毕业设计论文(含全套图纸)印刷机械专业

毕业设计论文（含全套图纸）印刷机械专业北京印刷学院毕业设计(论文)

第1章绪论

1.1 卷筒纸喷墨印刷机发展现状与趋势:

近年来，由于卷筒纸喷墨印刷机以图像质量好、交货周期短、能在多种承印材料上印刷等特点，在多个领域中得到了广泛和迅速的应用。随着印刷行业中对卷筒纸喷墨印刷机的兴趣不断增加，各大印刷机生产厂商分别推出了各自的喷墨印刷设备，由此，卷筒纸喷墨印刷机的市场得到了十分良好的发展。

在印刷领域，这种新兴的喷墨印刷机主要运用于数码打样，相比于传统的印刷机械，彩色喷墨印刷机有着出色的成本优势，并且随着技术的不断改进与革新，在打印速度和打印效果方面也在不断提高，其印刷效果已经相当的接近于传统印刷机的印刷效果。

图1-1 卷筒纸喷墨印刷机示意图

I,送纸部分 2,控制部分 3,喷墨部分 4,收纸部分

下面介绍几款最新型的喷墨印刷机，这几款机型在一定程度上代表了卷筒纸喷墨印刷机未来的发展趋势。

首先是佳能公司的imagePROGRAF，采用全球首创的“环境光修正打印”技术，并新增高精度色彩校准功能，以及最新改良的墨水系统，其最高分辨力达到

2400dpi×1200dpi。此产品采用独有的新一代色彩管理技术“Kyuanos”，实现了“环境光修正打印”功能。使用者可以根据样片展示场所的光线特点，选择合适的色调输出，从而有效避免由于荧光灯或白炽灯等照明原因导致的打印品偏色问题。

其自动“色彩校准”功能也是一项新的功能，只要是用于由各种原因产生的色彩偏差，均可通过打印机的自动调整功能，从而得到稳定的色彩。由佳能公司新开发的12色颜料墨水LUCIA全新采用3种特色墨水和浓淡2种灰色墨水，色彩

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表现性得到提高，并且能在光面纸、艺术纸、无光泽纸和标签纸等各种打印纸张上实现高精度色彩展示打印，而且耐久性也得到提升。

其次，由爱普生公司开发的 Stylus PRO 11880C ，其创新喷头的使用令平均打印速度提升60%。，采用智能墨滴变换技术，通过不同的脉冲控制压电晶体，可以轻松地按需喷射多种大小的墨滴，由于这种新开发的微压电打印头改进了VSDT 的功能，故大大提高了打印速度。同时，该机搭载了TFP微压电打印头，这款打印头将每种颜色的喷嘴数提高到了360个/色，喷嘴的打印头墨水喷嘴密度更是相当于原产品的2倍，实现了高精度与高速度的同步提升。另外，这款产品还引入了爱普生公司最新研发的喷嘴堵塞自动侦测技术，使用内置的智能喷嘴堵塞传感器能保证打印头在打印时更精确地定位，同时自动检测打印头是否堵头，并进行自动清洗，达到了完美输出品质。

最后，HP公司开发的 Designjet Z6100大幅面打印机，拥有极快的输出速度，这主要得益于HP公司研发的 Double Swath技术，该技术通过两行打印头重叠排列，相互交错，喷嘴的排列整齐，确保了两个打印头之间的连续性，使每种色彩的喷嘴数量从1056个增加到了 2112个，从而在任何打印模式下均可获得双倍性能，并且能够输出精确的线条确保图像质量。

由此看出，喷墨印刷正朝着更智能，更高品质，更快速度，更加个性，更加环保和更加经济的方面发展。

对于国内喷墨印刷的发展，由于起步较晚，还是处于比较落后的状态。但经过这些年的摸索与实践，已有很多厂商或是自主研发，或是引进技术，开始着力发展喷墨印刷技术。经过近几年的发展与学习，国内的喷墨印刷水平已经达到较高的标准。在印刷速度，精度上，都已经与国际先进的印刷设备相当。但是，应该清楚的看到，同国外的印刷机生产厂商相比，国内的厂商还是存在着差距与不足。首先，对于核心技术的缺乏使得在关键技术上还是依靠引进。我国自行生产的QPress拥有多项的技术专利，但在如油墨加电技术上还是要依赖于引进，这对发展起了很大的限制作用。其次，在产品的创新上不足，尽是模仿，鲜有突破和超越，缺乏独到的想法与做法，使得产品在竞争力上略显不足，无法吸引印刷企业的青睐。本次课题研究的目的是通过设计，制造出具有自主创新性的卷筒纸喷墨印刷机，为此项技术的发展奠定良好的基础。

北京印刷学院毕业设计(论文) 1.2 课题简介

纸张类型标签纸或者不干胶纸

印刷速度 30,80米/分

纸张厚度 0.1,1.5mm

纸张宽度 100-150mm

最大印刷宽度 70mm

喷墨头尺寸(长*宽*高) 15×15×40mm

纸卷直径 400-500mm

技术要求: 完成卷筒纸喷墨印刷机的总体设计,主要包括:总体布局设计，喷墨单元选择，喷墨单元设计计算与布局。

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第2章总体方案设计

2.1 卷筒纸喷墨印刷机结构分析

传统卷筒纸胶印机结构如图2-1所示。

图2-1

卷筒纸喷墨印刷机结构如图2-2所示。

图2-2

传统卷筒纸印刷机具有各种墨辊及输墨输水装置，在印制前还需制造印版等一系列工作，而数码喷墨卷筒纸印刷机无需制版，直接采用数码喷墨头，可以根据不同需要随时进行印刷更改，省时省力，在采用喷墨头的同时也省去了各类墨辊及输水墨装置，整体布局及结构具有占地面积和空间小的特点。

卷筒纸喷墨印刷机根据自身特点，在收放卷、主动轴及导纸辊排布方面始终遵循紧凑的原则，同时保证正常工作中的互不干涉、同步协调及共同运作。

卷筒纸喷墨印刷机虽然具有以上特点，但仍要兼顾传统胶印机中所要应用到

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的纸张纠偏及张力控制的问题，这在整体结构上的排布也是需要考虑的，既要保证各个纸辊的正常工作也要给控制系统留有足够的安放和工作空间。

图2-3 卷筒纸印刷机张力控制系统的基本环节

现代卷筒纸印刷机张力控制可划分为四个部分:放卷张力、进料牵引张力、出料牵引张力、收卷张力，如图2-3所示。张力控制系统分别控制卷材开卷轴速度、进料牵引辊速度、出料牵引辊速度、收卷轴速度，消除从开卷机构到收卷机构间张力的波动，调节卷材运行速度，达到张力调节的目地。所以纸辊的排布要与张力控制系统能够达到统一。

2.2 总体方案的选择确定

方案一:

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采用方案一的设计排布方式可以实现纸卷的正常收放、张力及纠偏控制的实现，但由于纸辊的数量偏少及安装位置的距离偏远，在印刷过程中纸带的张紧力在控制装置协调范围之外并不能很好的达到要求，同时纸带在通过印刷单元的途中并不能保证纸带的线速度同喷墨头下方的吸气带线速度保持协调一致。根据以上分析，方案一需要改进以便实现整体工作的正常运行。

方案二:

方案二采用增加导纸辊数量和安装双电机的方式来实现各个系统的正常工作运转。增加导纸辊数量并紧密排布，既能很好的与张力和纠偏装置进行协调控制，同时各导纸辊之间并不会产生位置和工作中速度及其他方面的干涉。在印刷单元前增加一个主动电机来控制一个单独的主动辊并与皮带辊之间用同步带相连，能够很好的实现纸带在输送和印刷过程中线速度的一致。随着收纸卷半径的不断变

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化，收纸滚筒的纸卷轴转速也需要不断变化以达到纸带的运行速度要求，安装一个主动电机并与张力及纠偏装置间采用相应的检测反应系统，便能很好的实现纸带在输送和印刷途中的张紧、轴向位置控制和速度的增减。

对于张力控制方式的选择，根据执行机构的不同，张力控制可以分为电机张力控制系统、电液张力控制系统、磁粉张力控制系统以及其他的如杠杆摇摆式张力控制系统等，通过比较最终选择安装磁粉张力控制系统。

纠偏装置安装的必然性在于纸带在印刷的过程中，由于纸卷的内部应力、张力的波动、安装误差等原因，常常导致纸带发生偏斜，从而影响横向套印的准确性。纠偏方式一种是横向移动纸卷，另一种是调节纸带，从而改变横向位置。根据实际情况采用第二种方式。

根据以上分析和方案一的比较，该方案可以实现正常运转和控制，并能够满足技术和印刷要求。

2.3 具体方案的选择确定

2.3.1 喷墨单元的选择:

现阶段可选择的喷墨单元喷墨类型基本分为两种，一是连续式喷墨，二是按需式喷墨，如图2-4，图2-5所示:

图2-4 连续式喷墨与按需式喷墨示意图

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图2-5 连续式喷墨与按需式喷墨三维示意图

由于按需式喷墨成本较低，且考虑其经济因素较连续式喷墨更加节约，所以在本次的设计中选用按需式喷墨打印头。

在按需式喷墨打印同当中，主要有微压电式和热气泡式两大类:

一(热气泡喷墨技术

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热发泡喷墨技术原理图

喷墨打印机一般多采用热气泡喷墨技术，通过墨水在短时间内的加热、膨胀、压缩，将墨水喷射到打印纸上形成墨点，增加墨滴色彩的稳定性，实现高速度、高质量打印。由于除了墨滴的大小以外，墨滴的形状、浓度的一致性都会对图像质量产生重大影响，而墨水在高温下产生的墨点方向和形状均不容易控制，所以高精度

的墨滴控制十分重要。热泡式喷墨打印的原理是将墨水装入到一个非常微小的毛细管中，通过一个微型的加热垫迅速将墨水加热到沸点。这样就生成了一个非常微小的蒸汽泡，蒸汽泡扩张就将一滴墨水喷射到毛细管的顶端。停止加热，墨水冷却，导致蒸汽凝结收缩，从而停止墨水流动，直到下一次再产生蒸汽并生成一个墨滴。

二(微压电技术

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微电压喷墨技术原理图

微压电技术把喷墨过程中的墨滴控制分为3个阶段:在喷墨操作前，压电元件首先在信号的控制下微微收缩;然后，元件产生一次较大的延伸，把墨滴推出喷嘴;在墨滴马上就要飞离喷嘴的瞬间，元件又会进行收缩，干净利索地把墨水液面从喷嘴收缩。这样，墨滴液面得到了精确控制，每次喷出的墨滴都有完美的形状和正确的飞行方向。

微压电式喷墨系统在装有墨水的喷头上设置换能器，换能器受打印信号的控制，从而控制墨水的喷射。根据微压电式喷墨系统换能器的工作原理及排列结构可分为:压电管型、压电薄膜型、压电薄片型等几种类型。

采用微电压的变化来控制墨点的喷射，不仅避免了热气泡喷墨技术的缺点，而且能够精确控制墨点的喷射方向和形状。压电式喷墨打印头在微型墨水贮存器的后部采用了一块压电晶体。对晶体施加电流，就会使它向内弹压。当电流中断时，晶体反弹回原来的位置，同时将一滴微量的墨水通过喷嘴射出去。当电流恢复时，晶体又向后外延拉，进入喷射下一滴墨水的准备状态。

这两种方法相比，热泡式打印头由于墨水在高温下易发生化学变化，性质不稳定，所以打出的色彩真实性就会受到一定程度的影响;另一方面由于墨水是通过气泡喷出的，墨水微粒的方向性与体积大小不好掌握，打印线条边缘容易参差不齐，在一定程度上影响了打印质量，这都是它的不足之处。微压电打印头技术是利用晶体加压时放电的特性，在常温状态下稳定的将墨水喷出。对墨滴控制能

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力较强，还将色点缩小许多，产生的墨点也没有慧尾，从而使打印的图像更清晰。容易实现高精度打印质量，且微压电喷墨时无需加热，墨水就不会因受热而发生化学变化，故大大降低了对墨水的要求。另外，压电式打印头被固定在打印机中，因此只需要更换墨盒就可以了。热泡式喷墨打印机需要在每个墨盒中安装喷墨嘴:这样会增加墨盒的成本。但压电式喷墨打印机的缺点是，如果压电打印头被损坏或者阻塞了，整台印刷机都需要维修。

综合考虑两种按需式喷墨技术，最后决定选用微电压式按需喷墨打印头，由于考虑发泡式对印刷效果的影响以及对环境要求比较高，同时现阶段市场上对于微电压式按需喷墨打印头的使用也是最多的，最后在本次设计中还是选择了打印效果更好的微电压式。

通过喷墨头的选择之后，对各大厂商生产的微电压式喷墨头进行综合的分析对比，初步选定下列几个喷墨头作为本次设计的喷墨单元:

1.瓷株式会社的KJ4系列喷墨头，印刷宽度为108mm，以600dpi×600dpi的解像度实现每分钟150米的彩色印刷。KJ4系列喷墨头能够实现大约每分钟1,000张的高速印刷。KJ4系列喷墨头融合了先进制陶工艺及印刷头等各种技术。“KJ4系列”采用独有的高级压电制陶技术，使用小型压电致动器。

2.柯尼卡美能达推出的KM1024系列喷墨打印头。该有1024个喷嘴。与传统喷头相比，新喷头能大大降低能耗，生产过程更加环保。打印宽度达72mm。M1024喷头适用于高质量的打印系统，采用了新研发的低压电容驱动器，节约50%的能耗。KM1024喷头十分精细，能确保喷头装配系统设计的简单与紧凑。

3.赛尔的喷墨打印喷头,Xaar1001，该产品具有高速、高品质与高可靠性的特点。Xaar1001打印头可喷射CMYK四种颜色的UV墨水。可以以每分钟24米的速度连续完成高质量彩色图像的印刷。Xaar1001喷墨打印头是专门为产量高、速度要求快而设计。Xaar1001具备高度的精准性，可随意选择或改变墨滴尺寸，具有自动恢复与自我清洁功能，具有高的生产率及长的使用寿命。

最后，经过这三种微电压式按需喷墨打印头的综合比较与经济性考虑，选用柯尼卡美能达推出的KM1024系列喷墨打印头作为本次设计中使用的打印头。

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第三章设计计算与校核

3.1 传动系统的设计

3.1.1 电机的选择确定

一.电动机种类的选择:

选择电动机种类应在满足生产机械对拖动性能的要求下，优先选用结构简单、运行可靠、维护方便、价格便宜的电动机。电动机种类选择时应考虑主要内容

有:(1)电动机的机械特性应与所拖动生产机械的机械特性相匹配; (2)电动机的调速性能应该满足生产机械的要求。对调速性能的要求在很大程度上决定了电动机的种类、调速方法以及相应的控制方法;

(3)电动机的启动性能应满足生产机械对电动机启动性能的要求，电动机启动

性能主要是启动转矩的大小，同时还应注意电网容量对电动机启动电流的限制; (4)电源种类在满足性能的前提下应优先采用交流电动机;

(5)经济性一是电动机及其相关设备的经济性;电动机拖动系统运行的经济

性，主要是要效率高，节省电能。表1中给出了电动机的主要种类、性能特点及典型生产机械应用实例。

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表1 电动机的主要种类、性能特点及典型应用实例

二.电动机安装形式的选择:

电动机的安装方式有卧式和立式两种。卧式安装时电动机的转轴处于水平位置，立式安装时转轴则为垂直地面的位置。两种安装方式的电动机使用的轴承不同，一般情况下采用卧式安装。

电动机的工作环境是由生产机械的工作环境决定的。在很多情况下，电动机工作场所的空气中含有不同分量的灰尘和水分，有的还含有腐蚀性气体甚至含有易燃易爆气体;有的电动机则要在水中或其他液体中工作。灰尘会使电动机绕组黏结上污垢而妨碍散热;水分、瓦斯、腐蚀性气体等会使电动机的绝缘材料性能退化，甚至会完全丧失绝缘能力;易燃、易爆气体与电动机内产生的电火花接触时将有发生燃烧、爆炸的危险。因此，为了保证电动机能够在其工作环境中长期安全运行，必须根据实际环境条件合理地选择电动机的防护方式。电动机的外壳防护方式有开启式、防护式、封闭式和防爆式几种。

(1)开启式:开启式电动机的定子两侧与端盖上都有很大的通风口，其散热条件好，价格便宜，但灰尘、水滴、铁屑等杂物容易从通风口进入电动机内部，因此只适用于清洁、干燥的工作环境。

(2)防护式:防护式电动机在机座下面有通风口，散热较好，可防止水滴、

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铁屑等杂物从与垂直方向成小于45?角的方向落入电动机内部，但不能防止潮气和灰尘的侵入，因此适用于比较干燥、少尘、无腐蚀性和爆炸性气体的工作环境。 (3) 封闭式:封闭式电动机的机座和端盖上均无通风孔，是完全封闭的。这种电动机仅靠机座表面散热，散热条件不好。封闭式电动机又可分为自冷式、自扇冷式、他扇冷式、管道通风式以及密封式等。对前四种，电动机外的潮气、灰尘等不易进入其内部，因此多用于灰尘多、潮湿、易受风雨、有腐蚀性气体、易引起火灾等各种较恶劣的工作环境。密封式电动机能防止外部的气体或液体进入其内部，因此适用于在液体中工作的生产机械，如潜水泵。(4)防爆式防爆式电动机是在封闭式结构的基础上制成隔爆形式，机壳有足够的强度，适用于有易燃、易爆气体工作环境，如有瓦斯的煤矿井下、油库、煤气站等。

三.电动机额定电压的选择:

动机的电压等级、相数、频率都要与供电电源一致。因此，电动机的额定电电压应根据其运行场所的供电电网的电压等级来确定。

我国的交流供电电源，低压通常为380V，高压通常为3kV，6kV或10kV。中等功率以下的交流电动机，额定电压一般为380V;大功率的交流电动机，额定电压一般为3kV或6kV;额定功率为1 000kW以上的电动机，额定电压可以是10kV。需要说明的是，笼式异步电动机在采用Y-D降压启动时，应该选用额定电压为380V、D 接法的电动机。

直流电动机的额定电压一般为110V、220V、440V，最常用的电压等级为

220V。直流电动机一般由单独的电源供电，选择额定电压时通常只要考虑与供电电源配合即可。

四.电动机额定转速的选择:

对电动机本身来说，额定功率相同的电动机，额定转速越高，体积就越小，造价就越低，效率也越高，转速较高的异步电动机的功率因数也较高，所以选用额定转速较高的电动机，从电动机角度看是合理的。但是，如果生产机械要求的转速较低，那么选用较高转速的电动机时，就需要增加一套传动比较高、体积较大的减速传动装置。因此，在选择电动机的额定转速时，应综合考虑电动机和生产机械两方面的因素来确定。

(1)对不需要调速的高、中速生产机械，可选择相应额定转速的电动机，从而省去减速传动机构。

(2)对不需要调速的低速生产机械，可选用相应的低速电动机或者传动比较小的减速机构。

(3)对经常启动、制动和反转的生产机械，选择额定转速时则应主要考虑缩短启、制动时间以提高生产率。启、制动时间的长、短主要取决于电动机的飞轮矩和额定转速，应选择较小的飞轮矩和额定转速。

(4)对调速性能要求不高的生产机械，可选用多速电动机或者选择额定转速

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稍高于生产机械的电动机配以减速机构，也可以采用电气调速的电动机拖动系统。在可能的情况下，应优先选用电气调速方案。

(5)对调速性能要求较高的生产机械，应使电动机的最高转速与生产机械的最高转速相适应，直接采用电气调速。总之电机的选择要点如表2所示:

表2 电动机选择要点

通过类比，并参照Jetrion 4000型卷筒纸数码喷墨印刷机，又考虑到散热、工作环境和空间及性能要求，采用类比法，选用交流防护式电动机，安装方式为卧式，电机功率为 3KW，型号为Y132S-6，其满载转速为960r/min。

3.1.2 纸卷动力的确定

已知条件:

1)纸张为标签纸或不干胶纸(80-150g/m2);印刷速度:30,80米/分(无级变(

速);纸张宽度:100-150mm;最大印刷宽度:70mm;纸卷直径:400-500mm (2)工艺上所需要的纸带张力 F,60Nt

(3)印刷速度V=30,80米/分

,(4)纸带宽b=100-150mm;纸厚=0.23mm;纸张定量G=150g/m2;纸卷最大半0 L,径=250mm;最小半径=50mm;偏心量e=6mm;纸带断裂长度2700m rrpmaxmin

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(5)刹车时间=6s;启动时间=4s ttn0机器在稳定运转其间动拉力:

8080,32,32150，10，0.150，()150，10，，0.150，()，

0.006,22GbVGbVemax,0o6060F(),,,,,0.0013,0.2116iy,3ggmin424，9.82，9.8，0.23，10,

所以:

F,0.2129(kg)iymax

F,,0.2103(kg)iymin

F,q,b,60，0.150,9(kg)t

F,F,F,9.2103(kg)bmaxtiymin

F,F,F,8.7871(kg)bmintiymax

F——纸卷制动力 iy

——刹车时的制动力 Fb

——纸带张力 Ft

在刹车阶段，

8020.150，0.15，，0.25，,2GbrV,'n060F,,,0.245(kg)b,32gt2，9.8，

0.23，10，6,n

在启动阶段，

8020.150，，0.150，0.250，,2GbrV,060n

F,F，,0.2129，,1.437(kg)maxmaxiiy,32gt2，9.8，0.23，10，4,0 F,F，F,9.4232(kg) tmaxiymaxbmax

F9.4232tmaxq,,,62.821(kg/m) imaxb0.150

11,3 ,,q,GL,，150，10，2700,202.5(kg/m)p022

因为 ,, 故纸带不会断裂，安全。 q,qimax

因为，所以所选用的磁粉制动器的额定转矩M必须大于F,r。

F,9.2103(N)bmaxbmax

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因此有。 M,F,r,2.356(N/m)bmax

3.1.3 喷墨单元的设计

目前市场上出现的数码喷墨印刷机，在印刷单元部分纸带的输送方式普遍采用两种，一种是圆弧型支撑架，如图3-1所示，该方式能够很好控制纸带在印刷过程中的张紧力，达到数码喷墨头印刷要求。

图3-1

第二种方式是采用与纸带平行的直板支撑架，并在支撑架表面增加具有吸气孔的皮带，如图3-2所示，该种安装方式的支撑架与数码喷墨头在空间上形成垂直结构，能够充分满足印刷要求。在纸带的输送途中吸气孔对纸带进行吸气控制，能够很好的消除纸带不平稳和抖动问题。

图3-2

由于第二种方式需要再平行直板上增加气孔和气路，增加了印刷机的设计难度与成本，所以不采用第二种方式。

根据设计要求和数码喷墨头的技术要求，最终选用第一种方案作为印刷单元纸带运行方式。

通过查阅资料，以及对各大厂商的喷墨印刷机进行设计上的参考柯达公司的Stream喷墨印刷机，网屏公司的高速喷墨印刷机True press Jet SX等印刷机的设计，允许的最大走纸浮动，在不影响印刷效果的情况下，为5到7 MM，所以，

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在本次设计中，就参考这个数值来进行走纸弧度的计算与喷墨单元走纸弧度的设计。

采用圆弧型走纸方式可通过两种方式实现:

1. 采用棍子使走纸变成弧度走纸:

2. 采用支架型弧度走纸方式:

通过两种方案的比较发现，第一种方案对于加工的精度有很高的要求，很难加工，且稳定性不如第二种方案，故最后选用第二种方案作为为喷墨单元增加弧度走纸的最终方案。

在方案中要保证纸张紧贴2MM的支架且每个喷墨单元与纸张的最大距离不得超过6MM，同时走纸的最大上下浮动也不可以超过6MM，这样才可以保证不影响印

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刷效果。

3.2 轴的设计计算

3.2.1 导纸辊的设计

导纸辊的设计:

本次设计的目的是更加优化纸辊的设计，在之前设计的基础之上，更加的简化，优化走纸辊的排布，使得走纸更加平稳，同时更加简洁，使印刷机的设计不会有过多的累赘的部分。

导纸辊轴轴向长度680mm，由于轴承的安装，需对轴承轴向限位，根据技术要求开阶梯，材料选用45号钢，表面粗糙度6.3，如图3-3所示

图3-3 导纸辊轴

3.2.2 滚动轴承的材料及特点

滚动轴承的内圈、外圈和滚动轴承强度高、耐磨性好的轴承钢制造，常用牌号有GCr15、GCr15SiMn等。淬火后硬度达到60~65HRC，工作表面要求磨削抛光。轴承元件都经过150摄氏度的回火处理，通常轴承工作温度不高于120摄氏度，所以轴承元件的硬度不会下降。