基于Arduino的气动压书机设计

基于Arduino Uno微控制器的250页装订书本气动压机设计

摘要

书籍是通过装订技术将记录的纸张集合装订而成的。在书本捆压制阶段，会采用多种装订技术。本研究设计并构建了一台书本捆压力机。设计过程从印刷需求出发，经过质量屋分析、规格与功能的确定、形态学分析、概念设计，最终得出最佳方案选择。所采用的书本捆压制系统符合印刷需求，采用半自动系统。本研究中，采用基于Arduino UNO控制的气动压力系统，具备250页容量。本研究讨论了气动元件及其框架的选型与计算、控制元件的选型，并对元件选型与控制结果进行了仿真。设计结果所得元件成本为2,565,500印尼卢比。

引言

印刷行业是从事书籍、小报、横幅、便笺、信函等印刷的行业。根据工业部的数据，今年印刷行业的增长率为5.3%。印度尼西亚已成为亚洲印刷行业发展良好的国家之一。
目前有1,317家出版商注册为印度尼西亚出版商协会的成员。其中，94%被列为活跃出版商。活跃出版商集中在印度尼西亚33个省份中的24个省份。约有1,182家出版商位于爪哇岛。这意味着约90%的出版商集中在爪哇岛，尤其是雅加达首都特区、西爪哇省、中爪哇省和东爪哇省。1，印度尼西亚的印刷行业持续增长，直至2012年底。图形印刷行业在2011年增长了40%，达到3.92亿美元，而2010年的进口额仅为2.8亿美元。因此，行业竞争不仅吸引消费者青睐低价产品。

2. 研究方法

2.1 研究流程图

2.2 需求清单

来自塞朗市一家印刷公司获得了对机器规格的需求。通过访谈确定规格需求，得出以下需求列表：
1. 产品的生产价格低于市场上机器的价格。
2. 半自动工具系统
3. 操作人员的工作量尽可能小
4. 不损坏纸张

3. 结果

3.1 最佳方案的确定

最佳方案确定阶段是从功能变体、形状变体到物理变体的变体转化过程，该过程综合考虑了多种变体的优缺点，适用于本文所述的书本捆压力机。
在设计该纸张捆压机的液压系统时，将使用下表中的以下变体：

No	变体	A	B
1	驱动	燃油	电动机
2	压力机机构	液压的	气动的
3	动力传递	皮带轮 & belt	联轴器
4	控制	PLC	Arduino

在该压力机设计的多个变体中，为了获得最佳方案，需比较每个变体的功能。
根据最佳变体选择的结果，有2种最佳规格，在选择时考虑了工作系统工具。最终选定的变体包含气动系统、电动机、离合器和Arduino。而液压系统除了组件价格昂贵外，所使用的液体或油可能损坏产品。

3.2 数据操作压书包

3.2.1 书籍打开侧高度和书背

第一条操作数据是了解每捆的高度，以确定框架高度和气缸行程长度，并满足所需的捆容量。

NO	数页量面	厚度 side open	厚度 side back	重量
1	50	5 mm	15毫米	25千克
2	100	10毫米	30毫米	50千克
3	150	15毫米	45毫米	75公斤
4	200	20毫米	60毫米	100公斤
5	250	25毫米	75毫米	125公斤

3.2.2 压力作用力

在实验中，通过使用50张纸的样本，在上方施加压力来确定所需的压缩力。下方放置有秤，用于指示转换为力的大小的重量值。以下是纸张压力作用力采集数据的示意图。

在使用50张纸进行3次压制实验中，采集数据并计算出压力的平均重量，对于50页纸所需的压力重量为25公斤压力。在每捆所需的数量中，进行如下直接比较计算：
x = 125 kg
计算继续针对100、150和200页的纸张数量，得到以下结果：
压力 50 页面 = 25 kg × 9.86 m/s² = 246.5 牛顿
压力 100 页面 = 50 kg × 9.86 m/s² = 493 牛顿
压力 150 页面 = 75 kg × 9.86 m/s² = 739.5 牛顿
压力 200 页面 = 100 kg × 9.86 m/s² = 986 牛顿
压力 250 页面 = 125 kg × 9.86 m/s² = 1232.5 牛顿

3.2.3 每本书捆所需的压力

最小尺寸纸张A5上的设计压力面积。希望纸张上的压力面积为长度A5 = 210 mm，从背面到背面的宽度为 = 75 mm。

根据公式 P = F / A，其中 A = 0.075 m × 0.21 m = 0.01575 m²。每种纸张数量所需的压力如下：
1. 50页压力 = 246.5 N / 0.01575 m² = 15.650 N/m²
2. 100页压力 = 493 N / 0.01575 m² = 31.301 N/m²
3. 150页压力 = 739.5 N / 0.01575 m² = 46.952 N/m²
4. 200页压力 = 986 N / 0.01575 m² = 62.605 N/m²
5. 250页压力 = 1232.5 N / 0.01575 m² = 78.253 N/m²

3.3 气动元件选型

3.3.1 气动气缸

250页所需的压缩力为1232.5牛顿，设计最大压力为8巴，采用双作用气缸类型。然后可通过以下计算确定气动气缸的选型：
A = 1.69×10⁻³ m²
D = 0.0463 m = 46 mm

在选定气缸后，需计算该气缸是否可用以及气缸的空气容量。气动系统产生的力和容量计算如下：
1. 气缸面积逐步减小
A = 1.96×10⁻³ m²
2. 气缸工作力逐步减小
Fth = 1570 N
3. 当气缸下行时，力能够有效作用
Feff = 1413 N
4. 伸展气缸升程
A′ = 1.64×10⁻³ m²
5. 气缸工作力递增步骤
Fth = 1318.8 N
6. 该力能够有效作用，使气缸下行
Feff = 1187 N
7. 气缸位置体积下降
Vex = 147 cm³
8. 气缸位置体积上升
Vre = 1230 cm³
9. 总体积
Vex = 199.9 cm³

所选气缸产生的力为1570 N，需求力为1232.5 N，因此所选气缸可以使用。在工作压力系统中，每捆书的页面数量各不相同。在这种情况下，每捆书的工作压力也不同。因此，需要计算每捆书的工作压力，计算如下：30页的压力（150 N）
P = 76.433.1 Pa

通过相同的计算，每个捆的信息如下表所示：

No	数量 Page	范围传感器(厘米)	压缩重量(千克)	压力(N)	压强(帕斯卡)
1	30	13	15	150	76.433.1
2	60	12	30	300	152.866.2
3	90	11	45	450	229.299.3
4	120	10	60	600	305.732.4
5	150	9	75	750	382.165.6
6	180	8	90	900	458.598.7
7	210	7	105	1050	535.031.8
8	240	6	120	1200	611.464.9
9	270	5	135	1350	687.898.0
## 3.3 气动元件选型（续）

3.3.2 气动软管

通过压力软管将液体从压缩机输送到气缸。本设计中使用的最小直径可按如下方式计算：
d = 2.5×10⁻³ m = 2.5 mm

根据计算结果，得到最小内径为1.35毫米。从软管选型结果中得到软管的规格如下：
- 内径：5毫米
- 外径：8毫米
- 最大压力：10巴

压降修正值的计算
ΔP = 158.8 N/m² < 5000 N/m²
然后可以使用软管的直径。

3.3.3 压缩机选型

在选择压缩机时，必须权衡设计所需的流量、压力和动力。压缩机所需动力的计算如下：
- 压缩机排气
Qs = 3.14×10⁻⁵ m³/s = 1.88 L/min
- 压缩机动力
Ns = 1.5 kW
- 驱动电机功率
Nm = 1.435 kW

3.4 帧架材料选择

该材料选择旨在为压力机框架选用合适的材料类型和型铁。
功能：压机框架
约束：屈服强度 min = 78.253 N/m²，弹性模量：100–300 GPa
目标：最低成本
自由变量：材料选择

根据规格筛选结果并结合最低价格，选用低碳钢材料。框架所用型钢为UNP 50槽钢（50 mm × 38 mm × 5 mm）。采用SolidWorks 2016 SP1进行仿真分析，得到最大工作应力为3.125×10⁷ N/m²，铸态碳钢材料的屈服强度为2.482×10⁸ N/m²。计算所得安全系数（SF）为许用应力与工作应力之比，结果为7.9。最大位移为0.12 mm。以下是静态框架仿真结果图。

3.5 焊接连接强度的计算

在使用UNP 8型钢通过焊接连接方式制作该压力机框架的过程中，仅对受力较大的杆件进行计算。至于所计算的杆件，从下图中分别为杆件1、2和3：
焊接采用SMAW（手工电弧焊）方式，使用AWS E6013标准的焊条。焊条的规格依据美国焊接学会标准，即；
Ft₁ = 330.947.2 N
Ft₂ = 330.947.2 N
Fmaks_las = 661.894.3 N
Fpress < Fweld_maks
1232.5 N < 661.894.3 N （Safe）

3.6 气缸螺纹与框架连接的计算

气缸规格采用10个带M6螺纹的螺栓头。螺栓孔为4个，由抗拉应力为1600 kg/cm²的黑铁制成。则圆柱螺钉能够承受的最大抗拉载荷为：
P = 11.445 N
Tensile load operation < Maximum screw tensile load
1232.5 N < 11.445 N （Safe）

3.7 机电一体化仿真

在此电-气动系统中，有两个作为控制输入的条件，以便工作压力能够根据书本捆中的页面数量进行调整。输入1用于确定待压书籍的页数，输入2为作用于气动系统的工作压力。当按下开关按钮时，电路将向处于气缸伸出位置而被激活的电感式接近开关输送电流，然后电流流向继电器Y1，从而激活Y1常开接触器。当压力达到设定值时，压力传感器将被激活，进而触发Y3继电器，使S3常开接触器动作。

当气缸达到最大行程时，接触器Y2将被激活，压力传感器将检测压力是否已达到。如果已达到，Y3继电器将被激活并等待3秒倒计时，以便Y2电磁阀导通。然后方向阀将向左移动，气缸将伸出。

3.8 基于Proteus的气动控制Arduino仿真

超声波传感器的位置位于待压的一捆书上方。为了确定书本厚度，可以通过计算书本厚度 = 14 cm 减去可读距离传感器的值来获得。在获取书本厚度后，将其作为需要施加压力大小的参考依据。对于每种0到250页之间的书本厚度，其对应的传感器读取距离在控制程序中遵循表4.2。
该控制器使用Arduino和C语言。所采用的逻辑函数为IF-ELSE。使用的逻辑语句是：“如果传感器读取的距离小于14 cm，则电流将流向继电器Y1；否则继电器Y1无电流流动。” 在仿真演示中，使用灯光作为指示器来显示是否有电流流动。

如果条件不符合程序，将激活继电器Y2（气缸伸出）。所使用的逻辑语句是：“如果传感器距离大于14厘米，则继电器Y2激活”以及“如果距离小于14厘米（例如13厘米）且压力大于76,443.1帕，则继电器Y2激活”。

4. 结论

基于Arduino UNO微控制器的250页书籍气动压机容量的设计选型与计算结果，得出以下结论：
1. 该设计采用250页气动系统，并配备Arduino控制系统。所使用的液压元件包括：
a. 8.75 MPa双作用气动缸，配40 mm气缸；
b. 动力为1.5 kW、最小排量为1.88 L/min的压缩机；
c. 框架采用UNP 8，尺寸如附图所示；
d. 电磁阀5/2双电磁220 V交流电方向阀。
2. 框架采用UNP 8，尺寸如附图所示。
3. 生产气动书本捆压力机的组件成本为印尼卢比 2,565,500。