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)計院等以及氣象領(lǐng)域，另外在勘探、建筑設(shè)計、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，但價格昂貴，維修不方便、不及時，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)隊伍。近年來繪圖儀的銷量每年都有所增長，良好的性價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)傳動系統(tǒng)設(shè)計

2.1 主要組成

繪圖介質(zhì)傳動系統(tǒng)主要由驅(qū)動電機(jī)、傳動同步輪、同步帶、主傳動軸、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)動主傳動軸，帶動鋼刺滾輪轉(zhuǎn)動，繪圖紙張在鋼刺滾輪和橡膠壓輪的夾緊力作用下左左右運(yùn)動。

圖1 繪圖儀走紙工作原理圖

2.3 橡膠壓輪設(shè)計

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

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精度要求很高，圖3（b）對橡膠壓輪作如下改動：1、中間轉(zhuǎn)動軸套微型軸承，使轉(zhuǎn)動更加靈活。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

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，傳動精度達(dá)不到繪圖儀的要求。

因此繪圖儀主傳動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)動時受到最大滾動摩擦阻力扭矩為 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，紙張會起皺，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，所以同一臺繪圖儀的鋼刺滾輪要選配，并且要提高和主傳動軸的裝配精度，以減小同軸度誤差。

3 卷紙軸收放紙系結(jié)構(gòu)計

因要求繪圖儀繪圖長度，一般在5～30m，因此要設(shè)計收紙、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，控制放紙電機(jī)放紙。當(dāng)繪完的圖紙超過一定距離時，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

在繪圖儀收送紙時紙張要有精確的定位，繪圖時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）傳動比分級精細(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)紙就會被裁去，所以承受的重量不會達(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，電機(jī)不再耗電；2、體積小、壽命長；3、成本低廉、驅(qū)動簡單；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 主軸所需扭矩計算

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

經(jīng)計算，扭矩為1.3813N/m。

4.3 自動收送紙開關(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轉(zhuǎn)變成電器信號，此電信訊號更可進(jìn)一步作各種不同的開關(guān)及控制動作，其基本原理即對投光器受光器間之光線做遮蔽之動作所獲得的信號加以運(yùn)用，以完成各種自動化控制。

4.33..22 優(yōu)點(diǎn)

自動收送紙開關(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。同一臺繪圖儀的鋼刺滾輪要選配，并且要提高和主傳動軸的裝配精度，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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