繪圖儀的走紙系統設計與硬件選用

高文闖（天津寶盈電腦機械有限公司）

1 引言

繪圖儀主要分為筆式和噴墨兩種類型，其走紙系統包括繪圖介質傳動系統和卷紙軸收放紙結構。目前繪圖儀主要應用于需要大幅面出圖企業、規劃局、設計院等以及氣象領域，另外在勘探、建筑設計、航天、石油氣、自來水等領域也均有應用。

最初，寬幅面繪圖儀于上世紀90年代引入中國，當時國產服裝CAD軟件剛起步，但國內并無配套生產繪圖儀廠家，只能購買國外產品。國外部分品牌能支持少量的國產服裝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，而且售后服務費用很高。

2000年，北京凌奇公司推出第一臺國產繪圖儀，該繪圖儀由刻字機改裝，采用了步進電機控制系統，填補了國內市場的空白，結束了國外產品在中國的壟斷局面。而后，天津寶盈電腦機械有限公司和一批相關企業看到市場發展前景，都加入繪圖儀的研發隊伍。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。為了更好的適應市場，有更強的競爭力，天津寶盈電腦機械有限公司對繪圖儀進行了大量技術改進，性能已經趕超國際水平。

2 繪圖介質傳動系統設計

2.1 主要組成

繪圖介質傳動系統主要由驅動電機、傳動同步輪、同步帶、主傳動軸、鋼刺滾輪、橡膠壓輪、橡膠壓輪壓力調節機構等組成。

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。電機驅動主傳動軸，帶動鋼刺滾輪轉動，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動。

圖1 繪圖儀走紙工作原理圖

2.3 橡膠壓輪設計

2.3.1 橡膠壓輪受力分析

橡膠壓輪壓力調節板受力分析如圖2所示。

圖2 橡膠壓輪調節板受力分析圖

圖 3 橡膠壓輪結構示意圖

壓輪壓輪調節板受到連根彈簧的拉力，每根彈簧產生的最大拉力：

Fmax=K×max =1.25×10=12.5N

∵NL1=2Fmax×L2；L1=20mm；L2=40mm

∴N=4×Fmax=50N

2.3.2 橡膠壓輪結構設計

復印機、傳真機、印刷機、數碼照片打印機、刻字機、磁卡機等機器都用橡膠壓輪傳動紙張。普通橡膠壓輪結構示意圖如圖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、中間轉動軸套微型軸承，使轉動更加靈活。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，以保證尺寸規格相同。

2.4 送紙系統設計

2.4.1 送紙器選擇

繪圖儀最大走紙長度達到30m以上，而且要求走紙精度非常高。印刷機、刻字機、復印機、傳真機、打印機等機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。其特點為：（1）能適應各種品質的紙張材料；（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）連續作業不發熱、不打滑、不夾紙，生產效率高；（6）耐磨損、壽命長；（7）經濟耐用，提高整機檔次，降低維護保養費用。

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

假設鋼刺滾輪以最高轉速勻速轉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（對于不同的繪圖介質，δ有不同值?，F在假設δ=5.2mm）

N為橡膠壓輪對鋼刺滾輪的最大壓力,此時設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

假設鋼刺滾輪的標準直徑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，標準鋼刺滾輪轉過的圈數為N=600/(πD)= 600/(π×22.58)=8.462圈。假設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△＞0.5mm時，紙張會起皺，容易引起繪圖筆刮破紙張，并產生繪圖誤差，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鍵的零部件，其直徑誤差會直接影響繪圖精度。但一般生產的鋼刺滾輪直徑誤差很難達到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 卷紙軸收放紙系結構計

因要求繪圖儀繪圖長度，一般在5～30m，因此要設計收紙、放紙結構。

3.1 工作原理

卷紙軸收放紙結構采用發射接受式光電開關檢測紙張，當繪圖紙張不夠時，控制放紙電機放紙。當繪完的圖紙超過一定距離時，控制收紙電機收紙。

3.2 兩種收紙、放紙的結構形式

（1）前面收紙，后面放紙結構如圖5所示。其結構簡單，工作平穩。

（2）前面收紙，前面放紙結構如圖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閉結構和一定的過載能力，而且X方向繪圖時要平穩。

4.1 收放紙電機選取直流減速電機

4.11..11 優點

（1）同軸式斜齒輪減速電機結構緊湊,體積小,造型美觀,承受過載能力強；（2）傳動比分級精細,選擇范圍廣,轉速型譜寬,范圍i=2～28800；（3）能耗低,性能優越,減速器效率高達96%,振動小,噪音低；（4）通用性強,是用維護方便,維護成本低；（5）采用新型密封裝置,保護性能好,對環境適應性強,可在有腐蝕、潮濕等惡劣環境中連續工作。

4.1.2 送紙參數計算

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機器為例所以紙桿長度大約為2.44m，管重是1Kg。

經過計算扭矩為直流減速電機完全可以勝任，由于收紙桿卷一點紙就會被裁去，所以承受的重量不會達到送紙桿那么大，收紙電機只需要選用扭矩為送紙桿一半的直流減速電機便可。為了保證機器運轉協調一致，，盡量要選用輸出轉速一致的電機。

圖5 后置送紙結構

圖6 前置送紙結構

4.2送紙主軸電機選取步進電機

4.22..11 優點

1、鎖定位置時，電機不再耗電；2、體積小、壽命長；3、成本低廉、驅動簡單；4、步進電機可實現精確定位控制，能廣泛應用于位移精確定位系統中。

4.2.2 主軸電機選取要求

主軸收送紙傳動系統，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、高精度送紙機構。根據上面步進電機的優點我們可以判斷出，步進電機符合上述要求。

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。

經計算，扭矩為1.3813N/m。

4.3 自動收送紙開關選用光電感應開關

繪圖儀工作過程中需要體積小，能自動控制收紙送紙開關，在無人值守下可以獨立完成輸入的指令。

4.3.1 工作原理

光電感應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，經傳輸而至受光器之透鏡，再至接收感應器，感應器將收到之光線訊號轉變成電器信號，此電信訊號更可進一步作各種不同的開關及控制動作，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用，以完成各種自動化控制。

4.33..22 優點

自動收送紙開關選用光電感應開關具有體積小、功能多、壽命長、精度高、響應速度快、檢測距離遠以及抗光、電、磁干擾能力強的優點。

5 結論

（1）繪圖儀走紙系統包括繪圖介質傳動系統和卷紙軸收放紙結構，其中繪圖介質系統更為主要。

（2）噴墨/筆式繪圖儀收送紙，繪圖介質傳動系統精度要求高。

（3）鋼刺滾輪是繪圖儀走紙系統關鍵的零部件，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。

[1] 曲彩云，龐輝等.摩擦學設計[M].北京：機械工業出版社，2004.8, 第五卷.

[2] 曲彩云，黃麗梅等.非金屬材料、橡膠件結構設計工藝性、力學公式[M].北京：機械工業出版社，2004.8.

[3] 魏茂春.繪圖儀常見故障及檢修[J]..河南紡織高等?？茖W校報，2005.

[4] 李勁松，HP公司等編譯.HPGL/2及RTL繪圖儀語言編程指南[M]..北京：清華大學出版社,1995.