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1陣列雙模式噴印平臺的設計

數控技術利用數字信號控制執行機構完成某種功能，實現自動化。隨著我國計算機技術的變革，微小型計算機數字控制CNC是當今制造高精度、高質量以及形狀復雜產品的基礎設施，屬于制造技術的關鍵環節。對于一般數控系統組織，運算器接收、運算、處理輸入裝置的指令或數據，并不斷向輸出裝置送出運算結果。控制器能根據指令控制運算器和輸出裝置來實現各種操作及控制整機的循環工作，使數控系統執行所要求的運動，其中伺服驅動把來自控制器的脈沖信號經過功率放大、整形后，轉換成執行部件的平移、進給或旋轉等運動，主要包括驅動裝置和執行結構兩大部分。驅動裝置由進給驅動單位電機、主軸驅動單元等組成，步進電機、直流和交流伺服電機是常用的伺服元件。執行機構根據控制器發出的指令信號，完成驅動裝置對系統旋轉和進給運動的控制。作為數控系統改進生產設備的實例，數字噴印技術是非接觸印刷技術的主流，以低廉的價格和精美的印刷質量越來越受到用戶的青睞。數字噴印吸收噴墨打印等新技術，墨水經過噴腔組件的小孔射出，噴印器在基材上方以高速度噴射墨水，同時晶體振蕩器高速縱向振蕩，使墨線分裂成一系列大小和間距相等的墨點，機器內部微處理器監視回饋的信號，隨著物體的移動，更多的墨點打在物體表面就形成了字符或圖線。經調研，市場上還沒有針對薄膜開關制造工藝而開發的專業噴印設備，部分生產廠家引入用于廣告噴印的噴墨打印設備進行面板的噴墨印刷，主要有2種：熱泡式噴墨打印機和平板式噴繪機。深圳某公司生產的熱泡式噴墨打印機，采用愛普生配件，底座同步，并采用步進交流電機和IC芯片控制模塊化。由于該打印機源于辦公打印機技術，墨量不厚，所以不能采用UV油墨，不能立體打印，且印制速度慢，無法滿足規?；a。廣州某公司生產的平板噴印機，采用陶瓷壓電式工業高速Konic，XAAR等噴頭，由多色噴頭組成單模組，且UV光跟隨固化，可形成立體墨痕和噴印彩色圖案，但不能用于電路噴印。由于該打印機在制造中各工序對位困難，故不能完全滿足彩色面板、上電路、絕緣層、下電路的套印，工序切換速度慢，不符合一次流水套打的工藝要求。為了提高定位精度，采用計算機視覺定位技術、MARK高精度光學影像定位系統及圖像AOI技術，印制精細度達0.1mm，對位精度≤0.2mm。采用多噴頭陣列高速流水噴印技術，以4—12個噴頭為1組并行噴印，從而實現高速輸出。為消除噴頭間噴印干擾，對12個噴頭的噴印進行同步控制。采用2套獨立控制電路，分組傳輸，每組噴頭數不超過6個，從而能保證一般的4色彩油墨、金屬導電油墨、特色工藝油墨的噴印陣列。DSP的定位圓圖像采集及參數提取更進一步提高了定位精確度和噴印速度。設計的陣列雙模式噴印平臺基于數字控制器現場可編程門陣列（FPGA），DSP，PC及軟件，由程序協調操作FPGA等多芯片運作，同時解決數據分配、時分信號和信號優化等數據處理問題。在數控系統中可以利用FPGA處理接口板與上位主控板之間的數據傳輸，接收下位伺服的反饋信號，監測伺服電機的工作狀態。針對x，y，z和w方向的移動，利用可靠性、可編程多軸控制器構建精確位置控制系統。以PLC控制變頻電機為執行元件，通過RS-485通信實現驅動單元的遠程控制，提高系統的集成度與可靠性?；谝陨显O計和工藝，集成高速、柔性、精密配套技術以及制造工藝，利用數控系統的核心技術，噴印平臺簡化了傳統工藝流程，只需改變電氣參數就能完成不同的噴印任務，不需要為新產品的每一次改動而制作網版。設計的陣列噴印流水式裝置通過交錯及斜裝陣列組合模式，由12通道靜態噴頭陣列與4通道動靜雙模式噴印模組構造，雙模式構造能保證噴印清晰度和速度，解決縫接及拉線等問題。該裝置能快速完成維護和噴頭更換，提高了設備的靈活性和生產效率，其平臺抗震、抗干擾能力較好，符合IP54標準。

2陣列雙模式噴印平臺的控制模塊

2.1主要控制單元

作為一種典型的控制不同組合對象的多參數數控噴印平臺系統，既有平移、旋轉運動控制和圖像識別輔助控制，又有噴墨頭的溫度、流量等過程控制。為保證高速陣列多噴印頭的數據協調、時控合理，核心控制模塊采用WDM類設備驅動程序架構和MINIPort層間驅動協議，驅動程序用VC編寫和調試，使其達到4路USB準同步數據傳輸，時間關鍵幀技術保證操作系統達ms級響應。發揮硬件和軟件的開放性，實現數控系統和伺服控制系統間的通訊、加工代碼的自動生成、最佳模切順序和最短空程路徑。模塊化設計后則重點關注控制器、數據處理、I/O系統、驅動接口等子模塊，以上位機數控系統來擴展網絡控制系統，使用計算機數控系統與FPGA控制器完成接口驅動，控制模塊見圖2。噴印控制電路系統重點包括基于FPGA的主控部分、基于DSP的定位圓圖像采集及參數提取部分。采用現有控制技術的理論方法和技術條件，以FPGA嵌入式為主控制系統，FPGA有豐富的邏輯硬件資源，CycloneIIFPGA芯片有DSP系統、硬件協處理器、接口系統、通信系統、存儲電路以及普通邏輯電路等功能子系統，能解決傳統寬幅噴印機對大量圖像數據在上下位機之間和系統內部傳輸速度的瓶頸。利用DSP實現復雜的電氣控制算法，提高對字車電機和走紙電機運動的精度控制，從而提高寬幅噴印機的噴印精度。系統還開發了FPGA的時鐘同步系統，在上位機獲取時間戳并通過FPGA硬件電路矯正晶振頻率的動態補償，實現數控系統的精確時鐘同步。FPGA主控部分主要包括USB接口模塊、噴印數據處理模塊、噴頭驅動模塊、溫度控制模塊、驅動電壓調整模塊、噴印圖像存儲及糾偏模塊與DSP接口模塊等7部分。

2.2模組控制單元的數據處理

FPGA接收數據并處理數據，發送數據到噴嘴、電機、相機等數字終端，數據緩沖區則使用多片DDR2，以加快數據傳輸速度。對輸入數據進行分組，基于FPGA內核改變時鐘域意味著整個噴墨頭的處理在1個時鐘周期內實現多目標的同步時鐘系統。通過使用VHDL編寫的時序程序發送控制字到FPGA的UART接收模塊，根據控制字的不同，調整相應的數據，電機模塊根據控制字產生相應的脈沖和控制信號，控制噴頭電機的啟停、方向和速度等數值，利用FPGA實現復雜的邏輯時序的控制信號。事件驅動控制的機電驅動系統也在FPGA實現，由有限狀態機（FSM）定義所有可能的實現方向數據。其中，USB接口模塊在每批次噴印開始前用于接收計算機發送下來的原始噴印圖像，并將存儲在外部緩存當中的定位原圖像上傳至計算機，用于在人機界面上檢查初始標定參數是否正確。當噴印過程開始后，USB接口模塊用于與計算機交互噴印過程中的實時參數，噴印數據處理模塊用于將待噴印圖像的像素數據進行拆解，并重新封裝成適合噴頭噴印的數據格式。噴頭驅動模塊用于計算時設置的有關噴印參數信息轉化為適合噴頭噴印的時序，以此時序來精確控制噴頭的噴印。溫度控制模塊用于實時調整并顯示噴頭的溫度，驅動電壓調整模塊用于實時調整噴頭驅動電壓的幅值及幅寬，存儲噴印圖像及工藝MARK參數信息處理，可以保證噴印位置的準確性。利用CycloneIIFPGA的并行執行特點，對2—4排噴嘴的數據進行處理及分配，實現實時噴射控制、裝置控制邏輯與狀態管理。多排噴嘴的數據收發1次，先將此行像素拆分成奇數像素數據和偶數像素數據，再將這2部分像素以相反的順序發送至噴頭，就能噴印1行完整的像素點矩陣。此時，將首先在存儲中開辟一個動態的全局緩存，存放所要噴印的一排像素數據，再為若干個噴頭分別開辟單獨的緩存區和獨立的進程，這些獨立的進程將通過一定的交換機制，與其他相關進程進行數據交換，所有與噴頭相關的進程完全并行，因此整個過程除了USB數據的接收外，其他部分所消耗的時間只相當于處理一個噴頭數據所消耗的時間，從而提高數據處理的速度。

3結語

核心控制模塊統一采用WDM類設備驅動程序架構，混合硬件和軟件開發，實現了數控系統和伺服控制系統間的通訊，加工代碼的自動生成。利用DSP電氣控制算法，提高了運動精度控制。利用芯片級并行執行的特點，對多排噴嘴數據及時處理及分配，實現了實時噴射控制、裝置控制邏輯與狀態管理。采用FPGA可編程邏輯實現了主控電路的模塊設計，使噴印平臺能適配多廠的標準組件、固化組件、噴頭陣列等部件，較易滿足加工單位的不同配置需求，簡化了生產工序，并有利于實現自動清洗、回收、配色及免拆卸切換。采用動態和靜態噴頭的雙模式噴印裝置方案，實現了兼顧高速生產及復雜工藝的生產需求。

作者:孟治國朱云鵬單位:廣東輕工職業技術學院