绘图仪的走纸系统设计与硬件选用

2015-12-18高文闯天津宝盈电脑机械有限公司

纺织科学研究 2015年10期

高文闯（天津宝盈电脑机械有限公司）

1 引言

绘图仪主要分为笔式和喷墨两种类型，其走纸系统包括绘图介质传动系统和卷纸轴收放纸结构。目前绘图仪主要应用于需要大幅面出图企业、规划局、设计院等以及气象领域，另外在勘探、建筑设计、航天、石油气、自来水等领域也均有应用。

最初，宽幅面绘图仪于上世纪90年代引入中国，当时国产服装CAD软件刚起步，但国内并无配套生产绘图仪厂家，只能购买国外产品。国外部分品牌能支持少量的国产服装CAD软件外，其他都与自有品牌服装CAD软件捆绑销售。因此，能提供国内服装CAD软件商选择绘图仪范围有限。

国外绘图仪品牌的性能稳定、速度快、精度高、故障少，但价格昂贵，维修不方便、不及时，而且售后服务费用很高。

2000年，北京凌奇公司推出第一台国产绘图仪，该绘图仪由刻字机改装，采用了步进电机控制系统，填补了国内市场的空白，结束了国外产品在中国的垄断局面。而后，天津宝盈电脑机械有限公司和一批相关企业看到市场发展前景，都加入绘图仪的研发队伍。近年来绘图仪的销量每年都有所增长，良好的性价比逐渐挤占了国外品牌的市场。为了更好的适应市场，有更强的竞争力，天津宝盈电脑机械有限公司对绘图仪进行了大量技术改进，性能已经赶超国际水平。

2 绘图介质传动系统设计

2.1 主要组成

绘图介质传动系统主要由驱动电机、传动同步轮、同步带、主传动轴、钢刺滚轮、橡胶压轮、橡胶压轮压力调节机构等组成。

2.2 绘图仪走纸工作原理分析

如图1所示，钢刺滚轮固定在主传动轴上，橡胶压轮在弹簧力的作用下，紧压在钢刺滚轮上。电机驱动主传动轴，带动钢刺滚轮转动，绘图纸张在钢刺滚轮和橡胶压轮的夹紧力作用下左左右运动。

图1 绘图仪走纸工作原理图

2.3 橡胶压轮设计

2.3.1 橡胶压轮受力分析

橡胶压轮压力调节板受力分析如图2所示。

图2 橡胶压轮调节板受力分析图

图 3 橡胶压轮结构示意图

压轮压轮调节板受到连根弹簧的拉力，每根弹簧产生的最大拉力：

Fmax=K×max =1.25×10=12.5N

∵NL1=2Fmax×L2；L1=20mm；L2=40mm

∴N=4×Fmax=50N

2.3.2 橡胶压轮结构设计

复印机、传真机、印刷机、数码照片打印机、刻字机、磁卡机等机器都用橡胶压轮传动纸张。普通橡胶压轮结构示意图如图3（a）所示。绘图仪对纸张的传动精度要求很高，图3（b）对橡胶压轮作如下改动：1、中间转动轴套微型轴承，使转动更加灵活。2、橡胶轮最好用压铸胶，提高耐磨性。3、表面橡胶经过抛光后再使用，同一台绘图仪上使用的橡胶压轮要选配，以保证尺寸规格相同。

2.4 送纸系统设计

2.4.1 送纸器选择

绘图仪最大走纸长度达到30m以上，而且要求走纸精度非常高。印刷机、刻字机、复印机、传真机、打印机等机器主传动轴上的送纸器常用的是橡胶轴、滚花轴、精钢砂辊、铝棍等，对纸张的附着力小，耐磨性差，传动精度达不到绘图仪的要求。

因此绘图仪主传动轴上的送纸器要采用高精度钢刺滚轮，以提高对纸张的附着力，提高耐磨性，减小长距离走纸的重复精度和偏斜误差。钢刺滚轮的表面，由间距相等、突出高度相同、大小均匀的突起点组成。它能精确定位，并能往返或单方向高速、高精度送纸。其特点为：（1）能适应各种品质的纸张材料；（2）往返送纸精度高、速度快、摩擦力大（不打滑、不偏斜）；（3）不损伤纸张的表面；（4）不受温度、湿度、尘埃的影响；（5）连续作业不发热、不打滑、不夹纸，生产效率高；（6）耐磨损、寿命长；（7）经济耐用，提高整机档次，降低维护保养费用。

2.4.2 钢刺滚轮受力分析

钢刺滚轮受力分析如图4所示。

图4 钢刺滚轮受力图

假设钢刺滚轮以最高转速匀速转动时受到最大滚动摩擦阻力扭矩为 Mmax,则Mmax=δN=5.2×50= 0.26(N/m)

其中，δ为钢刺滚轮的滚动摩擦阻力系数（对于不同的绘图介质，δ有不同值。现在假设δ=5.2mm）

N为橡胶压轮对钢刺滚轮的最大压力,此时设钢刺滚轮表面受到摩擦力为f，则有Mmax=f×R；f=Mmax/R=260/(22.58/2)=23N，其中R为钢刺滚轮半径。

2.4.3钢刺滚轮直径误差对走纸偏斜的影响分析

假设钢刺滚轮的标准直径D=22.580mm，绘图仪上相邻的两个钢刺滚轮直径分别是D1、D2，绘图仪分段绘图的一段距离S=600mm，则在每一段绘图过程中，标准钢刺滚轮转过的圈数为N=600/(πD)= 600/(π×22.58)=8.462圈。假设相邻钢刺滚轮分别带动纸张走过的距离是：S1=πD1×N；S2=πD2×N

∴ 走纸误差△=S2–S1=π（D2-D1）×N=26.57(D2-D1)

当△＞0.5mm时，纸张会起皱，容易引起绘图笔刮破纸张，并产生绘图误差，多以一般要求△≤0.5mm。

△=26.57(D2-D1)≤0.5mm即

D2-D1≤0.019mm

由此可以得知钢刺滚轮是绘图仪最关键的零部件，其直径误差会直接影响绘图精度。但一般生产的钢刺滚轮直径误差很难达到D=22.58±0.009mm，所以同一台绘图仪的钢刺滚轮要选配，并且要提高和主传动轴的装配精度，以减小同轴度误差。

3 卷纸轴收放纸系结构计

因要求绘图仪绘图长度，一般在5～30m，因此要设计收纸、放纸结构。

3.1 工作原理

卷纸轴收放纸结构采用发射接受式光电开关检测纸张，当绘图纸张不够时，控制放纸电机放纸。当绘完的图纸超过一定距离时，控制收纸电机收纸。

3.2 两种收纸、放纸的结构形式

（1）前面收纸，后面放纸结构如图5所示。其结构简单，工作平稳。

（2）前面收纸，前面放纸结构如图6所示。其美观大方，更换纸卷方便。

4 电器元件的选取

在绘图仪收送纸时纸张要有精确的定位，绘图时收纸送纸要有固定开启关闭结构和一定的过载能力，而且X方向绘图时要平稳。

4.1 收放纸电机选取直流减速电机

4.11..11 优点

（1）同轴式斜齿轮减速电机结构紧凑,体积小,造型美观,承受过载能力强；（2）传动比分级精细,选择范围广,转速型谱宽,范围i=2～28800；（3）能耗低,性能优越,减速器效率高达96%,振动小,噪音低；（4）通用性强,是用维护方便,维护成本低；（5）采用新型密封装置,保护性能好,对环境适应性强,可在有腐蚀、潮湿等恶劣环境中连续工作。

4.1.2 送纸参数计算

一般绘图仪用整卷纸都在35Kg左右,纸卷直径是200mm,串纸纸杆直径为41mm, 以2.5m机器为例所以纸杆长度大约为2.44m，管重是1Kg。

经过计算扭矩为直流减速电机完全可以胜任，由于收纸杆卷一点纸就会被裁去，所以承受的重量不会达到送纸杆那么大，收纸电机只需要选用扭矩为送纸杆一半的直流减速电机便可。为了保证机器运转协调一致，，尽量要选用输出转速一致的电机。