新型滚烫机结构和控制系统设计.docx
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新型滚烫机结构和控制系统设计
开题报告
学生姓名
专业
班级
指导教师姓名
职称
工作单位
课题来源
教师自拟课题
课题性质
应用设计
课题名称
新型滚烫机结构和控制系统设计
本设计的科学依据
（科学意义和应用前景，国内外研究概况，目前技术现状、水平和发展趋势等）
1、烫金机的科学意义和应用前景
烫金工艺是一种不用油墨的特种印刷工艺，所谓烫金是指在一定的温度和压力下将电化铝箔烫印到承印物表面的工艺过程，烫金机就是完成烫金工艺的设备。
电化铝烫印的图文呈现出强烈的金属光泽，色彩鲜艳夺目、永不褪色。
目前，国内外市场上能见到的、用于纸品加工的烫金机，从工作原理上分类，可分为平压平、圆压平、圆压圆三类。
各平压平烫金机中，具代表性的品牌有：
瑞士博斯特、瑞士吉士、国内的亚华、玉田等。
烫印两用机是目前最受欢迎的平压平烫金机型，使用最普遍的手动烫金机也属于平压平烫金机这一类。
圆压平烫金机中，具代表性的品牌有：
德国斯托拿foiljet，以及用于与轮转印刷机配套的其他品牌。
近些年高档产品的包装大量采用转移烫金工艺，其关键机械就是圆压圆滚烫机。
传统平压平的的烫金机难以满足生产的需要，因此，圆压圆烫金机为目前市场需求。
圆压圆烫印的最大优势是高速。
如斯托拿的foijlet型烫金机速度可以达到12000张/小时。
2、烫金机的国内外研究概况
1、烫金机的国外研究状况
烫金加工的真正兴盛起于20世纪50年代。
1955年，美国罗切斯特工学院（RIT）的教授、印后加工权威Werner Rebsamen先生还是装订学徒工时，就曾撰文呼吁使用气热式的手动操作烫金机。
首台高科技的圆压圆烫金机自1995年在Drupa印刷博览会上推出以来，其明显的技术优势正在逐步为业内人士所认知，其明显的技术优势表现在如下几个方面：
1．生产效率明显提升2．大面积烫印和小文字烫印质量皆优 3．振动小，噪声低等等。
继德国斯托拿公司在1995年德国德鲁巴印刷博览会上第一次展出了它的专利产品FBR104圆压圆高速烫金机之后,至今已有美国的TotalRegister,法国的KomoriChambon等厂家相继推出了圆压圆烫金机系列,但单张纸圆压圆烫金机却仍只有斯托拿一家。
2、烫金机的国内研究状况
2014年9月18日星期四,长荣股份一项新的技术创新成果——中国首台双工位真空送箔圆压圆烫金机MK2820SW将发往大理美登印务投入生产使用。
国产烫金机要整体赶上世界先进水平还有相当长一段路要走，在速度、功能、精度上尤其在机器稳定性、可靠性及售后服务上还有一定差距。
要进一步提高和改善机器性能，需要加强对关键件和系统可靠性的理论研究，并使之用于实践，运用各种现代设计方法将关键件的设计水平提高到新水平，从而进一步提高机器的性能和稳定性。
三、烫金机的发展水平
目前，圆压圆烫金机大幅度提升了企业生产效率，很好地满足了市场生产需求。
但圆压圆烫金的缺点也非常明显，首先是烫金版，不仅价格昂贵，而且要求很高，必须考虑材料的热胀系数，考虑版材的磨损等多种因素。
其次，对烫印箔也有特殊要求，即：
必须能够快速转移，目前国产铝箔还很难达到这一要求，必须使用昂贵的进口特殊材料，否则，其生产速度高只是空话。
设计内容和预期成果
（具体设计内容和重点解决的技术问题、预期成果和提供的形式）
1、设计内容
1、设计电力加热器的机械结构；
2、设计系统的测控电路原理图；
3、设计单片机的控制程序并用proteus软件进行仿真；
4、设计系统的印刷电路板。
2、预期成果
1、机械结构部分
1）设计目标：
根据产品设计要求，完整地设计出装配图一套、零件图2张，设计出的产品能应用于实际生产中。
2）设计要求：
系统地说明设计过程中问题的解决（确定传动和结构方案及零件材料的选择）及全部计算。
计算内容应包括有关计算简图，如主要参数的选择及设计与校核、传动方案简图、相关零件的结构简图、零件的受力分析图、弯矩和扭矩图等。
3）计算过程完整有序，计算结果正确清晰，文字说明简明通顺。
计算过程只需列出已知条件、计算公式，将有关数据代入公式，省略计算过程，直接写出计算结果。
将计算结果整理后，写入右边栏内，并注明此结果是否“合用”或“安全”等结论。
4）任务完成验收时提供材料：
设计说明书一份，总装配图1张、零件图2张。
2、电路部分
电路设计部分，以单片机为例，要求提供以下设计资料，并装订成册：
1）电路原理图
2）电路板图
3）完整的程序资料，包括程序流程图、程序代码及注解
4）所用器件、元件的明细表
5）操作原理简要说明
拟采取设计方法和技术支持
（设计方案、技术要求、实验方法和步骤、可能遇到的问题和解决办法等）
1、设计方法
查阅资料，设计烫金机的电力加热器机械结构并运用caxa、solidworks画出产品的零件图和装配图。
用caxa画出电路原理图、电路板图，并采用visualc6.0++编写程序。
二、技术要求
1.设计电力加热器的机械结构；
主要部件零件图和装配图；
加热温度80～140℃，加热辊的长度320mm，加热辊工作压力不大于3.5KN。
转速为10～300r/min。
2.设计系统的测控电路原理图；
测温元件采用数字接口的传感器DS18B20，单片机自选。
3.设计单片机的控制程序并用proteus软件进行仿真；
三、可能遇到的问题
若编写单片机程序不正确，可以请教老师；
若装配图有问题，可以查阅资料或请教同学；
实现本项目预期目标和已具备的条件
（包括过去学习、研究工作基础，现有主要仪器设备、设计环境及协作条件等）
工作环境及技术条件：
计算机、proteus软件、AltiumDesignerSummer09软件，单片机实验设备。
各环节拟定阶段性工作进度
（以周为单位）
1-4周完成开题报告
5-6周查阅资料，确定设计方案
7-8周计算所需参数
9-10周画出各个零件图和装配图
11-12周画出单片机硬件电路并编写程序
13-14周细节工作，准备答辩
摘要
近些年随着高档产品的包装大量采用转移烫金工艺，传统平压平烫金机难以满足生产的需要，因此，机加工企业开展圆压圆烫金机研制，其核心设备是加热系统。
电加热器是一种在生活中常见的电力加热设备。
电加热器内部存在一个温度传感器，根据其传达信来使电加热器温度自行变化，使温度均匀扩散加热表面。
如何在单片机的基础上设计烫金机的加热系统,设计中主要运用到了单片机相关知识和传感器（压力、温度、霍尔传感器等）方面的知识，而在测温过程中，使用单片机作为核心来操作，并通过数字接口的测温元件DS18B20来收索环境中的温度，且将实时温度在四位数码管上显示出来，主要设计了温度的测量系统、报警系统及转速方面，主要用到了霍尔传感器和单片机的结合及设计了软、硬件两个方面。
关键词：
烫金机电加热器单片机温度传感器霍尔传感器
Abstract
Inrecentyearsasthehigh-endproductpackagingofthetransferofhotstampingprocess,thetraditionalflathotstampingmachineisdifficulttomeettheneedsofproduction,therefore,machiningenterprisestocarryoutthecircularpressureroundhotstampingmachine,thecoreequipmentisheatingsystem.Anelectricheaterisacommonelectricheatingdeviceinlife.Insidetheelectricheaters,thereisatemperaturesensorwhich,accordingtoitsmessage,changesthetemperatureoftheelectricheater,allowingthetemperaturetospreadevenly.
Howtobronzingmachinebasedonsinglechipdesignofheatingsystem,mainlyusedinthedesignofthesingle-chipcomputerrelatedknowledgeandsensors（pressure,temperature,hallsensors,etc.）,andintheprocessoftemperaturemeasurement,usingsingle-chipmicrocomputerasthecore,andthroughthedigitalinterfaceofDS18B20temperaturemeasuringelementtosearchtheenvironmenttemperature,andthereal-timetemperatureonthefourdigitaltubedisplay,mainlydesignedtemperaturemeasuringsystem,alarmsystemandspeed,mainlyusedinthehallsensorandMCUandthecombinationoftwoaspectsofhardwareandsoftwareisdesigned.
Keywords:
thetemperaturesensorofasinglechipmachinetemperaturesensor
第1章绪论
1.1概述
烫金机，主要用途为烫印，它工作为通过温压作用将烫金纸上图文等转移到承印物上。
现如今市面上的烫金机主要有平压平烫金机、圆压平烫金机、圆压圆烫金机这几种；因为传统平压平烫金机已经难以满足生产需求，因此，机加工企业开展圆压圆烫金机的研制[2]。
1.2烫金机技术的发展及现状
1.2.1我国烫金机技术的发展
烫金机技术是早年间从外国引进来的一种烫印工艺。
现在市场上有很多精美的烫金技术产品，如纸张、名片、照片等，而烫金的完成则需要烫金机。
随着烫金机技术存在多年以来，材料使用和烫金版制作水准的提高，还有新机器设备的使用，使得国内烫金工艺有了一个新的开端，而各种烫金工艺得到了广泛的应用。
1.2.2烫金机技术的应用
立体烫金：
此技术是一种复合技术，是利用腐雕技术将烫金及凹凸印压的图文制成一个上下配合的阴阳模凹凸版，让两者一次性完成。
这技艺同时实现两种技术，从而降低了产品废弃率，使产率和品质都有了拔升。
全息图烫金：
这是一种激光全息图，利用了光的干涉原理，制作方法采用了空间的频率编码。
因为全息图有色彩佳、层次明、图逼真、光换好、技术高等特点而广泛使用在防伪领域。
烫印须明温、速、力之联系，方悟其奥妙，而烫印之材料、面积对其亦有影响。
1.2.3国内外烫金技术发展对比
国外现今烫金机有着相当高的水准，国内也就一两种机器在某些方面能与世界领先水准相比。
而圆压平、圆型机及联机还难以望其项背，须加大开发力度。
国产烫金机要整体赶上国际先进水准还相当远，要进一步改进机器，在性能及售后服务上需缩小差距，且钻研关键零件及系统性能，将之用于实际，关键部位采用多种设计设计，使机体性能增强到新高度。
目前国内市场对烫金机的需求持续提高，且国产机较廉价，还有传统的观念改变和国家的重视，让国产烫金机全方位赶超国际先进水平还是有望的。
1.3烫金技术概述及影响因素
烫金是在温速力作用下将电化铝箔图文烫印到商品上，其流程：
准备→装版→垫版→定参数→试烫→签样→烫印
（1）温度对烫金的影响
烫印时，温度很重要，温度控制一定要在特定范围里，令分离涂层融化，使铝层完整转移。
若温度太高，则会使电化铝融化脱落，染色树脂变质，烫印效果降低。
（2）环境对烫金的影响
烫金机的机体需要安放在光照好、宜操控且通风不潮的地方。
（3）压力对烫金的影响
铝层转印需靠压力完成，压力决定了烫印附着牢度。
压力不够会使电化铝不能完美转印在承印物上；而压力太大则会将承印物压坏。
通常情况下，烫印压力的准则是色不掉、牢度优。
（4）转速对烫金的影响
转速，即加热辊的转速，反应了烫印过程中产品与铝箔接触的时间，而烫印牢固程度会随之改变。
过快则致使印迹模糊或不合格；过慢则使质量过差且会影响产量。
第2章烫金机电加热器机械结构设计
2.1烫金机的工作原理
原理是在烫金辊和承压辊合压作用下将镀层镀在产品上。
其工艺主要是热压转移，利用温度使铝层与铝膜脱离的同时转印在承印物上且使胶牯剂熔化。
卸压后胶牯剂凝固，让商品上的覆盖层附着牢固。
2.2电加热方式的选择
本设计中选择直接加热，具体是将电热管置于铜铝合金辊芯中，热量由辊芯传递到辊的外管，达到加热的目的[8]。
考虑到辊芯受热膨胀，在辊芯与外管之间应留有间隙，该间隙必须均匀，此外，辊表温度还受到电热管中电阻丝位置和及与辊芯接触情况的影响[8]。
2.3电加热器的组成
主要由外管、电加热管和辊芯几部分组成，辊芯内圆柱内装有加热管，两个垫肩装在辊芯两侧，在辊的外圆柱面上，装有沿轴的轴向，可根据需要调整的活动套筒位置，需要烫印的图案固定在套筒上。
这样有效解决了辊芯膨胀的问题。
2.4电加热功率的确定
2.4.1机器的产量
若机器承印物的最大幅宽为B（m），承印物线速度为V（m/min），承印物重量为b（g/mz），则机器的产量M=B·V}铸根据所设计的刷花机的技术参数B=0.32mV=3.14nR（n=10～300r/min）b约为250g/mz，现以最大转速n=300r/min可计算得M=20g/s。
2.4.2单位时间内承印物所需热量
承印物烫金温度为80～140℃,现以120℃计，室温按10℃计算，则加工过程中单位时间内承印物所需的热量pQ与温度增量△t的关系为
，
为变量，加热到120℃吸热为[8]
（2-1）
2.4.3电加热功率
将M=20g/s代入上式，则电加热功率W=72.45X20=1.4KW
考虑到热损失，取W=5KW。
2.5限制电热辊速度的因素
因烫金层由室温达到烫印定形温度的吸热过程需要一定时间，这就对电加热辊的速度造成了限制，电热辊转速过高，承印物线速度大，导致承印物来不及加热到所需温度便离开了电热辊表面，造成烫印无法达到所需要求[8]。
承印物升温时间取决于其材质的导热性能，根据导热系数的定义
（2-2）
式中—导热系数（W/m·C'
Q一传导的热量
（1）
D一材料厚度（m）
△t一温差（C）
H一传导热量的时间（S）
A一传热面积（m-）
Q=72.45b·B·L（L为烫金版包围在电加热辊上的长度）。
A=B·L，
则
（2-3）
由上式可知，Δt、λ由材料的性质决定，一般保持不变，因此承印物克重和承印物厚度是影响H的因素。
在承印物克重大、厚的情况下，烫金层吸热所需时间较长，生产中应适当降低转速，才能保证烫金效果。
2.6电机选择
根据所知条件及要求，选用Y系列一般用途的三相异步电动机，其不易燃、不易爆、具有较好起动性能的特性非常适合本设计，查询Y系列电动机技术参数表，选着电动机的额定功率P为5.5kW。
2.7轴的设计
2.7.1轴的分类
根据承受的载荷轴可分为三类：
心轴为工作时只受弯矩的轴，又分为转动心轴和固定心轴；工作时主要承受转矩，不承受或承受很小弯矩的轴为传动轴；转轴工作时既承受弯矩又承受转矩[1]。
根据任务书可知，本设计选用的是转轴。
按轴线变化分为曲、直轴两大类。
而直轴根据外形又分为光轴和阶梯轴[1]。
根据任务书可知，本设计选用的是阶梯轴，且为空心轴。
2.7.2选择轴的材料
轴材料常见有两种：
碳素钢、合金钢。
碳素钢较廉价，且对集中应力感应小，使用最为广泛。
碳素钢以45钢使用最多。
可经过热处理改善其机械性能。
[1]
根据设计要求，并考虑轴的工艺性及经济性，本设计中选择的材料是45钢。
经调质，其硬度选择为220HBS.
2.7.3轴的结构设计
按轴的工作情况画出结构设计草图。
由轴的最细部分直径推断其他各轴段的直径。
轴各段的长度由其装配空间确定。
辊芯受热会发生膨胀，因此其与外管之间要有间隙。
2.7.4扭转强度计算
初步估算轴径,用于进行结构设计。
扭转强度条件为：
（2-4）
——扭转切应力，MPa；
T——轴所传递的扭矩，N·mm；
——轴抗扭截面系数，
；
P——轴所传递的功率，kw；
n——轴的转速，r/min；
——许用扭转切应力，MPa；
由上式可得空心轴的直径为：
（2-5）
——取决于材料的系数,45钢
的取值范围为
126～103，故取值为120;
为空心轴内径，
为外径，
=0.5～0.6；
故
（2-6）
根据所选加热管尺寸确定内径
为36.4mm，则外径
为60.67～72.8mm大于32.35mm，故选择
为70mm。
2.7.5弯扭合成强度计算
2.7.5.1转矩
（2-7）
2.7.5.2支承反力
（1）水平反力
（2-8）
（2）垂直反力
（2-9）
2.7.5.3弯矩
（1）水平弯矩
（2-10）
（2-11）
则
（2-12）
（2）垂直弯矩
（2-13）
（2-14）
则
（2-15）
（3）总弯矩
（2-16）
（2-17）
则
（2-18）
2.7.6校核强度
根据轴的扭转切应力为脉动循环变应力，故
，
－折合系数。
按第三强度理论，弯扭合成强度条件[1]
（2-19）
式中：
——轴的计算应力，MPa；
M——轴所受的弯矩，
；
T——轴所受的扭矩，
；
W——抗弯截面系数，
根据其截面的形状[1]，
；
——轴的许用弯曲应力，MPa。
查轴的常用材料及其主要力学性能表可得
，故安全[1]。
因为加热辊最大工作压力不超过3.5KN,所以不需用进行刚度校核。
2.8本章小结
本章主要介绍了电加热辊结构组成以及其核心部件电加热管，简述了烫金的工作原理，并简单计算了轴的结构数据，还有分类和材料的选着，之后就是校核其强度。
在书写过程中，查阅各方面的资料，让我对烫金机及其加热结构有了一个全面的、充分的、深刻的认识。
第3章基于单片机的测温系统设计
3.1温度传感器
3.1.1温度传感器的发展
传感器技术在当今社会的应用越来越广泛了！
之中以温度传感器的应用最为深远。
温度传感器大致经历了三个发展阶段：
分立式模拟集成智能集成。
1821年德国物理学家赛贝发明了热电偶传感器（既分立式）；20世纪80年代模拟集成温度传感器问世；20世纪90年代中期智能温度传感器亦数字温度传感器诞生。
3.1.2温度传感器DS18B20
数字式接口DS18B20温度传感器是DALLAS集团制造的一款单总线增强型，体小精度高，便宜易接线，抗干扰能力强，封装成后可应用于多种场合。
其转换精度达到九到十二位，可在-55～+125℃测温，华氏是-67～257华氏度，-10°C～+85°C测温精度为±0.5°C。
一个温度测量体系中使用它，拥有线路简易、“一线总线”接口的特点，益常便利。
DS18B20内部构造主要有64位ROM、温度传感器、配置寄存器、温度报警器。
DS18B20和单片机的衔接于硬件上有两种方式，其一是用寄生电源，此时UDD和GND是接地的，I/O接单片机I/O；另一种是GND接地而VCC与电源相连接，I/O和C52的I/O线连接。
无论是哪一种，I/O都要接在五千欧姆左右的上拉电阻上。
具独特的单接方式，DS18B20仅须一根端口线就可与微处理器接通并往返通信。
图3-1DS18B20内部结构框图
3.1.3DS18B20的测温原理
DS18B20的温度测量理论基础图下
LSB
置位/清除
加1
停止
低温度系数晶振
高温度系数晶振
预置
斜率累加器
计数器1
=0
计数器2
=0
比较
预置
温度寄存器
图3-2DS18B20测温原理图
3.2温度传感器与单片机的关系
使用单片机操控温度传感器进行实时测温并显示数值，并能够根据需求预设温度进行报警。
系统框图如下图：
AT89S52
温度控制
报警电路
温度传感器
时钟/复位电路
显示电路
图3-3系统框图
使用温度传感器DS18B20，以单片机AT89S52为本系统的中心来进行数据的采集、处理、显示、报警。
AT89S52单片机将得到的温度信息发送到液晶显示屏上，分别显示了目前的温度和温度的上下限以及温度计进行的时间。
3.3电路设计
3.3.1单片机引脚、复位电路与晶振电路
复位、晶振电路和单片机衔接成最小系统电路，所选连接方式确定合适引脚的选则。
单片机引脚图如下
图3-3AT89S52单片机引脚图
单片机与晶振电路有两个引脚相连。
（1）XTAL1：
反向内部时钟工作电路的输入与震荡放大器的输入。
（2）XTAL2：
来自反向放大器的输出。
AT89S52有两种时钟形式，一为片上时钟振荡。
另为外部时钟模式。
晶振电路图如图3-4所示。
图3-4晶振电路
XTAL1、XTAL2分别外接石英晶体与震荡电容，共之便成构成片内的时钟震荡方式。
震荡周期与外接石英晶体周期相同。
在时钟起震后，会生成某频率特定的时钟信息，单片机处理器根据时钟信号完成自身工作。
两个电容的主要作用是校正波形，震荡器的作用是制造时钟震荡。
而整个电路产生自激震荡。
复位电路中温度传感器有两种复位形式：
上点复位、按键复位。
在此采用按健复位，即使用一个复位电容搭配按健的组合令复位简捷。
引脚RST用于复位输入。
在复位电路中电容作用复位后充电，而上拉电阻作用是限流护电路。
图3-5复位电路
3.3.2温度采集
温控电路包含温度传感器及单片机AT89C51，其设计的主要目的就是将两者结合运作。
图3-6DS18B20管脚图
硬件上的温感器与AT89S51有两种连接方法：
一为VCC外接，I/O与单片机I/O线相连，GND接地；另一为用寄生电源供电[10]。
此为一，如图3-7所示:
图3-7温度采集电路
3.3.3报警系统设计
直流电源供电，源蜂鸣器报警输出。
当所测温度不在预设温度时，数据口响应并拉高电平，报警器产生作用，而另外一端则直接连接AT89S52的P2.3／A11端口。
3-8所示为报警电路图。
图3-8报警电路示意图
3.4程序设计
3.4.1主程序设计
Y
Y
N
初始化中断和定时器
开始
显示初始化
升级会员 