模切機實驗臺背景材料

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1、編號 密級 北京印刷學院 教委面上研究項目申請書 項目名稱：氣液增壓式模切機的數(shù)字化壓力測控技術(shù)研 究 申請人：趙世英 所在單位：信息與機電工程學院 申請日期： 填表說明 1、填寫《申請書》前，請閱讀《北京印刷學院科研項目管理辦法》。 2、以Word文檔形式錄入，用A4紙付印一式二份，分別于左側(cè)裝訂成冊， 二.立項依據(jù) 1、墻板；2、上平臺；3、下平臺；4、導向塊；5、驅(qū)動桿；6、上支撐架；7、氣液增壓工作缸；8、下支撐架；9、伺服閥；10、12、14、17、節(jié)流閥；11、油管；13、增壓缸；15、預(yù)壓缸；16、油壓柱；18、第一電磁閥；19、第二電磁閥；20、氣管

2、 本項目研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢；研究的實際意義和理論意義；對學校學科建設(shè)和研究隊伍建設(shè)的作用。 項目研究內(nèi)容和意義 本項目是在我校研發(fā)的氣液增壓式模切機實驗樣機基礎(chǔ)上，結(jié)合模切工藝壓力加工的特點，設(shè)計并開發(fā)實時在線的數(shù)字化模切壓力測控系統(tǒng)。借助LabVIEW虛擬儀器圖形化編程軟件，利用現(xiàn)代測試技術(shù)，有效直觀地對模切機構(gòu)工作特性參數(shù)進行信號采集、分析和控制輸出，實現(xiàn)模切壓力調(diào)節(jié)過程尤其是加壓過程的數(shù)字化、自動化和可視化。最后通過實驗驗證，給出常用模切材料的模切壓力修正系數(shù)。 研究成果能夠大幅度提高模切壓力調(diào)節(jié)精度、效率和安全性，有效降低生產(chǎn)成本，延長產(chǎn)品使用壽命，推動氣液增壓式模切設(shè)備

3、的數(shù)字化、產(chǎn)業(yè)化進程。該試驗裝置經(jīng)改裝可以應(yīng)用到其他“機一電一氣一液”一體化設(shè)備中，為傳統(tǒng)類型模切機壓力測試和技術(shù)改造提供技術(shù)支撐。 1 .本項目研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 本項目是在我校研發(fā)的氣液增壓式模切機實驗樣機基礎(chǔ)之上，結(jié)合模切工藝壓力 加工的特點，借助LabVIEW虛擬儀器圖形化編程軟件，開發(fā)并建成實時在線的數(shù)據(jù)采集與模切壓力測控系統(tǒng)。實現(xiàn)模切壓力調(diào)節(jié)過程尤其是加壓過程的數(shù)字化、自動化和可視化。 傳統(tǒng)模切機簡介：利用鋼刀、鋼線排成模板，通過壓印版施加一定的壓力，將印品（或紙張）軋切成所要求的形狀的工藝過程，稱為模切壓痕。全自動平壓平模切機主要用于紙箱、紙盒等印刷品的模切、壓痕

4、工藝，是印后加工設(shè)備中應(yīng)用最為廣泛的機種之一，它主要由輸紙系統(tǒng)、模切施壓機構(gòu)、收紙裝置、傳動系統(tǒng)、電控及自動排廢等部分組成。圖1為具有自動排廢功能的全自動平壓平模切機簡圖。 圖1臥式全自動平壓平模切機簡圖 其中模切施壓機構(gòu)是模切機上最主要的機構(gòu)，其性能的優(yōu)劣直接影響模切速度和精度。到目前為止，絕大多數(shù)型號的模切機仍然是使用機械結(jié)構(gòu)比較復雜的雙肘桿機構(gòu)作為施壓機構(gòu)（如圖2所示）。由于機械零部件較多，這種機構(gòu)在實際工作過程中存在著加工裝配難度大、容易磨損、噪聲較大等弊端，而且這種機械式的施壓機構(gòu)無法實現(xiàn)模切系統(tǒng)工作壓力的數(shù)字化控制。 圖2雙肘桿機構(gòu)三維模型 氣液增壓式模切機特點：鑒于上述傳

5、統(tǒng)模切機機構(gòu)原理方面的不足，我校研發(fā)了一種新型的氣液增壓式模切機實驗樣機，其驅(qū)動機構(gòu)的核心是氣液增壓系統(tǒng)（氣液增壓式模切機的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示）。氣液增壓缸直接驅(qū)動下平臺實現(xiàn)上下往復運動，其最大輸出壓力可達600KN（約60噸）。氣液增壓系統(tǒng)有兩個顯著的優(yōu)點，第一，預(yù)壓過程是一個由壓縮空氣控制的快速過程，這樣就能減少模切動平臺運動時間，有利于提高模切速度；第二，系統(tǒng)接觸模切材料是一個“軟到位”過程，傳動過程比較平穩(wěn)，從而使模切上下平臺的沖擊減小，能夠有效地避免系統(tǒng)的振動和噪聲。 氣液增壓缸是綜合利用氣動與液壓傳動優(yōu)點而設(shè)計的，它是一種利用低工作氣壓而獲得較大輸出作用力（約增大8?15倍）的

6、特殊氣缸，最大6Kg壓縮空氣驅(qū)動，即可達到1噸?240噸沖壓力，無需液壓系統(tǒng)；它既利用了氣動的低工作壓力及操作方便，又利用了液壓傳動的平穩(wěn)性，因而同時具有氣動及液壓的優(yōu)點。氣液增壓缸工作過程主要分為三個階段：氣動的快進行程、氣液增力的力行程、氣動的返回行程。三階段工作過程的速度、工作壓力的大小與行程在規(guī)定范圍內(nèi)均可無級調(diào)節(jié)和控制；與同噸位氣缸或液壓系統(tǒng)相比，能耗極低，動作頻次高。 氣液增壓系統(tǒng)作為一個執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)往復運動是通過氣動系統(tǒng)的控制回路來完成的，系統(tǒng)控制回路如圖4所示。在本系統(tǒng)中，通過兩位三通電磁閥A、兩位五通電磁閥B和兩位兩通電磁閥C的控制可以實現(xiàn)對氣動系統(tǒng)的回路控制，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)

7、系統(tǒng)空行程和增壓行程的壓力與速度的人工調(diào)節(jié)，但還不能實現(xiàn)調(diào)壓過程的數(shù)字化和自動化，也不能實時記錄和處理實驗數(shù)據(jù)。 圖4氣液增壓系統(tǒng)控制回路 模切壓力對產(chǎn)品質(zhì)量的影響：模切壓力的大小是模切機工作性能的一個重要 參數(shù)，它直接影響著模切壓痕質(zhì)量。根據(jù)國標規(guī)定，每臺平壓平模切壓痕機都有額定最大工作壓力，生產(chǎn)過程中模切機的實際工作壓力不能超過額定最大工作壓力。 模切壓力主要來源于兩個方面：一是加載過程中鋼線對紙板塑性壓痕受到的阻力；二是加載中鋼刀切透紙板，壓在承印臺上變形產(chǎn)生的壓力。這兩個方面的合力便是模切機所受到的總的工作阻力，也就是模切壓力。模切壓力過小，鋼刀不能切斷紙板，壓痕也會過淺，紙盒

8、將無法成型；模切壓力過大，鋼刀容易變形，刀刃變鈍，影響模切精度，甚至在下平臺上切出很深的刀痕，可能使痕線爆裂，嚴重影響模壓版的使用壽命。所以，理想的模切壓力就是調(diào)整到在機器實際壓力最小的情況下能使各切口的廢邊剛好分離，這樣模切刀不易磨損，成品的切口邊干凈整齊、易于清廢。為了盡可能地以最小的壓力來完成模切，需要反復調(diào)節(jié)模切壓力，對生產(chǎn)效率造成很大影響。 模切工藝過程中確定模切壓力的方法目前確定模切機實際所需工作壓力的 方法有兩種：理論法和實驗法。模切壓力的理論計算公式如下： FKA（1） 公式（1）中：F為模切所需要的力；為模切中單位面積剪切應(yīng)力值；A為模 切分離面的實際面積，可根據(jù)模

9、切材料厚度和周長來計算；K為考慮模壓過程的實 際條件和各項技術(shù)因素影響的系數(shù)。公式（1）只能計算模切力，不能計算壓痕力，公式中K值與值的影響因素太多，不易確定具體數(shù)值，因此通過公式（1）很難準確的計算出模切壓力。 實驗法是指首先確定各單位長度上的模切力P的數(shù)值，然后再計算模切壓力F 的大小?？捎孟率接嬎恪? FKLP（2） 式中：F為模切壓力；L為模切周邊總長（包括切口和壓線）；P為單位長度切口和壓線的模切力，P的值和紙張材料有關(guān)；K為考慮實際生產(chǎn)中各種不利因素的修正系數(shù)（一般取1.2或1.3）。由于材料和工作環(huán)境的不同，P和K都不是恒定的，只能采用經(jīng)驗值，這就降低了公式（2）的準

10、確性。 實際生產(chǎn)中模切壓力調(diào)節(jié)與控制方法實際生產(chǎn)中模切壓力的確定通常由試切 法得到。首先通過公式（2）估計一個理論壓力值，通過模切機壓力調(diào)節(jié)機械裝置進行整體調(diào)壓（粗調(diào)和微調(diào)），然后通過局部加襯墊的方式進行局部調(diào)壓。壓力調(diào)節(jié)裝置即調(diào)節(jié)上、下平臺之間距離，使壓力增大或減小。傳統(tǒng)模切機常見的是利用位于機器下部或上部的楔形板來調(diào)節(jié)模切壓力。 模切壓力的粗調(diào)是根據(jù)公式（2）計算得到的理論壓力值進行加壓，初設(shè)壓力值不要過大，一般將初壓設(shè)置在理論值的60%;通過機械式調(diào)壓裝置逐步增壓，壓力增長率控制在設(shè)備最大額定壓力的5%?10%;當模切產(chǎn)品模切位置有2/3的位置達到了模切效果要求，粗調(diào)就可以結(jié)束了。

11、接下來進行整體壓力微調(diào)，壓力增長率控制在設(shè)備最大額定壓力的1%以內(nèi)，在90%左右的鋼刀和鋼線實現(xiàn)正常模切后，微調(diào)結(jié)束，即整體調(diào)壓結(jié)束。接下來進入局部調(diào)壓階段，直至模切盒型能夠正常分離。 由于傳統(tǒng)模切機壓力控制面板中顯示的讀數(shù)不是實際模切壓力值，而是額定最大模切壓力的百分率，該百分率實際反映的是調(diào)壓機構(gòu)行程的大小。但是模切壓力與調(diào)壓機構(gòu)行程并不是簡單線性關(guān)系，這就造成加壓控制精度較差。該壓力調(diào)節(jié)方法比較耗時、耗力，對操作者的要求很高。如果初壓壓力過大很容易造成模切版的損壞，如果壓力太小需要反復試驗才能達到額定值，從而降低了生產(chǎn)效率。 模切壓力研究現(xiàn)狀國外生產(chǎn)平壓平模切機的廠商很多，早在上世紀

12、60年代他們就開始將先進的設(shè)計理論用于實際產(chǎn)品研發(fā)，研發(fā)技術(shù)以及制造水平遠遠領(lǐng)先于國內(nèi)。在當今國際市場上比較有代表性的有瑞士BOBST公司、德國JAGENBERG公司以及西班牙舊ERICA公司等，其中瑞士博斯特（BOBST）公司生產(chǎn)的模切機代表了當今世界最高水平，具產(chǎn)品在世界模切機市場上占有很高的份額，成為高端模切機產(chǎn)品的代表。目前我國模切機制造水平還相當落后，模切速度、模切精度、機械系統(tǒng)穩(wěn)定性等主要技術(shù)指標與國外先進產(chǎn)品還存在一定的差距。因此有必要對模切機模切壓力進行深入、系統(tǒng)的研究，為新型模切機的研發(fā)奠定理論基礎(chǔ)，提高模切機科技含量，縮短與國外先進模切機的差距。 模切壓力直接測量法（離線

13、測量法）由于所測的壓力很大，一般的壓力傳感器很難達到要求。模壓版與下平臺之間的力并不是均勻分布，一般集中在鋼刀、鋼線附近。為獲得較準確的模切版全幅面壓力分布數(shù)據(jù)，可以采用富士壓力測試系統(tǒng)來完成對模切壓力的直接測量（離線測量法）。 富士壓力測試系統(tǒng)由富士壓力測試紙（感壓紙）、EPSONPerfectionV300掃描儀和富士壓力圖像分析系統(tǒng)三部分組成。富士壓力測試紙有兩種類型：單片型和雙片型。雙片型由兩層復合而成，分別是帶有顯色材料的微顆粒層和成色層。而單片型同時擁有這兩層。其基本原理是：當壓力受壓時，微型顆粒破裂，與成色層起反應(yīng)，紅色的斑點就顯示在測試紙上，調(diào)整微顆粒在不同壓力下破裂，就可以

14、獲得廣泛壓力范圍的壓力值，壓力值越大，顏色越深。富士壓力測試系統(tǒng)的使用方法如圖5所 示：掃描受過壓力的富士壓力測試紙，使用富士壓力圖像分析軟件FPD-8010E對掃 描圖像進行分析，得出模切壓力。 圖5富士壓力測試系統(tǒng)使用方法 為了測量更加精確，測試紙的幅面最好略大于模壓版的幅面。圖6為測試紙的安裝示意圖。從圖6中可以看出：上平臺所受到的力就等于模切壓力F,如果測試紙的幅面小于模壓版的幅面，測出的力將小于模切壓力F;測試紙應(yīng)固定在模壓版 的背面，如果將測試紙固定在模壓版與下平臺上表面之間，測試紙很有可能被鋼刀切斷。按照圖4-3所示安裝測試紙，裝上模壓版，上紙完畢后開機并點動運行。通過

15、模切機的機械調(diào)壓裝置進行調(diào)壓，即調(diào)節(jié)上、下平臺之間的距離使壓力增大或減小。掃描受過壓力的測試紙，使用圖像分析軟件FPD-8010E對掃描圖像進行分析， 得到模切壓力（密度）分布圖和模切壓力數(shù)據(jù)表。通過分析可知：模切壓力并不是均勻分布的，一般來說，刀線以及痕線附近會有應(yīng)力集中，空白區(qū)域受力相對較小，刀線以及痕線越密集，上平臺相應(yīng)的部位受力越大。 上述直接測試方案操作簡單，能夠比較準確的測量出模切壓力的大小，但是該方法只能測出模切過程中的最大壓力值，不能實現(xiàn)對模切壓力調(diào)整過程的動態(tài)測量和動態(tài)顯示。因此，這種直接測試方法的應(yīng)用有一定的局限性。 模切壓力間接測量法(在線測量法)隨著現(xiàn)代機械測試技

16、術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi) 一些科研機構(gòu)開始嘗試將先進測試技術(shù)運用到模切壓力檢測方面，并取得了一定的成果。西安理工大學通過對墻板進行有限元分析得出模切壓力與墻板變形之間的函數(shù)關(guān)系，然后通過測量墻板變形量，間接實現(xiàn)對模切壓力的在線測試；天津長榮印刷設(shè)備股份有限公司最新推出的MK1060MF型平壓平自動清廢模切機設(shè)有壓力過載保護單元，該單元采用進口壓力傳感器檢測墻板變形，當超過最大壓力時立即報警，提高了機器安全性。令人遺憾的是，上述壓力測試方法并未在企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，因為它存在很多弊端：第一，墻板變形除了受模切壓力影響外，還受墻板材料、結(jié)構(gòu)尺寸、聯(lián)接方式等因素影響，止匕外，通過有限元分析得出的函數(shù)關(guān)系

17、式與實際是有差別的，因此墻板變形量與模切壓力之間的函數(shù)關(guān)系式很難確定；第二，在模切壓力的作用下，墻板雖然發(fā)生變形，但是變形量很小，并且模切機在工作過程中會產(chǎn)生振動，因此很難實現(xiàn)對墻板變形量的精確測量；第三，由于所測模切壓力很大，墻板變形量很小，國產(chǎn)壓力傳感器或位移傳感器很難達到要求，一般需要從國外進口，價格比較昂貴；第四，測試結(jié)果的精確度無法評估。 數(shù)字化模切壓力測控系統(tǒng)特點綜上所述，目前圍繞模切壓力已進行了很多研 究，取得了不少成果，但是就目前的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀來看，還沒有實現(xiàn)對模切機工作壓力的數(shù)字化精確控制。為了實現(xiàn)對模切壓力的在線實時動態(tài)測試，本項目在氣液增壓式模切樣機試驗平臺上，基于

18、虛擬儀器技術(shù)開發(fā)一種新型模切壓力測控系統(tǒng)。 所謂虛擬儀器，是指在以計算機為核心的硬件平臺上，其功能由用戶設(shè)計和定義，具有虛擬面板，具測試功能由測試軟件實現(xiàn)的一種計算機儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的實質(zhì)是利用計算機顯示器的顯示功能來模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式表達輸出結(jié)果；利用計算機強大的軟件功能實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運算、分析和處理；利用I/0接口設(shè)備完成信號的采集、處理與控制，從而完成各種測控功能的一種計算機儀器系統(tǒng)。 虛擬儀器概念是由美國國家儀器公司(NationalInstruments),即NI公司于1986年提出的。虛擬儀器實質(zhì)上是一種創(chuàng)新的儀器設(shè)計思想，而非一種具體的儀器。虛 圖6模切施

19、壓機構(gòu)中的感壓紙安裝示意圖 擬儀器可以有各種各樣的形式，完全取決于實際的物理系統(tǒng)和構(gòu)成儀器數(shù)據(jù)采集單元的硬件類型。虛擬儀器由測控儀器硬件平臺和應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成。其中硬件的主要功能是獲得真實世界中的被測信號，而軟件的作用是控制實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析、處理、顯示，并將其集成為儀器操作與運行的命令環(huán)境。從構(gòu)成和功能上來說，虛擬儀器就是利用現(xiàn)有的計算機，配上相應(yīng)的硬件和專用軟件，從而形成既有普通儀器的基本功能，又有一般儀器所沒有的特殊功能的高檔低價的新型儀器；從使用上說，虛擬儀器利用強大的圖形化開發(fā)環(huán)境，建立直觀、靈活、快捷的虛擬儀器面板(即軟面板)，可以有效地提高儀器的使用效率。 虛擬儀器是

20、當前測控領(lǐng)域的技術(shù)熱點，它代表了未來虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展方向。 而LabVIEW是世界上最優(yōu)秀的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺。NI公司于1986年10月正 式推出了LabVIEW1.0版，產(chǎn)品命名來自LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench便驗室虛擬儀器工程平臺)的首字母組合。使用LabVIEW開發(fā)虛擬儀器最大的優(yōu)勢在于能夠極大的提高系統(tǒng)開發(fā)的效率。據(jù)統(tǒng)計，使用LabVIEW開發(fā)虛擬 儀器比使用基于文本語言的開發(fā)效率可以提高10~15倍，程序的執(zhí)行速度卻幾乎不 受影響；同時在信號處理等方面的強大功能也是組態(tài)軟件所不能比擬的。 “軟件就是儀器

21、”的思想反映了虛擬儀器系統(tǒng)在功能開發(fā)上對軟件的依賴，因此軟件的開發(fā)是虛擬儀器開發(fā)的核心內(nèi)容。LabVIEW提供了一種全新的程序編寫方法，編程的過程即為“虛擬儀器”的軟件對象進行圖形化組合的操作過程。利用LabVIEW可通過交互式的圖形前面板進行系統(tǒng)控制和結(jié)果顯示，通過組合所需的框圖模塊來指定各種功能，這樣構(gòu)成的系統(tǒng)能夠?qū)ι锨ХN設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集。完成數(shù)據(jù)采集后，可利用LabVIEW功能強大的數(shù)據(jù)分析程序，得到所需的測控結(jié)果。由于LabVIEW程序語言具有友好的界面、高效的編程，因而在測控等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。虛擬儀器的特點可以概括為以下四個方面： (1)豐富和增強了傳統(tǒng)儀器的功能充分利用了計算

22、機強大的數(shù)據(jù)處理、傳 輸和發(fā)布能力，使得系統(tǒng)的組建變得更加靈活和簡單，可以輕松地獲得強大的測試系統(tǒng)。 (2)突出軟件即儀器的新概念儀器的很多功能都是由軟件來實現(xiàn)的，用戶 可以根據(jù)需要編制相應(yīng)的功能。 (3)儀器由用戶自己定義用戶擁有極大的空間來開發(fā)自己的測試系統(tǒng)，不受 廠家設(shè)定的限制。 （4）便于構(gòu)建復雜的測試系統(tǒng)，經(jīng)濟性好虛擬儀器既可以作為測試儀器獨 立使用，又可以通過高速計算機網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成復雜的分布式測試系統(tǒng)，進行遠程測試、監(jiān)控與故障診斷。止匕外，用基于軟件體系結(jié)構(gòu)的虛擬儀器代替基于硬件體系結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)儀器，可以大大節(jié)約儀器購買和維護費用。 虛擬儀器的崛起是測試儀器技術(shù)的一次“革

23、命”，是儀器領(lǐng)域的一個新的里程碑，它使現(xiàn)代測控系統(tǒng)更靈活、更緊湊、更經(jīng)濟、功能更強。無論是測量、測試、計量或是工業(yè)過程控制和分析處理，還是涉及其它更為廣泛的測控領(lǐng)域，選用虛擬儀器都是理想的解決方案。虛擬儀器技術(shù)在發(fā)達國家的應(yīng)用已非常普及，而我國發(fā)展還比較緩慢。隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器最終將會取代大量的傳統(tǒng)儀器，成為測量、分析處理、控制等儀器的核心技術(shù)。 本項目基于LabVIEW虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠?qū)崟r地采集由壓力傳感器、信號調(diào)理電路處理后并進行A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號。對獲取的數(shù)字信號進行存儲和傳輸，并傳送至PC機。同時，系統(tǒng)通過實時控制器控制氣液增壓

24、系統(tǒng)壓力伺服閥，從而依據(jù)設(shè)定值自動調(diào)節(jié)模切壓力，實現(xiàn)閉環(huán)控制。 2 .研究的實際意義和理論意義 作為模切機工作性能的一個重要指標，模切壓力與工作速度、工作載荷、使用壽命等有著非常重要的關(guān)系。本項目在氣液增壓式模切樣機試驗平臺基礎(chǔ)之上，綜合并總結(jié)前期數(shù)字化驅(qū)動技術(shù)（校級重點項目）和機機械一氣液”系統(tǒng)聯(lián)合仿真（校級一般項目）的研究成果，設(shè)計開發(fā)實時在線的數(shù)據(jù)采集與模切壓力測控系統(tǒng)。借助虛擬儀器LabVIEW圖形化編程軟件，利用現(xiàn)代測試技術(shù)，有效直觀地對模切施壓機構(gòu)動態(tài)特性參數(shù)進行信號采集、信號監(jiān)測、參數(shù)設(shè)置等處理；實現(xiàn)模切壓力調(diào)節(jié)過程尤其是加壓過程的數(shù)字化、自動化和可視化。最后通過實驗驗證，給

25、出常用模切材料的模切壓力修正系數(shù)，建立不同加工材料的修正系數(shù)對模切加工新產(chǎn)品有很大的幫助，可以準確的判斷出模切所需的初壓力。與傳統(tǒng)的模切壓力檢測方法相比較，本項目所研究的測控系統(tǒng)具有檢測快捷、可靠，檢測結(jié)果準確，勞動強度低，可有效測控模切壓力，提高新產(chǎn)品模切壓力設(shè)置效率。 研究成果能夠填補我校在模切機壓力數(shù)字化測控技術(shù)研究方面的空白，大幅度提高模切壓力調(diào)節(jié)精度、效率和安全性，有效降低生產(chǎn)成本，節(jié)約實驗材料，延長 產(chǎn)品使用壽命、增加產(chǎn)品科技含量，推動氣液增壓式模切設(shè)備的數(shù)字化、產(chǎn)業(yè)化進程。該試驗裝置經(jīng)改裝可以應(yīng)用到其他“機一電一氣一液”一體化設(shè)備中，也可以為傳統(tǒng)類型的模切機調(diào)壓過程提供技術(shù)支

26、撐。 本測控系統(tǒng)應(yīng)用基于軟件體系結(jié)構(gòu)的虛擬儀器代替基于硬件體系結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)儀器，可以大大節(jié)約儀器購買和維護費用。虛擬儀器利用強大的圖形化開發(fā)環(huán)境，建立直觀、靈活、快捷的虛擬儀器面板(即軟面板)，可以有效地提高儀器的使用效率。3.對學校學科建設(shè)和研究隊伍建設(shè)的作用 本項目數(shù)字化、自動化模切壓力控制方法的研究思路符合《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020)》中“積極發(fā)展綠色裝備”的發(fā)展要求。項目組成員是我校《機械優(yōu)化與仿真技術(shù)》、《印刷裝備設(shè)計》、《液壓與氣壓傳動》、《機械設(shè)備控制技術(shù)》、《機械創(chuàng)新設(shè)計》等課程組成員，通過本研究項目，可以為以上課程提供來自本行業(yè)生產(chǎn)一線的教學素材

27、與資源，密切教學與實踐應(yīng)用的關(guān)系，符合學以致用、加強實踐的高等教育改革方向；同時也為我校機械專業(yè)本科階段“數(shù)字化先進制造技術(shù)”和機械電子工程專業(yè)研究生階段“印刷裝備檢測與故障診斷”等人才培養(yǎng)方向提供理論支撐和實踐平臺。 我院現(xiàn)有“機械工程”一級學科，氣液增壓式模切機數(shù)字化壓力測控系統(tǒng)的研究，緊密貼合“機械電子工程”和“機械設(shè)計及理論”等二級學科中的“機電一體化”、“數(shù)字化虛擬樣機技術(shù)”、“印刷機械檢測與故障診斷”、“印刷包裝機械設(shè)計”、“印刷機械系統(tǒng)動力學及仿真”、“現(xiàn)代設(shè)計理論及方法”等專業(yè)方向，有助于本專業(yè)研究生、本科生的培養(yǎng)。項目組成員通過本項目的工作，在現(xiàn)有知識結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，可以補充

28、和豐富數(shù)字化控制系統(tǒng)和虛擬儀器開發(fā)等專業(yè)知識，增強數(shù)字化制造和印刷裝備檢測方向教師隊伍的學術(shù)厚度，進一步提升科研與教學水平。 三.研究內(nèi)容 項目研究的基本內(nèi)容，其中的突破和創(chuàng)新點 1 .研究的基本內(nèi)容： (1)氣液增壓式模切機的壓力測控系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計和元器件選型。 包括模切壓力檢測系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計，開發(fā)以微處理器為核心的數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)，能夠?qū)崟r地采集由壓力傳感器、信號調(diào)理電路處理后并進行A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字信 號。對獲取的數(shù)字信號進行存儲和傳輸，并傳送至PC機進行數(shù)據(jù)分析和處理。同時,系統(tǒng)通過實時控制器控制氣液增壓系統(tǒng)的壓力伺服閥，實現(xiàn)模切壓力的數(shù)字化調(diào)節(jié)， 構(gòu)成閉環(huán)控制硬

29、件系統(tǒng)。 (2)壓力測控系統(tǒng)軟件部分和測試界面的開發(fā)和關(guān)鍵技術(shù)研究。 采用模塊化方法設(shè)計測試系統(tǒng)軟件部分，研究基于虛擬儀器Labview的測試界面的開發(fā)。通過LabVIEM面快速整定控制參數(shù)，得出系統(tǒng)響應(yīng)曲線，完成壓力控制系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)特性標定。 建立氣液增壓系統(tǒng)壓力(間接測試法)與實際模切工作壓力(直接測試法)函數(shù)映射關(guān)系的數(shù)學模型，確定模切壓力控制算法。實現(xiàn)對模切工藝施壓過程的壓力檢測和壓力控制、顯示、保存，控制參數(shù)設(shè)置等功能。該系統(tǒng)主要完成輸出信號的編輯，信號輸入輸出的控制，波形顯示，信號存儲，信號分析及再現(xiàn)。 (3)模切壓力測控系統(tǒng)的實驗驗證 在氣液增壓式模切實驗樣機上對壓力

30、測控系統(tǒng)工作過程進行實驗研究，檢驗壓力測控系統(tǒng)能否達到預(yù)期的目標，確定壓力測控系統(tǒng)的最佳工作參數(shù)，檢驗前期建立的壓力測控系統(tǒng)理論模型和仿真研究是否正確。根據(jù)實驗效果對模切壓力控制算法進行修正。 (4)實驗數(shù)據(jù)分析，總結(jié)該樣機模切版對常用模切材料的壓力修正系數(shù)。修正系數(shù)是一個可變值，主要用來彌補不同材料之間的差異和模切版加工精度之間的誤差。通過對同一材料進行壓力測試的數(shù)據(jù)和對應(yīng)的模切效果進行反復試驗和分析，可以更為準確地確定該材料的修正系數(shù)。這樣就能夠在新產(chǎn)品模切時，更合理地設(shè)置模切所需的初壓力，使其接近實際所需壓力值。 (5)分析實驗效果并對數(shù)字化模切壓力測控系統(tǒng)做出評價和結(jié)論。 2 .

31、突破與創(chuàng)新點： (1)與傳統(tǒng)的模切壓力檢測方法相比較，本項目所研究的測控系統(tǒng)具有檢測快捷、可靠，檢測結(jié)果準確，勞動強度低，可有效測控模切壓力，提高新產(chǎn)品模切壓力設(shè)置效率。維持較低的實驗成本和較高的實驗效率，實現(xiàn)節(jié)能降耗、減少環(huán)境污染的綠色實驗?zāi)繕恕? (2)項目研究成果將大幅度提高模切壓力調(diào)節(jié)精度和效率，有效降低生產(chǎn)成本，延長產(chǎn)品使用壽命、增加產(chǎn)品科技含量，推動氣液增壓式模切設(shè)備的數(shù)字化、產(chǎn)業(yè)化進程。 (3)本項目是國內(nèi)首次將虛擬儀器開發(fā)技術(shù)應(yīng)用于模切壓力測控領(lǐng)域，研究成果能夠填補我校在模切機壓力數(shù)字化測控技術(shù)研究方面的空白。 (4)本項目也是國內(nèi)首次在模切壓力控制領(lǐng)域采用直接測試與間接

32、測試相結(jié)合，進行閉環(huán)控制方式的研究和實踐。 (5)本測控系統(tǒng)應(yīng)用基于軟件體系結(jié)構(gòu)的虛擬儀器代替基于硬件體系結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)儀器，可以大大節(jié)約儀器購買和維護費用。使模切壓力控制變得更加容易操作和實施，確保了模切過程安全穩(wěn)定的生產(chǎn)，使模切壓力控制技術(shù)登上了一個新臺階。 四.研究方案 研究的思路和方法，采用的技術(shù)路線及研究關(guān)鍵；工作計劃及進度； 1.研究的思路和方法，采用的技術(shù)路線及研究關(guān)鍵 項目研究的技術(shù)路線見圖7,模切壓力測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖8: (1)首先進行氣液增壓式模切機的壓力測控系統(tǒng)的硬件平臺設(shè)計。 該硬件平臺包括模切壓力檢測平臺和模切壓力控制平臺兩部分。壓力檢測平臺主要包括氣液增

33、壓系統(tǒng)壓力傳感器，模切機構(gòu)壓力、位移傳感器和數(shù)據(jù)采集裝置；壓力控制平臺主要包括壓力實時控制器和壓力伺服閥。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集測試數(shù)字信號，并傳送至PCL同時，通過實時控制器對模切壓力進行數(shù)字化調(diào)節(jié)，構(gòu)成閉環(huán)控制硬件系統(tǒng)。 (2)其次基于LabVIE怫擬儀器開發(fā)壓力測控軟件和操作界面。 通過LabVIEW界面快速整定控制參數(shù)，得出系統(tǒng)響應(yīng)曲線，完成壓力控制系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)特性標定。建立氣液增壓系統(tǒng)壓力與實際模切工作壓力函數(shù)映射關(guān)系的數(shù)學模型，確定模切壓力控制算法。 LabVIEW殳計的應(yīng)用程序分為前面板和程序框圖兩個部分。前面板是用戶接口，用于向程序中輸入各種控制參數(shù)，并以數(shù)字或圖形等

34、各種方式輸出測試結(jié)果。 LabVIEW有很豐富的控件庫，其中包括傳統(tǒng)儀器面板上的開關(guān)、旋鈕、表頭以及示波器等儀表面板部件。在進行壓力測量時，必須對壓力測量裝置定期進行靜態(tài)和動態(tài)標定，從而得到輸出與輸入之間的靜態(tài)和動態(tài)關(guān)系。 測控系統(tǒng)應(yīng)該滿足如下要求： ①實現(xiàn)對模切壓力的計算機測控和數(shù)據(jù)處理； ②人機界面完善友好，實現(xiàn)操作界面圖形化； ③動態(tài)顯示模切壓力一氣液系統(tǒng)壓力關(guān)系曲線、模切機構(gòu)動態(tài)特性曲線； ④實現(xiàn)必要的數(shù)據(jù)處理，測試結(jié)果的顯示與存儲，及其打印輸出。 (3)模切壓力測控系統(tǒng)的實驗驗證 在氣液增壓式模切實驗樣機上對壓力測控系統(tǒng)工作過程進行實驗研究，檢驗壓力測控系統(tǒng)能否達到預(yù)

35、期的目標，確定壓力測控系統(tǒng)的最佳工作參數(shù)，檢驗前期建立的壓力測控系統(tǒng)理論模型和仿真研究是否正確。根據(jù)實驗效果對模切壓力控制算法進行修正。 (4)分析實驗數(shù)據(jù)，總結(jié)該樣機模切版對常用模切材料的壓力修正系數(shù)。 (5)依據(jù)實驗效果并對數(shù)字化模切壓力測控系統(tǒng)做出評價和結(jié)論。 2.工作計劃及進度： ⑴2013.1?2013.3,技術(shù)資料和產(chǎn)品信息調(diào)研，制訂氣液增壓式模切壓力數(shù)字化測控系統(tǒng)的總體規(guī)劃和研發(fā)方案。 (2) 2013.4-2013.8,數(shù)字化壓力測控系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計和元器件選型。 (3) 2013.9?2013.12,壓力測控系統(tǒng)軟件部分和測試界面的開發(fā)和關(guān)鍵技術(shù)研究。 (4)

36、2014.1?2014.5,壓力測控系統(tǒng)的實驗驗證。檢驗壓力測控系統(tǒng)能否達到預(yù)期的目標，確定壓力測控系統(tǒng)的最佳工作參數(shù)，根據(jù)實驗效果對模切壓力控制算法進行修正。 (5) 2014.6?2014.8,實驗數(shù)據(jù)分析并總結(jié)該樣機模切版對常用模切材料的壓力修正系數(shù)。 (6) 2014.9?2014.10,分析實驗效果并對數(shù)字化模切壓力測控系統(tǒng)做出評價和結(jié)論。 (7) 2014.11?2014.12,發(fā)表研究成果相關(guān)的學術(shù)論文，申請專利，完成項目結(jié)題報告，驗收結(jié)題。 六.成果形式 研究的具體成果形式 1、項目研究報告； 2、申請與本項目研究內(nèi)容相關(guān)的專利2件及以上(項目結(jié)題前公開、4年內(nèi)授

37、權(quán))，其中發(fā)明1件以上，并發(fā)表核心期刊或檢索會議論文3篇以上； 3、樣機及技術(shù)指標：裝備數(shù)字化壓力測控系統(tǒng)的氣液增壓式模切機試驗樣機一臺。測控系統(tǒng)可以滿足如下要求： (1)實現(xiàn)計算機測控和數(shù)據(jù)處理； (2)人機界面完善友好，實現(xiàn)操作界面圖形化； (3)動態(tài)顯示模切壓力一氣液系統(tǒng)壓力關(guān)系曲線、模切機構(gòu)動態(tài)特性曲線； (4)實現(xiàn)必要的數(shù)據(jù)處理，測試結(jié)果的顯示與存儲，及其打印輸出。 (5)模切壓力測量范圍是：10?600kN,最小讀數(shù)10kN。 (6)其測量精度包括兩個指標： ①示值相對誤差：士2%; ②示值相對變動度：&2kN; 4、其它：基于虛擬儀器Labview平臺開發(fā)的測

38、控軟件1套。 5、人才培養(yǎng)：培養(yǎng)研究生3人。 6、成果轉(zhuǎn)化方式 為模切設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)提供模切機構(gòu)的壓力測試和技術(shù)改造方案，通過試驗結(jié)果 的分析給出常用模切材料的壓力修正系數(shù)表。為企業(yè)研發(fā)氣液增壓式新型模切機提 供技術(shù)支持和專利技術(shù)。 7、預(yù)期效益 項目研究成果可以大幅度提高模切壓力調(diào)節(jié)精度、效率和安全性，有效降低生 產(chǎn)成本，節(jié)約實驗材料，延長產(chǎn)品使用壽命、增加產(chǎn)品科技含量，推動氣液增壓式模切設(shè)備的數(shù)字化、產(chǎn)業(yè)化進程。 本測控系統(tǒng)應(yīng)用基于軟件體系結(jié)構(gòu)的虛擬儀器代替基于硬件體系結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)儀器，可以大大節(jié)約儀器購買和維護費用。該試驗裝置經(jīng)改裝可以應(yīng)用到其他“機一電一氣一液”一體化設(shè)備中，為傳統(tǒng)類型模切機壓力測試和技術(shù)改造提供技術(shù)支撐。