王 冰,楊繼全

(1.南京師范大學(xué)分析測試中心，江蘇 南京 210046)

(2.江蘇省三維打印裝備與制造重點實驗室，江蘇 南京 210042)

?

紙張無約束動態(tài)變形的試驗研究

王 冰1,楊繼全2

(1.南京師范大學(xué)分析測試中心，江蘇 南京 210046)

(2.江蘇省三維打印裝備與制造重點實驗室，江蘇 南京 210042)

研究僅在重力作用下紙張在紙道出口處的動態(tài)變形。建立了紙張進給試驗臺，利用高速攝影機測量紙張進給速度以及紙張在不同進給速度下通過水平通道在出口處的動態(tài)變形。當(dāng)進給速度由105.92mm/s增加到215.28mm/s時，紙張下降高度由36.0mm減小到20.0mm。通過調(diào)整紙張進給速度改變紙張端部的運動位置，為紙張進給過程中準確到達預(yù)定位置提供設(shè)計依據(jù)。

復(fù)印機；紙張速度；動態(tài)變形

復(fù)印機的紙張進給系統(tǒng)主要包括紙盒、送紙單元、傳送單元、對位單元、翻轉(zhuǎn)單元。在整個紙張進給過程中紙張準確地在各個單元中傳送，并且在傳送過程中避免發(fā)生卷曲，平穩(wěn)地從一個紙道過渡到下一個紙道是非常關(guān)鍵的，這個過渡過程是無約束的，可以看作是一個懸臂梁結(jié)構(gòu)，由于紙張的輕質(zhì)柔性特性，在這個過渡過程中會發(fā)生大變形，從而影響紙張的進給和傳送。西安交通大學(xué)的陳雪峰、楊勝軍等[1-4]分別運用板殼元對紙張的力學(xué)特性進行有限元分析，利用小波有限元理論分析了辦公紙張定影過程的運動邊界條件，建立了紙張定影過程的二維穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)非線性溫度場數(shù)值模型。從本質(zhì)上說，無論是板殼元還是小波有限元都忽略了紙張厚度的差異，不能有效分析研究實際的紙張運動現(xiàn)象，如卡紙、雙張、紙張的起皺與卷曲等。王冰等[5]在RecurDyn仿真軟件中將紙張模型假設(shè)為一系列小的剛體薄片，它們之間通過旋轉(zhuǎn)副和扭轉(zhuǎn)彈簧連接，得到不同進給速度下紙張通過水平通道后的動態(tài)變形。以上分析均是通過建立模型進行仿真，只通過一些高級軟件進行驗證，缺少試驗分析。本文將建立紙張進給試驗臺，測量紙張在膠輥不同轉(zhuǎn)速下的進給速度，得到紙張在不同進給速度下通過水平通道在出口處的動態(tài)變形，為紙張準確到達預(yù)定位置提供設(shè)計依據(jù)。

1 紙張進給系統(tǒng)試驗設(shè)計

紙張進給試驗系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計如圖1所示，共包括5個模塊，分別為數(shù)據(jù)處理模塊、信號控制模塊、紙張進給模塊、圖像采集模塊和環(huán)境燈光模塊。數(shù)據(jù)處理模塊和信號控制模塊以及紙張進給模塊共同作用實現(xiàn)紙張的進給，圖像采集模塊和環(huán)境燈光模塊實現(xiàn)紙張進給的動態(tài)測量。

圖1 試驗系統(tǒng)規(guī)劃

數(shù)據(jù)處理模塊：通過計算機上的數(shù)據(jù)采集卡對信號控制模塊進行控制管理，同時對圖像采集模塊中高速攝影機采集的數(shù)據(jù)進行分析處理。

信號控制模塊：通過計算機發(fā)送的控制信號對進紙驅(qū)動電機進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)以及啟動/制動控制，同時也實現(xiàn)對紙張進給模塊紙張檢測、抬紙等信號的控制。

紙張進給模塊：主要通過驅(qū)動電機以及機械傳動機構(gòu)實現(xiàn)紙張的進給。

圖像采集模塊：通過高速攝影機實現(xiàn)對紙張進給動態(tài)過程進行拍攝，并將得到的動態(tài)圖像定格數(shù)據(jù)傳輸給計算機進行后續(xù)分析處理。

環(huán)境燈光模塊：為高速攝影機的正常拍攝提供所需光源。

2 紙張進給試驗設(shè)備

圖2所示為測量紙張進給速度的實際設(shè)備圖，由以下幾部分組成：計算機、虛擬儀器實驗套件(educational laboratory virtual instrumentation suite，ELVIS)、試驗臺、高速攝影機、鹵素?zé)?。計算機與虛擬儀器套件實現(xiàn)對試驗臺中驅(qū)動電機的協(xié)調(diào)控制，如轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、啟動/制動等。試驗臺中的驅(qū)動電機實現(xiàn)控制信號到機械運動的轉(zhuǎn)換，紙張通過齒輪和膠輥帶動實現(xiàn)進給運動。高速攝影機拍攝紙張運動過程的照片，實現(xiàn)紙張運動的定格，從而得到紙張的運動狀態(tài)。鹵素?zé)魹楦咚贁z影機的正常拍攝提供拍攝環(huán)境光源。

高速攝像機采用的是美國FAST IMAGING公司生產(chǎn)的TROUBLE SHOOTER高速數(shù)字攝像機，該攝像機的拍攝速度可調(diào)范圍為50～1 000幀/s，曝光時間可調(diào)，最短為1ms。圖像的大小(單位:像素)可以設(shè)置為640×480或者480×320。采集的影像文件可以根據(jù)需要以壓縮的MENG格式或非壓縮的AVI格式輸出。

1—計算機；2—虛擬儀器套件；3—測試試驗臺；4—高速攝影機；5—鹵素?zé)?/p>

高速攝像系統(tǒng)中，由于圖像拍攝速度極快，每秒要曝光數(shù)千甚至數(shù)萬張的照片，因此被攝物體的亮度是很重要的[6]。 在試驗中，使用兩只1 000W鹵素?zé)暨M行照明，它的好處是光源穩(wěn)定性好，在短短4～5s的拍攝過程中能保持亮度、光強的不變，可以減少圖像識別的判別誤差。

圖像拍攝過程中，采取以下兩方面措施以提高圖像質(zhì)量。第一，在拍攝紙張變形區(qū)域后方放置一張背景白紙。它的作用有兩個，一是由于紙張變形區(qū)域后方有很大的背景干擾，設(shè)置一塊白色背景可以柔和均勻背景，降低背景區(qū)域的干擾；二是設(shè)置白色背景可以增強圖像背景與前景的對比度，突出顯示紙張的變形情況。第二，拍攝過程中在背景白紙上進行刻度標示，用于判斷紙張的變形情況。

測試紙張使用普通80gA4復(fù)印紙，采用將紙張上印出黑白相間且黑白寬度分別為13.5mm和3.0mm條紋的方法來實現(xiàn)對紙張速度的測量；由于白色復(fù)印紙張具有較強的反光性，使得拍攝到的輪廓不清楚，因此選用黑色紙張觀察紙張的動態(tài)變形，以大大減小紙張的反光影響。

3 紙張進給系統(tǒng)試驗

3.1 進給速度測量

利用高速攝影機拍攝黑白條紋紙張的進給過程，分析計算紙張在不同驅(qū)動頻率下的速度。驅(qū)動頻率分別為750Hz、1 000Hz、1 250Hz、1 500Hz，拍攝紙張進給過程，利用MATLAB軟件對試驗結(jié)果進行圖像分析。

3.2 進給動態(tài)變形測量

應(yīng)用高速攝影機拍攝紙張在不同速度下的進給過程，觀測紙張在不同進給速度下的動態(tài)變形，調(diào)整高速攝影機位置以及焦距和光圈，調(diào)整鹵素?zé)粽彰髀窂剑瑫r在拍攝區(qū)域預(yù)放一張紙張，使得拍攝紙張所得到的圖像效果達到最佳，固定高速攝影機位置并保存設(shè)置參數(shù)。

4 紙張進給系統(tǒng)試驗結(jié)果

4.1 紙張進給速度

利用高速攝影機得到紙張進給過程視頻后，采用MIDAS player軟件對其進行幀圖像提取，圖3為在信號發(fā)生器為500Hz信號源下高速攝影機拍攝紙張進給過程中的一幀圖像，由圖可以看出，紙張上黑白相間的條紋，在MATLAB中對其進行圖像處理，只保留灰度信息，進而對圖片縱坐標上的像素點的灰度值進行累加，得到圖片縱坐標灰度值累加波形圖如圖4所示，即可得到白色條紋的準確位置，通過計算得出黑白條紋的寬度值，作為計算紙張速度的相對標尺。

圖3 紙張進給黑白條紋圖像

圖4 黑白條紋縱坐標灰度值累加波形圖

每幀圖像的拍攝時間間隔ΔT為一定值，試驗中ΔT=0.04s，試驗紙張的黑白間隔距離為ΔS1=16.5mm，計算圖像中黑白間隔像素距離為ΔS2，相鄰兩幀圖像白色條紋的運動像素距離為ΔS，得到紙張的運動速度為

計算得到不同信號源頻率下紙張和輥輪的速度見表1。

表1 紙張與輥輪線速度

4.2 紙張進給動態(tài)變形

試驗得到在信號發(fā)生器產(chǎn)生500Hz、1 000Hz、1 500Hz信號源的情況下，紙張的進給速度分別為105.92mm/s、205.97mm/s、315.28mm/s，紙張從水平通道出來后各時刻的變形情況如圖5、圖6和圖7所示。不同速度下紙張通過水平通道末時刻的變形如圖8所示。當(dāng)紙張進給速度由105.92mm/s增加到315.28mm/s時，紙張的彎曲變形量隨著進給速度的增加而減小，紙張下降高度由36.0mm減小到20.0mm。

圖5 500Hz信號源下紙張從水平紙道出來后時刻的變形

圖6 1 000Hz信號源下紙張從水平紙道出來后時刻的變形

圖7 1 500Hz信號源下紙張從水平紙道出來后時刻的變形

圖8 不同速度下紙張通過水平通道末時刻的變形

5 結(jié)束語

本文通過試驗得到不同速度下紙張通過水平通道后的動態(tài)變形，得到結(jié)論：隨著進給速度的增加紙張的彎曲變形量減小，紙張端部下降高度減小。因此可以通過提高紙張在紙道過渡階段的進給速度，避免紙張在紙道過渡階段發(fā)生卷曲，從而防止卡紙現(xiàn)象的發(fā)生。同時通過調(diào)整紙張進給速度改變紙張端部的運動位置，為紙張準確到達預(yù)定位置提供設(shè)計依據(jù)。

[1] 陳雪峰,李兵,何正嘉,等. 辦公紙張不同有限元計算模型的研究[J].小型微型計算機系統(tǒng),2004,25(1):152-154.

[2] 陳雪峰, 楊勝軍. CAE技術(shù)在辦公設(shè)備送紙機構(gòu)中的應(yīng)用 [J].機械科學(xué)與技術(shù), 2002, 21(6):1020-1022.

[3] 陳雪峰,李兵,何正嘉,等. 辦公紙張不同有限元計算模型的研究[J].小型微型計算機系統(tǒng),2004,25(1):152-154.

[4] 楊勝軍. 區(qū)間B-樣條小波有限元理論及工程應(yīng)用研究[D].西安：西安交通大學(xué), 2002.

[5] 王冰,楊繼全.紙張無約束動態(tài)變形在RecurDyn中的仿真研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2015(6)：27-31.

[6] 張三喜,姚敏.高速攝像及其應(yīng)用技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005.

Experimental research on unconstrained dynamic transformation of paper

WANG Bing1,YANG Jiquan2

(1.Analysis and Test Center of Nanjing Normal University, Jiangsu Nanjing,210046, China)

(2.Jiangsu Key Laboratory of 3D Printing Equipment and Manufacturing, Jiangsu Nanjing, 210042, China)

It studies the unconstrained motion feature of feeding paper under gravity during the transition phase of entrance and exit. It builds the paper motion model through exit, utilizes high-speed camcorder to measure the paper feeding speed and the dynamic deformation through entrance and exit under different velocity, analyzes the impact of velocity on paper deformation. When velocity increases from 105mm/s to 215mm/s, the dynamic deformation decreases with feeding speed, at the meanwhile, the height decreases from 36mm to 20mm. Adjusting the terminal motion location through paper feeding speed can provide design evidence for accurate pre-location in paper feeding process.

copier; feeding speed; dynamic deformation.

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.09.004

2015-06-09

國家自然科學(xué)基金資助項目(61273243)；江蘇省三維打印裝備與制造重點實驗室項目(BM2013006)；江蘇省高校自然科學(xué)基金資助項目(15KJD460004)

王冰(1982—),女,遼寧本溪人,南京師范大學(xué)實驗師,博士,主要研究方向為機電一體化。

TH128；TH132.2

A

2095-509X(2015)09-0011-04