基于乐高EV3的密封签定制印刷机构的模型仿真

2019-11-14单光何邦贵袁智慧王超张朝亮姚传红

软件 2019年9期

单光何邦贵袁智慧王超张朝亮姚传红

摘要：在试卷袋背面存在折叠接口，为了保密性和防止被人拆封，必须使用密封签来粘贴覆盖。密封签采用在线定制印刷，一个试卷袋配套一个密封签，防止封口签的外泄和替代，实现试卷袋的防伪的唯一性。通过对试卷袋密封签印刷工艺进行分析，总结密封签印刷流水线的主要工艺及需要解决的问题，利用乐高EV3套装工具对关键机构进行仿真搭建，使用LEGO MINDSTORMS编写程序运行机构，分析机构性能，验证机构的适用性。

关键词：密封签;乐高EV3;仿真;LEGO MINDSTORMS

中图分类号： TP391 文献标识码： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.09.030

本文著录格式：单光，何邦贵，袁智慧，等. 基于乐高EV3的密封签定制印刷机构的模型仿真[J]. 软件，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

在試卷的生产过程中，用于装试卷的试卷袋必须密封，通常使用密封签来密封试卷袋，通过密封签来保证试卷的保密性。试卷生产企业主要采用柔印印刷或平版印刷技术在绵纸上进行密封签的印刷生产。传统的密封签的生产工艺为：拼大版、制版、印刷、分切小张。在试卷袋密封签上需要印刷考试时间和考试类型，以及印制单位的专用防伪信息。因此，在实际生产过程中每种类型的密封条都要按考试类型和考试试卷袋的数量进行定量印刷生产，不可提前大批量印刷。为保障试卷袋密封条的唯一性和保密性，试卷印制生产企业都需要将印刷人员

进行全封闭式管理，但密封签的数量比较少，入闱和封闭时间较长的话，就会造成设备的闲置，人员的浪费^[1]。

因此，我们通过对试卷袋密封签印刷工艺进行分析，设计出密封签定制印刷机构，然后利用乐高EV3套装工具对试卷袋密封签印刷机构进行仿真搭建，使用LEGO MINDSTORMS编写程序运行机构，分析机构性能，验证机构的适用性。

1 乐高EV3

1980年乐高集团在丹麦成立，乐高集团推出了很多教育套装，包括早期结构、早期简单机械、编程套装等。乐高集团在2013年下半年推出了?新一代

的LEGO头脑风暴系列的主控——Minds torms EV3，EV3套装里主机的按钮可发光，从发出的光的颜色即可看出EV3的状态，套装的处理器：ARM 9处理器300 MHz基于Linux操作系统。

套装主机：1.USB端口;2.一个SD读卡器;3.四个输入端口（1、2、3、4），四个输出端口（A、B、C、D）;4.支持USB2.0， Wi-Fi和蓝牙与电脑连接;5.编程接口，用于编程以及数据日志的上传下载^[2]。

本次的研究平台是基于乐高的EV3智能机器人。EV3是乐高集团教育部所研发的一套用于STEAM教学的教具，机器人会陆续代替家用计算机的通信功能、多媒体运用功能等;不仅可以接受固定指令，而且还能够看、听，有触觉。与计算机相比，可以更好的把设想通过机器人模拟实现出来，从实际中去验证设想，不断改进完善^[3]。用EV3机器人进行研究安全可靠，并且能够很好的模拟出实际生活中运用的情况，EV3的出现让设计更为简洁。

EV3编程软件是通过拖曳式的模块化编程。在EV3编程模块包括动作模块、流程模块、传感器模块。动作模块包括中型电机模块、大型电机模块。中型电机模块可设定中型电机的转动模式、速度、以及制动和滑行。大型电机模块可以控制机器人前进、后退等用途，但是该模块无法实现转弯。流程模块包括等待、循环、切换。等待：相当于程序的条件，当触发某一特定条件时程序继续运行，开始执行下一个动作。循环：当未设定循环时，程序开启后只能执行一次，加入循环程序可保证程序能够重复被执行。切换：相当于条件语句，当满足条件时执行第一条程序，不满足条件时执行下一条程序，也可实现两个条件或多个条件的执行，比如颜色传感器在侦测到不同的颜色时会发出不一样的信号。传感器模块包括超声波传感器、颜色传感器、温度传感器、触动传感器^[4]。

2 基于乐高EV3的试卷袋定制印刷机构的模型仿真

2.1卷筒纸输送装置的模型仿真

2.1.1 卷筒纸输送装置结构仿真

悬挂输送装置是常用的一种连续输送设备，很多工业部门的流水线都需要用到悬挂式输送装置完成各工艺间的输送工作。输送装置的结构主要有：驱动轮、输送轨道、张紧轮及安全设备。

基于乐高EV3的套装零件，输送机构设计如图所示，其结构采用若干横梁、竖梁构成架体，保证其负载能力以及结构的稳定性。结构中有一个大型的送纸棍，送纸棍由两边的支撑架支撑;有2个送纸棍，并且这两个紧纸棍以同样的速度同方向旋转以保证纸卷的平整性和连续性;有3个紧纸棍，起到控制纸张张力的作用，同样有6个支撑架保障受力平衡。

2.1.2 輸送装置的程序设计

输送系统的程序只有一个部分：输送部分。

程序逻辑语言：开始à按压触碰传感器一次à大型伺服电机D行à大型伺服电机C向运行à输送结束à大型伺服电机C、D停止运行à结束。程序图如图5所示。

2.1.3 输送装置的仿真分析

通过基于乐高EV3零件对输送装置的机构设计进行了验证，在验证过程中不断地改进优化，通过编程软件LEGO MINDSTORMS对主要的该装置进行程序编写并运行，观察运行情况和运动分析^[5]。

机构运动在10秒钟内运行时导出其机构运动曲线图，如图6所示。

如上图所示，紫色线代表牵引辊运动轨迹，绿色线代表送纸辊运动轨迹。由图中可看出，在牵引辊作用下，绵纸以一定的加速度运行，送纸辊也缓慢送纸，当牵引辊送纸速度达到所需送纸速度时，保持匀速送纸，送纸辊开始加速，当送纸速度与牵引辊速度保持一致时，停止加速，这样牵引辊与送纸辊速度一致，保持匀速送纸，满足送纸需求，不产生送纸波动。达到设计要求，经分析该设计方案可行。

2.2基于乐高EV3的卷筒纸裁切装置仿真

2.2.1 裁切装置的结构仿真

基于乐高EV3零件的气缸冲切装置如图7所示。

结构的搭建采用乐高气动力套装零件完成，采用了曲柄与气缸连接，利用电机旋转将源源不断的气体储存在气泵里，可从如图所示的气压表进行气压检查与气压调整，当颜色传感器检测到绵纸时，机电反方向旋转完成气缸内活塞的往上运动，当检测到绵纸的裁切长度时，气缸的活塞导杆快速向下运动完成冲击裁切。总体来说，该机构是将电机的周转运动转变为气缸的往复直线运动^[6]。

乐高的裁切装置选择使用气缸裁切，气缸式乐高气动力系统里的基础部件，通常与气泵配合使用，气缸里的活塞根据两个腔体的压力差二随着上下移动，图片如下所示。

2.2.2 裁切装置的程序设计

裁切系统的程序只有一个部分：切纸部分。

程序逻辑语言为：开始à颜色传感器检测到白色à气缸活塞上升à气缸活塞下降à真空带输送à结束。

程序框图：

2.2.3 裁切机构的仿真分析

通过基于乐高EV3零件对裁切机构的机构设计进行了验证，在验证过程中不断地改进优化，通过编程软件LEGO MINDSTORMS对主要的该装置进行程序编写并运行，观察运行情况和运动分析^[7]。

机构运动在一定时间段内运行时导出其机构运动曲线图，如下所示。

如上图所示，蓝色代表颜色传感器，紫色代表气缸裁切电机运动轨迹，由图中可以看出当颜色传感器检测到纸张（白色）时，气缸裁切机构开始向下运行，当颜色传感器检测到满足所需纸张长度时，气缸裁切刀正好到最低位置，正好切断纸张，然后气缸往上抬升，恢复到初始位置。这样循环往复，不断裁切出同样长度的单张绵纸，满足设计需求。经检测纸张符合设计长度，满足产品需求。分析得出该装置满足设计要求，经分析该设计方案可行。

2.3 基于乐高EV3的单张纸输送机构设计

2.3.1 装单张纸输送装置的结构设计

所述输送皮带上有很多排列规则的小孔，凹槽顶面与输送带内侧贴合。在输送带的吸力下，绵纸输送到输送带的尾端被咬纸牙咬住继续输送。搭建如图12所示。

2.3.2 装单张纸输送装置的程序设计

程序语言：开始à裁切完成à开始输送à叼牙叼纸à输送停止à结束

程序图如下：

2.3.3 单张纸输送装置的仿真分析

通过基于乐高EV3零件对单张纸输送装置的机构设计进行了验证，在验证过程中不断地改进优化，通过编程软件LEGO MINDSTORMS对主要的该装置进行程序编写并运行，观察运行情况和运动分析。

机构运动在一定时间内运行时导出其机构运动曲线图，如下所示。

如上图所示，紫色线表示单张纸输送机构运动轨迹曲线图，蓝色线表示颜色传感器检测图。由图中可知，当颜色传感器检测到单张纸颜色时，单张纸输送机构开始加速，加速到一定速度时，保持匀速输送纸张，单张纸输送结束输送带停止运行等待输送下一纸张。通过曲线图分析，该装置设计合理，满足单张纸吸附以及单张纸输送，达到设计要求，经分析该设计方案可行。

2.4基于乐高EV3的印刷系统设计

2.4.1 印刷装置的结构设计

本论文采用胶版印刷的方式对单张绵纸进行印刷，基于乐高EV3的零件，采用5个Z=40的直齿圆柱齿轮作为印刷系统的橡皮布滚筒，同理采用Z=40的直齿圆柱齿轮作为印刷装置的压印滚筒和印版滚筒;橡皮布滚筒上安装有具有咬纸功能的叼牙机构;采用Z=24的中齿轮和Z=40的锥齿轮配合作为着墨装置;采用Z=24的冠状齿轮之间的配合作为着水装置。装置图如下所示。

2.4.2 印刷装置的程序设计

印刷系统的程序有四个部分：叼纸、着水、着墨、印刷^[8]。

程序逻辑语言为：开始à着水装置运行à着墨装置运行à印刷à按压触动传感器一次à停止印刷à结束。

程序图：

2.4.3 定制印刷装置的仿真分析

通过基于乐高EV3零件对印刷装置的机构设计进行了验证，在验证过程中不断地改进优化^[9]，通过编程软件LEGO MINDSTORMS对主要的该装置进行程序编写并运行，观察运行情况和运动分析。

机构运动在一定时间内运行时导出其机构运动曲线图，如下所示。

如上图所示，紫色线代表密封签在胶印辊作用下运行轨迹，电机以P=10 W功率运行，胶印辊保持匀速运转，密封签在叼牙的作用下，保持匀速运动，胶印辊上利用水墨不相溶原理，通过印版滚筒与橡皮布滚筒相互挤压，将油墨转移至密封签上，完成印刷。分析曲线图，通过测量胶印辊电机旋转的角度变化得，曲线成一次函数变化说明水棍上的电机匀速运动，能够实现匀速印刷，该方案能够满足设计需求，说明该装置机构设计方案可行。

3 结论

本论文卷筒纸输送机构输送的纸张张力较合适，纸张在运行过程中既没有发生撕扯现象也没有发生松弛现象，满足送纸需求，不产生送纸波动，对纸张进行了较准确地张力控制，保证了后续裁切工序的顺利进行。裁切机构选用冲击气缸裁切纸卷时，工序运行平稳，纸张质量均匀，且无纸张毛边

现象，解决了目前大多数裁切机构存在的问题，经检测纸张符合设计长度，满足产品需求^[10]。单张纸的输送采用真空输送带，通过运动曲线得，该装置设计合理，满足本论文单张绵纸的输送。本次研究的印刷装置的模拟采用了一个大伺服电机将其安装在着水装置上，利用直齿圆柱齿轮和锥齿轮之间的传动系统，保证印刷部分与着水装置、着墨装置之间的连续运行，有曲线图可看出，电机匀速运行对绵纸完成印刷，解决了对试卷袋密封签定制印刷的需求。

参考文献