全自動蓋章機電氣元件設計

劉歡歡

摘 要：全自動蓋章機在自動化辦公領(lǐng)域的應用越來越多，其主要工作原理是根據(jù)現(xiàn)場傳感器信號及工作流程來控制電動機，進而帶動機械執(zhí)行結(jié)構(gòu)完成蓋章動作。所以，本文對蓋章機中用到的電動機、傳感器以及人機交互界面進行選型設計。

關(guān)鍵詞：自動蓋章;電動機;傳感器;人機交互

中圖分類號：TH69文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）03-0057-03

Design of Electrical Components of Automatic Sealing Machine

LIU Huanhuan

（Zhonghuan Information College， Tianjin University of Technology，Tianjin 300380）

Abstract： There are more and more applications of automatic stamping machines in the field of automated office， its main working principle is to control the motor according to the on-site sensor signal and work flow， and then drive the mechanical execution structure to complete the stamping action. Therefore， this paper selected and designed the motors， sensors and human-computer interaction interface used in the stamping machine.

Keywords： automatic seal;motor;sensor;human-computer interaction

全自動蓋章機能夠極大地提高蓋章的自動化水平，提升工作效率，其自動運行主要取決于人機交互界面的設計、各部位傳感器的設計以及各執(zhí)行機構(gòu)電機的選擇[1-2]。

1 人機交互界面的設計

人機交互界面是用戶控制和使用設備的操作面板，也是設備展示當前信息的屏幕，系統(tǒng)運行的主令信號（復位、啟動、停止等）以及手動調(diào)整信號可以通過觸摸屏人機界面發(fā)出。同時，人機界面也顯示系統(tǒng)運行的各種狀態(tài)信息。本設計采用的觸摸屏是一種感應式液晶顯示器，可接收觸點等輸入信號。當觸摸屏上的觸摸按鈕被觸動時，觸摸反饋系統(tǒng)可以根據(jù)預先編程的程序運行不同的連接裝置來代替機械開關(guān)板，而動態(tài)圖像通過液晶顯示器產(chǎn)生動態(tài)效果。觸摸屏作為一種新型的計算機輸入設備，它是最簡單、舒適、自然的人機交互方式，有著全新的多媒體視角，是一種極具吸引力的新型多媒體交互設備。觸摸屏作為一種新型的人機界面，自出現(xiàn)以來就產(chǎn)生了很大的影響。它簡單易用，功能強大，穩(wěn)定性好，非常適合用于工業(yè)環(huán)境，也非常適合用于日常生活，應用十分廣泛。

本設計選擇威綸通TK6100iv5觸摸屏作為全自動蓋章機的人機界面。TK6100iv5是一款以低功耗CPU為核心（主頻400 MHz）的高性能嵌入式一體化工控機。該產(chǎn)品設計采用10英寸高亮度TFT液晶顯示屏（分辨率800×480），運用四線模擬電阻式觸摸面板，內(nèi)存為128 MB，其配合EB8000 V2.0.0及以上版本軟件使用。在本設計中，觸摸屏與PLC的通信采用工業(yè)現(xiàn)場總線，首先進入一個歡迎界面，其中設置了蓋章機使用者的用戶名和密碼管理，觸摸屏的歡迎界面設計如圖1所示。在用戶名和密碼正確的情況下，系統(tǒng)進入使用界面，用戶需要輸入蓋章的位置和蓋章紙張的數(shù)量，同時蓋章機顯示當前的工作狀態(tài)以及已經(jīng)完成蓋章的數(shù)量，觸摸屏的界面設計如圖2所示。

使用時，可以選擇文本框直接輸入蓋章位置，也可以將待蓋章文件放在蓋章位置檢測臺上進行檢測，然后系統(tǒng)自動輸入蓋章位置，如圖3所示。蓋章位置檢測臺由一組拉線式位移傳感器組成，橫向和縱向各布置一個傳感器。其中，橫向傳感器與縱向傳感器的拉線固定在一起，并可以沿縱向軌道滑動，文件放在蓋章位置檢測臺以后，可以拉動橫向、縱向傳感器的拉線端，定位蓋章位置，同時蓋章位置可被自動填入控制系統(tǒng)。

2 傳感器的設計

傳感器是一種能夠檢測被測信息的裝置，能將采集的信息按一定規(guī)則轉(zhuǎn)換成電信號或其他所需要的信息輸出，用來滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等一系列的要求[3-4]。

首先，進紙?zhí)幏胖脗鞲衅?，按下蓋章機啟動按鈕后，通過觸摸屏選擇蓋章位置，兩個伺服電機在橫縱兩個方向接連進行定位后，如果傳感器1檢測到紙張，則搓紙輪運行，將被測紙張在紙堆里搓出，搓進搓紙輪與皮帶輪的交接處。根據(jù)需要，本設計選擇歐姆龍E3FA-DN12 2M圓柱形光電傳感器[5]。

然后，在皮帶輪與搓紙輪的交接處（即進紙部分）放置傳感器2，當紙張被搓紙輪搓到與皮帶輪的交接處，被傳感器2檢測時，搓紙輪停止運行，皮帶輪開始進行短距離運行，將證件送入皮帶輪上。這里同樣選擇歐姆龍E3FA-DN12 2M圓柱形光電傳感器。

當皮帶輪將紙張送到蓋章區(qū)域（即皮帶輪上方的中心位置），傳感器3檢測到紙張時，皮帶輪停止。當單次蓋章完成時，傳感器再次檢測到紙張，皮帶輪運行，將紙張從皮帶輪中心區(qū)域經(jīng)出紙口送出蓋章機。根據(jù)需求，本設計同樣選擇歐姆龍E3FA-DN12 2M圓柱形光電傳感器。

已經(jīng)蓋完章的紙張被皮帶輪送到出紙口處，被傳感器4檢測。PLC程序會關(guān)聯(lián)一個計數(shù)器，用于檢測蓋章次數(shù)，在達到觸摸屏選擇的蓋章次數(shù)時，伺服電機復位回零，若次數(shù)不足，則繼續(xù)進行進紙蓋章的循環(huán)。這里依然選擇歐姆龍E3FA-DN12 2M圓柱形光電傳感器。

本設計采用的光電傳感器均為漫反射式光電傳感器，開關(guān)的探測頭上裝有光束發(fā)射器和光束接收器，但漫反射光開關(guān)前沒有反射器，正常情況下光束發(fā)射器發(fā)出的光束接收器找不到。當檢測對象通過時，它阻擋光并反射回部分光，然后光接收器接收光信號并輸出開關(guān)信號[6-7]。

在次數(shù)達到觸摸屏設定數(shù)量或按下停止按鈕時，兩個伺服電機都需要回零，這時需要添加兩個伺服回原點接近開關(guān)來分別輔助兩個伺服電機回零。兩個伺服電機回零需要選擇電容傳感器，而電容傳感器又有三種，即極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型。本設計選擇極距變化型電容傳感器來測量位移，使用CJM30-10A2-S電容式接近開關(guān)。另外，為了使伺服電機在運行時不超出運動范圍，還需要在遠離原點一側(cè)加上兩個電容傳感器，作為越程保護傳感器。此處電容傳感器需要配合蓋章機構(gòu)上面的一個金屬片來檢測蓋章機構(gòu)當前的位置。

此外，蓋章機構(gòu)上升和下降時也需要進行限位，本設計采用NPN型霍爾傳感器BHY-P7T1，在上升和下降位置各布置一個霍爾傳感器，然后在蓋章機構(gòu)末端布置一塊磁鐵，工作中用霍爾傳感器來檢測磁鐵的位置，進而推斷出機構(gòu)所在位置。傳感器選擇匯總?cè)绫?所示。

3 電動機的選型設計

電動機是根據(jù)電磁感應定律將電能轉(zhuǎn)換為機械能的裝置。在自動化設備中，其主要任務是產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，作為各個機構(gòu)的動力源。在全自動蓋章機完成蓋章的過程中，要對蓋章機構(gòu)的位置進行精確定位，其往返于蓋章位置與沾墨位置之間，此外需要對蓋章文件進行傳送。所以，人們需要根據(jù)全自動蓋章機機械結(jié)構(gòu)功能的需求，對不同位置所需電機進行選型。

全自動蓋章機需要實現(xiàn)蓋章機構(gòu)在橫向和縱向的定位，其中，橫向定位選擇西門子1FL6（LI）低慣量型永磁同步伺服電機，首先在觸摸屏界面上設置輸入框，待輸入蓋章橫向位置數(shù)據(jù)后，橫向定位電機將根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)使蓋章機構(gòu)在橫向上到達位置，精確定位。伺服電機具有轉(zhuǎn)速精度較高、動態(tài)響應好、位置精度高的特點，非常適合完成定位工作。本設計選用西門子1FL6（LI）低慣量型永磁同步伺服電機，主要原因有三點。一是它適用于動態(tài)響應高的地方，在本設計中，適合完成蓋章機構(gòu)定位。二是它的體積較小，蓋章機這種適用于各種辦公地點的機器本身占用的空間往往需要小一點，所以蓋章機體積往往不應該太大，另外，電機太大會導致蓋章機內(nèi)部各方向、各自由度上的機械結(jié)構(gòu)沖突。三是此伺服電機采用自然冷卻，環(huán)境不會對自身散熱有太大的影響。

本著安裝和使用方便、調(diào)試方便、功能參數(shù)一致的原則，蓋章機構(gòu)的縱向定位也選用西門子1FL6（LI）低慣量型永磁同步伺服電機，縱向定位電機使用的功能與橫向定位電機類似，區(qū)別只是定位方向。也就是說，在觸摸屏界面縱向位置輸入框中設定數(shù)據(jù)，縱向電機可以根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)使蓋章機構(gòu)在縱向上到達位置，精確定位。

蓋章機構(gòu)在平面內(nèi)的定位是由PLC程序根據(jù)觸摸屏的輸入數(shù)據(jù)，控制橫向定位電機和縱向定位電機的組合來實現(xiàn)的。對位置進行精確定位是保證蓋章機實現(xiàn)自動化的重要步驟之一。

搓紙輪處需要連接一臺搓紙輪電機，搓紙輪的主要作用就是將紙張從紙堆中搓離，完成分頁，然后送入蓋章機構(gòu)中與皮帶輪起點的交接處。本設計選用545DC12V直流電機，因為直流電機結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，體積小，效率高，在蓋章機里適合給搓紙輪提供動力。

蓋章機工作期間需要運送蓋章文件，此時需要給進紙、出紙的皮帶輪連接一個皮帶輪電機。皮帶輪的主要作用就是將搓紙輪送入機器的紙張送到蓋章位置，并將完成蓋章的紙張送到出紙口。因為搓紙輪和皮帶輪在功能上相仿，所需力矩較小，結(jié)構(gòu)簡單，功能簡單，本設計選用545DC12V直流電機為皮帶輪提供動力。

最后需要給蓋章機構(gòu)的蓋章工作配置一個蓋章電機，蓋章電機的控制要比搓紙輪電機和皮帶輪電機復雜一些，因為蓋章過程中，蓋章電機要配合機械機構(gòu)。電機正轉(zhuǎn)時，印章向下到達需要蓋章的紙張位置進行蓋章，完成后，蓋章電機兩根線反接，蓋章電機反轉(zhuǎn)，印章向上運動蘸取印泥，以此來實現(xiàn)電機中的重要步驟——蓋章和蘸取印泥。其中，蓋章和蘸取印泥時最好有制動來保持蓋章狀態(tài)。因此，蓋章電機同樣選擇545DC12V直流電機，同時需要配置電機的制動器。電動機選型匯總?cè)绫?所示。

4 結(jié)論

全自動蓋章機使用者通過人機交互界面設置了需求信息，控制器讀取觸摸屏信號，進而通過采用各種傳感器的信號來控制電動機，保障全自動蓋章機的正常工作。本文選取了合適的電氣元件進行設計，未來將進一步制作樣機，驗證選擇的正確性。

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