單光 何邦貴 袁智慧 王超 張朝亮 姚傳紅

摘 ?要： 在試卷袋背面存在折疊接口，為了保密性和防止被人拆封，必須使用密封簽來(lái)粘貼覆蓋。密封簽采用在線定制印刷，一個(gè)試卷袋配套一個(gè)密封簽，防止封口簽的外泄和替代，實(shí)現(xiàn)試卷袋的防偽的唯一性。通過(guò)對(duì)試卷袋密封簽印刷工藝進(jìn)行分析，總結(jié)密封簽印刷流水線的主要工藝及需要解決的問(wèn)題，利用樂(lè)高EV3套裝工具對(duì)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真搭建，使用LEGO MINDSTORMS編寫程序運(yùn)行機(jī)構(gòu)，分析機(jī)構(gòu)性能，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的適用性。

關(guān)鍵詞：?密封簽;樂(lè)高EV3;仿真;LEGO MINDSTORMS

中圖分類號(hào)： TP391????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?A????DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.09.030

本文著錄格式：?jiǎn)喂猓伟钯F，袁智慧，等. 基于樂(lè)高EV3的密封簽定制印刷機(jī)構(gòu)的模型仿真[J]. 軟件，2019，40（9）：129-134

Customized Printing Institution for Seal Label Based on Lego EV3 Model Simulation

SHAN Guang¹， HE Bang-gui¹， YUAN Zhi-hui¹， WANG Chao²， ZHANG Chao-liang²， YAO Chuan-hong³

（1.?Kunming University of Technology， Kunming 650504; 2.?Yunnan Printing Technology Research Co. Ltd..; 3. Yunnan Xinhua Printing Factory）

【Abstract】：?There is a folding interface on the back of the test paper bag. In order to keep secret and prevent people from being disassembled， it is necessary to paste and cover with a sealed label. Seal label is printed by on-line customization， and a test bag is matched with a seal label to prevent leakage and substitution of the seal label， so as to realize the uniqueness of anti-counterfeiting of the test bag. Through the analysis of the printing process of sealed label for test paper bags， the main technology of sealed label printing pipeline and the problems to be solved are summarized. The key mechanism is simulated by Lego EV3 set of tools. The program running mechanism is written by LEGO MINDSTORMS， and the performance of the mechanism is analyzed to verify the applicability of the mechanism.

【Key words】： Seal; Lego EV3; Simulation; LEGO MINDSTORMS

0??引言

在試卷的生產(chǎn)過(guò)程中，用于裝試卷的試卷袋必須密封，通常使用密封簽來(lái)密封試卷袋，通過(guò)密封簽來(lái)保證試卷的保密性。試卷生產(chǎn)企業(yè)主要采用柔印印刷或平版印刷技術(shù)在綿紙上進(jìn)行密封簽的印刷生產(chǎn)。傳統(tǒng)的密封簽的生產(chǎn)工藝為：拼大版、制版、印刷、分切小張。在試卷袋密封簽上需要印刷考試時(shí)間和考試類型，以及印制單位的專用防偽信息。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中每種類型的密封條都要按考試類型和考試試卷袋的數(shù)量進(jìn)行定量印刷生產(chǎn)，不可提前大批量印刷。為保障試卷袋密封條的唯一性和保密性，試卷印制生產(chǎn)企業(yè)都需要將印刷人員

進(jìn)行全封閉式管理，但密封簽的數(shù)量比較少，入闈和封閉時(shí)間較長(zhǎng)的話，就會(huì)造成設(shè)備的閑置，人員的浪費(fèi)^[1]。

因此，我們通過(guò)對(duì)試卷袋密封簽印刷工藝進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出密封簽定制印刷機(jī)構(gòu)，然后利用樂(lè)高EV3套裝工具對(duì)試卷袋密封簽印刷機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真搭建，使用LEGO MINDSTORMS編寫程序運(yùn)行機(jī)構(gòu)，分析機(jī)構(gòu)性能，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的適用性。

1??樂(lè)高EV3

1980年樂(lè)高集團(tuán)在丹麥成立，樂(lè)高集團(tuán)推出了很多教育套裝，包括早期結(jié)構(gòu)、早期簡(jiǎn)單機(jī)械、編程套裝等。樂(lè)高集團(tuán)在2013年下半年推出了?新一代

的LEGO頭腦風(fēng)暴系列的主控——Minds torms EV3，EV3套裝里主機(jī)的按鈕可發(fā)光，從發(fā)出的光的顏色即可看出EV3的狀態(tài)，套裝的處理器：ARM 9處理器300?MHz基于Linux操作系統(tǒng)。

套裝主機(jī)：1.USB端口;2.一個(gè)SD讀卡器;3.四個(gè)輸入端口（1、2、3、4），四個(gè)輸出端口（A、B、C、D）;4.支持USB2.0， Wi-Fi和藍(lán)牙與電腦連接;5.編程接口，用于編程以及數(shù)據(jù)日志的上傳下載^[2]。

本次的研究平臺(tái)是基于樂(lè)高的EV3智能機(jī)器人。EV3是樂(lè)高集團(tuán)教育部所研發(fā)的一套用于STEAM教學(xué)的教具，機(jī)器人會(huì)陸續(xù)代替家用計(jì)算機(jī)的通信功能、多媒體運(yùn)用功能等;不僅可以接受固定指令，而且還能夠看、聽，有觸覺。與計(jì)算機(jī)相比，可以更好的把設(shè)想通過(guò)機(jī)器人模擬實(shí)現(xiàn)出來(lái)，從實(shí)際中去驗(yàn)證設(shè)想，不斷改進(jìn)完善^[3]。用EV3機(jī)器人進(jìn)行研究安全可靠，并且能夠很好的模擬出實(shí)際生活中運(yùn)用的情況，EV3的出現(xiàn)讓設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)潔。

EV3編程軟件是通過(guò)拖曳式的模塊化編程。在EV3編程模塊包括動(dòng)作模塊、流程模塊、傳感器模塊。動(dòng)作模塊包括中型電機(jī)模塊、大型電機(jī)模塊。中型電機(jī)模塊可設(shè)定中型電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)模式、速度、以及制動(dòng)和滑行。大型電機(jī)模塊可以控制機(jī)器人前進(jìn)、后退等用途，但是該模塊無(wú)法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。流程模塊包括等待、循環(huán)、切換。等待：相當(dāng)于程序的條件，當(dāng)觸發(fā)某一特定條件時(shí)程序繼續(xù)運(yùn)行，開始執(zhí)行下一個(gè)動(dòng)作。循環(huán)：當(dāng)未設(shè)定循環(huán)時(shí)，程序開啟后只能執(zhí)行一次，加入循環(huán)程序可保證程序能夠重復(fù)被執(zhí)行。切換：相當(dāng)于條件語(yǔ)句，當(dāng)滿足條件時(shí)執(zhí)行第一條程序，不滿足條件時(shí)執(zhí)行下一條程序，也可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)條件或多個(gè)條件的執(zhí)行，比如顏色傳感器在偵測(cè)到不同的顏色時(shí)會(huì)發(fā)出不一樣的信號(hào)。傳感器模塊包括超聲波傳感器、顏色傳感器、溫度傳感器、觸動(dòng)傳感器^[4]。

2 ?基于樂(lè)高EV3的試卷袋定制印刷機(jī)構(gòu)的模型仿真

2.1卷筒紙輸送裝置的模型仿真

2.1.1 ?卷筒紙輸送裝置結(jié)構(gòu)仿真

懸掛輸送裝置是常用的一種連續(xù)輸送設(shè)備，很多工業(yè)部門的流水線都需要用到懸掛式輸送裝置完成各工藝間的輸送工作。輸送裝置的結(jié)構(gòu)主要有：驅(qū)動(dòng)輪、輸送軌道、張緊輪及安全設(shè)備。

基于樂(lè)高EV3的套裝零件，輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖所示，其結(jié)構(gòu)采用若干橫梁、豎梁構(gòu)成架體，保證其負(fù)載能力以及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)中有一個(gè)大型的送紙棍，送紙棍由兩邊的支撐架支撐;有2個(gè)送紙棍，并且這兩個(gè)緊紙棍以同樣的速度同方向旋轉(zhuǎn)以保證紙卷的平整性和連續(xù)性;有3個(gè)緊紙棍，起到控制紙張張力的作用，同樣有6個(gè)支撐架保障受力平衡。

2.1.2 ?輸送裝置的程序設(shè)計(jì)

輸送系統(tǒng)的程序只有一個(gè)部分：輸送部分。

程序邏輯語(yǔ)言：開始à按壓觸碰傳感器一次à大型伺服電機(jī)D行à大型伺服電機(jī)C向運(yùn)行à輸送結(jié)束à大型伺服電機(jī)C、D停止運(yùn)行à結(jié)束。程序圖如圖5所示。

2.1.3 ?輸送裝置的仿真分析

通過(guò)基于樂(lè)高EV3零件對(duì)輸送裝置的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證，在驗(yàn)證過(guò)程中不斷地改進(jìn)優(yōu)化，通過(guò)編程軟件LEGO MINDSTORMS對(duì)主要的該裝置進(jìn)行程序編寫并運(yùn)行，觀察運(yùn)行情況和運(yùn)動(dòng)分析^[5]。

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)在10秒鐘內(nèi)運(yùn)行時(shí)導(dǎo)出其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)曲線圖，如圖6所示。

如上圖所示，紫色線代表牽引輥運(yùn)動(dòng)軌跡，綠色線代表送紙輥運(yùn)動(dòng)軌跡。由圖中可看出，在牽引輥?zhàn)饔孟?，綿紙以一定的加速度運(yùn)行，送紙輥也緩慢送紙，當(dāng)牽引輥送紙速度達(dá)到所需送紙速度時(shí)，保持勻速送紙，送紙輥開始加速，當(dāng)送紙速度與牽引輥速度保持一致時(shí)，停止加速，這樣牽引輥與送紙輥速度一致，保持勻速送紙，滿足送紙需求，不產(chǎn)生送紙波動(dòng)。達(dá)到設(shè)計(jì)要求，經(jīng)分析該設(shè)計(jì)方案可行。

2.2基于樂(lè)高EV3的卷筒紙裁切裝置仿真

2.2.1 ?裁切裝置的結(jié)構(gòu)仿真

基于樂(lè)高EV3零件的氣缸沖切裝置如圖7所示。

結(jié)構(gòu)的搭建采用樂(lè)高氣動(dòng)力套裝零件完成，采用了曲柄與氣缸連接，利用電機(jī)旋轉(zhuǎn)將源源不斷的氣體儲(chǔ)存在氣泵里，可從如圖所示的氣壓表進(jìn)行氣壓檢查與氣壓調(diào)整，當(dāng)顏色傳感器檢測(cè)到綿紙時(shí)，機(jī)電反方向旋轉(zhuǎn)完成氣缸內(nèi)活塞的往上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)檢測(cè)到綿紙的裁切長(zhǎng)度時(shí)，氣缸的活塞導(dǎo)桿快速向下運(yùn)動(dòng)完成沖擊裁切?？傮w來(lái)說(shuō)，該機(jī)構(gòu)是將電機(jī)的周轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)闅飧椎耐鶑?fù)直線運(yùn)動(dòng)^[6]。

樂(lè)高的裁切裝置選擇使用氣缸裁切，氣缸式樂(lè)高氣動(dòng)力系統(tǒng)里的基礎(chǔ)部件，通常與氣泵配合使用，氣缸里的活塞根據(jù)兩個(gè)腔體的壓力差二隨著上下移動(dòng)，圖片如下所示。

2.2.2 ?裁切裝置的程序設(shè)計(jì)

裁切系統(tǒng)的程序只有一個(gè)部分：切紙部分。

程序邏輯語(yǔ)言為：開始à顏色傳感器檢測(cè)到白色à氣缸活塞上升à氣缸活塞下降à真空帶輸送à結(jié)束。

程序框圖：

2.2.3 ?裁切機(jī)構(gòu)的仿真分析

通過(guò)基于樂(lè)高EV3零件對(duì)裁切機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證，在驗(yàn)證過(guò)程中不斷地改進(jìn)優(yōu)化，通過(guò)編程軟件LEGO MINDSTORMS對(duì)主要的該裝置進(jìn)行程序編寫并運(yùn)行，觀察運(yùn)行情況和運(yùn)動(dòng)分析^[7]。

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)在一定時(shí)間段內(nèi)運(yùn)行時(shí)導(dǎo)出其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)曲線圖，如下所示。

如上圖所示，藍(lán)色代表顏色傳感器，紫色代表氣缸裁切電機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡，由圖中可以看出當(dāng)顏色傳感器檢測(cè)到紙張（白色）時(shí)，氣缸裁切機(jī)構(gòu)開始向下運(yùn)行，當(dāng)顏色傳感器檢測(cè)到滿足所需紙張長(zhǎng)度時(shí)，氣缸裁切刀正好到最低位置，正好切斷紙張，然后氣缸往上抬升，恢復(fù)到初始位置。這樣循環(huán)往復(fù)，不斷裁切出同樣長(zhǎng)度的單張綿紙，滿足設(shè)計(jì)需求。經(jīng)檢測(cè)紙張符合設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，滿足產(chǎn)品需求。分析得出該裝置滿足設(shè)計(jì)要求，經(jīng)分析該設(shè)計(jì)方案可行。

2.3 基于樂(lè)高EV3的單張紙輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 ?裝單張紙輸送裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

所述輸送皮帶上有很多排列規(guī)則的小孔，凹槽頂面與輸送帶內(nèi)側(cè)貼合。在輸送帶的吸力下，綿紙輸送到輸送帶的尾端被咬紙牙咬住繼續(xù)輸送。搭建如圖12所示。

2.3.2 ?裝單張紙輸送裝置的程序設(shè)計(jì)

程序語(yǔ)言：開始à裁切完成à開始輸送à叼牙叼紙à輸送停止à結(jié)束

程序圖如下：

2.3.3 ?單張紙輸送裝置的仿真分析

通過(guò)基于樂(lè)高EV3零件對(duì)單張紙輸送裝置的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證，在驗(yàn)證過(guò)程中不斷地改進(jìn)優(yōu)化，通過(guò)編程軟件LEGO MINDSTORMS對(duì)主要的該裝置進(jìn)行程序編寫并運(yùn)行，觀察運(yùn)行情況和運(yùn)動(dòng)分析。

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)在一定時(shí)間內(nèi)運(yùn)行時(shí)導(dǎo)出其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)曲線圖，如下所示。

如上圖所示，紫色線表示單張紙輸送機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡曲線圖，藍(lán)色線表示顏色傳感器檢測(cè)圖。由圖中可知，當(dāng)顏色傳感器檢測(cè)到單張紙顏色時(shí)，單張紙輸送機(jī)構(gòu)開始加速，加速到一定速度時(shí)，保持勻速輸送紙張，單張紙輸送結(jié)束輸送帶停止運(yùn)行等待輸送下一紙張。通過(guò)曲線圖分析，該裝置設(shè)計(jì)合理，滿足單張紙吸附以及單張紙輸送，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，經(jīng)分析該設(shè)計(jì)方案可行。

2.4基于樂(lè)高EV3的印刷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.4.1 ?印刷裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本論文采用膠版印刷的方式對(duì)單張綿紙進(jìn)行印刷，基于樂(lè)高EV3的零件，采用5個(gè)Z=40的直齒圓柱齒輪作為印刷系統(tǒng)的橡皮布滾筒，同理采用Z=40的直齒圓柱齒輪作為印刷裝置的壓印滾筒和印版滾筒;橡皮布滾筒上安裝有具有咬紙功能的叼牙機(jī)構(gòu);采用Z=24的中齒輪和Z=40的錐齒輪配合作為著墨裝置;采用Z=24的冠狀齒輪之間的配合作為著水裝置。裝置圖如下所示。

2.4.2 ?印刷裝置的程序設(shè)計(jì)

印刷系統(tǒng)的程序有四個(gè)部分：叼紙、著水、著墨、印刷^[8]。

程序邏輯語(yǔ)言為：開始à著水裝置運(yùn)行à著墨裝置運(yùn)行à印刷à按壓觸動(dòng)傳感器一次à停止印刷à結(jié)束。

程序圖：

2.4.3 ?定制印刷裝置的仿真分析

通過(guò)基于樂(lè)高EV3零件對(duì)印刷裝置的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證，在驗(yàn)證過(guò)程中不斷地改進(jìn)優(yōu)化^[9]，通過(guò)編程軟件LEGO MINDSTORMS對(duì)主要的該裝置進(jìn)行程序編寫并運(yùn)行，觀察運(yùn)行情況和運(yùn)動(dòng)分析。

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)在一定時(shí)間內(nèi)運(yùn)行時(shí)導(dǎo)出其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)曲線圖，如下所示。

如上圖所示，紫色線代表密封簽在膠印輥?zhàn)饔孟逻\(yùn)行軌跡，電機(jī)以P=10?W功率運(yùn)行，膠印輥保持勻速運(yùn)轉(zhuǎn)，密封簽在叼牙的作用下，保持勻速運(yùn)動(dòng)，膠印輥上利用水墨不相溶原理，通過(guò)印版滾筒與橡皮布滾筒相互擠壓，將油墨轉(zhuǎn)移至密封簽上，完成印刷。分析曲線圖，通過(guò)測(cè)量膠印輥電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度變化得，曲線成一次函數(shù)變化說(shuō)明水棍上的電機(jī)勻速運(yùn)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)勻速印刷，該方案能夠滿足設(shè)計(jì)需求，說(shuō)明該裝置機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案可行。

3??結(jié)論

本論文卷筒紙輸送機(jī)構(gòu)輸送的紙張張力較合適，紙張?jiān)谶\(yùn)行過(guò)程中既沒有發(fā)生撕扯現(xiàn)象也沒有發(fā)生松弛現(xiàn)象，滿足送紙需求，不產(chǎn)生送紙波動(dòng)，對(duì)紙張進(jìn)行了較準(zhǔn)確地張力控制，保證了后續(xù)裁切工序的順利進(jìn)行。裁切機(jī)構(gòu)選用沖擊氣缸裁切紙卷時(shí)，工序運(yùn)行平穩(wěn)，紙張質(zhì)量均勻，且無(wú)紙張毛邊

現(xiàn)象，解決了目前大多數(shù)裁切機(jī)構(gòu)存在的問(wèn)題，經(jīng)檢測(cè)紙張符合設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，滿足產(chǎn)品需求^[10]。單張紙的輸送采用真空輸送帶，通過(guò)運(yùn)動(dòng)曲線得，該裝置設(shè)計(jì)合理，滿足本論文單張綿紙的輸送。本次研究的印刷裝置的模擬采用了一個(gè)大伺服電機(jī)將其安裝在著水裝置上，利用直齒圓柱齒輪和錐齒輪之間的傳動(dòng)系統(tǒng)，保證印刷部分與著水裝置、著墨裝置之間的連續(xù)運(yùn)行，有曲線圖可看出，電機(jī)勻速運(yùn)行對(duì)綿紙完成印刷，解決了對(duì)試卷袋密封簽定制印刷的需求。

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