繪圖儀的走紙系統(tǒng)設(shè)計(jì)與硬件選用

高文闖（天津?qū)氂娔X機(jī)械有限公司）

1 引言

繪圖儀主要分為筆式和噴墨兩種類型，其走紙系統(tǒng)包括繪圖介質(zhì)傳動(dòng)系統(tǒng)和卷紙軸收放紙結(jié)構(gòu)。目前繪圖儀主要應(yīng)用于需要大幅面出圖企業(yè)、規(guī)劃局、設(shè)計(jì)院等以及氣象領(lǐng)域，另外在勘探、建筑設(shè)計(jì)、航天、石油氣、自來水等領(lǐng)域也均有應(yīng)用。

最初，寬幅面繪圖儀于上世紀(jì)90年代引入中國，當(dāng)時(shí)國產(chǎn)服裝CAD軟件剛起步，但國內(nèi)并無配套生產(chǎn)繪圖儀廠家，只能購買國外產(chǎn)品。國外部分品牌能支持少量的國產(chǎn)服裝CAD軟件外，其他都與自有品牌服裝CAD軟件捆綁銷售。因此，能提供國內(nèi)服裝CAD軟件商選擇繪圖儀范圍有限。

國外繪圖儀品牌的性能穩(wěn)定、速度快、精度高、故障少，但價(jià)格昂貴，維修不方便、不及時(shí)，而且售后服務(wù)費(fèi)用很高。

2000年，北京凌奇公司推出第一臺(tái)國產(chǎn)繪圖儀，該繪圖儀由刻字機(jī)改裝，采用了步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，填補(bǔ)了國內(nèi)市場的空白，結(jié)束了國外產(chǎn)品在中國的壟斷局面。而后，天津?qū)氂娔X機(jī)械有限公司和一批相關(guān)企業(yè)看到市場發(fā)展前景，都加入繪圖儀的研發(fā)隊(duì)伍。近年來繪圖儀的銷量每年都有所增長，良好的性價(jià)比逐漸擠占了國外品牌的市場。為了更好的適應(yīng)市場，有更強(qiáng)的競爭力，天津?qū)氂娔X機(jī)械有限公司對繪圖儀進(jìn)行了大量技術(shù)改進(jìn)，性能已經(jīng)趕超國際水平。

2 繪圖介質(zhì)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主要組成

繪圖介質(zhì)傳動(dòng)系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)同步輪、同步帶、主傳動(dòng)軸、鋼刺滾輪、橡膠壓輪、橡膠壓輪壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等組成。

2.2 繪圖儀走紙工作原理分析

如圖1所示，鋼刺滾輪固定在主傳動(dòng)軸上，橡膠壓輪在彈簧力的作用下，緊壓在鋼刺滾輪上。電機(jī)驅(qū)動(dòng)主傳動(dòng)軸，帶動(dòng)鋼刺滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，繪圖紙張?jiān)阡摯虧L輪和橡膠壓輪的夾緊力作用下左左右運(yùn)動(dòng)。

圖1 繪圖儀走紙工作原理圖

2.3 橡膠壓輪設(shè)計(jì)

2.3.1 橡膠壓輪受力分析

橡膠壓輪壓力調(diào)節(jié)板受力分析如圖2所示。

圖2 橡膠壓輪調(diào)節(jié)板受力分析圖

圖 3 橡膠壓輪結(jié)構(gòu)示意圖

壓輪壓輪調(diào)節(jié)板受到連根彈簧的拉力，每根彈簧產(chǎn)生的最大拉力：

Fmax=K×max =1.25×10=12.5N

∵NL1=2Fmax×L2；L1=20mm；L2=40mm

∴N=4×Fmax=50N

2.3.2 橡膠壓輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)、印刷機(jī)、數(shù)碼照片打印機(jī)、刻字機(jī)、磁卡機(jī)等機(jī)器都用橡膠壓輪傳動(dòng)紙張。普通橡膠壓輪結(jié)構(gòu)示意圖如圖3（a）所示。繪圖儀對紙張的傳動(dòng)精度要求很高，圖3（b）對橡膠壓輪作如下改動(dòng)：1、中間轉(zhuǎn)動(dòng)軸套微型軸承，使轉(zhuǎn)動(dòng)更加靈活。2、橡膠輪最好用壓鑄膠，提高耐磨性。3、表面橡膠經(jīng)過拋光后再使用，同一臺(tái)繪圖儀上使用的橡膠壓輪要選配，以保證尺寸規(guī)格相同。

2.4 送紙系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.4.1 送紙器選擇

繪圖儀最大走紙長度達(dá)到30m以上，而且要求走紙精度非常高。印刷機(jī)、刻字機(jī)、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)、打印機(jī)等機(jī)器主傳動(dòng)軸上的送紙器常用的是橡膠軸、滾花軸、精鋼砂輥、鋁棍等，對紙張的附著力小，耐磨性差，傳動(dòng)精度達(dá)不到繪圖儀的要求。

因此繪圖儀主傳動(dòng)軸上的送紙器要采用高精度鋼刺滾輪，以提高對紙張的附著力，提高耐磨性，減小長距離走紙的重復(fù)精度和偏斜誤差。鋼刺滾輪的表面，由間距相等、突出高度相同、大小均勻的突起點(diǎn)組成。它能精確定位，并能往返或單方向高速、高精度送紙。其特點(diǎn)為：（1）能適應(yīng)各種品質(zhì)的紙張材料；（2）往返送紙精度高、速度快、摩擦力大（不打滑、不偏斜）；（3）不損傷紙張的表面；（4）不受溫度、濕度、塵埃的影響；（5）連續(xù)作業(yè)不發(fā)熱、不打滑、不夾紙，生產(chǎn)效率高；（6）耐磨損、壽命長；（7）經(jīng)濟(jì)耐用，提高整機(jī)檔次，降低維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。

2.4.2 鋼刺滾輪受力分析

鋼刺滾輪受力分析如圖4所示。

圖4 鋼刺滾輪受力圖

假設(shè)鋼刺滾輪以最高轉(zhuǎn)速勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)受到最大滾動(dòng)摩擦阻力扭矩為 Mmax,則Mmax=δN=5.2×50= 0.26(N/m)

其中，δ為鋼刺滾輪的滾動(dòng)摩擦阻力系數(shù)（對于不同的繪圖介質(zhì)，δ有不同值?，F(xiàn)在假設(shè)δ=5.2mm）

N為橡膠壓輪對鋼刺滾輪的最大壓力,此時(shí)設(shè)鋼刺滾輪表面受到摩擦力為f，則有Mmax=f×R；f=Mmax/R=260/(22.58/2)=23N，其中R為鋼刺滾輪半徑。

2.4.3鋼刺滾輪直徑誤差對走紙偏斜的影響分析

假設(shè)鋼刺滾輪的標(biāo)準(zhǔn)直徑D=22.580mm，繪圖儀上相鄰的兩個(gè)鋼刺滾輪直徑分別是D1、D2，繪圖儀分段繪圖的一段距離S=600mm，則在每一段繪圖過程中，標(biāo)準(zhǔn)鋼刺滾輪轉(zhuǎn)過的圈數(shù)為N=600/(πD)= 600/(π×22.58)=8.462圈。假設(shè)相鄰鋼刺滾輪分別帶動(dòng)紙張走過的距離是：S1=πD1×N；S2=πD2×N

∴ 走紙誤差△=S2–S1=π（D2-D1）×N=26.57(D2-D1)

當(dāng)△＞0.5mm時(shí)，紙張會(huì)起皺，容易引起繪圖筆刮破紙張，并產(chǎn)生繪圖誤差，多以一般要求△≤0.5mm。

△=26.57(D2-D1)≤0.5mm即

D2-D1≤0.019mm

由此可以得知鋼刺滾輪是繪圖儀最關(guān)鍵的零部件，其直徑誤差會(huì)直接影響繪圖精度。但一般生產(chǎn)的鋼刺滾輪直徑誤差很難達(dá)到D=22.58±0.009mm，所以同一臺(tái)繪圖儀的鋼刺滾輪要選配，并且要提高和主傳動(dòng)軸的裝配精度，以減小同軸度誤差。

3 卷紙軸收放紙系結(jié)構(gòu)計(jì)

因要求繪圖儀繪圖長度，一般在5～30m，因此要設(shè)計(jì)收紙、放紙結(jié)構(gòu)。

3.1 工作原理

卷紙軸收放紙結(jié)構(gòu)采用發(fā)射接受式光電開關(guān)檢測紙張，當(dāng)繪圖紙張不夠時(shí)，控制放紙電機(jī)放紙。當(dāng)繪完的圖紙超過一定距離時(shí)，控制收紙電機(jī)收紙。

3.2 兩種收紙、放紙的結(jié)構(gòu)形式

（1）前面收紙，后面放紙結(jié)構(gòu)如圖5所示。其結(jié)構(gòu)簡單，工作平穩(wěn)。

（2）前面收紙，前面放紙結(jié)構(gòu)如圖6所示。其美觀大方，更換紙卷方便。

4 電器元件的選取

在繪圖儀收送紙時(shí)紙張要有精確的定位，繪圖時(shí)收紙送紙要有固定開啟關(guān)閉結(jié)構(gòu)和一定的過載能力，而且X方向繪圖時(shí)要平穩(wěn)。

4.1 收放紙電機(jī)選取直流減速電機(jī)

4.11..11 優(yōu)點(diǎn)

（1）同軸式斜齒輪減速電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊,體積小,造型美觀,承受過載能力強(qiáng)；（2）傳動(dòng)比分級(jí)精細(xì),選擇范圍廣,轉(zhuǎn)速型譜寬,范圍i=2～28800；（3）能耗低,性能優(yōu)越,減速器效率高達(dá)96%,振動(dòng)小,噪音低；（4）通用性強(qiáng),是用維護(hù)方便,維護(hù)成本低；（5）采用新型密封裝置,保護(hù)性能好,對環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),可在有腐蝕、潮濕等惡劣環(huán)境中連續(xù)工作。

4.1.2 送紙參數(shù)計(jì)算

一般繪圖儀用整卷紙都在35Kg左右,紙卷直徑是200mm,串紙紙桿直徑為41mm, 以2.5m機(jī)器為例所以紙桿長度大約為2.44m，管重是1Kg。

經(jīng)過計(jì)算扭矩為直流減速電機(jī)完全可以勝任，由于收紙桿卷一點(diǎn)紙就會(huì)被裁去，所以承受的重量不會(huì)達(dá)到送紙桿那么大，收紙電機(jī)只需要選用扭矩為送紙桿一半的直流減速電機(jī)便可。為了保證機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)協(xié)調(diào)一致，，盡量要選用輸出轉(zhuǎn)速一致的電機(jī)。

圖5 后置送紙結(jié)構(gòu)

圖6 前置送紙結(jié)構(gòu)

4.2送紙主軸電機(jī)選取步進(jìn)電機(jī)

4.22..11 優(yōu)點(diǎn)

1、鎖定位置時(shí)，電機(jī)不再耗電；2、體積小、壽命長；3、成本低廉、驅(qū)動(dòng)簡單；4、步進(jìn)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)精確定位控制，能廣泛應(yīng)用于位移精確定位系統(tǒng)中。

4.2.2 主軸電機(jī)選取要求

主軸收送紙傳動(dòng)系統(tǒng)，不能用鋼刺滾輪和橡膠壓紙滾來保證走紙精度，需要選用一種電機(jī)來配合鋼刺滾輪和橡膠壓輪精確定位，并能往返或單方向高速、高精度送紙機(jī)構(gòu)。根據(jù)上面步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)我們可以判斷出，步進(jìn)電機(jī)符合上述要求。

4.2.3 主軸所需扭矩計(jì)算

一般繪圖儀有5個(gè)鋼刺滾輪，由上面計(jì)算每個(gè)滾輪的摩擦力是23N，每個(gè)滾輪間距為600mm，每個(gè)滾輪直徑為22.58mm滾輪和主軸總重量為0.75Kg。

經(jīng)計(jì)算，扭矩為1.3813N/m。

4.3 自動(dòng)收送紙開關(guān)選用光電感應(yīng)開關(guān)

繪圖儀工作過程中需要體積小，能自動(dòng)控制收紙送紙開關(guān)，在無人值守下可以獨(dú)立完成輸入的指令。

4.3.1 工作原理

光電感應(yīng)器是由兩個(gè)組件即投光器及受光器所組成，利用投光器將光線由透鏡將之聚焦，經(jīng)傳輸而至受光器之透鏡，再至接收感應(yīng)器，感應(yīng)器將收到之光線訊號(hào)轉(zhuǎn)變成電器信號(hào)，此電信訊號(hào)更可進(jìn)一步作各種不同的開關(guān)及控制動(dòng)作，其基本原理即對投光器受光器間之光線做遮蔽之動(dòng)作所獲得的信號(hào)加以運(yùn)用，以完成各種自動(dòng)化控制。

4.33..22 優(yōu)點(diǎn)

自動(dòng)收送紙開關(guān)選用光電感應(yīng)開關(guān)具有體積小、功能多、壽命長、精度高、響應(yīng)速度快、檢測距離遠(yuǎn)以及抗光、電、磁干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

5 結(jié)論

（1）繪圖儀走紙系統(tǒng)包括繪圖介質(zhì)傳動(dòng)系統(tǒng)和卷紙軸收放紙結(jié)構(gòu)，其中繪圖介質(zhì)系統(tǒng)更為主要。

（2）噴墨/筆式繪圖儀收送紙，繪圖介質(zhì)傳動(dòng)系統(tǒng)精度要求高。

（3）鋼刺滾輪是繪圖儀走紙系統(tǒng)關(guān)鍵的零部件，其直徑誤差和裝配誤差將直接影響繪圖精度。同一臺(tái)繪圖儀的鋼刺滾輪要選配，并且要提高和主傳動(dòng)軸的裝配精度，以減小同軸度誤差。

（4）根據(jù)繪圖儀制造要求來選用電控元件,能夠減少故障、提高效率、提高繪圖精度。

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