（机械设计及理论专业论文）面向数字化印后设备的厚度检测仪与规格预置装置的研究.pdf

摘要 摘要 近年来，数字印刷在印刷市场发展迅速，出版行业越来越多地采用数字印刷 机以实现按需印制，能够实现个性化和可变数据印刷的数字印刷正大步进入电 信、邮政、交通、银行、证券和保险等需要进行个性化票卡印刷的领域。 印刷设备可分为印前、印刷、印后设备三个方面。在这三个方面中，印后设 箭的品种、规格、档次是最多的。数字印刷的印后设备主要有骑马装订机、折页 机和切纸机等。 本文介绍了数字印刷印后设备中厚度检测与规格预置装置的研究丌发。电涡 流传感器测厚仪主要用于骑马装订机中书刊厚度的检测，从而判断书刊是否缺页 或多页。在国内印刷装订机械生产厂家，厚度检测仪完全依赖进口。进口的厚度 检测仪不仅价格高，订货周期长。而且，检测仪器本身也存在性能方面的不足， 有时会出现检测不准确的现象，维护升级极为不便。 规格预置装置主要应用于折页机，它的作用是将己印制好的印刷品纸张按照 定方式折叠成所需要的规格。目前国内厂家生产的折页机设备都是采用手工操 作的方式进行纸张的规格预置，在国际上也仅有少数公司采用数字化自动控制。 国内使用的折页机采用由有经验的操作工人采用手工操作的方法，不断调试，根 据经验得出的纸张预置结果，这样做不仅浪费了人力、延误了工作时问，而且纸 张的控制精度不够准确。 本文洋细介绍了电涡流传感器和规格预置装置的研究开发过程，整个开发过 程包括硬件与软件的设计。我们所研制的电涡流传感器测厚仪经过现场实际检 测，能够准确检测出缺页或多页的书本，重复精度优于一页普通纸张厚度，满足 了用户的要求。目前，该仪器己成功应用于自动装订机生产线并批量生产。规格 预置装罱的实验室研发阶段已经完成，现场安装调试阶段尚未进行。 关键词数字印刷：电涡流式测厚仪：规格预置 a b s t r a c t a b s tr a c t i nr e c e n ty e a r s ，d i g i t a ip r i n t i n gi sd e v e l o p i n gv e r yr a p i d l xm o r ea n dm o r ed i g i t a l p r i n t i n gm a c h i n e sa r eu s e dt op u b l i c a t i o ni n d u s t r y f o rp o d ，d i g i t a lp r i n t i n gt h a t m a k e sp e r s o n a l i t ya n dv a r i e t yd a t ap r i n t i n gc o m et r u ei sr u n n i n gi n t ot e i e c o m 、p o s t 、 t r a f n c 、b a n ka n di n s u r a n c ed o m a i n p r i n t i n ge q u i p m e n t i sd i v i d e di n t o f r o n t 。p r e s s 、m i d p r e s s a n d p o s t p r e s s e q l l i p m e n t i nt h et h r e ew a y s ，t h ek i n d so fp o s t p r e s se q u i p m e n ta r et h em o s t d i g i t a l p “1 1 t i n gp o s t p r e s se q u i p m e n ti sm a i n l yd i v i d e da u t o m a t i cb o o k i n gm a c h i n e 、f o l d o u t m a c l l i n e 、 c u t t i n g p 印e rm a c h i n ea n ds oo n ak i n do ft h i c k n e s ss e n s i n ga n dak i n do fp r e f h b r i c a t e ds p e c i f i c a t i o ni n s t r u m e n t i 1 1t h ep o s t p r e s se q u i p m e n to fd i g i t a lp r i n t i n g a r ei n t r o d u c e di nt h i s p a p e l t h e t h i c k n e s ss e n s i n gi n s t r u m e n tw i t ht h ee d d yc u r r e n ts e n s o ri sm a i n l yu s e do na u t o m a t i c b o o k i n gm a c h i n e i t a n s w e r sf o r t h es e n s i n go ft h i c | 【i l e s so fp a p e rt oj u d g et h e ；n t e g r i t yo fp a p e r a tp r e s e n t ，t h et h i c k n e s ss e n s i n gi n s n m e n t se q u i p p e do n t h e d o l l l e s t i ca u t o m a t i cb o o k b i n d i n gm a c h i n er e l i e so ni m p o n i n gc o m p l e t e l y i tc o s t st o o 】l l c ha n dt a k e si o n gt i m e ，a n di “sd i 伍c u i tt om a i n t a i n t h ep r e f a b r i c a t e ds p e c i 矗c a t i o ni n s l r u m e n ti su s e do nf o l d o u tm a c h i n e a tp r e s e m ， t h cp r e f a b r i c a t e ds p e c i f i c a t i o ni sa c c o m p l i s h e db yh a n d w o r ko nt h ee q u i p m e n tb y m a n u f a c t u r e di nt h ed o m e s t i cf a c t o r y ，f e wc o m p a n i e sc a r r yo u ta u t o m a t i o ni ng l o b a l c o u n t r i e s t h i sw a yn o to n l yw a s t e so fm a n p o w e ra n dt i m e ，b u ta l s oi n f l u e n c e st h e p r e c i s i o no fp a p e rc o n t m l t h i sp 印e ra n a l y z e ss t u d yp r o c e s so fi nd e t a i lm et l l i c k n e s ss e n s i n gi n s t r u m e n t w i t ht h ee d d yc u e n ts e n s o ra n dt h ep r e f a b r i c a t e ds p e c i f i c a t i o ni n s t n l n l e n t ，t h a t i n c l u d e sm ed e s i g no ft 搬d 、v a r ea n ds o f h a r e b yt l l ep r a c t i c et c s t ，t l l et l l i c k n e s s s e n s i n gi n s m m l e n tc a nc h e c ko u tt h ed i s q u a l i f i c a d o np a p e lt h ep r e c i s i o ni sm o r e t l a nan o n n a lp 印e r ，m a tc o m e n t st h ec u s t o m e fa tp r e s e n t ，t b ei n s 价l i i l e n th a sb e e n a p p i i e dt ot h ep r o d u c ti i n eo fa u t o m a t i cb o o k b i n d i n gm a c h i n es u c c e s s f u l i y a n dt h e p r e f a b r i c a t e ds p e c 湎c a t i o ni n s t r u m e n th a sb e e na c c o m p l i s h e di nt h ei a b o r a t o r y b u ti t h a sn o tb e e nc h e c k e di nt h ef j c t o r y k e y w o r d sd i g i t a l p r i n t i n g ：e d d yc u r r e n ts e n s o rt h i c k n e s ss e n s i n gi n s t m m e n t p r e f a b c a t e ds p e c i f i c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文- i 不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京： 业人学或其它教行 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贞献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：圣 系 h 期：2 幺，主，左 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：型霾 导师签名幺畦吼幽 北意t 业人学坝 学位 仑义 第1 章绪论 1 1 选题的背景及意义 随着数字印刷技术的迅猛发展，数字印刷技术以其独特的优势越来越多地被 人们所接受，并广泛地应用于数码快印、政府办公文印和出版等领域。以富士施 乐、奥西、柯尼卡美能达、理光等为代表的数字印刷设各制造商纷纷推出适合不 同生产需求的黑白剥彩色数字印刷系统。 数字印刷是指将各种原稿( 文字、图像、电了文件、网络文件) 输入到计算 机中进行处理后，无需经过电分胶片输出、冲片、打样、晒p s 版等工序和时侧， 而直接通过光纤网络传输到c 、m 、y 、k 四色制版的一种新型印刷工艺。目前 大体上可分为两类：纯数字式彩色印刷机与数字式胶印印刷机( 也称印刷机上成 像系统) 。 印刷设备可分为印前、印刷、印后设备二个方面。在这三个方面中，印后设 备的品种、规格、档次是最多的。目前数字印刷设备供应商所提供的数字印刷系 统中，对于后端装订，通常有两种配置方案：一是数字印刷系统自带后端联机装 订设备( 主要是折页机、骑马订和切纸机等) ；二是在数字印刷主机之外配置 第三方的脱机装订设备( 可根据需求配置折页机、骑马订、胶订和切纸机等) 。 从目前的形势柬看，印后设备专业已受到各方面的重视，印后设备制造厂也 逐渐增多并力求满足使用者的需要，这是出好书的有力保证和条件，且发展空间 也非常大。现在国外一些老牌印后设备制造商，如马天尼，柯尔布斯、沃伦贝格、 斯塔尔、亚斯达、b 0 ( 宾德) 等都在向印后设备发起进攻，就连海德堡和曼 罗兰这些主要生产印刷机的厂商也在制造装订设备，且都在向中国市场延伸。其 原因：一是中国人多，出书量多市场大：二是我国印后设备制造企业还不能满足 市场需要和装订工艺变革的需要，所以才使得国外设备有机可乘。 近年来我国印后设备制造业也有了很大发展。北京北人集团就是国内印刷设 备制造厂家的代表之一。北人集团采用了与世界先进厂家合资合作，直接引进最 先进的技术与高水平产品和服务直接进入市场的发展策略，2 0 0 3 年北人集团与 r 本著名的印后设备制造厂家同本东京出版机械株式会社( 简称t s k 公司) ，按 照国际通用的o e m 方式签订协议，由只方提供平装联动线各主要部分，由“北 人一t s k ”品牌在中国市场上销售，此外北人集团还先后与闩本郡是公司，以色 列赛天使公司合资或合作，以此来提高北人集团印后产品的水平。 我所从事的课题就是与北人集团合作丌发的。电涡流厚度检测仪是我们研发 的厚度检测装置主要应用在骑马联动装订机上。骑马联动装订机，见图i 一1 所 的厚度检测装置主要应用在骑马联动装订机上。骑马联动装订机，见图i 1 所 第l 章结论 示，大体分为四个功能部分：搭页机、订书机、三面切书机、电气控制台。搭页 机丰要功能是承载书帖，检测错误书帖；订书机主要功能进行缺页检测，然后给 1 格的书刊订上骑缝钉不合格的书刊自动分离：三面切纸机的主要功能是将上 骑缝钉的书刊切书成型骑马联动机的这三个功能部分出电气控制台统一控制， 征一起协调工作。在骑马联动机的各个功能部分中，都存在相应的监测仪器，例 如在搭页机上面，就存在厚度检测仪，它主要负责书刊的厚度检测，从而判断 书刊是否缺页或多页。目前，在国内印刷装订机械生产厂家，厚度检测仪完全依 赖进口。进口的厚度检测仪不仅价格高，大约在1 力元左右，订货周期长。而且， 检测仪器本身也存在性能方面的不足维护升级极为不便。例如r 本某公司生 产川孕度检测仪，在检测书刊时，有时会出现缺四页纸竟然检测不出来的情况， 仃时会出现将书刊压出痕迹的情况。为了降低自动装订机的生产成本，在技术上 摆脱受制于人的局面，国内自动装订机生产厂家普遍要求国内能够研发出一种低 成本、高性能、维护升级便利的厚度检测仪。自动装订机厚度检测仪就是在这样 的背景下进行研发的。 幽卜ll q d l o 疆骑马装订联动机 f i g 1 一ll q d i oa u t o m a t ；cb o o k i n gm a c h i n e 规格预置装置主要应用于折页机，它的作用是将己印制好的印刷品纸张按照 定方式折叠成所需要的规格。目前国内厂家生产的折页机设备都是采用手工操 作的方式进行纸张的规格预置，在国际上也仅有少数公司采用数字化自动控制。 国内使用的折页机采用由有经验的操作工人采用手工操作的方法，不断调试，根 掘经验得出的纸张预置结果，这样做不仅浪费了人力、延误了工作时间，而且纸 张的控制精度不够准确。我们与北人集团合作，期待实现纸张规格预制由人工操 作到自动化操作的现代化改造，研制出一种控制精确，操作简单，现场调试和维 护方便，无需特别维护的自动化控制装置，向数字化折页机的方向迈进。 北京 y 业人学坝i 。学位论义 1 2 数字化印刷的特点及发展概况 1 2 1 数字化印刷的特点嘲 从定义的角度出发，数字印刷具有以下几个典型特征：第一，印刷过程是从 计算机到纸张或印刷品的过程；第二，最终影像的形成过程一定是数字式的，不 需要任何模拟过程或载体的介入：第三，印刷品信息是1 0 0 的可变信息，即相 邻输出的两张印刷品可以完全不样，甚至可以选择不同材质的承印物( 如果是 出版物的话，装订方式也可以不样) 。 数字印刷系统在基本构成上与传统印刷系统没有多大刁i 同，但作为种全数 字生产系统，它又有自己的特点： ( 1 ) 数字化环节贯穿了整个生产过程一一从信息的输入一直到印刷甚至装 订输出。 ( 2 ) 数字印刷把印前、印刷、印后融为一体，从系统控制的角度来看，它是 个无缝的全数字系统。数字印刷系统犹如一台“联合收割机”，系统的入口( 即 信息输入端) 是具有所需形态的多样化信息产品，如书、杂志、商业出版物、商 杯、卡片甚至包装类印刷品等。 ( 3 ) 数字印刷具备按需生产能力，即所有操作和功能都可根据需要进行预先 设定，然后由系统自动完成，从而生产出顾客需要的信息产品。 在数字印刷系统中，数字印刷机实际上就是一个高速硬拷贝转换系统，它负 责将数字页面高速转换成高品质的彩色硬拷贝及印刷品。另外系统对r i p 要求也 很高：因为数字印刷所处理的是1 0 0 的可变信息。输出分辨率也在提升，这就 要求i 己i p 应具有很高的数掘转换速度。 传统印刷生产要经过印前、印刷、印后以及销售过程中的仓储、运输等几个 环节，且这些环节均要依照严格的时间顺序。数字印刷却不然，它是一种建立在 “数字流程+ 数字媒体高密存储+ 网络传输”基础上的崭新生产方式。可以及 时根据用户的需要“定制”生产的各个环节一如果说传统印刷是“生产后再销售”， 则数字印刷就是“销售后再生产”。另外，数字印刷一旦与网络结合就可以构建 起一种全球范围内的按需生产和服务系统，从而更好的满足r 益普遍的个性化印 刷需要。数字印刷能接受计算机文件的输出印刷，并且对般的文档及图像首先 在计算机上进行编辑处理，然后输出印刷。数字印刷的数据来源可以直接从 i n t e m e t 获得，客户将自己的待印图文信息通过互联网传输给印刷专业公司，印 刷专业公司进行各种处理后，再通过互联网将其打印效果传给客户，如果客户满 意就可以直接上机印刷。数字印刷对文件的要求不高，能接受目前众多广告公司 设计人员习惯使用的m a c 机及p c 机各种格式文件，并能更方便、快捷地接收处 第1 章绪论 理远程信息。 数字印刷接收到客户的计算机文件后，可以通过快速的软硬件r i p 生成p s 文件直接印刷，也可以直接通过电分系统直接分色成四色胶片，经过晒板后再通 过普通印刷机进行印刷。数字印刷通常1 份印刷品处一二次样张，通过标准测试 条检测调试后，即可进行成品印刷，直接修改客户不满意的缺陷，方便而及时， 与传统的印刷工艺，包括输出电分片、打样、拼版、晒p s 版、上机等工序相比， 大大节省了时问和降低了部分制作成本。采用数字印刷工艺，平时三四天才能交 货的印刷品，几个小时即可交货。 1 2 2 数字化印刷的发展概况口1 在欧美国家，数字印刷f 以不同的方式进入包装领域。例如，数字印刷j 下在 与包括传统柔印和上光等其它工艺进行组合。p r e a t i g e 标签有限公司进入数字印 刷领域的原因就是他们相信标签印刷的绝大部分业务终将通过数字化实现。他们 购霹了h pi n d i 2 0w s 4 0 0 0 数字印刷机，进一步扩大了生产能力，该机承印材料 ，。泛，可在纸张、薄膜、铝箔和卡纸上进行七色印刷。由于进行可变数据印刷， 缩短了生产周期，使该公司能为客户提供更快、可多的服务，数字印刷增强了其 在已有市场中不同层次的竞争力。i n n o v a t i v ec r e a t i v ep a c k a g i n gs o l u t i o n s 公司的 核心业务是为药品及保健品业提供折叠纸盒。公司决定进入数字印刷领域，是因 为认识到传统印刷方式己无法满足客户的新需求。他们选择h pi n d i g ow s 4 0 0 0 ， 是因为其能够按需输出高质量标签，同时还具有其他许多独特功能。w s 4 0 0 0 使 该公司将中、短版业务与专色、防伪、图像变化、计数和个性化结合起来，除了 能够更好地为老客户服务外，新技术的多功能和节约成本的特性使公司更具竞争 力，从而进一步深入到一些新的目标市场中。 过去五年罩，总部设在美国亚特兰大的大型包装印刷公司砸m p a c k 一直不 断购置数字化印刷设备，目前数字化作业程度已达到8 5 至9 5 。由于该公司 以长版印刷为主，当客户要求短版印刷时，其采用的方式是同另一家全数字化印 刷公司w a s t o n 进行合作。w a s t o n 公司于近期安装了一台o m n i u s0 n es h o t 彩色 数字印刷机。用这台电脑直接印刷系统进行短版印刷，交货时阳j 短，印刷成本也 大大低于柔性版印刷。 预计在2 0 0 6 2 0 1 0 年，大多数的印刷企业将转向数字彩色印刷。海德堡公 司的一位执行官预计，在美国，数字彩色印刷机将以每年3 0 的速度增长，到 2 0 0 8 年将达到4 6 0 亿美元。 在国内，北大方丁f 作为国内i t 企业的龙头之一，引领着中国印刷数字化和 网络化的潮流。方f 电子始终专注于排版，该公司自主丌发的栅格图像处理器 北京t 业人学颅1 学位论义 ( r i p ) 和数字化工作流程凭借优异的功能成功地挺进国际市场。方正电子以 十余年的印刷出版技术和经验累积，凝聚成包括飞腾集成排版软件 方j f 世纪 r i p 、方f 字库全系列产品、方f 写真数码打样软件、数据库出版软件、印捷数 码印刷系统、蜴流印刷流程管理系统等在内的全系列印艺产品。现在北大方爪与 富士公司强强联手，结合方正惕流中文印艺工作流程在国内几十家知名企业的成 功应用经验，为国内优秀的印刷企业打造商业c t p 全新解决方案。 方正在出版印刷业有多年积累的优势技术，2 0 0 1 年1 1 月，方讵推出惕流印 刷流程管理系统。该系统涵盖了印前输出环节的所有产品和技术，完全采用业界 标准的丌放格式，运用了最先进的数据库和互联网技术，同时采用了幽际通用的 丌放的p d f 技术和j d f 规范，全而满足网络时代用户的新需求，是一套完善、 高效、稳定、可靠、可灵活扩展的数字化工作流程管理系统，在方正产品战略中 占有重要的地位。陔产品在国际s e y b o l dp d f 印刷 _ 作流程( 输出阶段) 大比 武中获得l o 个项目中的8 个满分，在国内更是势头强劲，在短短三三年的时间早 得到了不少客户的接受和认同。 虽然我国数字印刷技术取得了一定的进步，有关人士也一直在为发展数字印 刷呼吁，但我国数字印刷的应用推广仍然相当缓慢。数字印刷机也曾几度成为市 场的热点，但在应用上还是裹足不前，大部分数字印刷设备还处于试验、试用阶 段。目前只有东部沿海如上海，广州、深圳等经济较发达城市有定的需求量， 内地经济欠发达地区的需求量很少。数字印刷机昂贵的价格使众多用户望而却 步。根据印刷机的使用周期来看，欧洲5 7 年、美国4 年左右更换机器，但我 国很多厂家的印刷机常常是十几年都还没换，在旧机器能用的情况下添置新设 备，而短期内又无法看到利润回报况且现在技术更新的周期越来越短，今天巨 资购下的设备很可能在短时间内被成本更低、技术更新的新产品所淘汰，所以印 刷厂商在资金投入上犹豫不决。 1 2 3 印后设备的发展概况1 近几年印刷后装订设备越炒越烈，比起以往几十年大有转机，制造设备的厂 家也越来越多，发展极为迅速，市场竞争也逐同加剧，与此同时便给使用者提供 了更多的可选余地。 许多传统的印后企业已经注意到数字印刷市场是一个值得重视的市场， m u e l l e r m 缸i n i 公司就是几个针对数字印刷丌发专门的印后工艺的企业之一，该 公司的英国技术销售部主管d a v i d m o g i n l a y 对这一市场的广阔前景非常有信心， 该公司新的装订设备a m i g o d i g i t a l 是专为按需印刷市场设计的。m o g i n l a y 先生 晚，“如果你想要1 份，那么就l 份，不会有任何的浪费”。a m i g o 高达1 0 0 0 份 第l 章绪论 小时的速度足以应付市场上任何一台数字印刷机的印后加工速度的要求。 c p b o u 唱是另一家印后领域的大企业，在英国，c p b o u r g 的技术往往都是和 施乐( x e r o x ) 的设备一块出售的。许多年来，该公司一直为数字印刷市场提供 印后解决方案，其中，无线胶订引发了虽太的关注。 d u p b 也对丌发服务于数字印刷市场的印后工业很感兴趣。该公司新近推出 了几款微型配页系统，其中d f c l o 和d f c 1 2 是可编程型，具有很高的生产 效率。d u p b 还拥有其宣称是世界上第一台智能化的印后加工设备d o c u c u t t e r d c 一5 4 5 h c ，它是专为单色或多色数字印刷设计的，具有很多精妙的设计，比如可 以自动调整以补偿印刷图像的位移，那样当随后进行开槽、压痕、裁切时就不会 出错了，这不仅可以节省成本，还可以提高生产效率。 我国发展印后设备起步较晚。近年来虽说国产印后设备已经有了长足的进步 和发展，但我国印后设备的总体水平还比较落后。与国际先进水平比，还有不少 差距，主要表现在：效率低；功能少，灵活性差；自动化和质量监控水平较低； 产，端稳定性和可靠性有待提高。 印后设备的发展方向有方方西面，但最基本的是提高产品的自动化、智能化 水平，降低辅助时间。提高灵活性、稳定性和可靠性，从而达到提高实际使用效 率的最终目标。 1 3 论文的主要工作 本论文详细介绍了数字印刷印后设备中厚度检测与规格预置装置的研究开 发，涉及到产品的硬件及软件的开发。其中电涡流传感器测厚仪经过现场实际检 测满足了用户的要求，已成功应用于自动装订机生产线并批量生产。规格预置装 置的实验室研发阶段已经完成，现场安装调试阶段尚未进行。本论文的具体安排 如下： ( 1 ) 第一章为绪论。阐述了选题的背景及意义，对数字印刷的特点及发展概 况进行了详细介绍，同时对数字印刷印后设备作了重点介绍。 ( 2 ) 第二章为电涡流传感器测厚仪。对测厚仪的硬件电路进行了详细介绍， 重点分析了电路图中的振荡电路、调零电路等部分电路，分析了电涡流传感器、 显示芯片等硬件，同时对测厚仪的软件也进行了介绍。 ( 3 ) 第三章为电涡流传感器的整机组成及性能分析。介绍了测厚仪的组成及 操作方法。给出了测厚仪的定标方法。最后介绍了测厚仪的现场调试结果。 ( 4 ) 第四章为纸张预置栅栏控制系统。本章对控制系统的硬件及软件进行了 介绍。分析了该控制系统的控制功能，提出了两种控制方案。对方案中用到的容 栅传感器、步进电机等硬件进行了介绍。 北京1 ：业人学颂i ：学位论文 2 1 引言 第2 章电涡流传感器测厚仪 硬件是仪器工作的平台，硬件的性能从根本上决定着仪器的性能，所以，在 世件设计之初，一定要做认真细致地分析。对于模拟电路，要求对设计的电路作 出理论上的分析。对于数字电路，要求保证逻辑完备、时序f 确和驱动能力足够， j ：h 尽量减小数字高频对其它电路产生的干扰。 编制软件，最重要的事情是保证软件可靠。由于软件是逻辑产品，是人的逻 辑思维的体现，所以，保证软件的可靠性，也就是要求软件逻辑的完备性。在软 件设计之初，就应当采用各种设计工具，将软件逻辑一层一层表达清楚。其次， 篮保证软件易于修改、升级和维护。在软件版本定型之前，对软件的修改是经常 的，软件不仅要求逻辑完备，而且要求结构合理，爿+ 能易于修改、升级和维护。 本章将对测厚仪的硬件和软件的设计作详细的分析。 2 2 单片机控制系统和电路设计软件 2 2 1 单片机控制系统瓯6 1 单片机系统是控制电路板的核心。单片机是在一块硅片上集成了中央处理器 ( c p u ) ，存储器( r a m ，r o m ，e p r o m ) 和各种输入、输出( 定时器，计数 器，并行i o 口，串行口，a d 转换器以及脉冲调制器p w m 等) ，这样一块芯 片具有一台计算机的功能，因而被称为单片微型计算机。m c s 一5 1 系列单片机 的引脚图如图2 1 所示。 幽2 1m c s 一5 l 的引脚幽 f i g2 一l m c s 一5 1p a c k a g et y p e 第2 章l u 涡流传感器测厚仪 单片机的发展历史可划分为四个阶段： 第一阶段( 1 9 7 4 一1 9 7 6 年) ：单片机初级阶段。因工艺限制，单片机采用双 片的形式而且功能比较简单。例如仙章公司生产的f 8 单片机，实际上只包括了 8 位c p u 、6 4 个字节r a m 和2 个并行口。因此，还需要一块3 8 5 1 ( = | l k r o m 、 定时器计数器和2 个并行i o 构成) 才能组成一台完整的计算机。 第二阶段( 1 9 7 6 一1 9 7 8 年) ：低性能单片机阶段。以i n t e i 公司制造的m c s 一4 8 单片机为代表，这种单片机片内集成有8 位c p u 、并行i oi 、8 位定时器 汁数器和r o m 等但是不足之处是无串行口，中断处理比较简单，片内r a m 和r o m 容量较小且寻址范围不大于4 k 。 第三阶段( 1 9 7 8 一现在) ：高性能单片机阶段。这个阶段推出的单片机普遍 带有串行i o 口，多级中断系统，1 6 位定时器计数器，片内r o m 、r a m 容 量加大，且寻址范围可达6 4 k 字节，有的片内还带有a d 转换器。这类单片机 的典型代表是：i n t e i 公司的m c s 一5 l 系列、m o r t o h d l a 公司的6 8 0 l 和z i l 0 2 公司 的z 8 等。由于这类单片机的性能价格比高，所以仍被广泛应用，是日f j i 应用数 量较多的单片机。 第四阶段( 1 9 8 2 现在) ：8 位单片机巩固发展及1 6 位单片机、3 2 位单片机 推h 阶段。此阶段的主要特征是一方面发展1 6 位单片机、3 2 位单片机及专用型 单片机：另一方面不断完善高档8 位单片机，改善其结构，以满足不同的用。需 要。1 6 位单片机的典型产品如i n t e l 公司生产的m c s 一9 6 系列单片机，其集成 度已达1 2 0 0 0 0 管子片，主振为1 2 m h z ，片内r a m 为2 3 2 字节，r o m 为8 k 字节，中断处理为8 级，而且片内带有多通道1 0 位a ，d 转换器和高速输入输 出部件( h i s h s o ) ，实时处理的能力很强。而3 2 位单片机除了具有更高的集成 度外，其主振已达2 0 m h z ，这使3 2 位单片机的数据处理速度比1 6 位单片机增 快许多，性能比8 位、1 6 位单片机更加优越。 单片机的发展趋势将是向大容量、高性能化，外围电路内装化等方面发展。 为满足不同的用户要求各公司竞相推出能满足不同需要的产品。 2 2 1 1c p u 的改进 ( 1 ) 采用双c p u 结构，以提高处理能力。 ( 2 ) 增加数据总线宽度，单片机内部采用1 6 位数据总线，其数据处理能力 明显优于一般8 位单片机。 ( 3 ) 采用流水线结构。指令以队列形式出现在c p u 中，且具有很快的运算 速度。尤其适合于作数字信号处理用。 ( 4 ) 串行总线机构。目前许多公司积极开发i i c 总线类产品。 北京下业人学坝_ 学位论义 2 - 2 1 2 存储器的发展 ( 1 】加大存储容量。新型单片机内r o m 一般可达4 k 字节至8 k 字节，r a m 为2 5 6 个字节。有的单片机片内r o m 容量可达1 2 8 k 字节。 ( 2 ) 片内e p r o m 丌始e e p r o m 化。片内e p r o m 出于需要高压编程写入， 紫外线擦抹给用户带柬不便。采用电改写的e e p r o m 后，不需紫外线擦抹，只 需霹新写入。特别是能在+ 5 v 下读写的e e p r o m ，既有静态r a m 读写操作简 他又有在掉电时数据不会丢失的优点。片内e e p r o m 的使用不仅会对单片机 结构产生影响而且会大大简化应用系统结构。 、 由于e e p r o m 中数据写入后能永久保持，因此，有的单片机将它作为片内 r a m 使用，甚至有的单片机将e e p r o m 用作片内通用寄存器。 ( 3 1 程序保密化。一般e p r o m 中的程序很容易被复制。为防止复制，某些 公司开始采用k e p r o m ( k e y e d a c e s s e p r o m ) 编程写入，有的则对片内e p r o m 或e e p r o m 采用加锁方式。加锁后，无法读取其中的程序。若要去读，必须抹 去e e p r o m 中的信息，这就达到了程序保密的目的。 22 1 3 片内i o 的改进 - 般茚片机都有较多的并行i 。以满足外围设备、芯片扩展的需要，并配有 “；行口，以满足多机通信功能的要求 f 1 ) 增加荠行口的驱动能力。这样可减少外部驱动芯片。有的单片机能直接 输出大电流和高电压，以便能直接驱动l e d 和v f d ( 荧光显示器) 。 f 2 1 增加i o 口的逻辑控制功能。大部分单片机的的都能进行逻辑操作。 中、高档单片机的位处理系统能够对i ，o 进行位寻址及位操作，大大的加强了i ，o 口线控制的灵活性。 ( 3 ) 有些单片机设置了一些特殊的串行接口功能，为单片机构成网络和系统 提供了方便条件。 2 2 1 4 外围电路内装化 随着集成度的不断提高，有可能把众多的外围功能器件集成片内。这也是单 片机发展的重要趋势。除了一般必须具有的r o m 、r a m 、计时计数器、中断 系统外，随着单片机档次的提高，以适应检测、控制功能更高的要求，片内集成 的部件还有模数转换器、数模转换器、d m a 控制器、中断控制器、锁相环、 频率合成器、字符发生器、声音发生器、c r t 控制器、译码驱动器等。 由于集成工艺在不断发展，能装入片内的外围电路也可以是大规模的，把所 需的外嗣电路令部装入单片机内，即系统的单片化是目前单片机发展趋势之一。 第2 章i u 涡流传感器测厚仪 2 2 1 5 低耗化 8 位单片机中有二分之一的产品已c m o s 化，c m o s 芯片的单片机具有功耗 小的优点，为了充分发挥低功耗的特点，这类单片机普遍配置有w a i t 和s t o p 两种 工作方式。 单片机以其卓越的性能，得到了广泛的应用，已深入到各个领域。单片机应 用在检测、控制领域中，具有如下特点： ( 1 ) 小巧灵活、成本低、易于产品化。他能方便地组装成各种智能式测、控 设备及各种智能仪器仪表。 ( 2 ) 可靠性好，适应温度范围宽。单片机：签片本身是按工q k 测控环境设计的， 能适应各种恶劣的环境，这是其它机种无法比拟的。 ( 3 ) 易扩展，很容易构成各种规模的应用系统，控制功能强。单片机的逻辑 控制功能很强，指令系统有各种控制功能用命令。 ( 4 ) 可以很方便的实现多机和分布式控制。 我们选用的单片机的型号为a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 5 w d 。浚型号单片机除 与m c s 一5 1 单片机兼容外，与其它类型单片机相比，它还具有以下主要内部资 源： ( 1 ) 提供2 0 k 的可编程的f l a s h 程序存储r o m 空间，可重复擦写次数达 到l o o o 次，它的程序空间较大，一般情况下，不用添加外部r o m 。 ( 2 ) 自带硬件看门狗定时器。在实际应用中，看门狗是必不可少的抗电磁干 扰、防止软件进入死循环的硬件电路。要激活a t 8 9 c 5 5 w d 的看门狗功能，对相 应的特殊功能存储器w d t r s t ( 数据存储器地址o a 6 h ) 顺序写入0 e l h 和0 1 e h 即可。看门狗功能激活时就是看门狗定时器被清零的时刻。一旦看门狗功能被激 活，看门狗定时器就会在每个机器周期加l ，直到计数超过8 1 9 ，产生溢出后对 单片机硬件复位。复位后看门狗功能被停止，直到执行激活语句时看门狗定时器 又从零开始计数。 上述单片机附加资源，降低了电路的复杂性，同时也降低了成本。 2 2 2 电路设计与制版软件一p r o t e l 9 9s e 7 川 进入9 0 年代以来，计算机技术取得了令人瞩目的成就。硬件的整体性能几乎 呈几何级数增长，软件领域也以w i n d o w 操作系统对个人电脑世界的统治为标志 发生着深刻的变革。众多软件厂商纷纷推出了d o s 软件的w i n d o w s 版本，p r o t e l 北京t 业人学坝i ：学位论文 t e c h n o i o g y 公司也与1 9 9 1 年推出p r o t e lf o rw i n d o w s2 0 、p r o t e lf o rw i n d o w s3 o 、 p r o t e l9 8 等产品，直到现在的最新版本，也就是p r o t e l9 9 。这些软件一直以简便 的操作、强大的功能受到广大用户的青睐。p r o t e l9 9 继续保持了p r o t e lt e c h n o l o g y 公司的革新传统，比起p r o t e l9 8 ，他在许多方面都有大幅度的提高它具有极为全 面的工具、以及设计项目的组织功能，使用户可比以往任何时候更轻松地驾驭电 子线路设计的全过程。p r o t e l 软件的良好信誉以及p r o t e l9 9 的卓越表现使之很快 成为众多e d a 用户的首选软件。 p r o t e l 可以快捷、高效、准确地完成电子线路的设计工作，还有完善的自动 巾硒、逻辑检测、逻辑模拟等功能。p m t e l9 9s e 主要有两大部分组成： 原理图设计系统：它主要用于电路原理图的设计，为印制电路板的设讨打好 i l ；。 印制电路板系统：它主要用于印制电路板的设计，产生最终的p c b 文件， j ! j ：接联系到印制电路板的生产。 与以前的版本相比，p r o t e l9 9s e 新增了许多新技术和新特性。 f 1 1s m a r t d o c 技术：设计者可以将一个电路设计的所有文件全部存储在唯一 的改计数据库中，使文档的管理更加方便。 f 2 1s m a n t o o l s 技术：p r o t e l9 9s e 的所有工具都可以通过设计管理器访问， 比f | | 没计者可以在改计p c b 是编辑原理图，也可以在原理图绘制时观察仿真的 结粜。并且，通过0 l e 技术，可以在设计管理器中直接编辑m i c r o s o rw o r d 、 e x c c i 和v i s i o 等文件。 ( 3 ) s m a r tt e a m 技术：设计者可以定义设计数据库访问成员的权限，更有效 地进行设计文档的交流。 f 4 ) 混合信号仿真工具：p r o t e l9 9s e 含有一个全新的模拟数字仿真器。 f 5 1 信号完整性分析工具：p r o t e l9 9s e 集成了信号完整性分析工具，精确的 模型和板级分析，保证设计者一次设计成功。 ( 6 ) 同步设计工具：使用p r o t e l9 9s e 的智能同步设计可以轻松地实现原理 图和p c b 之问的设计直接更新。不必使用网络表文件，就可以将设计信息从原 理图传向p c b 。 2 3 硬件的工作原理 测厚仪的主要功能是检测出待装订印刷品的厚度值与标准厚度值的差值，如 果差值在允许范围之内，说明没有出现多页或少页现象，则进入下步工序将所测 印刷品进行装订；如果差值在允许范围之外，说明出现多页或少页现象，则通知 上位机将陔印刷品剔出。测厚仪的工作原理框图如图2 2 所示，在这单只涉及到 第2 章i 也涡流传感器测厚仪 时向通道，后向通道主要是显示电路部分，连接l e d 、报警灯等负载。测厚仪 的详细电路图见附录。它的工作原理是这样的：对应于不同厚度由振荡电路部分 得到的电压信号是不同的，该电压信号是交流信号，再通过整流滤波电路，得 整 。_ 。_ _ 基 赢 放胃 “嚣 嚣 连 大 震 灶 蠢 浚 电 电 f理 藏 电 路路 转 嚣 电 路_ 换 路 _ 。_ _ 幽2 2测j 早仪。r 作原理例 f i g 2 2 f u n c t i o np r i n c i p l eo ft h i c k n e s ss e n s i n gi n s t r u i n e n t 到氲流电压信号：通过放大电路将浚直流电压信号放大，再通过调零电路后，经 过v f 转换电路将电压信号转换为微处理器所能识别的频率信号：最后将频率信 号传送到微处理器。即不同的厚度对应不同的电压，不同的电压又对应不同的频 率，微处理器将根据频率计算所得的厚度值送到l e d 进行显示。 2 4 硬件主要功能部分的设计与实现 2 4 1 测量方式的选择 目前，对金属覆盖层厚度的测量方法四“”主要有阳极溶解库仑法、轮廓尺 寸测量方法、x 射线光谱测量法、口射线反向散射法、横断面厚度显微镜测量方 法、磁性法；对铝和铝合金阳极氧化膜厚度的测量方法主要有重量法、分光束显 微法、涡流法；对复合金属覆层厚度的测量方法主要有金相法、x 荧光法、容量 法、重量法、x 射线光谱测量法等。其中，能够无损检测覆盖层厚度的方法为磁 性会属基体上非磁性覆盖层厚度测量的磁性方法、非磁性金属基体上非导电覆盖 层厚度测量的涡流方法、x 射线光谱测量法和射线反向散射法。 x 光测厚仪的原理是这样的：光电效应是x 光测厚仪测量的理论基础，光 电式传感器将光量的变化转变为电量变化。当x 光投射到被测物后，一部分射 线为被测物吸收，一部分射线穿过被测物，穿过被测物质后的射线强度，在物质 成分一定的情况下，和被测物的厚度和密度有关，若被测物的密度为已知时，则 可以根据射线强度来测出被测物质的厚度。 射线测厚原理如下：同位素辐射源在容器内以一定的立体角放出卢射线， 北京 j 业人学顺i ：学位论义 当射线传过薄膜后辐射强度被探测器( 电离室) 接收，电离室输出电离电流， 其犬小与进入电离室的辐射强度成f 比。从测得的辐射通量强度值，可获得厚度 的人小。 磁性法测量原理为：当测头与覆盖层接触时，测头的磁头与磁型金属基体构 成一个闭合磁路，由于非磁性覆盖层的存在，使