进电 机的输出扭矩范围内，可以得到约8 0 克力的搓纸压力，满足正常工作状态对纸 张搓分的要求。而在整个推压过程中，弹簧片的应力始终处于许用范围之内，可 以满座较长的使用寿命。 调压橡胶块在使用过程中会逐渐地被磨损。磨损后，调压橡胶块仍然要和 搓纸履带接触，因而导致了摆臂3 和摆臂2 的工作位置逐步沿图8 所示的逆时针 方向转动。但是由于片弹簧和光耦都安装在摆臂2 上，因此无论摆臂2 的工作位 置如何，当弹簧片遮挡住光耦时，其承受的扭矩都是一样的，因此随着调压橡胶 块的磨损，调压橡胶块不但能够自动补偿磨损，还能够保持搓纸压力恒定。 调压橡胶块的补偿量设计为5 m m ，根据经验，可以满足相当长时间的工 作，对a 4 大小的阅读纸张来说可以超过2 亿张次。 当调压橡胶块的余量被磨损接近5 m m 时，摆臂2 的位置逐步接近行程开 关，并最终触动开关。此是控制系统会发出信号，提醒更换调压橡胶块。 4 4颜色传感器结构设计 在本文前面章节已经介绍了颜色传感器分辨颜色的原理，图4 为传感器芯 体结构。下面介绍如图9 所示的颜色传感器整体结构。 对颜色传感器的设计要求除了能够正确分辨颜色外，还要求可以改变读取 北京工业大学工程硕士学位论文 颜色的位置，因此将芯体设计为可以沿轨道拖动的结构。 其轨道为4 5 # 钢制成的挂轴，两端固定在内端板与外端扳上，内外端板 则固定在套管的两端。管套采用直径为2 4 m m 壁厚2 m m 的铝合金圆管圆管的 一侧开了6 m m 宽的槽，将挂板圆孔穿在挂轴上，挂板的中部恰好和套管的槽配 合，使安装在挂板上的芯体定位。 挂板下方的入纸斜面可以保证芯体在任意位置时不影响被阅读纸张的顺 利通过。在挂板轴孔的中部切有一个窄槽，窄槽中间安装了一个卡簧，卡簧张开 后刚好卡在管套槽上。这样做给芯体移动时提供了定的阻尼，当芯体确定位置 时，也不会被意外改变位置。 管套的外端为螺纹连接的端盖，可同时将外端板与挂轴固定。管套的内端 通过螺钉固定在安装座上。安装座位于整机的主板内部，使得颜色传感器安装在 整机上外观非常简洁。从颜色传感器芯体引出的信号线直接进入管套并缠绕在挂 轴上。 安装座具有一定的深度，将一部分套管定位在主板的内部。这样做是为了 当芯体位于最内端时，有空间容纳足够的信号线，这样当芯体移动到最外端时， 信号线仍有足够的长度。 24 第四章各功能部件的结构设计 内端板 袋 一自 图9 颜色传感器结构图 25 北京工业大学工程硕士学位论文 4 5扫描头结构设计 i c r 8 0 0 0 的输入部分相当于一台a 3 幅面的滚筒式商速双面扫描仪，它采 用了c i s ( c o n t a c ti 眦g es e n s o r ，) 接触式传感器件。 目前多数扫描仪采用的是c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，电荷耦合器件) 传感器，c i s 是另一类新型扫描仪中的最核心部件，通过它们将扫描仪采集到的 光信号转换为电信号。传统的扫描仪采用c c d 技术，它的基本工作原理是：采用 阴极管发光，图像信号经过2 、3 个反射镜反射后用c c d 接收后转变为电信号。c i s 是一种新的扫描技术，发光体是用l e d 排列的，并且不经过反射镜的反射作用， 而是直接被光电耦合器接收。 由于二者感光原理的不同，致使它们的成像特点、制作成本、体积和重量 等也不同。概括说来，c c d 的优点是扫描实物时的景深好、密度范围大和扫描光 谱范围大等，c i s 的优点是光源亮度好、失真度小、功耗小、体积和重量小。c i s 扫描仪将光源、聚焦镜片及感应器一同固定於一个外罩内，制成如图所示的扫描 管，不须调节及热身( w a m u p ) ，所以比c c d 扫描仪起动快。更重要的一点， 当进行高速扫描时，c i s 的处理速度要高于c c d ，因此在设计j c r 8 0 0 0 时采用c i s 扫描器件更为合适。 在实际设计中采用了深圳威力盟公司为i c r 8 0 0 0 特制的c i s 扫描管其结 构见图l o 。 光学玻璃 l e d 光源 铝合金外壳 插座 控制p c b 电路板 镀膜 l d 光源 条状镜头 传感阵列 p b 电路扳 图1 0c i s 扫描管结构图 第四章各功能部件的结构设计 该扫描管采用双发单收方式，即采用两排l e d 光源发光照射信息卡，由 中间一排信号接受单元接收信号，这样可以使信号增强。它们被固定在铝合金拉 延而成的外壳内，信号采集端由光学玻璃覆盖，其外表面可以采用镀膜的方式增 加光纤的透过率。条状镜头网4 好可以将光学玻璃外表面的景物聚焦在传感器阵列 上。 由于条状镜头景深浅，扫描管工作时需将信息卡阅读表面贴紧在光学玻 璃。在u d 光源照亮信息卡时传感器阵列将阅读到一行的图像信息，当信息卡 移动l 2 0 0 英寸( 设扫描精度为2 0 0 d p i 时) ，传感器阵列在阅读下一行，如此 继续下去，就可以将整张信息卡扫描完毕。 传感器阵列阅读一次的时间为t o = o1 m s ， 以2 0 0 d p i 精度扫描一英寸的长度用时为t l = 2 0 m s ， 一秒钟可做的最大扫描距离为l = ( 1 0 0 0 2 0 ) x 2 5 4 = 1 2 7 0 m m 在本机的设计中，将走纸速度定义为l o o o m m s ，该扫描管是可以胜任 的。同时该速度保证了每秒2 张a 3 或3 张a 4 幅面信息卡( 纵放) 的扫描速度。 同时在该机开发工作的各个环节，包括：机械结构、电机驱动、数据采样、数据 转换与传输、数据压缩、数据处理与识别等各个环节，都是以此速度为标准，各 环节之间做到没有瓶颈。 图l l 为扫描头的整体结构，它由上下两个箱体组成。上下箱体可以方便 地沿转轴打开或闭合，其中闭合为工作状态。由于较长时间工作后扫描管的光学 玻璃外表面会积累一些灰尘，从而影响了扫描质量，因而设计为可翻开机构就是 为了能方便地对扫描管表面进行清洁维护，同时打开后，拧下扫描管两端直线轴 承外的限位螺钉，还可以方便地拆下扫描管，便于更换和维护( 见图1 3 ) 。 图1 2 所示为扫描头侧视图，它显示了扫描头的传动关系。和下胶辊同轴 安装的同步带轮和主传动系统相连，带动下胶辊及下齿轮转动，同时带动与其啮 合的上齿轮转动。这样当上下箱体闭合时，上下胶辊将同步转动。 上箱体可绕转轴转动，可实现扫描头的打开和闭合。同时上齿轮将沿着图 1 2 所示的轨迹与下齿轮脱开或啮合。由于脱开的方向接近于啮合点的法线，和 都将十分顺利。 27 北京工业大学工程硕士学位论文 图1 1 扫描头整体结构 28 第四章各功能部件的结构设计 图1 4 显示了和扫描头相连接的前后走纸平面及导纸板与扫描头内部结构 构成的统一的走纸通道，并具有多个导向斜面，确保信息卡进入扫描头的每一个 环节都十分顺畅。特别是在进入两个扫描管的扫描位置时，信息卡的位置会受到 限制，同时各个导向斜面的导向角为2 0 度，使得信息卡在行进过程中不会有额 外的阻力产生。 图1 2 扫描头传动图 出 北京工业大学工程硕士学位论文 图1 3 扫描头纵剖图 承 图1 4 扫描头横剖图 3o 第四章各功能部件的结构设计 由于上下两个胶辊都是主动转动的，在转动过程中和扫描管之间又有一定 的压力，因而对扫描管的磨损是不可避免的。在本机的设计中采用了限位轮来减 少这种磨损。 限位轮的结构如图1 3 所示，他是在胶辊的主体部分两侧加装两个滚动轴 承，外侧同样套上橡胶层。但是限位轮的橡胶层直径略大于胶辊橡胶的直径，这 样在没有信息卡通过时，胶辊和扫描管不接触。当有信息卡通过时，信息卡的厚 度刚好可以填补胶辊与扫描管之间的缝隙，胶辊可以压紧信息卡，这样既保证了 扫描质量，又可以带动信息卡顺利前彳亍。 限位轮处与扫描管的有效扫描范围之外，一般情况信息卡不会与之接触。 但如果发生意外的偏转，限位轮也可发生一定的转动，不会将信息卡卡死。 见图1 4 ，由于上下相体的齿轮选择为3 5 齿、模数为l m m ，所以其节圆直 径为3 5 m m ，由于两齿轮啮合，所以两齿轮中心距为c = 3 5 m m 。 取两个胶辊直径为x 1 = 2 1 m m ，由于它们与信息卡分别在上下两个方向相 切，信息卡的