新利体育摘要 数字印刷技术融合了印刷技术发展过程中的精华，它的出现在很大程度上简 化了印刷出版流程，具有广阔的发展前景，是未来印刷的发展方向和趋势。因此， 本文通过对 Hp Indigo1050 数字印刷机的反求测绘及原理分析，得出递纸吸嘴的 运动轨迹，利用振动测试的手段，对数字印刷机进行动态分析和研究，提取出反 映结构运动状态的敏感振动特征。通过模态分析方法，研究机械结构的固有振动 特性。研究结果可以为数字印刷机进行结构动态特性分析以及振动故障诊断提供 参数依据。本课题主要内容如下： （1）通过反求研究得出递纸吸嘴机构中凸轮从动件的运动规律，根据递纸吸 嘴从动件的运动规律，采用矢量法对递纸吸嘴机构进行了分析，得到递纸吸嘴机 构的运动轨迹，以及输出系统的动态角位移、角速度以及角加速度，从而可以直 观地评价系统的动态性能； （2 ）在 ADAMS 环境下建立了递纸吸嘴机构的三维模型，并对其进行运动 仿真分析，得出递纸吸嘴的运动轨迹；利用 ANSYS 有限元模态分析方法和试验 模态分析方法对数字印刷机墙板进行模态分析，获取结构的模态频率和模态振 型，确定了系统振动的薄弱环节； （3 ）利用B&K 振动与噪声测量系统，完成了数字印刷机递纸系统的振动测 试与噪声测试。从测试数据中提取与机器运动状态相关性较大的振动信号，通过 分析，总结出数字印刷机递纸吸嘴机构、墙板和印刷滚筒的振动特征。 总之，本文从理论与实验的角度对数字印刷机递纸机构进行动态特性分析与 研究，可以为数字印刷机递纸机构的研究和设计提供新的方法。 关键词：数字印刷机；振动测试；模态分析；动态特性 I ABSTRACT Digital printing technology combined the essence of printing technology development process, which simplified the printing process in the very great degree , it has broad prospects for development, and it is the future developing direction and trend of printing.So this thesis based on the Hp Indigo1050 digital printing presses and compared with research of inverse and principle analysis,it obtains a locus of forwarder sucker,it use vibration test method,carries on the dynamic analysis and the research to the digital printing press,and vibration-sensitive feature was extracted which reflected the structure state of motion.Under the methods of modal analysis,inherent vibration characteristics of the mechanism structure were studied.The results of the research provide the basis parameters for modification of the digital printing press dynamic characteristics and vibration fault diagnosis.The main content of this article are as follows： (1)Based on research of inverse to obtain the regular pattern of cam of sheet transfer mechanism,According to the regular pattern of forwarder sucker,the sheet transfer mechanism is analyzed by using vector method,obtained the locus of forwarder sucker,and angular velocity and angular acceleration of the output system of the mechanism,thus we might intuitively evaluation systems dynamic property; (2)3Dmodel is built in ADAMS,and the motion of the mechanism is analyzed and simulated,obtained the locus of forwarder sucker;Not only the ANSYS finite element modal analysis method but also the experimental modal analysis method was used to carry out the modal test of the digital printing press wall plate,in which the modal frequency and the modal shape were obtained to identify weaknesses in the system vibration; (3)With the help of the B&K vibration and noise measurement system,the vibration and noise test of the paper transmitting system for digital printing II press was completed.Vibration signal which reflected the structure state of motion was extracted from the test data,further analyzed again,summarized the vibration characteristic of digital printing press sheet transfer mechanism,the wall plate and press cylinder, and determined the reasons of the excessive vibration. In summary,the analysis and research of the sheet transfer mechanism of digital printing press were carried out from theory and experiment.It provided a new method for the research and improvement of sheet transfer mechanism of digital printing press. Key words: Digital printing press;Vibration test;Modal analysis;Dynamic characteristic III 目录 摘要 I ABSTRACT II 第一章 绪言1 1.1 概述1 1.2 数字印刷机国内外发展现状及趋势2 1.2.1 国内外数字印刷机设备2 1.2.2 国内外数字印刷机应用4 1.2.3 国内外印刷机振动测试5 1.2.4 发展趋势76 1.3 课题的提出及意义6 1.4 课题的内容8 第二章 数字印刷机递纸吸嘴机构的运动分析9 2.1 递纸吸嘴机构凸轮从动件运动规律的确立9 2.1.1 递纸吸嘴机构凸轮理论廓线.递纸吸嘴机构的运动分析13 2.2.1 递纸吸嘴机构模型的建立13 2.2.2 递纸吸嘴运动规律的分析16 2.3 本章小结18 第三章 基于 ADAMS 递纸吸嘴机构的运动仿线 递纸吸嘴机构的工作原理20 3.3 递纸吸嘴机构的建模21 3.3.1 递纸吸嘴机构凸轮的建模21 3.3.2 其他构件建模及装配21 3.4 递纸吸嘴机构的运动仿线 IV 第四章 数字印刷机递纸吸嘴机构及滚筒振动测试26 4.1 振动测量传感器及采集系统26 4.1.1 压电式加速度传感器26 4.1.2 电涡流式位移传感器27 4.1.3 机械振动测试数据采集系统28 4.2 测试方案的确定28 4.3 递纸吸嘴机构的振动测试29 4.3.1 递纸吸嘴的振动测试30 4.3.2 递纸吸嘴处墙板振动测试31 4.4 印刷滚筒振动测试35 4.4.1 滚筒的轴向振动测试35 4.4.2 印刷速度对滚筒振动的影响37 4.5 本章小结39 第五章 数字印刷机墙板的模态分析40 5.1 模态分析概述40 5.1.1 模态分析的基本概念40 5.1.2 模态分析的方法43 5.2 基于 ANSYS 有限元模态分析 45 5.2.1 数字印刷机实验台模型结构45 5.2.2 ANSYS 有限元模态分析过程46 5.3 基于 B&K 测试系统的试验模态分析50 5.3.1 试验模态分析过程50 5.3.2 试验模态参数和振型分析53 5.4 本章小结55 第六章 总结及展望56 6.1 结论56 6.2 未来工作展望56 参考文献58 致谢61 V 第一章 绪言 1.1 概述 当人类进入信息时代时，科学技术推动了印刷技术的巨大进步，特别是计算 机技术和网络技术的应用，使得可变印刷技术及设备日趋完善，印刷技术的数字 化、集成化、智能化和网络化技术的发展日趋成熟，以及印刷市场上小批量，个 性化，多品种，高质量印品需求的迅速提升，为数字印刷的实现和发展奠定了必 要的基础新利体育。 [1] 数字印刷是在现代打印技术基础上发展起来的一种综合技术 ，以电子文本 为载体，通过网络传递给数字印刷设备，实现直接印刷，而数字印刷线年德国海德堡公司Print91上展出了GTO- DI 数字式印刷机,1993 年以色列的 Indigo 公司在 IPEX 印刷展览会上推出了 E- Print1000 数字印刷机、比利时的Xeikon 公司推出了DCP- 1数字印刷机[2]，在 Drupa95上，多家公司都展出了自己的数字印刷机，将数字印刷推向了一个发展 高潮。2000年以后，数字印刷生产厂家经过进一步发展重组，出现了惠普Indigo、 富士施乐新利体育、柯达、奥西等主要的数字印刷厂商, 推动了数字印刷在全球的发展普 及, 也使数字印刷在我国得到迅速发展。 目前，国际上对数字印刷（Digital Printing）还没有标准定义，印刷行业 的观点为：数字印刷是指利用数字技术对文件、资料进行个性化处理，利用印前 系统将数字图文信息直接通过网络传输到数字印刷机上印刷出产品的一种印刷 技术[3]。它涵盖了印刷、电子、电脑、网络、通讯等多种技术领域,体现了印量 灵活、印品多样化与个性化、方便存储、可多次调用电子文件进行印刷的印刷方 式。数字印刷系统主要由印前系统和数字印刷机组成，有些系统还配上装订和裁 切设备，从而取消了分色、拼版、制版等步骤。 数字印刷机的种类繁多，分类的方法也不相同。按有无印版可以划分为有版 数字印刷机（如静电成像形成的数字印版的数字印刷）和无版数字印刷机（如喷 墨印刷机）；按印版图文是否可记录和擦去可划分为不变图文数字印刷机和不变 1 和可变图文数字印刷机；按数字印版成像原理可划分为静电成像数字印刷机、喷 墨成像数字印刷机、磁记录成像数字印刷机、热敏成像数字印刷机、离子成像数 字印刷机以及电子成像数字印刷机等。 目前市场上以静电照相成像方式和喷墨成像方式的数字印刷机为主流产品。 本文主要以静电照相成像数字印刷机为对象，它是利用橡皮布滚筒来间接传墨 的，其工作原理为数字印前系统做好的印刷电子文件或通过网络传输的文件及数 字印刷机自身的输入系统做出的文件存入存储器，利用光栅图像处理器（RIP） 对数据进行处理，再利用激光成像系统在成像滚筒上形成光电网点图像，图文部 分曝光后放电，非图文部分保持原有的电荷，从而在成像滚筒表面的光导体上形 成静电潜影。再利用带电油墨颗粒在放电区域（图文区域）实现静电潜影显影， 接着将油墨影像转移到加热的橡皮布滚筒上，最后将图文部分的油墨转印到压印 滚筒的承印物上。 数字印刷是有别于传统印刷繁琐的工艺过程的一种全新印刷方式。具有一张 起印，无需制版，立等可取，即时纠错，可变印刷，按需印刷等优点。它是一种 可以按照用户的时间要求、地点要求、数量要求、成本要求等来向用户提供相关 [4] 服务的印刷方式 ，尽管数字印刷不可能完全达到传统印刷的成像质量，但是数 字印刷的可变信息印刷的特点是其最大的优势。随着数字印刷技术在硬件、软件 以及材料等方面都取得了显著的进步，每年都有更多功能、更高质量、更高速度、 更低成本的数字印刷机出现。而数字印刷在我国的发展相对来说比较缓慢，多是 以进口国外的机型为主。 1.2 数字印刷国内外发展现状及趋势 1.2.1 国内外数字印刷机设备 到目前为止，国内外的数字印刷机已经有了显著的发展，呈现出了印刷速度 不断提升及印刷质量接近甚至超过胶印的特点，而与传统胶印相比，数字印刷设 备如果要印刷出与胶印接近的图像精度，其速度将远远低于胶印[5,6] 。数字印刷 在保证印刷质量的前提下进行印刷速度的提升，目前呈现出了两大显著的发展方 向，即印刷引擎的改进和印刷幅面的加大。如柯达公司的 Stream 概念机能在 44cm 2 宽的轮转系统印制出目前柯达数字彩色印刷机的印刷质量，且速度大幅度提升， 可达 2500 页/分钟，并且适用的介质范围更加宽泛，相当于 175 线/英寸的胶印质 量，而且印制出的样张的色域要比 175 线/英寸胶印样张的色域大 35%、黑密度 比胶印样张的高29% ；惠普公司推出的最高速度为 240 页/分钟的全新 Indigo7000 印刷机，其 812 点/英寸、8 比特/像素的记录头每秒钟能够处理 775M 像素；施 乐公司新推出的 iGen4 也被称为“印刷业生产效率最高、印刷质量最好的单页纸 数字印刷机”，与其前一代产品 iGen3 相比，生产能力提高了 25%～35%，其运 行速度达到 110 页/分钟。 而宽幅数字印刷机，主要以 Ink jet Web Press 为例。这款印刷宽度为 762mm 的卷筒纸印刷机是专为报纸、书刊和直邮市场而设计的，最高印刷速度可达到 2600 页/分钟。据惠普官方宣称，这款机器印刷 30%满版 1 页 A4 纸的彩色印刷 成本只有 0.01 美元，黑白印刷成本只有 0.0015 美元。虽然在大幅面和超大幅面 喷绘领域，喷墨技术的应用已经相当成熟，但在宽幅数字印刷领域，喷墨印刷技 术的进步近几年才呈现出强劲的发展势头，这主要得益于喷嘴技术的进步，越来 越多的制造商能够制造出与印刷机幅宽相同的喷嘴阵列，从而实现一次喷墨就能 覆盖整个幅面，不需要使纸张多次经过喷嘴，这就大大提高了喷墨印刷的速度。 目前，宽幅数字印刷机的代表产品有富士胶片公司的JetPress720 、Jadason 公司 的QPress、网屏公司的 TruepressJetSX 等。 在国内，方正桀鹰 C4200 数字喷墨彩色印刷机，采用连续走纸印刷方式， 可以非常方便的进行单色以及彩色双面印刷，幅面宽度 420 毫米。桀鹰 C4200 是根据中国数字印刷发展现状与使用习惯研发的面相商业印刷数字喷墨印刷机， 采用 UV 喷墨油墨，物理精度为 360×360dpi，印刷品精度则可达到 1080dpi。北 大方正在喷墨控制硬件和软件关键技术方面已经申请了多项发明专利，但在喷墨 印刷速度、印刷幅面、喷头等关键技术指标方面，与国际同类设备先进水平相比 还有很大差距，如惠普、网屏、普驰、奥西、柯达等设备商都开发出了卷筒纸生 产型喷墨印刷机；富士胶片和网屏公司推出了四开单张纸喷墨打印机。北京豹驰 技术有限公司推出的捷豹系列（Panthera300C ）卷筒纸数字印刷机，具有印刷幅 面宽，印刷速度快，墨水遮盖力强、印刷分辨率高等显著优点，适合小批量短板 标签产品，以及纸张类、薄膜类和金属箔类材料的印刷。 3 另一方面，国内数字印刷机械设备制造企业专利的授权数量较少，直接反映 了企业的自主创新能力仍处于较低的水平，带有更新换代意义上的发明专利不到 10 件，而与之相比国外企业却明显不同。据统计，从 1985 年到 2010 年间，国 外主要数字印刷机械供应商在我国专利授权为 1440 件，其中施乐 396 件，惠普 1044 件，而其中发明专利占 95%专利工作和近年来数字印刷机械设备科技发展 有密切关系。以海德堡公司授权的有关数字化印刷设备专利为例，在海德堡公司 的 359 件专利中，发明专利占 98%，没有实用新型专利。海德堡公司数字直接制 版设备中又开发了形成潜在静电图像的方法和装置、用超短激光脉冲在印版制作 图像、隔行光栅扫描线] 。这些专利都为该公司带来了巨大 的市场效益，让海德堡能够在我国迅速扩张。 1.2.2 国内外数字印刷机应用 在国外，数字印刷普遍用来印制报表、客户目录、企业画册、商务印刷和书 刊等。在全球，从文件内容生成，到印刷生产，再到发行，数字印刷全球市场营 业额高达数亿美元，两倍于现有的传统印刷市场。2007 年可变数字印刷在彩色 数字印刷量中所占的比例从 2003 年的 16%增加到 30% 。据美国调查研究结果显 示，在全世界数字印刷中，按需印刷的年增长率在 2008 年达到了 12%，可变信 息印刷在 2007 年占印刷市场的 20% 。预计今年20% 的用户要求的交付周期将在 24 小时之内。数字印刷凭借灵活、定制性强以及周期短等优势，市场增长速度 极快，全球增长速度已经达到 16%，是传统印刷增长率的 8 倍。 在我国，数字印刷市场已经有了一定的需求空间，开始呈现出越来越强的个 性化倾向。在全国各地到处可见街边大大小小的快印店，数字印刷已进入我们的 日常生活。我国的数字印刷市场虽然很大，但并不很成熟。数字显示，中国印刷 市场年增长率为 15%，数字印刷增长率不足 5%，而发达国家数字印刷的增长率 为 10%。中国数字印刷市场主要集中在商业印刷与书刊印刷这两个领域，很少有 厂家涉及到包装印刷领域，这说明数字印刷并没有被充分利用起来。另外，一些 小型彩色激光打印机以低廉的印刷价格对大型数字印刷机的市场造成了极大的 冲击，分流了很多客户。 1.2.3 国内外印刷机振动测试 到目前为止，专门针对数字印刷机的振动测试不是很完善，也就是说，数字 4 印刷机测试与动态设计所要采用的方法可以从应用在传统印刷机中的振动测试 与动态设计的方法中寻求有用的方法。毕竟国外不少企业和研究机构在传统印刷 机的动态特性方面进行了大量的基础研究并取得了许多成果。例如，对数字印刷 机墙板要进行模态分析，可以参考海德堡公司对传统印刷机墙板进行的印刷振动 的数学分析及有限元分析[8-10]，以建立数字印刷机振动分析的数学模型，确定数 字印刷机的振动特性，以此来对样机进行动态特性分析，分析各构件的振动特征 对印刷品质量的影响；参考 Gao XL、Zhou K D 、Dresig 等对胶印机墙板进行振 动研究和有限元分析[11,12]，通过对数字印刷机动态设计及振动分析，提高整机的 运转稳定性。研究数字印刷机滚筒的振动量是可以参考 G.B.Kulikov 等[13]根据研 究塔式轮转印刷机的印刷单元振动情况；Hermanski[14]分析印刷滚筒的振动特点 进行的印刷滚筒转子动力学研究；Yamaguchi[15]研究降低滚筒进入空挡交接时 受到冲击后振动的峰值，在胶印机橡皮滚筒内使用了内置吸振器；英国的 Bartlett[16]研究高速印刷滚筒的振动及扭转行为，涉及到的加速和制动段的振动 信号的测试；Buck[17]研究单张纸胶印机的非线性振动现象时，提出的测量非线 性振动现象及仿真方法。 我国印刷机械质量差、水平低在于未能在传统机械产品向机电一体化发展中 对产品整体系统的动力学进行研究，一般仅满足于运动、几何功能的实现[18] 。 近年来，国内一些印刷专业院校、大型印刷机械制造企业已经开始对印刷机高速 时的动态特性进行研究，并取得了初步成果，可以参考用于对数字印刷机的动态 设计。如王仪明分析串墨机构运动过程中印刷机墙板受到的载荷[19] ，为墙板的 优化设计提供了依据；腾东兴从功能分解的角度对印刷机进行了概念设计[20] ； 蔡吉飞等对在单张纸印刷机中的规矩部件动态特性测试进行分析，得出机器本身 [21] 的基频信号或与其成倍频的相关信号仍然是规矩部件振动信号的主要成分 ； 杨家华等采用现代测试方法对胶印机本身的振动进行的测试及分析，采用有限元 方法对印刷机结构进行模态分析，提出了对该印刷机结构的改进设计方案[22,23] ； 黄颖为、诸晓珂等从实验分析的角度，详细介绍了如何应用测试系统采集胶印机 [24] 的振动信号 。 1.2.4 发展趋势 今天数字印刷在速度、质量和承印物适应性方面已经发生了质的变化。从印 5 刷幅面、速度、分辨力、（单一像素可以再现的）阶调数、呈色剂、承印介质和 印刷质量达到的水准等几个方面，对目前市场上的静电照相和喷墨成像数字印刷 系统的技术水平分析得到，其中速度、质量和承印物适应性等几个指标，数字印 刷已经达到中档甚至高档胶印的水平。从发展趋势来看，“因为是数字印刷，所 以质量不高”将永远成为过去的历史。而我国的数字印刷技术与国外的印刷差距 主要体现在数字印刷机的速度达不到国外的标准，并且印刷的质量在数字印刷机 高速运转下得不到保证，稳定性和可靠性比较差。所以我国大多数是采用进口国 外的品牌机，由于我国电子油墨技术并不占优势，而北大方正虽然在喷墨技术上 有了一定的研究，但是喷墨技术仍有它的局限性，例如多数喷墨印刷机在窄幅面 领域有明显的优势，但是在宽幅面领域却存在速度和分辨率低的问题。 随着数字印刷配套设备和数字印刷工艺的不断提高，数字印刷技术将呈现 以下趋势： （1）质量、速度不断提高； （2 ）数字印刷单张纸印刷成本将降低，与胶印的临界点会不断提高，所占市 场份额将逐步扩大； （3 ）印后加工机械化、自动化、固定产品自动化、在线 ）喷墨印刷飞速发展，质量和速度不断提，成本逐步降低； （5 ）印前自动化，这主要体现在色彩管理和拼版等方面； （6 ）网络印刷。 1.3 课题的提出及意义 传统印刷有凸印、平印、凹印、丝印四大印刷，先是凸印占领大部分市场份 额后来演变为以胶印为主导的情形。胶印固然可以提供良好的质量和较短的生产 周期，但仍存在很多不令人满意的地方，如无法满足客户提出的按需印刷等。而 数字印刷是在印刷技术的基础上发展起来的一种综合技术，数字印刷技术刚刚出 现的时候，人们对它的认识仅仅是作为传统印刷技术的附加成分。与传统胶印相 比，由于数据从电脑直接到印刷机上，因而节省了出片和制版两大工序，具有个 性化强、按需印刷交件快、使用劳动力少、占地面积小、灵活性强等优势。由于 6 在数字印刷工作流程中无需胶片，甚至无需印版、润版液及显影液，所以很大程 度上避免了在图文转移时溶剂的挥发，有效地降低了对环境的危害程度[25] 。 数字印刷新技术自 1995 年在 DRUPA 展览会上展出后，在世界范围内掀起 了热潮，根据有关调查数据显示数字印刷机的安装量每年将以 14%～19%的速度 增长，数字印刷前景看好。这对传统印刷机，尤其是小胶印机造成了不同方面的 冲击。市场上，数字印刷设备之间的竞争十分激烈。一方面，世界上主要的印刷 设备厂商加大了数·字印刷机的研发力度，相继推出了多款机型，另一方面，价 格的竞争也越演越烈。从某种程度上来说，也正是这种竞争促进了数字印刷设备 的快速发展。中国的数字印刷市场广阔，潜力巨大，但是目前的印刷设备却还是 以进口机为主，如HP Indigo 、施乐、佳能及柯达等。因此，研究数字印刷技术， 开发属于自己的数字印刷机对于增强中国印刷业的科技含量，开拓中国的印刷市 场具有重要的意义。 以数字印刷机为研究对象的机械动态设计是一项涉及现代动态分析，计算机 技术，产品结构动力学理论，设计方法学等众多学科领域的高新技术。其基本思 想是对按功能要求设计的结构图纸或要改进的机械结构进行动力学建模，并做动 态特性分析。根据对其动特性的要求或预定的动态设计目标，进行结构修改，再 设计和结构重分析，直到满足结构动特性的设计要求。本课题主要的研究对象是 某型号的数字印刷机，基于印刷质量和印刷速度的不断提高，数字印刷机的结构 性能直接关系印刷的速度和工作性能的原因，希望通过测试与动态设计方法相结 合，借助测试所得到的数据能够为数字印刷机在设计阶段提供可靠的依据，对产 品进行动态设计，把问题解决在设计阶段，从而为数字印刷机进行更新改造，技 术升级提供了一定的理论数据和性能评价依据，才能够适应当前激烈的市场竟争 的需要。 1.4 课题的内容 课题主要对某型号的以采用静电成像方式的数字印刷机为对象进行动态分 析测试，主要内容归纳如下： （1）以某数字印刷机为研究对象在反求测绘的基础上建立数字印刷机递纸部 7 分的三维机构模型，完成其工作原理、机械零部件及其对应的功能等； （2 ）根据分析得出的工作原理基础上完成递纸吸嘴工作循环图的绘制，通过 凸轮反求得出递纸部分驱动凸轮从动件的运动规律，为递纸吸嘴轨迹的反求提供 依据； （3 ）根据递纸吸嘴机构从动件的运动规律，对递纸吸嘴机构进行了分析，得 到递纸吸嘴机构输出系统的动态角位移、角速度以及角加速度； （4 ）在 ADAMS 环境下建立了递纸吸嘴机构的三维模型，并对其进行了运 动仿真分析，得出递纸吸嘴的运动轨迹； （5 ）数字印刷机机械性能参数测试，对数字印刷机递纸部分、墙板通过实验 研究，得到印刷机机械性能参数测试的系统方法，为印刷机的动态设计及可靠性 设计提供基础数据； （6 ）利用ANSYS 有限元模态分析方法和试验模态分析方法对数字印刷机墙 板进行模态分析，获取结构的模态频率和模态振型，确定了系统振动的薄弱环节。 总之，本课题是基于对数字印刷机测试与动态优化设计的研究，通过反求设 计，研究实验室现有的数字印刷机的工作原理，在 Soliworks 中建立出三维模型， 采用有限元分析与试验模态分析相结合，通过实验模态以准确地计算出结构频率 和振型，为后续的动态设计提供理论依据。 8 第二章 数字印刷机递纸吸嘴机构的运动分析 数字印刷机的递纸吸嘴机构为摆动式递纸机构，这种机构的运动规律比较复 杂，直到目前为止，可以说任何描述其运动规律的资料几乎是很少，另一方面由 于我国对数字印刷机的研究还是比较有限，对其递纸吸嘴机构所采用的运动规律 大多是通过仿制和经验得出的，所使用的凸轮也是以作图法绘制。因此，为了提 高我国数字印刷机的发展水平，逐步缩小与国外数字印刷机的差距，分析这种递 纸吸嘴机构的运动规律具有着重要的作用。 2.1 递纸吸嘴机构凸轮从动件运动规律的建立 为了分析递纸吸嘴在各个位置的状态（转角、速度和加速度），通过对图2-1 中的凸轮机构进行测绘，得到凸轮机构的实际廓线，再根据设计原理得出理论廓 线，最后根据理论廓线得出递纸吸嘴的运动规律[26-29]。 图 2-1 递纸吸嘴机构-凸轮连杆机构三维模型 2.1.1 递纸机构凸轮理论廓线的确定 凸轮中心到摆臂中心的距离K = 89.428 mm ，摆臂中心到滚子中心的距离 L= 60.5mm，滚子半径R = 11mm ，凸轮大半径R =61mm，小半径R =53mm ，则 r max min 基圆半径R = R + R = 64 mm 。为了确保测量精度，根据由三坐标测量机所 b r min 得到的凸轮轮廓，在 Soliworks 对凸轮轮廓每隔一度测量一组数据，得到 360 个 离散数据点的极坐标值，即廓线上 k 点的向径ρ 和向径角θ ，凸轮轮廓的部分 k k 9 数据如表 2-1 所示。如图 2-2 所示，C 处的向径ρ 与其切线 tt 的夹角为μ ，C k k k k 处的切线 tt 与 X 轴的夹角为λ （即切线的倾角），C 处的法线 NN 与 X 轴的夹 k k 角为η （即法线 主凸轮轮廓数据 向径角（°） 0 1 2 3 4 5 向径值 59.045 58.65 58.190 57.658 57.078 56.552 向径角（°） 6 ... 356 357 358 359 向径值 56.053 ... 60.270 60.051 59.442 59.776 图2-2 凸轮实际轮廓线坐标 则C 处的向径ρ 与其切线 tt 的夹角为μ 为： k k k μ arctan(ρ / ρ ) （2-1 ） k k k 式中： ρ 的值按 5 次拉格朗日多项式微分法求得，设已测得的凸轮实际廓 k 线向径角为θ，θ，θ，Λ，θ新利体育，θ ，Λ，对应的向径值ρ ，ρ，ρ ，Λ，ρ ，ρ ，Λ， 0 1 2 k k +1 0 1 2 k k +1 1 且θ - θ θ - θ Λ θ - θ b ，即ρ b[ρ - ρ +8(ρ - ρ )]，则凸轮 1 0 2 1 k +1 k k k -2 k +2 k +1 k -1 12 实际廓线在C 处的切线 tt 和法线 NN 与 X 轴的夹角λ 和η 为： k k k λ θ +μ θ +arctan(ρ / ρ ) ，η λ - π/2 θ +arctan(ρ / ρ ) - π/2 （2-2 ） k k k k k k k k k k k 10 数字印刷机中递纸吸嘴机构采用滚子从动件盘形凸轮机构，摆杆从动件的运 动规律取决于凸轮的理论廓线，根据已得到的实际廓线的极坐标值（ρ ，θ ） k k → → → 即可求得其理论廓线 可知，AE AC +C E ，矢量式分 k k 别在坐标轴的投影为： x ρ cosθ +MR cosη ，y ρ sinθ +MR sinη （2-3 ） k k k r k k k k r k 式中：M 为符号系数，当滚子与凸轮外切M = 1 ，而滚子与凸轮内切M = -1 ， → R 为滚子半径，本文滚子与凸轮是外切，即取M = 1 。故矢量AE 的向径r 及向 r k 径角ϕ 分别为： k 2 2 2 2 （2-4 ） r x +y （ρ cosθ +R cosη ）+（ρ sinθ +R sinη ） k k k k k r k k k r k y ( sin R sin ) ρ θ + η ϕk arctan k arctan k k r k （2-5 ） x (ρ cosθ +R cosη ) k k k r k 2.1.2 由凸轮理论廓线确定从动件运动规律 如图 2-3 所示，当凸轮的理论廓线转角为ϕ 时，则从动件 BE 的角位移为δ ， k k 其中基圆半径为r ，k 点凸轮向径 AE 为r ，相应的转角为β ，从动杆BE 长为 0 k k L ，凸轮中心到摆杆中心的距离为K ，得出： 图2-3 从动件 BE 的运动规律 11 K 2 L2 r 2 K 2 L2 r 2 + − + − β0 arccos 0 新利体育，βk arccos k （2-6 ） 2KL 2KL K 2 L2 r 2 K 2 L2 r 2 + − + − δ β β k 0 （2-7 ） - arccos - arccos k k 0 2KL 2KL → 从动件上 E 点的速度V 与凸轮廓线上 E 点处法线NN 的夹角为α ，即从动 E k τ 杆的压力角，从动杆 BE 与向径 AE 的夹角为 ： r 2 L2 K 2 + − k τ arccos （2-8 ） 2KL π α -τ- N (ϕ -η ) （2-9 ） k k k 2 设凸轮转角为ϕ 时的从动杆角速度为ζ ，其中凸轮转速为ω，P 为法线NN k k 与 BA 连接线的交点，即凸轮与从动件的相对速度瞬心，则有ζ ⋅BP ω⋅AP ， k 在 P 点作 BE 的垂线PF ，则有∠EPF = α ，由直角三角形EPF 知 k EF 1−BPcos(β +βk ) tan tanα 0 （2-10 ） k FP BPsin(β +β ) 0 k 从动杆角速度ζ 为： k BP −K K ⎧ K ⎫ ζ ω ω ω [tanα sin β β cos β β ] （2-11 ） ⋅ ⋅(1− ) ⋅ 1−⎨ ( + ) + ( + ) ⎬ k k 0 k 0 k BP BP ⎩ L ⎭ 则从动件的角加速度ε 为： k dζk dζk ε ω⋅ ω⋅ζ （2-12 ） k k dt dϕk 凸轮2 和凸轮 3 从动件的角位移，角速度以及角加速度的解法与此相同，不 再重述。 通过以上公式推导，应用 Matlab 程序绘制出反求主凸轮从动件的角位移、 角速度和角加速度曲线 凸轮从动件角位移曲线 凸轮从动件角速度曲线 凸轮从动件角加速度曲线 根据测绘所求的凸轮数据，反求出递纸吸嘴机构中凸轮从动件的实际运动规 律。从图 2-4 、2-5 和 2-6 可以看出，目前递纸吸嘴机构中凸轮从动件运动的角位 移曲线、角速度曲线以及角加速度曲线类似于简谐运动规律，但角加速度曲线的 运动规律不是很明显。因此可以通过改进从动件的运动性能，对凸轮机构进行修 正设计，从而使机构的运动性能可以满足要求，最终能够为提高整机的动态工作 性能提供科学依据。 2.2 递纸吸嘴机构的运动分析 2.2.1 递纸吸嘴机构模型的建立 目前，平面机构运动的解析法通常采用矢量法，矢量可用极坐标和直角坐标 两种记法表示，这样进行矢量的各种运算时非常方便[30]。在应用矢量法时，只需 根据机构简图建立起矢量多边形[31,32] （或连续多个矢量多边形），就可求出未知 量的方程，递纸吸嘴机构的结构简图如图 2-7 所示。 13 图2-7 递纸吸嘴机构的矢量分析图 本课题是以递纸吸嘴在输纸台上静止取纸作为运动的开始，如图 2-7 可知， 杆 AB 、BC 、CD 连同机架一起构成一套四杆机构。由于整个机构的自由度为 1， 故可求解[33,34]，杆AK 、KJ 、JH 和机架一起构成一套四杆机构，由于杆 AK 的运 动规律可以确定的，故可求出其它杆的运动规律[36,37]，凸轮 3、EG 、GH 构成一 套两自由度的凸轮连杆杆机构，由于凸轮和连杆 HG 的运动规律都是可以确定 的，既可以确定递纸吸嘴GF 的运动规律。 四杆机构ABCD 各角位移求解过程如下（参见图 2-7 ，所有的角都是以正水 平方向逆时针为准），其中杆 AB=67.55mm, 杆 BC=173.85mm,杆 CD=55.2mm, 杆 AD=213.15 mm,杆 AB 的角速度可由式2-11 得出，杆 BC 的初始位置角为 35 °， 杆 CD 的初始位置角为 84°，杆AB 由初始位置角52.78°变化到 58.73°。 → → → → AB +BC AD +DC L sinϕ L sinϕ L sinϕ L sinϕ ⎧ AB AB + BC BC AD AD + DC DC ⎨ L cosϕ L cosϕ L cosϕ L cosϕ + + ⎩ AB AB BC BC AD AD DC DC A L sinϕ −L sinϕ AD AD AB AB B L cosϕ −L cosϕ AD AD AB AB (A +L sinϕ )2 +(B +L cosϕ )2 L2 DC DC DC DC BC A2 +B 2 +L2 −L2 2L A 2 +B 2 ⋅sin （ϕ +ϕ ） DC BC DC DC C B ϕ arctg C A 14 A2 B 2 L2 L2 + + − ϕDC arcsin DC BC −ϕC (2-13) 2L A 2 +B 2 DC 四杆机构ABCD 各角速度求解过程： ⎧ • • • • ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ L sinϕ ϕ L sinϕ ϕ L sinϕ ϕ L sinϕ ϕ ⎪ AB AB AB BC BC BC AD AD AD DC DC DC ⎨ ⎪ ⋅ +• ⋅ • ⋅ +• ⋅ • L cosϕ ϕ L cosϕ ϕ L cosϕ ϕ L cosϕ ϕ ⎩ AB AB AB BC BC BC AD AD AD DC DC DC • • C L sinϕ ⋅ϕ −L sinϕ ⋅ϕ AD AD AD AB AB AB • • D L cosϕ ⋅ϕ −L cosϕ ⋅ϕ AD AD AD AB AB AB ⎡ • ⎤ ⎡⎢LAB sinϕBC −LDC sinϕDC ⎤⎥⎢ϕBC ⎥ ⎡⎢C ⎤⎥ ⎢⎣LAB cosϕBC −LDC cosϕDC ⎦⎥⎢⎢ϕ• ⎥⎥ ⎣D ⎦ ⎣ DC ⎦ ⎡ϕ• ⎤ ⎡LAB sinϕBC −LDC sinϕDC ⎤-1⎡C ⎤ ⎢ BC ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ (2-14) ⎢⎢ϕ• ⎥⎥ ⎢⎣LAB cosϕBC −LDC cosϕDC ⎦⎥⎣D ⎦ ⎣ DC ⎦ 四杆机构ABCD 各角加速度求解过程： • • ⎧ 2 •• 2 •• L (cosϕ ϕ sinϕ ϕ ) L (cosϕ ϕ sinϕ ϕ ) ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ ⎪ AB AB AB AB AB BC BC BC BC BC ⎪ • •• • •• ⎪ 2 2 L (cosϕ ϕ sinϕ ϕ ) L (cosϕ ϕ sinϕ ϕ ) ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ ⎨ AD AB AB AB AB DC DC DC DC DC • • •• •• ⎪ 2 2 L (cosϕ ϕ sinϕ ϕ ) L (cosϕ ϕ sinϕ ϕ ) ⋅ − ⋅ + ⋅ − ⋅ ⎪ AB AB AB AB AB BC BC BC BC BC • • ⎪ •• 2 •• 2 L (cosϕ ϕ sinϕ ϕ ) L (cosϕ ϕ sinϕ ϕ ) ⋅ − ⋅ + ⋅ − ⋅ ⎩ AD AD AD AD AD DC DC DC DC DC • • • •• •• 2 2 2 E L (cosϕ ⋅ϕ +sinϕ ⋅ϕ ) −L (cosϕ ⋅ϕ +sinϕ ⋅ϕ ) −L cosϕ ⋅ϕ AD AB AB AB AB AB AB AB AB AB BC BC BC • −L cosϕ ⋅ϕ2 BC BC BC • • • •• ••
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