劉歡歡

摘 要：全自動(dòng)蓋章機(jī)在自動(dòng)化辦公領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，其主要工作原理是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)傳感器信號(hào)及工作流程來控制電動(dòng)機(jī)，進(jìn)而帶動(dòng)機(jī)械執(zhí)行結(jié)構(gòu)完成蓋章動(dòng)作。所以，本文對(duì)蓋章機(jī)中用到的電動(dòng)機(jī)、傳感器以及人機(jī)交互界面進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)蓋章;電動(dòng)機(jī);傳感器;人機(jī)交互

中圖分類號(hào)：TH69文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）03-0057-03

Design of Electrical Components of Automatic Sealing Machine

LIU Huanhuan

（Zhonghuan Information College， Tianjin University of Technology，Tianjin 300380）

Abstract： There are more and more applications of automatic stamping machines in the field of automated office， its main working principle is to control the motor according to the on-site sensor signal and work flow， and then drive the mechanical execution structure to complete the stamping action. Therefore， this paper selected and designed the motors， sensors and human-computer interaction interface used in the stamping machine.

Keywords： automatic seal;motor;sensor;human-computer interaction

全自動(dòng)蓋章機(jī)能夠極大地提高蓋章的自動(dòng)化水平，提升工作效率，其自動(dòng)運(yùn)行主要取決于人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)、各部位傳感器的設(shè)計(jì)以及各執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)的選擇[1-2]。

1 人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)

人機(jī)交互界面是用戶控制和使用設(shè)備的操作面板，也是設(shè)備展示當(dāng)前信息的屏幕，系統(tǒng)運(yùn)行的主令信號(hào)（復(fù)位、啟動(dòng)、停止等）以及手動(dòng)調(diào)整信號(hào)可以通過觸摸屏人機(jī)界面發(fā)出。同時(shí)，人機(jī)界面也顯示系統(tǒng)運(yùn)行的各種狀態(tài)信息。本設(shè)計(jì)采用的觸摸屏是一種感應(yīng)式液晶顯示器，可接收觸點(diǎn)等輸入信號(hào)。當(dāng)觸摸屏上的觸摸按鈕被觸動(dòng)時(shí)，觸摸反饋系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)先編程的程序運(yùn)行不同的連接裝置來代替機(jī)械開關(guān)板，而動(dòng)態(tài)圖像通過液晶顯示器產(chǎn)生動(dòng)態(tài)效果。觸摸屏作為一種新型的計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備，它是最簡(jiǎn)單、舒適、自然的人機(jī)交互方式，有著全新的多媒體視角，是一種極具吸引力的新型多媒體交互設(shè)備。觸摸屏作為一種新型的人機(jī)界面，自出現(xiàn)以來就產(chǎn)生了很大的影響。它簡(jiǎn)單易用，功能強(qiáng)大，穩(wěn)定性好，非常適合用于工業(yè)環(huán)境，也非常適合用于日常生活，應(yīng)用十分廣泛。

本設(shè)計(jì)選擇威綸通TK6100iv5觸摸屏作為全自動(dòng)蓋章機(jī)的人機(jī)界面。TK6100iv5是一款以低功耗CPU為核心（主頻400 MHz）的高性能嵌入式一體化工控機(jī)。該產(chǎn)品設(shè)計(jì)采用10英寸高亮度TFT液晶顯示屏（分辨率800×480），運(yùn)用四線模擬電阻式觸摸面板，內(nèi)存為128 MB，其配合EB8000 V2.0.0及以上版本軟件使用。在本設(shè)計(jì)中，觸摸屏與PLC的通信采用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線，首先進(jìn)入一個(gè)歡迎界面，其中設(shè)置了蓋章機(jī)使用者的用戶名和密碼管理，觸摸屏的歡迎界面設(shè)計(jì)如圖1所示。在用戶名和密碼正確的情況下，系統(tǒng)進(jìn)入使用界面，用戶需要輸入蓋章的位置和蓋章紙張的數(shù)量，同時(shí)蓋章機(jī)顯示當(dāng)前的工作狀態(tài)以及已經(jīng)完成蓋章的數(shù)量，觸摸屏的界面設(shè)計(jì)如圖2所示。

使用時(shí)，可以選擇文本框直接輸入蓋章位置，也可以將待蓋章文件放在蓋章位置檢測(cè)臺(tái)上進(jìn)行檢測(cè)，然后系統(tǒng)自動(dòng)輸入蓋章位置，如圖3所示。蓋章位置檢測(cè)臺(tái)由一組拉線式位移傳感器組成，橫向和縱向各布置一個(gè)傳感器。其中，橫向傳感器與縱向傳感器的拉線固定在一起，并可以沿縱向軌道滑動(dòng)，文件放在蓋章位置檢測(cè)臺(tái)以后，可以拉動(dòng)橫向、縱向傳感器的拉線端，定位蓋章位置，同時(shí)蓋章位置可被自動(dòng)填入控制系統(tǒng)。

2 傳感器的設(shè)計(jì)

傳感器是一種能夠檢測(cè)被測(cè)信息的裝置，能將采集的信息按一定規(guī)則轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或其他所需要的信息輸出，用來滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等一系列的要求[3-4]。

首先，進(jìn)紙?zhí)幏胖脗鞲衅?，按下蓋章機(jī)啟動(dòng)按鈕后，通過觸摸屏選擇蓋章位置，兩個(gè)伺服電機(jī)在橫縱兩個(gè)方向接連進(jìn)行定位后，如果傳感器1檢測(cè)到紙張，則搓紙輪運(yùn)行，將被測(cè)紙張?jiān)诩埗牙锎瓿?，搓進(jìn)搓紙輪與皮帶輪的交接處。根據(jù)需要，本設(shè)計(jì)選擇歐姆龍E3FA-DN12 2M圓柱形光電傳感器[5]。

然后，在皮帶輪與搓紙輪的交接處（即進(jìn)紙部分）放置傳感器2，當(dāng)紙張被搓紙輪搓到與皮帶輪的交接處，被傳感器2檢測(cè)時(shí)，搓紙輪停止運(yùn)行，皮帶輪開始進(jìn)行短距離運(yùn)行，將證件送入皮帶輪上。這里同樣選擇歐姆龍E3FA-DN12 2M圓柱形光電傳感器。

當(dāng)皮帶輪將紙張送到蓋章區(qū)域（即皮帶輪上方的中心位置），傳感器3檢測(cè)到紙張時(shí)，皮帶輪停止。當(dāng)單次蓋章完成時(shí)，傳感器再次檢測(cè)到紙張，皮帶輪運(yùn)行，將紙張從皮帶輪中心區(qū)域經(jīng)出紙口送出蓋章機(jī)。根據(jù)需求，本設(shè)計(jì)同樣選擇歐姆龍E3FA-DN12 2M圓柱形光電傳感器。

已經(jīng)蓋完章的紙張被皮帶輪送到出紙口處，被傳感器4檢測(cè)。PLC程序會(huì)關(guān)聯(lián)一個(gè)計(jì)數(shù)器，用于檢測(cè)蓋章次數(shù)，在達(dá)到觸摸屏選擇的蓋章次數(shù)時(shí)，伺服電機(jī)復(fù)位回零，若次數(shù)不足，則繼續(xù)進(jìn)行進(jìn)紙蓋章的循環(huán)。這里依然選擇歐姆龍E3FA-DN12 2M圓柱形光電傳感器。

本設(shè)計(jì)采用的光電傳感器均為漫反射式光電傳感器，開關(guān)的探測(cè)頭上裝有光束發(fā)射器和光束接收器，但漫反射光開關(guān)前沒有反射器，正常情況下光束發(fā)射器發(fā)出的光束接收器找不到。當(dāng)檢測(cè)對(duì)象通過時(shí)，它阻擋光并反射回部分光，然后光接收器接收光信號(hào)并輸出開關(guān)信號(hào)[6-7]。

在次數(shù)達(dá)到觸摸屏設(shè)定數(shù)量或按下停止按鈕時(shí)，兩個(gè)伺服電機(jī)都需要回零，這時(shí)需要添加兩個(gè)伺服回原點(diǎn)接近開關(guān)來分別輔助兩個(gè)伺服電機(jī)回零。兩個(gè)伺服電機(jī)回零需要選擇電容傳感器，而電容傳感器又有三種，即極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型。本設(shè)計(jì)選擇極距變化型電容傳感器來測(cè)量位移，使用CJM30-10A2-S電容式接近開關(guān)。另外，為了使伺服電機(jī)在運(yùn)行時(shí)不超出運(yùn)動(dòng)范圍，還需要在遠(yuǎn)離原點(diǎn)一側(cè)加上兩個(gè)電容傳感器，作為越程保護(hù)傳感器。此處電容傳感器需要配合蓋章機(jī)構(gòu)上面的一個(gè)金屬片來檢測(cè)蓋章機(jī)構(gòu)當(dāng)前的位置。

此外，蓋章機(jī)構(gòu)上升和下降時(shí)也需要進(jìn)行限位，本設(shè)計(jì)采用NPN型霍爾傳感器BHY-P7T1，在上升和下降位置各布置一個(gè)霍爾傳感器，然后在蓋章機(jī)構(gòu)末端布置一塊磁鐵，工作中用霍爾傳感器來檢測(cè)磁鐵的位置，進(jìn)而推斷出機(jī)構(gòu)所在位置。傳感器選擇匯總?cè)绫?所示。

3 電動(dòng)機(jī)的選型設(shè)計(jì)

電動(dòng)機(jī)是根據(jù)電磁感應(yīng)定律將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置。在自動(dòng)化設(shè)備中，其主要任務(wù)是產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，作為各個(gè)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源。在全自動(dòng)蓋章機(jī)完成蓋章的過程中，要對(duì)蓋章機(jī)構(gòu)的位置進(jìn)行精確定位，其往返于蓋章位置與沾墨位置之間，此外需要對(duì)蓋章文件進(jìn)行傳送。所以，人們需要根據(jù)全自動(dòng)蓋章機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)功能的需求，對(duì)不同位置所需電機(jī)進(jìn)行選型。

全自動(dòng)蓋章機(jī)需要實(shí)現(xiàn)蓋章機(jī)構(gòu)在橫向和縱向的定位，其中，橫向定位選擇西門子1FL6（LI）低慣量型永磁同步伺服電機(jī)，首先在觸摸屏界面上設(shè)置輸入框，待輸入蓋章橫向位置數(shù)據(jù)后，橫向定位電機(jī)將根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)使蓋章機(jī)構(gòu)在橫向上到達(dá)位置，精確定位。伺服電機(jī)具有轉(zhuǎn)速精度較高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、位置精度高的特點(diǎn)，非常適合完成定位工作。本設(shè)計(jì)選用西門子1FL6（LI）低慣量型永磁同步伺服電機(jī)，主要原因有三點(diǎn)。一是它適用于動(dòng)態(tài)響應(yīng)高的地方，在本設(shè)計(jì)中，適合完成蓋章機(jī)構(gòu)定位。二是它的體積較小，蓋章機(jī)這種適用于各種辦公地點(diǎn)的機(jī)器本身占用的空間往往需要小一點(diǎn)，所以蓋章機(jī)體積往往不應(yīng)該太大，另外，電機(jī)太大會(huì)導(dǎo)致蓋章機(jī)內(nèi)部各方向、各自由度上的機(jī)械結(jié)構(gòu)沖突。三是此伺服電機(jī)采用自然冷卻，環(huán)境不會(huì)對(duì)自身散熱有太大的影響。

本著安裝和使用方便、調(diào)試方便、功能參數(shù)一致的原則，蓋章機(jī)構(gòu)的縱向定位也選用西門子1FL6（LI）低慣量型永磁同步伺服電機(jī)，縱向定位電機(jī)使用的功能與橫向定位電機(jī)類似，區(qū)別只是定位方向。也就是說，在觸摸屏界面縱向位置輸入框中設(shè)定數(shù)據(jù)，縱向電機(jī)可以根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)使蓋章機(jī)構(gòu)在縱向上到達(dá)位置，精確定位。

蓋章機(jī)構(gòu)在平面內(nèi)的定位是由PLC程序根據(jù)觸摸屏的輸入數(shù)據(jù)，控制橫向定位電機(jī)和縱向定位電機(jī)的組合來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)位置進(jìn)行精確定位是保證蓋章機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的重要步驟之一。

搓紙輪處需要連接一臺(tái)搓紙輪電機(jī)，搓紙輪的主要作用就是將紙張從紙堆中搓離，完成分頁(yè)，然后送入蓋章機(jī)構(gòu)中與皮帶輪起點(diǎn)的交接處。本設(shè)計(jì)選用545DC12V直流電機(jī)，因?yàn)橹绷麟姍C(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，體積小，效率高，在蓋章機(jī)里適合給搓紙輪提供動(dòng)力。

蓋章機(jī)工作期間需要運(yùn)送蓋章文件，此時(shí)需要給進(jìn)紙、出紙的皮帶輪連接一個(gè)皮帶輪電機(jī)。皮帶輪的主要作用就是將搓紙輪送入機(jī)器的紙張送到蓋章位置，并將完成蓋章的紙張送到出紙口。因?yàn)榇昙堓喓推л喸诠δ苌舷喾拢枇剌^小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能簡(jiǎn)單，本設(shè)計(jì)選用545DC12V直流電機(jī)為皮帶輪提供動(dòng)力。

最后需要給蓋章機(jī)構(gòu)的蓋章工作配置一個(gè)蓋章電機(jī)，蓋章電機(jī)的控制要比搓紙輪電機(jī)和皮帶輪電機(jī)復(fù)雜一些，因?yàn)樯w章過程中，蓋章電機(jī)要配合機(jī)械機(jī)構(gòu)。電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，印章向下到達(dá)需要蓋章的紙張位置進(jìn)行蓋章，完成后，蓋章電機(jī)兩根線反接，蓋章電機(jī)反轉(zhuǎn)，印章向上運(yùn)動(dòng)蘸取印泥，以此來實(shí)現(xiàn)電機(jī)中的重要步驟——蓋章和蘸取印泥。其中，蓋章和蘸取印泥時(shí)最好有制動(dòng)來保持蓋章狀態(tài)。因此，蓋章電機(jī)同樣選擇545DC12V直流電機(jī)，同時(shí)需要配置電機(jī)的制動(dòng)器。電動(dòng)機(jī)選型匯總?cè)绫?所示。

4 結(jié)論

全自動(dòng)蓋章機(jī)使用者通過人機(jī)交互界面設(shè)置了需求信息，控制器讀取觸摸屏信號(hào)，進(jìn)而通過采用各種傳感器的信號(hào)來控制電動(dòng)機(jī)，保障全自動(dòng)蓋章機(jī)的正常工作。本文選取了合適的電氣元件進(jìn)行設(shè)計(jì)，未來將進(jìn)一步制作樣機(jī)，驗(yàn)證選擇的正確性。

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