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曲面印刷机光电对版自动控制系统设计【机械函授自考毕业设计含说明书+CAD图纸】

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图

PLC控制线路图.dwg

电器安装接线图.dwg

电控柜电器元件布置图.dwg

指令表

PLC10指令表.dwg

PLC11指令表.dwg

PLC9指令表.dwg

梯形图

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关键词：: 曲面印刷机光电对于自动控制系统设计机械函授自考毕业设计说明书仿单 cad 图纸

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图

开题报告.doc

指令表

设计说明书.doc[16000字，70页]

梯形图

英文文献

曲面印刷机光电对版自动控制系统设计

摘要：本课题研究的是光电对版自动控制系统，这个系统的设计是处理现有曲面印刷机尤其是高速曲面印刷机不能实现自动套色对版的问题,使曲面印刷机提高对版精度、印刷速度和质量，缩短对版时间，减少材料浪费，由此来提高生产效率。

光电对版自动控制系统由PC机、PLC控制器、三菱PLC系列定位模块、步进驱动器、步进电机、旋转光电编码器、CCD摄像机、版辊、大胶辊和斜齿轮等组成。在相应软件的支持下进行与标准模板比较分析、运算以及逻辑判断后，向PLC控制器发出偏差指令。由PLC控制器进行PID的控制计算，并且对执行机构-步进电机输出控制量，调整版辊相对位置，来实现动态自动对版。

关键词：曲面印刷机；PLC控制器；PID控制算法；步进电机；自动对版

The Design of Photoelectric Version’s Automatic Control System for Surface Printing Machine

Abstract:This paper set up an automatic control system of photoelectric overprint, which is designed to solve the problems that the existing surface printing can not achieve automatic colorprocessing and overprinting,especially in high-speed surface printing,and make the surface printing to improve overprinting accuracy, printing speed and quality, and reduce the overprinting time and the waste of materials, thereby improving production efficiency.

The automatic control system of photoelectric overprinting consists of a PC, PLC controller, Mitsubishi PLC series positioning modules, stepper drives, stepper motors, rotary optical encoders, CCD camera, Roller, a large rubber roller and helical gears and other components.Under the corresponding software supporting,it compara ,analysis operaty and logic judgment with standard templates,then sends the deviation commands to the PLC controller.For the dynamic automatic overprinting,the PLC controller carry out the PID control calculateing, and output control volume to the implementing agencies - Stepper motor to adjust the relative position of roller.

Key words:surface printing；PLC controller；PID controlalgorithm；stepper motor ；overprinting

摘要 I

Abstract II

目录 III

1 引言 1

1.1 曲面印刷机简介 1

1.2 曲面印刷机的技术特色 1

1.3 曲面印刷机的发展状况及未来的前景 1

1.3.1 发展状况 2

1.3.2 未来的市场 3

1.4 本课题的设计内容和意义 3

2 版辊的机械传动结构介绍 5

2.1 套准驱动装置 6

2.2 芯轴、内轴套与版辊轴 7

2.3 齿轮结构的介绍 8

3 对版控制系统各部件的原理介绍和选型计算 11

3.1 步进电动机和步进驱动器 11

3.1.1 步进电动机的原理和选择 11

3.1.2 驱动器的原理和选择 14

3.1.3 检验系统的参数选择并确定驱动器的细分数 16

3.2 定位控制模块 18

3.3 FX-2N系列PLC扩展单元 20

3.4 FX-2N串行通信扩展板 21

3.5 旋转光电编码器 22

3.6 CCD工业相机 23

4 电气控制系统线路图 24

4.1 PLC控制线路图 25

4.2 电控柜电器元件布置图 25

4.3 电器安装接线图 25

4.4 控制面板的设计 29

5 自动对版控制系统软件设计 31

5.1 编程软件和仿真软件 31

5.2 梯形图 32

5.3 指令表 40

6 总结 42

参考文献 43

致谢 45

附录A 46

附录B 60

PLC9指令表.jpg

PLC10指令表.jpg

PLC11指令表.jpg

PLC控制线路图.jpg

电控柜电器元件布置图.jpg

电器安装接线图.jpg

目录.jpg

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字数.jpg

内容简介：: 世界最新机械设计理念来源 :中国科技期刊摘要 :根据目前国内外设计学者进行机械产品设计时的主要思维特点，将产品方案的设计方法概括为系统化、结构模块化、基于产品特征知识和智能。这几种方法的特点及其相互间的有机联系，提出产品方案设计计算机实现的努力方向。关键词：机械产品方案设计方法发展趋势设计文件是将语义设计网作为设计工具，在其开发的活性语义设计网用结点和线条组成的网络描述设计，结点表示元件化的单元 (如设计任务、功能、构件或加工设备等 )，线条用以调整和定义结点间不同的语义关系，由此为设计过程中的所有活动和结果预先建立模型，使早期设计要求的定义到每一个结构的具体描述均可由关系间的定义表达，实现了计算机辅助设计过程由抽象到具体的飞跃。系统化设计方法系统化设计方法的主要特点是：将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统，每个设计要素具有独立性，各个要素间存在着有机的联系，并具有层次性，所有的设计要素结合后，即可实现设计系统所需完成的任务。系统化设计思想于 70 年代由德国学者授提出，他们以系统理论为基础，制订了设计的一般模式，倡导设计工作应具备条理性。德国工程师协会在这一设计思想的基础上，制订出标准术系统和产品的开发设计方法。 1. 将用户需求作为产品功能特征构思、结构设计和零件设计、工艺规划、作业控制等的基础，从产品开发的宏观过程出发，利用质量功能布置方法，系统地将用户需求信息合理而有效地转换为产品开发各阶段的技术目标和作业控制规程的方法。 2. 将产品看作有机体层次上的生命系统，并借助于生命系统理论，把产品的设计过程划分成功能需求层次、实现功能要求的概念层次和产品的具体设计层次。同时采用了生命系统图符抽象地表达产品的功能要求，形成产品功能系统结构。 3. 将机械设计中系统科学的应用归纳为两个基本问题：一是把要设计的产品作为一个系统处理，最佳地确定其组成部分（单元）及其相互关系；二是将产品设计过程看成一个系统，根据设计目标，正确、合理地确定设计中各个方面的工作和各个不同的设计阶段。由于每个设计者研究问题的角度以及考虑问题的侧重点不同，进行方案设计时采用的具体研究方法亦存在差异。下面介绍一些具有代表性的系统化设计方法。 4. 设计元素法用五个设计元素（功能、效应、效应载体、形状元素和表面参数）描述“产品解”，认为一个产品的五个设计元素值确定之后，产品的所有特征和特征值即已确定。我国亦有设计学者采用了类似方法描述产品的原理解。 5. 图形建模法研制的“设计分析和引导系统” 层次清楚的图形描述出产品的功能结构及其相关的抽象信息，实现了系统结构、功能关系的图形化建模，以及功能层之间的联接。将设计划分成辅助方法和信息交换两个方面，利用息分析方法可以采用图形符号、具有内容丰富的语义模型结构、可以描述集成条件、可以划分约束类型、可以实现关系间的任意结合等特点，将设计方法解与信息技术进行集成，实现了设计过程中不同抽象层间信息关系的图形化建模。 6. “构思” “设计”法将产品的方案设计分成“构思”和“设计”两个阶段。“构思”阶段的任务是寻求、选择和组合满足设计任务要求的原理解。“设计”阶段的工作则是具体实现构思阶段的原理解。将方案的“构思”具体描述为：根据合适的功能结构，寻求满足设计任务要求的原理解。即功能结构中的分功能由“结构元素”实现，并将“结构元素”间的物理联接定义为“功能载体”，“功能载体”和“结构元素”间的相互作用又形成了功能示意图 (机械运动简图 )。方案的“设计”是根据功能示意图，先定性地描述所有的“功能载体”和“结构元素”，再定量地描述所有“结构元素”和联接件 (“功能载体” )的形状及位置，得到结构示意图。助于由他定义的“总设计单元 (、“结构元素 (、“功能结构元素 (、“联接结构元素 (、“结构零件 (、“结构元素零件 (等概念，以及描述结构元素尺寸、位置和传动参数间相互关系的若干种简图，把设计专家凭直觉设计的方法做了形式化的描述，形成了有效地应用现有知识的方法，并将其应用于“构思”和“设计”阶段。 7. 键合图法将组成系统元件的功能分成产生能量、消耗能量、转变能量形式、传递能量等各种类型，并借用键合图表达元件的功能解，希望将基于功能的模型与键合图结合，实现功能结构的自动生成和功能结构与键合图之间的自动转换，寻求由键合图产生多个设计方案的方法。提倡在产品功能分析的基础上，将产品分解成具有某种功能的一个或几个模块化的基本结构，通过选择和组合这些模块化基本结构组建成不同的产品。这些基本结构可以是零件、部件，甚至是一个系统。本结构应该具有标准化的接口 (联接和配合部 )，并且是系列化、通用化、集成化、层次化、灵便化、经济化，具有互换性、相容性和相关性。我国结合软件构件技术和术，将变形设计与组合设计相结合，根据分级模块化原理，将加工中心机床由大到小分为产品级、部件级、组件级和元件级，并利用专家知识和同规格的功能模块，再由这些功能模块组合成不同的加工中心总体方案。以设计为目录作为选择变异机械结构的工具，提出将设计的解元素进行完整的、结构化的编排，形成解集设计目录。并在解集设计目录中列出评论每一个解的附加信息，非常有利于设计工程师选择解元素。网络技术的蓬勃发展，异地协同设计与制造，以及从用户对产品的功能需求设计加工装配成品这一并行工程的实现成为可能。但是，达到这些目标的重要前提条件之一，就是实现产品方案设计效果的三维可视化。为此，不仅三维图形软件、智能化设计软件愈来愈多地应用于产品的方案设计中，虚拟现实技术以及多媒体、超媒体工具也在产品的方案设计中初露锋芒。目前，德国等发达国家正着力于研究超媒体技术、产品数据交换标准及标准虚拟现实造型语言上基于虚拟环境的标准交换格式 )在产品设计中的应用。机械产品的方案设计正朝着计算机辅助实现、智能化设计和满足异地协同设计制造需求的方向迈进，由于产品方案设计计算机实现方法的研究起步较晚，目前还没有成熟的、能够达到上述目标的方案设计工具软件。作者认为，综合运用文中四种类型设计方法是达到这一目标有效途径。虽然这些方法的综合运用涉及的领域较多，不仅与机械设计的领域知识有关，而且还涉及到系统工程理论、人工智能理论、计算机软硬件工程、网络技术等各方面的领域知识，但仍然是产品方案设计必须努力的方向。国外在这方面的研究已初见成效，我国设计学者也已意识到其应当采取的措施。基于产品特征知识设计方法的主要特点是：用计算机能够识别的语言描述产品的特征及其设计领域专家的知识和经验，建立相应的知识库及推理机，再利用已存储的领域知识和建立的推理机制实现计算机辅助产品的方案设计。机械系统的方案设计主要是依据产品所具有的特征，以及设计领域专家的知识和经验进行推量和决策，完成机构的型、数综合。欲实现这一阶段的计算机辅助设计，必须研究知识的自动获取、表达、集成、协调、管理和使用。为此，国内外设计学者针对机械系统方案设计知识的自动化处理做了大量的研究工作，采用的方法可归纳为下述几种。 s to at to of of as on of of to ey eb as a of eb of to a of or ), to of of so of to of be a to of a as by of of a of of an is to in 0s by on a of on of to a as a on of of to of of of as a be of to of of At of of of of to be as a ; is as a to a of s of to to a is of a to of of of to s a of of a s to of 2be to be of of be a be as be of be in of to to of - s is in of is to to of of of is a of of s In to of of of by to of of a of is on of of , to be 3. H. by of he as , , , , , as of a of of a a of of of of of be as of to to to by a of on of or by of of be or a a is of AD to of be AD to by of of a as an of by of a of in on in is to of as as s of of an to is to of To in is on as as on a in is in of to of to on to 4. of of is an to of in of to it is be in AD of to be of he to of in of to of of to is on of a in of to of of To of To at of a of be 毕业设计任务书 1毕业设计课题的任务和要求：悉曲面印刷机的结构和工作原理；了解轮转凸版印刷技术；成“光电对版自动控制系统”的硬件系统设计、步进电机驱动控制程序以及基于测量误差的自动对版控制程序；用三菱可编程控制器及步进电机等，采用制算法，实现“曲面印刷机”的光电对版自动控制，并编制制程序（梯形图及指令清单），并进行仿真模拟；成操作面板、控制柜及电器件配置设计，完成控制柜布线图；写毕业设计说明书。 2毕业设计课题的具体工作内容（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：考方案：参考专利名称：全自动曲面印刷机，专利号：可自动对版的高速曲面印刷机，专利号：附图 1 主机示意图附图 2 整机布局图字化模型的可控参数包括：主机运行速度： 240 杯 /分钟，最高运行速度 300 杯 /分钟；析计算内容包括：驱动步进电机功率计算 ,选型；对版自动控制系统响应速度设计计算。制精度：轴向、周向均为毕业设计任务书 3 对毕业设计课题成果的要求包括毕业设计、图纸、实物样品等 )：提交分析计算报告；提交自己绘制的设计图纸（电控柜及布件图、电气原理接线图、控制程序等，相当于一张）。提交毕业设计说明书一份（包括相关内容的外文文献的翻译一份）；提交计算机设计资料的光盘（包括说明书和全部附图）。 4毕业设计课题工作进度计划：起迄日期工作内容 2016 年 2 月 29 日 3 月 18 日 3 月 19 日 3 月 21 日 3 月 22 日 4 月 20 日 4 月 20 日 5 月 01 日 5 月 01 日 5 月 20 日 5 月 20 日 5 月 25 日 5 月 25 日 5 月 31 日 6 月 01 日 6 月 05 日查阅文献，消化资料 ,确定设计方案，撰写开题报告；提交并检查开题报告（参考文献 15 篇以上 ,英文 5 篇）；控制系统设计，序编制，完成工程图；完善设计，翻译英文文献一份（约 10 页）；撰写毕业设计说明书，整理、打印资料；提交设计说明书，导师审核，完善修改；提交正式设计说明书，专家评阅；论文答辩学生所在系审查意见：同意下发任务书系主任： 2016 年 2 月 29 日毕业设计开题报告 1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文献综述：文献综述全自动曲面印刷机是一种用于食品和化妆品等灌装容器外表面彩色印刷的高效率设备，采用凸版轮转胶印技术，属于机电一体化高新技术产品。全自动曲面印刷机的研制成功，填补了国内空白，缩短了我国包装容器高速彩色印刷技术与发达国家的差距，批量投入市场，取得了较大的经济效益和社会效益。特别是可自动对版的高速曲面印刷机专利技术，实现光电检测自动对版，可使曲面印刷机的速度提高 30%以上，而且对版速度快，对版精度更高、更节能，对于提升我国印刷机械技术，具有重要的意义 1。除此之外，随着印刷机械的自动化、数字化印刷工作流程的不断更新和完善，印刷技术创新层出不穷，印前创新技术、印刷创新技术 ,印后创新技术都得到快速的发展 2 面印刷机的技术特色版辊和墨辊箱成组地卫星式分布于大胶辊周围，完成图案套印任务；采用涡形凸轮间歇传动机构，驱动八工位料盘完成印品的间歇移动和印刷任务；使用偏心机构实现大墨辊与版辊之间以及版辊与大胶辊之间的版压调整，由气缸驱动间歇传动箱体，通过调整气路压缩空气，控制大胶辊与印杯之间的接触印刷压力；以保证印刷图案再现性和清晰度；主机由一台电机驱动，采用单一传动链，实现各部位之间的同步运转；八工位料盘的右、上、左和下各工位分别按顺序完成上杯、前处理、印刷和下杯工序；在涡形凸轮轴上安装光电编码器，实现各部位气动元件电磁阀的时序控制；采用版夹将以调整安装位置和张力；采用无杯不印快速控制技术，确保印刷过程中上杯失败时，油墨不污染模头；采用析色标位置误差，由快速消除误差，实现自动对版。面印刷机的工作原理和组成结构作原理曲面印刷机包括其上固定有转印橡皮布的大胶辊、与大胶辊配合的各色版辊总成、与大胶辊配合的料盘以及安装在其上的模把、驱动大胶辊、料盘旋转的主传动轴系；版辊总成包括其上依次套有内轴套和外轴套的心轴，心轴的外轴套上套有版辊和周向调节斜齿轮装置，周向调节斜齿轮与版辊之间联接有导杆，版辊总成还包括穿过心轴且与心轴固定的心轴销，心轴销的两端穿过内轴套和外轴套上的孔与周向调节斜齿轮装置滚动，版辊总成还包括内轴销，该内轴销两端穿过内轴套并且与内轴套固定、再穿过外轴套上的孔与版辊固定，大胶辊转动，各色版辊在大胶辊的转印橡皮布上套色，然后转印到模把上的承印物上 4。成结构全自动曲面印刷机，包括有轮转印刷机构和传动机构等，其整体布局如图 1 所示，系统组成说明如下 5： A：轮转印刷机构包括有大胶辊 (4)，墨辊箱 (2)，版辊 (1)版辊及墨辊箱成组地沿大胶辊圆周呈卫星式分布，最多可装六组，墨辊箱内布置一套包括大墨辊 (23)的传墨辊系； B：轮转机构切向位置设置有料盘机构，料盘（ 6)上均布装有最多 6 个模把 (5)、料盘 (6)装在蜗形凸轮间歇传动箱 (7)上并由其驱动作分度运动。传动箱 (7)经万向轴 (11)与轮转印刷机构联动，由一只主电机驱动形成主传动链； C：轮转机构上的大胶辊 (4)；版辊 (1)经及墨辊箱内的墨轮系均通过变速轮与主传动链相联作同步运转； D：料盘 (6)上 A 点工位为上料工位，其正前方装有四螺头上杯机构 (61)， C 点为前处理工位， C 点工位模把下方装有电火花处理器或火焰处理器，其上方装有模把驱动平皮带， E 点为印刷工位，此处大胶辊 (4)与模把 (5)接触对滚使胶辊上的彩色图案印在模把上的印刷物外周曲面上， G 点工位模把前方装有真空吸附接杯皮带机构 (33)； E：主传动链上装有光电编码器 (8)。图 1 曲面印刷机整体布局图印刷机械制造行业承担者为包装装潢、书刊出版、新闻出版、商业印刷、办公印刷的任务，设备以平版印刷、凹版印刷、柔版印刷、凸版印刷、孔版印刷 5大印刷方式及特种印刷的印刷机为龙头、带动印前设备及印后加工设备共同发展。近年来，国内印刷设备需求以每年 10%的增长速度连年上升，这就使中国成为世界公认的蕴含最大潜力的市场。目前，国内印刷机械设备制造企业专利的授权数量较少，这直接反映了企业的自主创新能力仍处于较低的水平。专利工作作为自主创新机制的重要方面应该引起企业的重视，企业要从保护自主知识产权和激发科技人员创新精神的角度，努力营造企业内部勇于创新的机制和氛围。为我国印刷机行业注入一股强有力的力量 6。 1 4 1 发展状况印刷机正在向数字化印刷 ,进一步向高速、高效、高质的方向发展 ,高智能无人化化发展。数字化印刷时印刷业未来发展的趋势 ,它控制了成本 ,量化了供需 ,为人类进步带来了更多的便利。（ 1）国内生产高速曲面胶印机被认定为广东省自主创新产品，隆兴公司专业生产工位固化、隧道固化、六至九色高速曲面胶印机如图 2 所示，适应于各种圆锥型杯子、碗的外表文字和图案印刷。主要有如下几个特点：采用摸屏控制，自动显示检测故障并显示处理办法而且配备自动倒换三块和六块橡皮功能 , 操作简单、安全可靠。获专利的电脑记忆数控调墨，确保机器长期运转不跑色。油墨增加或减少准确自如方便实用，还能把相应的数据储存下来，直到下批产品开机再用。获专利的运转中套色调版装置，大大缩短调试时间，提高了生产效率，同时可调整版滚与大鼓压力。图 2 隆兴公司专业生产的曲面印刷机（ 2）国外生产曲面印刷机的公司有意大利卡夫公司，该公司生产的用于高速瓶盖印刷的型全自动六色曲面印刷机如图 3所示。型六色曲面印刷机适用于刚性和柔性的圆管、瓶盖和圆棒的六色胶印。其特点是，整套设备既耐用又能保证完美的印刷质量，芯棒抽吸可配置 16 或 20 根芯棒，印刷辊组采用两个加墨辊为版辊加墨，在中心辊上可以使用一块、两块或四块橡皮布并且可以在控制盘上进行相关设置，设备配备有光学印版对中装置，印刷单元可以前后移动并且能精确复位便于迅速进行清洁、维护和更换橡皮布的操作，墨辊配备有清洗装置，设备运行状态下的电子加墨控制，通过两台电机的电子轴线控制实现印刷单元与工件输送装置的同步，可以只从设备的一侧进行调节，印刷辊组清洗装置，整台设备可以与连续生产线连接 7。图 3 意大利卡夫公司生产的型六色曲面印刷机 1 4 2 未来的市场进入后，国内市场已经变为国际市场的一部分，正像我们扩大出口力度的同时，国外名牌企业也看中中国的广阔市场、丰富的人才资源和低成本的优势，纷纷在中国建立独资企业，以谋求产品在中国和世界市场的竞争力。他们已经掌握市场优势的产品，利用进口免税政策继续占领中国印刷市场，对没有免税政策支持的产品，利用中国制造的低成本，继续提高市场的竞争力。我国印刷机械制造企业的应对政策，应该继续扩大国内市场的占有率的同时，向中、高端产品领域进军，不失时机地扩大产品出口。北人集团公司的产品已经出口到包括美国在内的数十个国家和地区。应该明确，中国印刷工业的发展离不开国内印刷装备产业的共同努力，也离不开国外先进技术和设备对印刷工业技术上水平的支持，随着中国制造设备遍布世界的现实，应该看到，中国制造的印刷机械设备大踏步的走出国门的时机已经到来 8。 1 5 结束语这次的毕业设计，我们整个团队由马老师带领，我们设计的是能提供多色套印准确、高速印刷可达每分钟 300 件的一次完成印刷的高效率全自动曲面印刷机。要求满足国际及国内印刷市场对印刷机械的要求，套印准确，图案再现性好，自动化程度高，适用于大批量、高效率印刷回转体包装容器。这次毕业设计所涉及的领域比较广泛，有关于机械设计、机械原理、金属切屑机床、气控制及原理、及电学等学科，所以这次毕业设计对我来说是工作之前的一次锻炼 9 参考文献： 1 张伟网印工业 ,2006,10:6 9 2 003， 40(1):1 5 3 2003,40(2)： 1 5 4 马维金，杜文华中国专利： 0095 马维金，李风兰中国专利： 19946 刘尹敏 . 中国印刷机械行业市场分析及发展趋势研究报告 . ， 20087 意大利卡夫公司和亚洲服务站简介 ,2008 8陆长安， 20079 林其水网印工业 ,2004,7 (12 15) 10 濮良贵，纪名刚北京 :高等教育出版社， 11重庆大学出版社， 12 ） . 机械工业出版社， 13 P N ） . 机械工业出版社， 14 李志常，王景辉电机学报， 35 37) 15 许寥，王淑英 . 电气控制与制技术机械工业出版社， 16 陈超祥础课程 :零件与装配体机械工业出版社， 17 江洪画演示与运动分析事例解析机械工业出版社， 18 中国曲面印刷机市场现状分析及前景预测报告 (2013 最新版 ) 19感器 . 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）： 2 1 本课题研究的问题本次我研究的课题是曲面印刷机光电对版自动控制系统设计，这个设计具有很强的综合性，设计内容涉及到气控制及原理、步进电机及驱动速度控制等。 2 2 曲面印刷机光电对版自动控制系统设计分析曲面印刷机自动对版机构的 X、 Y 轴方向的改变是由制两个步进电机来实现的。过控制两个步进电机使其版辊的 X、 Y 轴方向改变，进而调整版辊圆周方向和轴向的回转，以快速消除误差，实现自动对版； 2 3 研究手段通过参考与分析文献，能够了解本次我设计的课题，也知道曲面印刷机的工作原理和基本结构，特别是关于曲面印刷机光电对版自动控制系统设计了解轮转凸版印刷技术。了解曲面印刷机光电对版自动控制系统的数学建模，并对该数学模型的特点进行分析，为控制器的设计奠定基础。通过阅读学术刊期，了解到了国内外各种印刷机械以及自动对版机构的现状以及未来发展趋势。通过学习电气控制与制技术课本，应用三菱可编程控制器及步进电机等，采用制算法，实现“曲面印刷机”的光电对版自动控制，并编制制程序（梯形图及指令清单），进行仿真模拟；毕业设计开题报告指导教师意见：邸洋同学通过阅读相关的参考文献，对于所选题目的意义和设计内容有了比较深的了解，初步方案和设计工作安排合理，预计能按时圆满完成设计任务。同意开启指导教师： 2016 年 3 月 20 日所在系审查意见：同意开题系主任： 2016 年 3 月 22 日 I 曲面印刷机光电对版自动控制系统设计摘要：本课题研究的是光电对版自动控制系统，这个系统的设计是处理现有曲面印刷机尤其是高速曲面印刷机不能实现自动套色对版的问题 ,使曲面印刷机提高对版精度、印刷速度和质量，缩短对版时间，减少材料浪费，由此来提高生产效率。光电对版自动控制系统由、制器、三菱列定位模块、步进驱动器、步进电机、旋转光电编码器、像机、版辊、大胶辊和斜齿轮等组成。在相应软件的支持下进行与标准模板比较分析、运算以及逻辑判断后，向制器发出偏差指令。由制器进行控制计算，并且对执行机构整版辊相对位置，来实现动态自动对版。关键词：曲面印刷机；制器；制算法；步进电机；自动对版 s up an of is to in to of of of a LC a it to LC LC ID to to of 录摘要 . I . 录 . 引言 . 1 曲面印刷机简介 . 1 曲面印刷机的技术特色 . 1 曲面印刷机的发展状况及未来的前景 . 1 发展状况 . 2 未来的市场 . 3 本课题的设计内容和意义 . 3 2 版辊的机械传动结构介绍 . 5 套准驱动装置 . 6 芯轴、内轴套与版辊轴 . 7 齿轮结构的介绍 . 8 3 对版控制系统各部件的原理介绍和选型计算 . 11 步进电动机和步进驱动器 . 11 步进电动机的原理和选择 . 11 驱动器的原理和选择 . 14 检验系统的参数选择并确定驱动器的细分数 . 16 定位控制模块 . 18 列展单元 . 20 行通信扩展板 . 21 旋转光电编码器 . 22 业相机 . 23 电气控制系统线路图 . 24 制线路图 . 24 电控柜电器元件布置图 . 24 电器安装接线图 . 24 控制面板的设计 . 28 5 自动对版控制系统软件设计 . 30 编程软件和仿真软件 . 30 梯形图 . 31 指令表 . 38 6 总结 . 40 参考文献 . 41 致谢 . 43 附录 A . 44 附录 B . 58 1 1 引言曲面印刷机简介全自动曲面印刷机是一应用于食品、化妆品等灌装容器的外表彩色印刷的高效设施，用了凸版轮转胶印技术，是一种机电一体化的高新技术产品 12。全自动曲面印刷机的研制，填充了国内曲面印刷机高速彩色印刷技术的空白，批量生产并且投入市场也取得了可观的经济效益和很好的社会反响。可自动对版的高速曲面印刷机这项专利技术，使得对版变得速度加快、精度高而且节能。随着印刷机械自动化和数字化印刷工作流程的不停更新、完善，印刷技术的变换层出不穷，印前创新技术、印刷创新技术以及印后创新技全部都得到了较快的发展 3。曲面印刷机的技术特色版辊和墨辊箱成组地卫星式分布在大胶辊周围，完成图案的套印任务；采纳涡形凸轮间歇传动机构，驱使八工位料盘实现印品间歇移动以及印刷任务；应用偏心机构来实现大墨辊和版辊间以及版辊和大胶辊间的版压调整，使用气缸驱使间歇传动箱体，经过调节气路紧缩空气，操控大胶辊及印杯之间的接触印刷压力；由此来保障印刷图案的再现性及清晰度；主机是由一台电机来驱动的，采纳单一传动链，来完成各部位之间的同步运转；八工位料盘的右、上、左和下，各工位分别按照次序来实现上杯、前处理、印刷以及下杯工序；在涡形凸轮轴上安装光电编码器，用来完成各部位气动元件电磁阀的时序控制；使用版夹将光树脂版安置到版辊上，可以调节安装的位置以及张力；采纳无杯不印快速控制技术，保证印刷过程中如果上杯失败时，油墨不会污染模头；使用感器来采集图像，分析色标位置的误差，用制两个步进电机分别来调节版辊圆周方向以及轴向回转，快速消除误差，实现自动对版。曲面印刷机的发展状况及未来的前景印刷机械制作行业的承当者为包装装潢、书刊出版、新闻出版、商业印刷以及办公印刷的工作，设施以平版印刷、凹版印刷、柔版印刷、凸版印刷、孔版印刷 5 大印刷形式以及特种印刷的印刷机为龙头、带动印前设施以及印后加工设施的共同发展 4。我国印刷机产业经历过 09 年的国际经济危机后，又以迅猛的速度飞快发展。过去 2 的几十年以来，我国的印刷机市场主要是以单色机和双色机为主，很多印刷厂在起步时都购买了单、双色机，他们经过多年积攒已经有了一些本钱，刚好达到了置办国产四色机的实力 5。我国目前的企业自主创新能力水平还比较低，并不能满足国内印刷设备的大量需求。因而专利任务作为自主翻新机制的重要方面应该引发企业注重，企业要从维护自主知识产权以及刺激科技人员创新精神角度，积极努力的营建企业内部敢于创新机制以及气氛 ,为我国的印刷机行业注入一股强而有力的力量 6。发展状况我国有广东华盛塑料有限公司，该公司的色印杯机简介如下： 1. 杯子高度范围 352. 杯口直径范围 453. 最大印刷宽度 1504. 杯子锥度 2 5. 机器最高生产速率达每分钟 320 杯。如图 1示。图 1国外有荷兰万达姆机械有限公司，该公司的 8 色印杯机的列简介： 1. 印刷产品高度范围 302. 印刷产品圆周范围 503. 最大印刷高度1504. 印刷产品锥度范围 05. 机器最高生产速率达每分钟 400。如图 1示。 3 图 18色未来的市场首先印刷机市场主要分布在发达国家，这就决定了印刷机行业将是一个很有发掘潜力的行业。再次印刷商和出版商的将来目的是生产高质量的产品，将浪费降到最低，缩减劳动力、生产的时间和生产的空间，减少库存，提高生产效率，从而提升客户的全体的满意度，所以新型印刷机能够节省大量的时间，这一点非常引人瞩目。因此实现曲面印刷机的光电检测和高速对版也是必不可少的，只有这样才能提高生产效率和满足市场不断增长的需求。最后，中国印刷业的发展已经走向国际化，我们在自主研发印刷技术同时也更要吸取国外的先进技术，只有边摸索边学习才会使我国的印刷机械设备制造技术走出国门，而现在正是我国机械设备走向世界的最好时机。本课题的设计内容和意义本次我研究的课题是光电对版式自动控制系统设计，这个设计是处理现有曲面印刷机特别是高速曲面印刷机没法实现自动套色对版问题的。具有很强的综合性，设计的内容涉及到步进电机、旋转光电编码器、像机、以及制器等 7。如图 1示，光电对版式自动控制系统由步进电机、旋转光电编码器、像机、、制器、版辊以及大胶辊组成。在曲面印刷机高速运转状态下，每色版辊（围绕大胶辊的六个）在大胶辊的转印橡皮布 7 上套色的同时，会在转印橡皮布 7 的上边缘印上一个用于鉴别套色对版精度的十字色标 15，十字色标横线代表版辊轴向方向，纵向代表版辊轴向方向，每个相邻色标在套色对版精度时（即后述的标准模板）应横线在一条直线上，纵向间距相等而且平行。实时色标图案经像 4 机 16 采集图像数据输入 17 中，在相应软件支持下进行与标准模板的比较分析、运算、逻辑判断之后，向制器 18 发出偏差指令，由制器 18 对执行机构 3、 14 输出控制量，来调节版辊的相对位置，实现版辊的相应修正移动，从而消除印刷套准误差，实现动态自动对版。本研究课题主要是对现有曲面印刷机手动对版的精度低，且对版时间长，引起的印刷效率不高提出改进。为提高曲面印刷机的对版精度、印刷速度和质量，缩短对版的时间，减少材料浪费，从而提高生产效率，体现出该全自动曲面印刷机更好的实用价值。图 1曲面印刷机光电对版自动控制系统 5 2 版辊的机械传动结构介绍版辊轴结构包括版辊轴（外轴套），与外轴套配合的轴承套和偏心套以及轴承、隔套、止动螺母、轴承盖、弹性挡圈和键、蜗杆蜗轮、步进电机和销等零件，如图 2中，斜齿轮、齿圈、版辊轴（外轴套）、内轴套和心轴销、蜗杆蜗轮和步进电机是传动机构实现对版的主要部件，主要传动部分如图 2示。图 2版辊及自动对版机构总装配图图 2对版传动机构 6 自动对版将图 2的周向和轴向的手轮换成蜗轮蜗杆和步进电机的结构，见图2右端。周向调节时：周向的步进电机转动使与之相连的蜗杆转动，从而带动蜗轮旋转。而蜗轮与版辊轴之间有螺纹调整套结构，当蜗轮转动一圈时，可使用周向芯轴销连接的蜗轮和芯轴相对于版棍轴在轴向移动轴的另一端与斜齿轮连接，由于每个斜齿轮都是与固定的大齿轮啮合，所以使得斜齿轮在轴向移动的同时能在周向转动，从而通过滑套带动版辊实现周向的调节。轴向调节时：同样是轴向的步进电机转动使与之相连的蜗杆转动，从而带动蜗轮旋转。而蜗轮与版辊轴之间有螺纹调整套结构，当蜗轮转动一圈时，可使用轴向芯轴销连接的蜗轮和内轴套相对于版棍轴在轴向移动轴套的另一端与版辊连接，从而也实现了版辊的轴向调节。套准驱动装置套准驱动装置包含纵向和横向套准驱动装置，分别承担对版辊的轴向和周向的对版任务。横向套准驱动装置包含穿过芯轴且与芯轴固定的周向芯轴销，周向心轴销的两端穿过内轴套和外轴套上的孔穿插在套于外轴套上的螺纹调整套上，螺纹调整套上有与其螺纹配合的蜗轮，与蜗轮啮合有由步进电动机驱动的蜗杆；轴向套准驱动装置包括穿过芯轴上的孔的轴向芯轴销，轴向芯轴销两端穿过内轴套并且与内轴套固定、再穿过外轴套上的孔穿插在套于外轴套上的螺纹调整套上，螺纹调整套上有与其螺纹配合的蜗轮，与蜗轮啮合有由步进电机驱动的蜗杆。周向套准装置与轴向套准装置的结构完全一样，不同的只是他们的驱动对象不同，周向套准装置驱动芯轴运动，轴向套准装置驱动内轴套运动。如图 2示。 7 图 2蜗轮蜗杆机构芯轴、内轴套与版辊轴 1. 芯轴用于实现版辊的周向调整，穿过芯轴且与芯轴固定的周向芯轴销两端穿过内轴套和版辊轴上的孔插在套与版辊轴上的螺纹调整套上，螺纹调整套上由于其配合的蜗轮，蜗轮通过蜗杆带动螺纹调整套通过芯轴销与芯轴一起进行轴向移动，芯轴又通过另一端的芯轴销带动斜齿轮运动，整个周向调节斜齿轮通过芯轴销和其表面斜齿的综合作用下出现轴向转动和轴向移动。又由于滑套通过在左右间隙中的移动消化了这种轴向运动，而只将周向转动传递给了版辊，从而实现版辊的周向调节。如图 2 图 2芯轴 2. 内轴套用于实现版辊的轴向调整，与内轴套固定的轴向芯轴销透过芯轴与版辊轴上的孔穿插在版辊轴上的螺纹调整套上，螺纹调整套通过蜗轮蜗杆机构驱动以带动内轴套进行轴向运动，轴向运动的内轴套有通过轴向芯轴销带动版辊发生轴向移动，从而实现对版辊的轴向调节。如图 2示。 8 图 2内轴套 3. 版辊轴为阶梯轴，其主要作用是传递运动、动力以及支承回转零件并分配个零件的轴向位置。版辊轴上的通孔尺寸限制了版辊的周向和轴向调整范围，键槽通过键与偏心套链接，轴肩与隔套、轴承盖、止动螺母等配合对其支承零件进行轴向定位，螺纹用来实现螺纹调节套的螺纹传动和与止动螺母的配合。如图 2示。图 2版辊轴齿轮结构的介绍曲面印刷机对版机构中的齿轮机构出具有一般传递运动和动力功能外，还用作版辊周向调整，由于斜齿轮斜向轮齿可将一部分轴向运动转化为周向运动，因而选用渐开线斜齿圆柱齿轮，如图 2示。此齿圈是一个斜齿圆柱齿轮，如图 2示 8。 9 图 2齿轮图 2齿圈该处设计齿轮与齿圈配合是为了利用双片薄齿轮错齿调整的方法消除齿侧间隙，这种消除间隙的方式是将其中之一做成齿轮，与其啮合的另一个齿轮做成为两片薄齿轮，将此处的齿轮和齿圈并列成一个齿轮。采用方法使得一个薄齿轮的左齿侧和另外个薄齿轮的右齿侧分别紧贴在宽齿轮齿槽的左侧以及右侧，达到消除齿侧间隙目地，使得反向的时候不会出死区。这里应用周向弹簧式的方法，在两个薄片齿轮的端面上安装弹簧销，拉伸弹簧两端挂在弹簧销上在拉力的作用下是两薄片齿轮错位以消除齿 10 侧间隙。如图 2示。图 2消除齿侧间隙 11 3 对版控制系统各部件的原理介绍和选型计算步进电动机和步进驱动器步进电动机的原理和选择步进电动机是一将电脉冲信号转变成为角位移或者是线位移的一开环控制元件。电动机的转速以及停止位置都由脉冲信号的频率以及脉冲数决定，也就相当于给电动机加上了一个脉冲信号，电动机就会转过一个步距角。这样的一种线性关系的存在，再加上步进电动机只有周期性误差等特点，使得在速度和位置等控制领域广泛地使用步进电机控制。步进电动机种类繁多，按转矩产生工作方式可分为反应式、永磁式、混合式三种基本类型。反应式步进电动机的结构简单、步距角小。永磁式步进电动机耗费的功率比反应式的要小，同样体积的永磁式步进电机要比反应式电动机转矩大，启动和运行时频率较低，但是消耗的的功率也较小，同时它要正负脉冲供电，并且在断电时有定位转矩。混合式步进电动机则结合了这两者的优点，它不仅输出转矩大，而且动态性能良好。混合式步进电机需要由正负脉冲供电，虽然启动频率和运行频率高，但是它消耗功率小，并且也有定位转矩。步进电机按励磁组数分，可分为两相步进电机、三相步进电机、四相步进电机、五相步进电机、六相步进电机甚至是八相步进电机等。其相数越多步距角则越小，但结构也就越复杂。相数指的是步进电动机内部线圈组数，目前常用的主要有两相、三相、四相和五相步进电动机。由于步进电动机的相数不同，使得其步距角也不同，一般两相步进电动机步距角为相为相为没有细分驱动时，人们主要靠选取不同相数的步进电机达到个人对步距角的要求 9。在调节周向的结构中，把与大胶辊印压的版辊和一端的斜齿轮标为部分 1，抽象为空心圆筒，做回转运动，重量估计为 5啮合的另一端斜齿轮和心轴及连接部分标为部分 2，做水平直线运动，同样抽象为空心圆筒，重量估计为轮标为部分 3，做回转运动，重量估计为于周向步进电动机的负载转矩计算，将如下进行 12 部分 1 的惯量为 1（，重量（圆筒外径（圆筒等效内径 (所以，（（部分 2 的惯量为）（ 2 式中，重量 ( 等效直径 (所以，）部分 3 的惯量为 3（，重量 ( 圆筒外径 ( 圆筒等效内径（所以，（因此，计算换算到周向电动机轴的总负载惯量 2+ 蜗轮与蜗杆的减速比 =( (2 29) = 在调节轴向的结构中，把与大胶辊印压的版辊标为部分 4，抽象为空心圆筒，做水平直线运动，重量估计为轴套管标为部分 5，因管壁薄，重量轻，所以转动惯量可忽略；蜗轮标为部分 6，做回转运动，重量估计为于轴向步进电动机的负载转矩计算，将如下进行部分 4 的惯量为）（式中，重量（圆筒外径（圆筒等效内径（所以，）（ = 部分 5 的惯量为 0 部分 6 的惯量为 6（，重量（圆筒外径（圆筒等效内径（所以，（因此，计算换算到轴向电动机轴的总负载惯量 5+ 蜗轮与蜗杆的减速比 =(+ (2 29) 13 = 比较可知，轴向的电动机所受的负载惯量较大，所以按轴向负载惯量来计算电动机所需的转矩。设步进电动机所运转的最高转速为 600r/此时的驱动脉冲频率 f 为 6 600/000 故，轴向电动机所受的负载转矩为： 10 180）（ 2000（ N m）取转矩的安全系数 N m），考虑到传动过程中的摩擦损耗选取转矩为 m 的步进电动机。选用时代超群品牌的 39相混合式步进电动机 39号），如图 3示。此步进电动机综合了反应式和永磁式的长处，不单输出的力矩大、动态性能好，且步距角小。这种电机基本步距角是，配上半步驱动器之后，步距角减少成为配上细分驱动器之后其步距角可细分达到 256 倍之多 ()。技术参数如表 3示 10。图 3时代超群 39 机表 339进电动机类型混合式步进电机型号 39数 2 温升 80K 境温度 40 C 14 绝缘等级 B 级绝缘电阻 100绝缘强度 10000距角静转矩电阻相电感 26组串联电流配驱动 6209、 8731系列机身长 22口 22位孔距 31轴长 13径 5处理单轴圆形出线方式接插件出线数 4 线长 280重 130g 驱动器的原理和选择步进电动机需要专门的驱动器来给它供电，二者是一个整体。驱动器的基本组成部分包括变频信号源、脉冲分配器和脉冲功率放大器三个部分，步进电机的转速以及所停的位置和脉冲的频率以及脉冲数量有关。驱动器的三部分中的变频型号源，脉冲分配器和功率放大器三者串行运行，将所需要的脉冲送到步进电机并给步进电机提供驱动所需要的合适电流与电压，从而使步进电机能够进行正转，反转，停转等相关运作。图 3示 11。 15 图 3步进电动机驱动器的方框图变频器是一个脉冲频率由几赫兹到几万赫兹能不间断变动的信号发生器，一般由单片机或微处理器（生。传统的脉冲分配器是由门电路和双稳态触发器两部分组成的逻辑电路，其作用是将单路脉冲转换为多相循环变化的脉冲信号。随着连续脉冲信号的输入，各路输出电压轮流变高和变低，利用微处理器进行并行控制时可不用脉冲分配器。从分配器或微处理器输出的电流仅仅几毫安，不能直接驱动步进电动机。一般要放大到几至几十安培的电流，因此在分配器后面应装有功率放大电路，使用放大信号去驱动步进电动机。根据驱动要求和与所选的步进电动机的型号匹配，选用东芝原装芯片发的一款性能卓越的两相步进驱动器图 3示。它接口采纳超高速的光耦隔离，具备高集成度、高可靠性和高抗干扰能力等。适用于 42 以下步进电机。图 3 16 它的主要功能为： 1. 整步、二细分、四细分、八细分、以及十六细分可调； 2. 电流级可调； 3. 过热自动保护； 4. 自动半流可选； 5. 电流衰减四档可调；6. 电源和工作状态示； 7. 支持脱机、使能以及锁定等功能。表 3步进电机驱动器工作条件项目最小额定最大单位环境温度 80 输入电压（ 8 24 32 V 输入频率 0 16000 出电流接口电压 H L 0 0 检验系统的参数选择并确定驱动器的细分数 1. 斜齿轮理论范围：斜齿轮的参数： 4， =13 21 4 分度圆直径： s 。正反调节在周向产生的变动范围：741d。单向调节在周向产生的变动范围： a 。对应的单向调节在周向调节角度： 00 。 2. 斜齿轮实际范围：销可左右移动距离范围是 +6 销单向移动距离，取 5虑接触表面的粗糙度，和最大调节量必须满足要求的情况），齿轮周向移动距离。所以：12L，即 8 a a 。换算到单向可调节的最大角度为： 00 3. 调整刻度板座与外轴套啮合： 17 该调整用螺纹，即与调整刻度板座配合安装的蜗轮转动一圈，可使销移动以，在单向调节下，蜗轮可转动 3+1/3 圈。 4. 蜗杆与蜗轮的啮合：参数的选取：中心距 a=40数 m=2度圆直径杆头数，直径系数 q=轮齿数 9。转动 29 圈，蜗轮转动 2 圈。在单向调节下，蜗杆可转动 48+1/3 圈。 5. 步进电机的转动：若将步进电动机按两相四线来接线，则其步距角为电机轴最大接受脉冲数为：满足最大调整误差，电机轴接收的脉冲数为：即，电机需要转动 148+1/3 圈。 6. 计算周向步进电动机的调节精度：计算电机接受一个脉冲后的转动使得齿轮的转动量，即为步进电动机的调节精度 a 20 所以，电机转动一圈，可使周向转动量为：角度转过： 0 轴向调节，版辊左右移动距离范围与销的一样是 +5 电机轴最大接受脉冲数同样为：，也可取数值为个。轴向调节精度： 4 。精度足够，能够满足该印刷机的精度要求。因此，所选的步进电动机以及驱动器可用。步进电动机选择两相四线的接线方式，将其步距角从整成步进驱动器的细分数设置成 2，所给的蜗轮和蜗杆的参数符合要求，调整刻度板座与外轴套啮合的细螺纹选择正确。 18 定位控制模块由于主单元选的高数脉冲输出口只有两个，而要达到对 10 个步进电动机的控制定位，就需要展定位控制模块。本课题选用 5 个海亿自动化设备有限公司提供的满足操控的要求，如图示。该定位控制模块可以独立操控两根轴（控制轴的数目表示控制电机个数）；定位语言定位单元配有一专用的定位语言（令）及顺序语言（基本、应用指令）；当连上一通用的手动脉冲发生器（集电极开路型）之后，则手动进给管用；当连上一带有绝对位置（测功能的伺服放大器之后，每次启动时的回零点均可以被保存下；当连上一，能读 /写定位数据，连上一列，需要一位单元也可以不用任何单独运转。该模块的性能规格如表 3示 12。图 3三菱定位控制模块 3项目制轴数目两轴 (两轴或两根独立同步轴）应用列母线衔接。所占 I/O 点数目为 8 点。连接列须要程序存储器内置）可选存储器 :），不可以应用带时钟功用的存储器板。 19 电池带有内置的锂电池 ,大约 3 年的长寿命（ 1 年质保）。定位单元命令单元：相对 /绝对）最大命令值为 999,999（当间接规定时为 32 位）累积地址 47,483,648，到 2,147， 483,647 脉冲速度指令最大 200153,000cm/200更小）。自动梯形模式加速 /减速 (插补驱动为 100者更小）零点回归手动操作或者自动操作。号机械零点回归（提供索功能）。通过电气启动点设置，可进行自动电气零点回归。绝对定位检测采纳具备测功用的伺服电动机时，可进行绝对位置检测。控制输入操作系统：单步操作输入（依赖参数设定）、动正转 )、动反转）、械零点回归）、动开始）、手动脉冲发生器（最大 2 机械系统：向旋转极限）、向旋转极限）、点信号）中断： 4 点伺服系统：点信号）、服准备）、服结束）一般用途：主体有用扩展模块可使输入。（最大点数： 48 点）控制输出伺服系统：楚计数器）、向旋转

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