基于樂高EV3的密封簽定制印刷機構的模型仿真

單光 何邦貴 袁智慧 王超 張朝亮 姚傳紅

摘 ?要： 在試卷袋背面存在折疊接口，為了保密性和防止被人拆封，必須使用密封簽來粘貼覆蓋。密封簽采用在線定制印刷，一個試卷袋配套一個密封簽，防止封口簽的外泄和替代，實現試卷袋的防偽的唯一性。通過對試卷袋密封簽印刷工藝進行分析，總結密封簽印刷流水線的主要工藝及需要解決的問題，利用樂高EV3套裝工具對關鍵機構進行仿真搭建，使用LEGO MINDSTORMS編寫程序運行機構，分析機構性能，驗證機構的適用性。

關鍵詞：?密封簽;樂高EV3;仿真;LEGO MINDSTORMS

中圖分類號： TP391????文獻標識碼：?A????DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.09.030

本文著錄格式：單光，何邦貴，袁智慧，等. 基于樂高EV3的密封簽定制印刷機構的模型仿真[J]. 軟件，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

在試卷的生產過程中，用于裝試卷的試卷袋必須密封，通常使用密封簽來密封試卷袋，通過密封簽來保證試卷的保密性。試卷生產企業主要采用柔印印刷或平版印刷技術在綿紙上進行密封簽的印刷生產。傳統的密封簽的生產工藝為：拼大版、制版、印刷、分切小張。在試卷袋密封簽上需要印刷考試時間和考試類型，以及印制單位的專用防偽信息。因此，在實際生產過程中每種類型的密封條都要按考試類型和考試試卷袋的數量進行定量印刷生產，不可提前大批量印刷。為保障試卷袋密封條的唯一性和保密性，試卷印制生產企業都需要將印刷人員

進行全封閉式管理，但密封簽的數量比較少，入闈和封閉時間較長的話，就會造成設備的閑置，人員的浪費^[1]。

因此，我們通過對試卷袋密封簽印刷工藝進行分析，設計出密封簽定制印刷機構，然后利用樂高EV3套裝工具對試卷袋密封簽印刷機構進行仿真搭建，使用LEGO MINDSTORMS編寫程序運行機構，分析機構性能，驗證機構的適用性。

1??樂高EV3

1980年樂高集團在丹麥成立，樂高集團推出了很多教育套裝，包括早期結構、早期簡單機械、編程套裝等。樂高集團在2013年下半年推出了?新一代

的LEGO頭腦風暴系列的主控——Minds torms EV3，EV3套裝里主機的按鈕可發光，從發出的光的顏色即可看出EV3的狀態，套裝的處理器：ARM 9處理器300?MHz基于Linux操作系統。

套裝主機：1.USB端口;2.一個SD讀卡器;3.四個輸入端口（1、2、3、4），四個輸出端口（A、B、C、D）;4.支持USB2.0， Wi-Fi和藍牙與電腦連接;5.編程接口，用于編程以及數據日志的上傳下載^[2]。

本次的研究平臺是基于樂高的EV3智能機器人。EV3是樂高集團教育部所研發的一套用于STEAM教學的教具，機器人會陸續代替家用計算機的通信功能、多媒體運用功能等;不僅可以接受固定指令，而且還能夠看、聽，有觸覺。與計算機相比，可以更好的把設想通過機器人模擬實現出來，從實際中去驗證設想，不斷改進完善^[3]。用EV3機器人進行研究安全可靠，并且能夠很好的模擬出實際生活中運用的情況，EV3的出現讓設計更為簡潔。

EV3編程軟件是通過拖曳式的模塊化編程。在EV3編程模塊包括動作模塊、流程模塊、傳感器模塊。動作模塊包括中型電機模塊、大型電機模塊。中型電機模塊可設定中型電機的轉動模式、速度、以及制動和滑行。大型電機模塊可以控制機器人前進、后退等用途，但是該模塊無法實現轉彎。流程模塊包括等待、循環、切換。等待：相當于程序的條件，當觸發某一特定條件時程序繼續運行，開始執行下一個動作。循環：當未設定循環時，程序開啟后只能執行一次，加入循環程序可保證程序能夠重復被執行。切換：相當于條件語句，當滿足條件時執行第一條程序，不滿足條件時執行下一條程序，也可實現兩個條件或多個條件的執行，比如顏色傳感器在偵測到不同的顏色時會發出不一樣的信號。傳感器模塊包括超聲波傳感器、顏色傳感器、溫度傳感器、觸動傳感器^[4]。

2 ?基于樂高EV3的試卷袋定制印刷機構的模型仿真

2.1卷筒紙輸送裝置的模型仿真

2.1.1 ?卷筒紙輸送裝置結構仿真

懸掛輸送裝置是常用的一種連續輸送設備，很多工業部門的流水線都需要用到懸掛式輸送裝置完成各工藝間的輸送工作。輸送裝置的結構主要有：驅動輪、輸送軌道、張緊輪及安全設備。

基于樂高EV3的套裝零件，輸送機構設計如圖所示，其結構采用若干橫梁、豎梁構成架體，保證其負載能力以及結構的穩定性。結構中有一個大型的送紙棍，送紙棍由兩邊的支撐架支撐;有2個送紙棍，并且這兩個緊紙棍以同樣的速度同方向旋轉以保證紙卷的平整性和連續性;有3個緊紙棍，起到控制紙張張力的作用，同樣有6個支撐架保障受力平衡。

2.1.2 ?輸送裝置的程序設計

輸送系統的程序只有一個部分：輸送部分。

程序邏輯語言：開始à按壓觸碰傳感器一次à大型伺服電機D行à大型伺服電機C向運行à輸送結束à大型伺服電機C、D停止運行à結束。程序圖如圖5所示。

2.1.3 ?輸送裝置的仿真分析

通過基于樂高EV3零件對輸送裝置的機構設計進行了驗證，在驗證過程中不斷地改進優化，通過編程軟件LEGO MINDSTORMS對主要的該裝置進行程序編寫并運行，觀察運行情況和運動分析^[5]。

機構運動在10秒鐘內運行時導出其機構運動曲線圖，如圖6所示。

如上圖所示，紫色線代表牽引輥運動軌跡，綠色線代表送紙輥運動軌跡。由圖中可看出，在牽引輥作用下，綿紙以一定的加速度運行，送紙輥也緩慢送紙，當牽引輥送紙速度達到所需送紙速度時，保持勻速送紙，送紙輥開始加速，當送紙速度與牽引輥速度保持一致時，停止加速，這樣牽引輥與送紙輥速度一致，保持勻速送紙，滿足送紙需求，不產生送紙波動。達到設計要求，經分析該設計方案可行。

2.2基于樂高EV3的卷筒紙裁切裝置仿真

2.2.1 ?裁切裝置的結構仿真

基于樂高EV3零件的氣缸沖切裝置如圖7所示。

結構的搭建采用樂高氣動力套裝零件完成，采用了曲柄與氣缸連接，利用電機旋轉將源源不斷的氣體儲存在氣泵里，可從如圖所示的氣壓表進行氣壓檢查與氣壓調整，當顏色傳感器檢測到綿紙時，機電反方向旋轉完成氣缸內活塞的往上運動，當檢測到綿紙的裁切長度時，氣缸的活塞導桿快速向下運動完成沖擊裁切。總體來說，該機構是將電機的周轉運動轉變為氣缸的往復直線運動^[6]。

樂高的裁切裝置選擇使用氣缸裁切，氣缸式樂高氣動力系統里的基礎部件，通常與氣泵配合使用，氣缸里的活塞根據兩個腔體的壓力差二隨著上下移動，圖片如下所示。

2.2.2 ?裁切裝置的程序設計

裁切系統的程序只有一個部分：切紙部分。

程序邏輯語言為：開始à顏色傳感器檢測到白色à氣缸活塞上升à氣缸活塞下降à真空帶輸送à結束。

程序框圖：

2.2.3 ?裁切機構的仿真分析

通過基于樂高EV3零件對裁切機構的機構設計進行了驗證，在驗證過程中不斷地改進優化，通過編程軟件LEGO MINDSTORMS對主要的該裝置進行程序編寫并運行，觀察運行情況和運動分析^[7]。

機構運動在一定時間段內運行時導出其機構運動曲線圖，如下所示。

如上圖所示，藍色代表顏色傳感器，紫色代表氣缸裁切電機運動軌跡，由圖中可以看出當顏色傳感器檢測到紙張（白色）時，氣缸裁切機構開始向下運行，當顏色傳感器檢測到滿足所需紙張長度時，氣缸裁切刀正好到最低位置，正好切斷紙張，然后氣缸往上抬升，恢復到初始位置。這樣循環往復，不斷裁切出同樣長度的單張綿紙，滿足設計需求。經檢測紙張符合設計長度，滿足產品需求。分析得出該裝置滿足設計要求，經分析該設計方案可行。

2.3 基于樂高EV3的單張紙輸送機構設計

2.3.1 ?裝單張紙輸送裝置的結構設計

所述輸送皮帶上有很多排列規則的小孔，凹槽頂面與輸送帶內側貼合。在輸送帶的吸力下，綿紙輸送到輸送帶的尾端被咬紙牙咬住繼續輸送。搭建如圖12所示。

2.3.2 ?裝單張紙輸送裝置的程序設計

程序語言：開始à裁切完成à開始輸送à叼牙叼紙à輸送停止à結束

程序圖如下：

2.3.3 ?單張紙輸送裝置的仿真分析

通過基于樂高EV3零件對單張紙輸送裝置的機構設計進行了驗證，在驗證過程中不斷地改進優化，通過編程軟件LEGO MINDSTORMS對主要的該裝置進行程序編寫并運行，觀察運行情況和運動分析。

機構運動在一定時間內運行時導出其機構運動曲線圖，如下所示。

如上圖所示，紫色線表示單張紙輸送機構運動軌跡曲線圖，藍色線表示顏色傳感器檢測圖。由圖中可知，當顏色傳感器檢測到單張紙顏色時，單張紙輸送機構開始加速，加速到一定速度時，保持勻速輸送紙張，單張紙輸送結束輸送帶停止運行等待輸送下一紙張。通過曲線圖分析，該裝置設計合理，滿足單張紙吸附以及單張紙輸送，達到設計要求，經分析該設計方案可行。

2.4基于樂高EV3的印刷系統設計

2.4.1 ?印刷裝置的結構設計

本論文采用膠版印刷的方式對單張綿紙進行印刷，基于樂高EV3的零件，采用5個Z=40的直齒圓柱齒輪作為印刷系統的橡皮布滾筒，同理采用Z=40的直齒圓柱齒輪作為印刷裝置的壓印滾筒和印版滾筒;橡皮布滾筒上安裝有具有咬紙功能的叼牙機構;采用Z=24的中齒輪和Z=40的錐齒輪配合作為著墨裝置;采用Z=24的冠狀齒輪之間的配合作為著水裝置。裝置圖如下所示。

2.4.2 ?印刷裝置的程序設計

印刷系統的程序有四個部分：叼紙、著水、著墨、印刷^[8]。

程序邏輯語言為：開始à著水裝置運行à著墨裝置運行à印刷à按壓觸動傳感器一次à停止印刷à結束。

程序圖：

2.4.3 ?定制印刷裝置的仿真分析

通過基于樂高EV3零件對印刷裝置的機構設計進行了驗證，在驗證過程中不斷地改進優化^[9]，通過編程軟件LEGO MINDSTORMS對主要的該裝置進行程序編寫并運行，觀察運行情況和運動分析。

機構運動在一定時間內運行時導出其機構運動曲線圖，如下所示。

如上圖所示，紫色線代表密封簽在膠印輥作用下運行軌跡，電機以P=10?W功率運行，膠印輥保持勻速運轉，密封簽在叼牙的作用下，保持勻速運動，膠印輥上利用水墨不相溶原理，通過印版滾筒與橡皮布滾筒相互擠壓，將油墨轉移至密封簽上，完成印刷。分析曲線圖，通過測量膠印輥電機旋轉的角度變化得，曲線成一次函數變化說明水棍上的電機勻速運動，能夠實現勻速印刷，該方案能夠滿足設計需求，說明該裝置機構設計方案可行。

3??結論

本論文卷筒紙輸送機構輸送的紙張張力較合適，紙張在運行過程中既沒有發生撕扯現象也沒有發生松弛現象，滿足送紙需求，不產生送紙波動，對紙張進行了較準確地張力控制，保證了后續裁切工序的順利進行。裁切機構選用沖擊氣缸裁切紙卷時，工序運行平穩，紙張質量均勻，且無紙張毛邊

現象，解決了目前大多數裁切機構存在的問題，經檢測紙張符合設計長度，滿足產品需求^[10]。單張紙的輸送采用真空輸送帶，通過運動曲線得，該裝置設計合理，滿足本論文單張綿紙的輸送。本次研究的印刷裝置的模擬采用了一個大伺服電機將其安裝在著水裝置上，利用直齒圓柱齒輪和錐齒輪之間的傳動系統，保證印刷部分與著水裝置、著墨裝置之間的連續運行，有曲線圖可看出，電機勻速運行對綿紙完成印刷，解決了對試卷袋密封簽定制印刷的需求。

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