CN106970590A - 一种纸带纠偏控制装置及纠偏方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纸带纠偏控制装置，包括超声波传感器，超声波传感器连接有控制系统，控制系统连接有步进电机驱动器，步进电机驱动器连接有步进电机，步进电机的输出轴上连接有滚珠丝杠。本发明一种纸带纠偏控制装置性能稳定，运行可靠，该纠偏系统为一个闭环控制系统，传感器作为反馈可以实时获取并发送信息，保证纠偏装置处于动态监测状态。电源模块为整个纠偏控制系统提供不同等级的直流电源，保证系统的正常工作。采用本装置的纠偏方法解决了带材在加工过程中由于受到各种不可控制力作用而出现的跑偏现象，保证了印刷过程中套印的准确率，提高了产品的质量，减少了材料的浪费。

Description

一种纸带纠偏控制装置及纠偏方法

技术领域

本发明涉及印刷设备技术领域，具体涉及一种纸带纠偏控制装置，本发明还涉及采用该纸带纠偏控制装置进行纸带纠偏的方法。

背景技术

纸张、塑料薄膜、纺织物等带材在加工过程中，易受到不可控制力的影响，从而偏离原来预设的基准线，呈现出蛇形一样的横向偏移，造成纸卷收放时带材边缘的不整齐以及印刷图案在套印时出现偏差，严重影响了带材加工的精度、生产设备正常运行的连续性。纸带的运行速度越快时，跑偏现象就越严重，若不能对带材跑偏现象进行及时纠正，就会严重影响成品的质量，并且会增加材料的消耗，造成大量废品。带材跑偏是多种因素共同作用的结果，是客观存在的，要想阻止跑偏现象的发生是十分困难的。然而通过机器本身来保证带材的正确运行是很难满足的，一般通过外加纠偏系统来对整个纸带的运行过程加以实时检测和控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种纸带纠偏控制装置，能够保证纸带在印刷机的整个纸路上都能够按照预定路线运行，保证印刷机的正常运转并提高多色印刷中套印的准确率。

本发明的另一个目的是提供采用该纸带纠偏控制装置进行纸带纠偏的方法。

本发明所采用的技术方案是，一种纸带纠偏控制装置，包括超声波传感器，超声波传感器连接有控制系统，控制系统连接有步进电机驱动器，步进电机驱动器连接有步进电机，步进电机的输出轴上连接有滚珠丝杠。

本发明的特点还在于，

控制系统包括控制器，控制器连接有液晶显示屏、通讯模块、第一指示灯、第二指示灯及复位开关；复位开关与步进电机连接。

超声波传感器的型号为AE-210。

控制器为型号STC12C5A60S2的芯片。

通讯模块为型号max232的芯片。

本发明所采用的另一个技术方案是，一种纸带纠偏方法，采用一种纸带纠偏控制装置，包括以下步骤：

步骤1，设定纸带的边缘位置为标识位置，纸带开始运行后检测通过超声波传感器的上下传感探头探测到的纸带边缘偏离中心位置的位移；

步骤2，超声波传感器受干扰小，设定超声波传感器输出电压的变化量与纸带边缘偏离中心位置的位移为线性关系，得超声波传感器输出电压的变化量与纸带边缘偏离中心位置的位移关系为：

其中，ΔX为纸带边缘偏离中心位置的位移，ΔU为超声波传感器输出电压的变化量，K为比例系数；

利用式(1)得到的K，计算出纸带的跑偏量为：

其中，γ为纸带的跑偏量即为纸带边缘偏离中心位置的位移ΔX，V为超声波传感器的输出电压即式(1)中的ΔU；

步骤3，通过控制器内部自带的A/D转换通道对γ进行处理，将模拟量变为数字信号，经A/D转换之后变为0-5000的数字量，与超声波传感器的输出为0--5V的电压信号线性对应，得超声波传感器的输出电压与数字量的关系为：

D＝V*1000 (3)

其中，D为数字量；

由式(2)及(3)得到：

步骤4，控制器发出纠偏信号给步进电机驱动器，设置数字量D＝2500为中心位置，当数字量D∈[2400，2600]时，步进电机不进行纠偏动作；当数字量D＜2400或D＞2600时，在步进电机驱动器的作用下通过步进电机进行精确定位带动丝杠滚珠做直线运动，使纸带横向往复运动。

本发明的特点还在于，

步骤4中所述的步进电机的精确定位是通过步进电机的脉冲数的选取确定的，设定步进电机分辨率为l，每个γ对应的电机所需要的脉冲数P为：

本发明的一种纸带纠偏控制装置的有益效果是：

(1)本发明设计的一种纸带纠偏控制装置具有较高的纠偏精度，纠偏装置采用高速、低功耗、超强抗干扰的STC12C5A60S2芯片作为控制器，片上集成1280字节RAM、具有8路10位精度的ADC，转换速度可达250K/S，可以满足纠偏过程中所有数据的处理运算。作为信号检测装置的AE-210超声波传感器分辨率高达0.01mm，纠偏精度可达±5mm，可对纸带的微小偏移进行检测。纠偏执行机构响应速度快、定位准确；当纸带运行发生偏移时，纠偏系统能够迅速检测并在极短的时间内作出反应，实现纠偏动作，从而保证系统具有较高的纠偏精度；

(2)本发明设计的一种纸带纠偏控制装置结构简单、操作方便，纠偏控制装置主要包括信号检测、控制系统、执行机构三个部分，在保证系统正常功能的前提下无其它多余装置，针对装置中的所有硬件模块制作PCB板，大大简化了控制器的结构，同时减小了系统误差，本发明设计的自动纠偏控制装置包含了自动、手动两种控制方式，可以根据控制器主面板上的LED指示灯及LCD液晶屏上的跑偏数据及时进行调整，操作十分方便。该装置还留有与上位机通信的软、硬接口，便于扩展使用功能；

(3)本发明设计的一种纸带纠偏控制装置性能稳定，运行可靠，该纠偏系统为一个闭环控制系统，传感器作为反馈可以实时获取并发送信息，保证纠偏装置处于动态监测状态。电源模块为整个纠偏控制系统提供不同等级的直流电源，保证系统的正常工作。

本发明的一种纸带纠偏方法的有益效果是：解决了带材在加工过程中由于受到各种不可控制力作用而出现的跑偏现象，保证了印刷过程中套印的准确率，提高了产品的质量，减少了材料的浪费。

附图说明

图1本发明的一种纸带纠偏控制装置的结构示意图。

图中，1.超声波传感器，2.步进电机，3.滚珠丝杠，4.控制系统，5.步进电机驱动器；

4-1.控制器，4-2.液晶显示屏，4-3.第一指示灯，4-4.复位开关，4-5.第二指示灯。

具体实施

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的一种纸带纠偏控制装置，如图1所示，包括超声波传感器1，超声波传感器1连接有控制系统4，控制系统4连接有步进电机驱动器5，步进电机驱动器5连接有步进电机2，步进电机2的输出轴上连接有滚珠丝杠3。

控制系统4包括控制器4-1，控制器4-1连接有液晶显示屏4-2、通讯模块、第一指示灯4-3、第二指示灯4-5及复位开关4-4；复位开关4-4与步进电机2连接。

超声波传感器1的型号为AE-210。

控制器4-1为型号STC12C5A60S2的芯片。

通讯模块为型号max232的芯片。

一种纸带纠偏方法，采用一种纸带纠偏控制装置，包括以下步骤：

步骤1，设定纸带的边缘位置为标识位置，纸带开始运行后检测通过超声波传感器1的上下传感探头探测到的纸带边缘偏离中心位置的位移；

步骤2，超声波传感器1受干扰小，设定超声波传感器1输出电压的变化量与纸带边缘偏离中心位置的位移为线性关系，得超声波传感器1输出电压的变化量与纸带边缘偏离中心位置的位移关系为：

其中，ΔX为纸带边缘偏离中心位置的位移，ΔU为超声波传感器输出电压的变化量，K为比例系数；

利用式(1)得到的K，计算出纸带的跑偏量为：

其中，γ为纸带的跑偏量即为纸带边缘偏离中心位置的位移ΔX，V为超声波传感器的输出电压即式(1)中的ΔU；

步骤3，通过控制器4-1内部自带的A/D转换通道对γ进行处理，将模拟量变为数字信号，经A/D转换之后变为0-5000的数字量，与超声波传感器1的输出为0-5V的电压信号线性对应，得超声波传感器1的输出电压与数字量的关系为：

D＝V*1000 (3)

其中，D为数字量；

由式(2)及(3)得到：

步骤4，控制器4-1发出纠偏信号给步进电机驱动器5，设置数字量D＝2500为中心位置，当数字量D∈[2400，2600]时，步进电机2不进行纠偏动作；当数字量D＜2400或D＞2600时，在步进电机驱动器5的作用下通过步进电机2进行精确定位带动丝杠滚珠3做直线运动，使纸带横向往复运动。

步骤4中所述的步进电机2的精确定位是通过步进电机2的脉冲数的选取确定的，设定步进电机2分辨率为l，每个γ对应的电机所需要的脉冲数P为：

印刷机开始工作后，上纸机构通过气缸活塞杆的回退以及摆杆的来回摆动，将纸带定好位。然后输纸机构将纸带输送至前规处准备印刷。在纸带运行线路中，纸带由于受到车间温湿度变化、张力不均匀等，会造成纸带的褶皱、松边现象，设定纸带的边缘位置为标识位置。当纸带纠偏装置通电开始工作后，安装在印刷机纸路上的超声波传感器1通过上下传感探头检测纸带的覆盖面积，利用建立的覆盖面积与其输出的模拟电压关系得到纸带的跑偏量，液晶显示屏4-2可以实时显示出纸带的跑偏量。所有实现纠偏功能的部件集成到控制系统4的主面板上，控制器4-1得到输出的模拟电压后，通过内部的A/D转换通道，将模拟量变为数字信号，通过已经建立的关系表，就可以得到步进电机的脉冲数。为了使步进电机工作稳定，采用步进电机驱动细分的方法，步进电机带动滚珠丝杠做直线运动，将跑偏纸带导正。在纸带纠偏控制器的主面板上有四个控制按键，可以实现手动和自动两种调整方式，实现纠偏效果。当系统正常工作时，第一指示灯显示绿色，当系统出现异常时，第二指示灯显示红色并且蜂鸣器报警。

其中，采用型号为AE-210的超声波传感器1为信号检测装置，其分辨率高达0.01mm且对车间噪音完全没有影响，它的输出信号为0-5V的电压模拟量。实验得到超声波传感器1合理的工作范围，在此范围内测试电压值与理论电压值基本吻合。通过建立超声波传感器1模型，在实验验证的基础上得到超声波传感器1输出电压的变化量ΔU与纸带边缘偏离中心位置的位移ΔX近似于线性变化成正比关系，即比值K近似于一个常数；纸带纠偏控制器4-1是型号为STC12C5A60S2的芯片，它将控制一些应用所必需的内容都集成在芯片上，结合少量的外部元件组成可运行的最小硬件系统，控制器4-1主要包括模拟电源供电电路、复位电路、晶振电路、程序下载电路等；电源供电电路为整个纠偏控制系统提供动力。由于本装置中使用器件所需要的电源并不是一致的，因此电路中需要不同等级的直流电源。本装置中设计的电压等级有：+5V、12V、24V，分别给STC12C5A60S2芯片、超声波传感器1、型号为SH-2024B2的步进电机驱动器5供电；本装置中的数据显示装置为型号为LCD1602的液晶显示屏4-2，不仅可以显示实验数据，还可以作为人机交互的背景，同时它的体积小、功耗低，价格便宜。液晶屏幕上显示的内容为来自于超声波传感器1测量的模拟电压在通过STC12C5A60S2芯片AD转换后的数字电压；本装置中的通信模块采用max232芯片，通过串口芯片将控制系统4信号接收端和发送端的两个引脚连接到计算机端口上，实现计算机与控制系统4之间的通讯。同时把预先编译好的程序通过计算机下载到控制系统4上，可将控制系统4发送的数据传送给计算机，实现控制系统4与上位机的双向通讯；本装置中使用步进电机2及滚珠丝杠3两部分组成的纠偏执行机构，不仅结构简单，还可以实现纸带的准确定位。由于普通数字电路中产生的信号能量不足以驱动步进电机2正常工作，使用步进电机驱动器5可以满足要求。选用的步进电机驱动器5型号为SH-2024B2，通过控制脉冲频率来控制步进电机2转动的速度和加速度，来达到调速和准确定位的目的。

纸带纠偏装置增加了人工辅助控制功能，在控制系统4上分别添加了四个复位开关4-4，可以用来人为的控制步进电机的正转、反转、调速以及模式调整。在模式调整中包含两种模式，模式一即通过AD转换数据并实时采集数据，从而实现系统的自适应调整；模式二即锁定当前系统状态保持不变，通过手动的方式调整纸带到最佳位置；为了更好的实现人机交互性能，本装置还设计了上位机软件界面。上位机软件界面简洁、直观，同时操作简单快捷，能够为用户提供必要的提示。本装置中上位机是通过串口来接收数据的，主要包括以下几种功能：搜索串口、打开串口、显示实时波形图、调节刷新速度、绘制曲线、停止绘制以及保存数据。在本装置中，选择串口下拉选项可以选择9600、12400、115200等多个波特率，单击打开串口按钮就可以在显示窗口显示串口接收到的数据。根据纸带运行速度的快慢可以选择不同的刷新速度，列表控件可以显示数据以及对应的偏差量，同时以文本形式进行保存，可以让用户更直观的观察到纠偏效果。

本发明的一种纸带纠偏控制装置的优点是：

(1)本发明设计的一种纸带纠偏控制装置具有较高的纠偏精度，纠偏装置采用高速、低功耗、超强抗干扰的STC12C5A60S2芯片作为控制器，片上集成1280字节RAM、具有8路10位精度的ADC，转换速度可达250K/S，可以满足纠偏过程中所有数据的处理运算。作为信号检测装置的AE-210超声波传感器分辨率高达0.01mm，纠偏精度可达±5mm，可对纸带的微小偏移进行检测。纠偏执行机构响应速度快、定位准确；当纸带运行发生偏移时，纠偏系统能够迅速检测并在极短的时间内作出反应，实现纠偏动作，从而保证系统具有较高的纠偏精度；

(2)本发明设计的一种纸带纠偏控制装置结构简单、操作方便，纠偏控制装置主要包括信号检测、控制器、执行机构三个部分，在保证系统正常功能的前提下无其它多余装置，针对装置中的所有硬件模块制作PCB板，大大简化了控制器的结构，同时减小了系统误差，本发明设计的自动纠偏控制装置包含了自动、手动两种控制方式，可以根据控制器主面板上的LED指示灯及LCD液晶屏上的跑偏数据及时进行调整，操作十分方便。该装置还留有与上位机通信的软、硬接口，便于扩展使用功能；

(3)本发明设计的一种纸带纠偏控制装置性能稳定，运行可靠，该纠偏系统为一个闭环控制系统，传感器作为反馈可以实时获取并发送信息，保证纠偏装置处于动态监测状态。电源模块为整个纠偏控制系统提供不同等级的直流电源，保证系统的正常工作。

本发明的一种纸带纠偏方法的优点是：解决了带材在加工过程中由于受到各种不可控制力作用而出现的跑偏现象，保证了印刷过程中套印的准确率，提高了产品的质量，减少了材料的浪费。

Claims (7)

1.一种纸带纠偏控制装置，其特征在于，包括超声波传感器(1)，所述超声波传感器(1)连接有控制系统(4)，所述控制系统(4)连接有步进电机驱动器(5)，所述步进电机驱动器(5)连接有步进电机(2)，所述步进电机(2)的输出轴上连接有滚珠丝杠(3)。

2.根据权利要求1所述的一种纸带纠偏控制装置，其特征在于，所述控制系统(4)包括控制器(4-1)，所述控制器(4-1)连接有液晶显示屏(4-2)、通讯模块、第一指示灯(4-3)、第二指示灯(4-5)及复位开关(4-4)；所述复位开关(4-4)与步进电机(2)连接。

3.根据权利要求2所述的一种纸带纠偏控制装置，其特征在于，所述超声波传感器(1)的型号为AE-210。

4.根据权利要求3所述的一种纸带纠偏控制装置，其特征在于，所述控制器(4-1)为型号STC12C5A60S2的芯片。

5.根据权利要求4所述的一种纸带纠偏控制装置，其特征在于，所述通讯模块为型号max232的芯片。

6.一种纸带纠偏方法，采用权利要求1-5中任意一项所述的一种纸带纠偏控制装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，设定纸带的边缘位置为标识位置，纸带开始运行后检测通过超声波传感器(1)的上下传感探头探测到的纸带边缘偏离中心位置的位移；

步骤2，超声波传感器(1)受干扰小，设定超声波传感器(1)输出电压的变化量与纸带边缘偏离中心位置的位移为线性关系，得超声波传感器(1)输出电压的变化量与纸带边缘偏离中心位置的位移关系为：

$K=\frac{\mathrm{\Δ}U}{\mathrm{\Δ}X}---\left(1\right)$

其中，ΔX为纸带边缘偏离中心位置的位移，ΔU为超声波传感器输出电压的变化量，K为比例系数；

利用式(1)得到的K，计算出纸带的跑偏量为：

$\mathrm{\γ}=\frac{V}{K}---\left(2\right)$

其中，γ为纸带的跑偏量即为纸带边缘偏离中心位置的位移ΔX，V为超声波传感器的输出电压即式(1)中的ΔU；

步骤3，通过控制器(4-1)内部自带的A/D转换通道对γ进行处理，将模拟量变为数字信号，经A/D转换之后变为0-5000的数字量，与超声波传感器(1)的输出为0--5V的电压信号线性对应，得超声波传感器(1)的输出电压与数字量的关系为：

D＝V*1000 (3)

其中，D为数字量；

由式(2)及(3)得到：

$\mathrm{\γ}=\frac{D}{1000K}---\left(4\right);$

步骤4，控制器(4-1)发出纠偏信号给步进电机驱动器(5)，设置数字量D＝2500为中心位置，当数字量D∈[2400，2600]时，步进电机(2)不进行纠偏动作；当数字量D＜2400或D＞2600时，在步进电机驱动器(5)的作用下通过步进电机(2)进行精确定位带动丝杠滚珠(3)做直线运动，使纸带横向往复运动。

7.根据权利要求6所述的一种纸带纠偏控制装置的纠偏方法，其特征在于，步骤4中所述的步进电机(2)的精确定位是通过步进电机(2)的脉冲数的选取确定的，设定步进电机(2)分辨率为l，每个γ对应的电机所需要的脉冲数P为：

$P=\frac{\mathrm{\γ}}{l}---\left(5\right).$