专题4-1 喷墨印刷机控制系统和机械系统

1、 专题4-1 喷墨印刷机控制系统和机械系统 1 系统概述 大幅面压电式喷墨印刷机是一套数字控制的印刷系统。整个系统分印刷机部分和上位主控PC机两部分，印刷机不是一个独立的系统。印刷机是接收上位主控PC机的指令和图像数据，依据指令和图像数据完成印刷动作，并将自身的工作状态反馈给上位主控PC的设备。印刷机的结构设计如下。11 印刷机的总体结构上位主控PC机前端控制机操作面板喷头小车行走单元卷布单元喷头驱动单元喷头电源供墨单元图1 喷墨印刷机的总体结构 印刷机的总体结构如图1所示。整个系统分前端控制机、操作面板、喷头驱动、喷头、喷头小车行走单元、卷布单元、供墨单元、电源等组成部分。其中，喷头小车行走

2、单元和卷布单元涉及到机械结构设计，而供墨单元涉及到油墨油路设计。 12 前端控制机 前端控制机以MCS-51系列单片机为控制芯片，辅以一定的外部电路。完成接收上位控制PC的指令和图像数据、驱动机械系统运动、同步机械运动与图像数据、驱动喷头按需喷墨等工作。其结构见图2。 其中单片机通过串行口与上位主控PC（COM端口）进行通信，用于接收上位主控PC发来的指令，向上位主控PC返回印刷机的状态。单片机也可接收控制面板发出的手动控制指令。 单片机根据指令发出电机运动控制信号，送给电机驱动器，驱动电机运动。单片机接收各传感器发回的状态，依据传感器的状态调整电机的运动以实现精确定位。图像数据从上位主控PC

3、的并行端口（PPT端口）发给前端控制机中的缓冲单元，并在缓冲单元中进行图像数据格式的简单转换。 单片机同时负责同步图像数据和电机的运动，将图像数据从缓冲单元中读出并发送到喷头，进而控制喷头的点火动作，将画面喷出。 为便于系统调整。前端控制机备有参数存储器，以便适应不同系列、不同规格、不同机械参数的设备的参数调整要求。 供墨单元负责接收装在二级墨盒中的浮子液位开关发回的液位信息，驱动油墨泵从初级墨盒向二级墨盒供给油墨。图2 前端控制机的结构喷头小车驱动卷布辊驱动检测信号调理参数存储缓冲FIFO缓冲分配电路PC PPT端口喷头控制驱动供墨单元喷头数据驱动面板步进电机驱动器器伺服电机驱动器器PC C

4、OM端口 RS232MCS-51单片机转换电路喷头驱动板油墨泵像素数据 SHUJU控制信号介质 原点 Z1.3 数据传输 数据传输机制是设计喷墨印刷机首先需要考虑的问题，不同的数据传输机制决定了不同的系统架构。 考察数据传输机制首先需预估数据流量。喷墨印刷机是一个数据消耗系统，数据消耗的高峰在每行的喷印过程中。每行喷印所需的最高数据传输率也反映在这个时段。 为保证喷墨印刷机长时间稳定工作，保证画面的连续性和饱和度，提供在印刷过程中对缺陷喷头的一定的容忍度，通常在喷墨印刷机中采用多喷头多次覆盖的印刷方法。此时，考虑数据传输流量时需同时考虑多个喷头的数据消耗。 不同型号的喷墨印刷机采用不同的喷头数

5、，常见的方案有如下三种： 8 喷头，四色，每色两个喷头 16 喷头，四色，每色四个喷头 24 喷头，四色，每色六个喷头 XJ 128喷头为128孔压电式喷头，喷孔间距为0.137mm，垂直于运行方向安装可同时打印128线，形成180 DPI的色带。XJ 128的最高点火频率为4.25 kHz。若要保证喷出的画面在水平和垂直方向上具备相同的分辨率，必须每隔0.137 mm的运行距离点火一次。若用常规的3200 mm的打印幅宽计算，每个喷头每行最多需点火23358次。XJ 128的每个喷孔在喷墨时对应一个比特的像素数据，一个喷头一次点火需要128比特的数据。 以16喷头的喷墨印刷机为例，如果16个

6、喷头同时点火，则需要16 × 128 bit = 256 Byte的数据准备。如果用4.25 kHz的点火频率点火，每次点火前都更新数据，就需要1.038 MBps的数据传输率。每行需要的数据量为5979648 5.7 MB。 考察喷墨印刷机的工作方式，喷印以行为单位，每行喷印的过程中以恒定的速度喷印，此时的数据输出速度必须保证为稳定的最高数据传输率。在每行的行端，喷头小车要进行加减速和换向，要卷动卷布辊进布，以便进行下一行的喷印。如果上位机能够保证以相同的速率传送像素数据，则问题就非常简单。但在实际应用中，除非使用实时操作系统，否则上位机不可能保证以均匀的速度传输数据。尤其是考虑到

7、用户操作的方便性和软件界面的友好性，上位机的操作系统通常都采用不具备实时性的通用操作系统，如Windows 98。这就要求在结构设计时必须提供一个缓冲机制，上位机将图像数据以猝发的方式发送到特定的缓冲区，而前端控制机同步喷头小车的运行和图像数据的传输，以均匀的数据传输率从该缓冲区中将图像数据取出并发送到喷头。 最简单的缓冲机制是使用双缓冲区，一个缓冲区负责接收下一行的图像数据，另一个缓冲区负责提供当前喷印行的数据。在喷印到当前喷印行的末端时，当前行的数据已经消耗完毕，此时如果下一行的数据已经准备就绪，则简单交换当前行和下一行缓冲区的指针，即可继续下一行的喷印工作，否则需进行稍许的等待。在这种结

8、构中，上位机与前端控制机仅在喷印行末端进行同步。其余时间，二者以各自的速度运行，互不干扰，喷印时的数据传输速率仅取决于单片机。而单片机一般采用前后台式控制程序，只要单片机的性能选择适当，要保证喷印时的均匀数据传输率是很容易做到的。 但是，这种结构有两个问题很难解决。其一，是存储容量的问题，两个缓冲区需要大约12MB的存储容量，而MCS-51系列的单片机寻址空间只有64KB，靠这种单片机来管理这么大的存储空间是十分困难的。其二，仍然是速度的问题，上位主控PC机发来的图像数据需要靠单片机寻址存储器来进行存储，单片机向喷头发送数据需要寻址存储器并从其中取出数据，这些操作都需要复杂的指令序列，需要耗费

9、大量的时间。仔细计算发现，要实现前面计算的最高数据传输率，用这种结构几乎是不可能的。 综合以上分析，要坚持使用MCS-51单片机作为前端控制机，就必须设计特殊的数据通道，解决存储容量和速度的问题。 分析喷墨印刷机的工作机制发现，前端控制机其实不需理解图像数据，它所要做的仅仅是对这些数据的操控，在适当的时机将适当的图像数据送到喷头。因此图像数据可以完全不通过单片机直接在单片机的同步下送到喷头，这样可省去单片机对存储图像数据的存储器的管理操作，加快系统的性能。 另外，图像数据在缓冲区中，无论是上位控制机向其写入，还是前端控制机从其中读出，都是严格按顺序进行的，因此可以使用具备先入先出性质的不需要复

10、杂寻址的FIFO存储器来取代原来需要复杂寻址的存储器。 还有，既然喷头是多个，每个喷头各自接收属于自己的数据，而只有当所有的喷头都正确接收到数据后才能进行一次喷头点火。那么，可以将向喷头写入数据的通道宽度定义为与喷头个数相同，如16喷头时采用16位宽，24喷头时采用24位宽。这样在宽度增加的情况下可适当降低数据的传送时钟，给CPU腾出更多的时间做其他的处理。综合以上思路，数据通路的结构方案如下： 1）图像数据不通过单片机，仅由单片机同步传输。 2）图像数据的输出位宽采用与喷头数目相同的数目，用统一的移位脉冲将图像数据同时打入喷头。 3）上位主控PC机与喷头之间建立一种带缓冲的图像数据通道，缓冲

11、采用FIFO存储器，FIFO存储器的输出位宽应与图像数据的位宽相同。 4）上位主控PC机与FIFO之间采用8位并行接口传输数据，也即FIFO输入的位宽应为8位。需要特殊的电路将这些数据分配到不同的FIFO中。由于印刷机的幅宽较大，图像数据从前端控制机传输到喷头小车要经过很长的距离（一般超过5m）。在这样长的传输距离上进行高速的数据传输，用普通的数据传输线无法达到要求。因而在系统中采用了RS 422传输协议，用双绞线差分传送图像数据。14 喷头小车行走单元 压电喷墨印刷机对喷头小车行走单元要求较高。喷头小车上不仅装有喷头，还装有喷头驱动板、喷头连接尾板、驱动板与尾板的连接电缆，另外还装有4个带浮

12、子液位开关的二级墨盒（假定是四色喷墨），由于喷头需要靠大气压将油墨“含”住，这些墨盒中的油墨必需与大气连通，不能将墨盒密封。为避免二级墨盒中的油墨溢出，喷头小车必须平稳运行。 为减少控制环节，节约单片机的时间，喷头小车行走采用开环控制，即位置控制方式。此种控制方式定位位置靠控制脉冲的数量来决定，运动速度靠控制脉冲的频率来决定。因此便于精确定位，但不利于调整速度。 生产印刷机的过程中不可避免地会产生机械加工误差。这些加工误差必须在系统调整时给以消除。为消除机械加工误差，使前端控制系统能普遍适用于各种型号的喷墨印刷机，要求印刷机上喷头小车的运动传动比能方便地改变，为此选用了松下公司生产的MINAS

13、 A系列交流伺服电动机，该系列电机的驱动器支持电子齿轮，调整电子齿轮即可调整每个控制脉冲对应电机旋转的角度。也即可方便的调整每步进脉冲对应的喷头小车的移动距离。喷头小车行走单元如图4，前端控制机向伺服驱动器发送步进方向和步进脉冲信号，命令伺服电机移动。伺服驱动器本身接受左、右两侧的行程限位开关的状态，保护喷头小车行程不超出轨道。伺服驱动器将轴上的零点位置信息发送给前端控制机，前端控制机同时检测机械原点开关的状态。当机械原点闭合且轴零点信号（Z）输出时，前端控制机确认喷印原点。伺服电机伺服驱动器前端控制机左限位开关机械原点开关右限位开关喷头小车喷头介质传感器介质方向脉冲轴零点图4 小车行走单元喷

14、头小车上另装有反射式光纤传感器作为介质传感器，以检测画布的宽度和起始的布端，以作为双面喷印的辅助支持装置。1.5 卷布单元 卷布单元有多种结构可选，但其基本结构都大同小异，都是通过电机驱动主动辊，靠主动辊与画布摩擦力带动画布前后移动的。其结构简图如图5。 喷墨印刷机对卷布单精度要求较高。采用XJ 128 喷头的印刷机的喷墨精度是0.137 mm，只有当卷布的精度小于0.0137mm时才能给系统调整提供足够的余量。影响卷布辊卷布精度的原因很多。电机的步进角，卷布辊的直径，卷布辊与布的摩擦力等都会影响卷布的精度。电机的步进角越小，卷布的精度越高。卷布辊的直径越小，卷布的步进精度越高，但摩擦力也越小

15、。摩擦力越大，布在辊上平移的可能性越小，卷布的精度也越高。 喷墨印刷机对卷布的速度要求则不高。因为卷布发生在每喷印行的端头，卷布的时间相对喷印一行所需的时间很短。速度稍低是可以接受的。卷布辊的运动是一种急起急停的运动，对卷布辊的转动惯量非常敏感。卷布辊的直径越大，卷布的速度越快。但转动惯量也越大，控制的难度也越大。步进电机减速机连轴节轴承轴承灯箱布卷布辊图5 卷布单元针对以上讨论，选用启动扭矩较大的步进电机。为提高卷布的步进精度、提高输出扭矩，步进电机与卷布辊之间应该加上减速机。减速机的速比不能太大，否则会因减速机内部的阻力太大而消耗电机的功率。 由于机械加工的原因，卷布辊的直径不会做到很小，

16、因而系统设计时必须准备针对转动惯量的措施。也必须在其他方面保证卷布的精度。初级墨盒H油墨泵二级墨盒空气喷头L图6 墨路示意图在实际的喷墨印刷机中，采用直径20 mm的卷布辊，40:1的减速机，德国Nugard公司的支持5000细分的步进电机和步进电机驱动器，就能满足绝大部分的喷印精度要求。1.6供墨单元 XJ 128喷头直立工作，喷孔向下。由于喷头内部墨腔中油墨重力的作用，如果不在墨腔上施加一定的负压，油墨就会自然从喷孔缓缓地流出，喷头无法进行正常的工作。 按Xaar公司的技术要求，供墨单元的墨路应该是图6的结构。 在喷头附近设置一组墨盒，称为二级墨盒。二级墨盒与空气连通，并保证墨盒中的液位与

17、喷孔之间有一定的高差H，墨盒与喷头之间连接的墨管小于一定的长度L。由于喷头是密封的，高差H保证了在喷头中形成一定的负压，长度L保证喷头在喷射时靠自身产生的负压能将墨盒中的油墨吸入喷头。由于L的规定比较严，二级墨盒必须与喷头同时固定在喷头小车上，为有效减轻喷头小车的质量，保证喷头小车的运行姿态，二级墨盒的容量不能很大。在大幅面的喷墨印刷机中，仅靠二级墨盒的容量是不能满足连续印刷的要求的。为此需要一个大容量的初级墨盒来给二级墨盒提供油墨。为实现自动供墨，初级墨盒与二级墨盒之间用油墨泵和墨管连接，在二级墨盒中间安装一个液位传感器，将传感器产生的液位状态送到供墨控制单元。由供墨控制单元向油墨泵发出指令

18、将油墨输送到二级墨盒中。延时电路驱动延时电路驱动延时电路驱动延时电路驱动24V24V驱动图7 供墨控制单元液位传感器是一个浮子型的开关。液位低于额定液位时开关闭合。供墨控制单元的电路如图7。其中延时电路的作用是消去浮子开关的抖动。只有当浮子开关闭合超过1秒时，电路才驱动对应的油墨泵工作，一旦开关断开，油墨泵立即停止工作，以防过度地输出油墨使二级墨盒溢出。无论哪个油墨泵工作，油墨泵控制电路都伴随有声音的输出，这样的设计能够及时提醒操作人员注意油墨的供应状态。以防止长时间工作烧坏油墨泵，同时也防止断墨或过度供墨的发生。1.7 负压供墨系统一般滚筒式喷绘机墨盒到喷头之间采用自然负压供墨方式，因为喷绘

19、时喷头的喷嘴位置可以高于墨盒的液面。平板式喷绘机喷绘时喷头的喷嘴位置必须低于墨盒的液面（墨盒与喷头同时在画面上移动），必须用外加的负压来使喷头与墨盒系统中保持一个合适的负压，否则喷头就会滴墨，也不能正常喷出。我们的负压供墨系统原理示意如下图。本系统控制电路独立，与其它系统不相关。负压泵保证负压分配罐和墨盒以及喷头系统有一个合适的负压。合适的负压指：喷嘴既不滴墨，又能喷出（用测试喷嘴命令或把纸放在喷嘴下检查）。负压泵工作状态由可调直流电源（18-24伏）控制，电压一旦调定，不要轻易改动。如环境温度发生较大变化，或负压泵、负压管道、负压调节阀、油墨种类等发生变动，须重新调整电压。2 驱动XJ128

20、压电喷头压电喷头的工作条件压电喷头的引脚功能供电时序保证手动测试实现3 运动控制 在压电式喷墨印刷机中，需要控制的运动主要是卷布辊的运动和喷头小车的运动，卷布辊在上布时和卸布时一般需要连续的前卷和后卷，而在印刷时则需要每印刷行结束时向前前进一个印刷步距。喷头小车的运动主要是在印刷时作往复运动。沿袭PAINTER I的设计，压电式印刷机的运动控制，仍采用开环式位置控制。这样可省去测速和位置检测等环节，节约制造成本。无论是驱动卷布辊的步进电机还是驱动伺服小车的伺服电机，二者的驱动器都采用方向加脉冲方式的控制信号。为提高抗干扰性，控制信号也采用双绞线差分方式传送。3.1 加减速的特性 为了加快印刷速

21、度，无论是卷布电机的运转还是喷头小车的运行都需要尽可能工作在较高的速度上。 由于卷布辊自身的惯量很大，而步进电机具有低速转矩大，高速转矩小的特性。如果直接运行在高速上需要较大的电机，且运动的平稳性能很难保证。为保证运转的平稳性，节约成本，采用小电机加变速运行的方式。即电机启动时有一个从低速到高速缓慢变化过程，而在停转前有一个由高速到底速缓慢变化的过程，运动过程是经过加速匀速减速3个阶段来完成的。 对于喷头小车，由于其上安装有与大气连通的二级墨盒，液体的特性也决定了喷头小车不能急起急停，也必须有加速-匀速-减速3个阶段。电机运行的速度曲线一般有3种，如图14所示。abc图14 典型的加减速曲线

22、a为无速度渐变的急起急停方式，b为匀加速渐变方式，c为s型加减速曲线方式，这里选用b方式。 即使是b方式，加减速也可以采用两种方法计算法和查表法。由于计算法耗费计算时间，因此选用查表法。表中速度是从头向尾递增的。如此定义的表格便于加减速使用同一表格。加速时，从头向尾查表；减速时，由尾向头查表。具体的加减速程序利用了定时器的定时中断。3.2 喷头小车的行程设计 喷头小车的运动行程主要包括如下几个阶段，为叙述方便假定原点在左边。1）系统启动时小车向左移动寻找原点。2）小车从原点出发。3）小车加速。4）喷印行程。5）为补偿机械回差的补偿行程。6）如从中间某部分起喷时移动到起始位的行程。 具体分析印刷

23、机的不同工作，喷头小车分如下几种工作行程。 1 开机复位运动 2 中途复位运动 3 从左向右喷印 4 从右向左喷印3.3 卷布电机的行程 相对于喷头小车，卷布的行程比较简单，仅由加速匀速减速三个阶段组成，但是由于卷布电机没有采用伺服电机，即它没有连续的电子齿轮，为此需在前端控制机中用软件制作一个电子齿轮。 软件将每个卷布步长定义成由若干个微步构成。微步的步进距离取决于电机自身及其细分电路，还取决于卷布辊的半径，一旦设备制造好了之后，微步的步距就已经固定。在系统调试阶段，调试人员通过调整每步长的微步数来改变步距。前端控制机中保存这个数值。这样在印刷工作中，上位机就不再关心每个微步的步距即机械结构

24、的数据，而仅简单以整数倍的步长进行控制了。 每个步长包含的微步数决定了可调整的精度。对16喷头的设备来说，如果允许8 pass(覆盖遍数)，则步长应为喷头长度的一半；若允许16 pass，则步长为喷头长度的四分之一。XJ 128喷头的长度为17.5mm，其四分之一为4.38mm，而可调整的精度应至少为点距的十分之一，即0.0137mm，因此允许16 pass时，步长应为320左右。卷布辊直径选定后，步进电机的细分能力的选型和减速机的选型应以此计算为依据。否则由于机械加工导致的误差很难在调试中修正。4 指令传输及解释 在喷墨印刷机中，前端控制机负责接收上位主控机发来的指令和图像数据，并依据指令进

25、行各种动作，将图像数据喷印到介质上。前面讨论过，前端控制机本身并不了解图像的内容细节，而仅仅是通过EPP端口接收数据、在FIFO中同步、分配，然后就直接将数据送到喷头。与图像数据不同，前端控制机必须理解指令，并对指令进行相应的响应，指挥运动单元、喷头单元等动作。由于上位机的指令传输不需要很高的速度，为避免与图像数据传输冲突，上位机与前端控制机之间的指令传输没有使用并行的EPP接口，而是采用串行的RS232接口。串行通信采用了38400的波特率，8比特传输，1个停止位，无校验位的帧格式。4.1 串行传输协议 上位机与前端控制机之间的指令传输以组为单位。每组的结构及收发协议如下： 1）每组长度固定

26、，以开始标识符开始，组内10个字符，最后一个字符是累加和校验字符。 2）发送方发送了开始标识符以后，要等待接收方的响应标识符。若收到响应标识符，则开始顺序将组内的10个字符发送。发送完所有的组内字符后再等待接收方的响应标识符。若收到响应标识符则表示本组信息发送完毕。若在指定的时间段内，发送方没有收到有效的响应标识符，则表示发送故障，此时发送方需要延时一段时间，再试图重新发送信息（从开始标识符开始）。 3）接收方在收到开始标识符后，应立即开始准备接收数据，然后回发响应标识符。接着，接收方要连续接收10个字符，并对其进行校验和校验。若校验和正确，则接收方要立即回发响应信号，通知发送方结束发送过程。

27、然后将接收到的10 个字符进行处理。若接收方进行校验和校验后，结果不正确，则接收方认为数据无效，不做任何响应，直接返回原来的程序即可。42 指令解释 指令解释程序是系统的后台程序，用于监视指令缓冲区BUF2,一但M2置位，则清零M2，对BUF2中的指令标识符进行识别工作。采用if-case结构对指令标识符进行识别，然后启动对应的指令执行程序。 由于绝大部分指令执行程序都是采用定时中断驱动的，因此指令解释程序仅是执行对应执行程序的初始化工作即可完成。 指令解释程序是系统的主循环，只要前台不动作，系统始终就工作在指令解释程序下。指令解释程序除解释上位机发来的指令以外，还负责解释系统内部产生的指令。

28、内部指令由系统执行某个指令的过程产生，或由某个按键中断产生，其功能与上位机发来的指令一样，用此种方式构成的程序便于调试。5 系统参数调整 喷墨印刷机中有许多参数与具体的机加尺寸有关。不同型号的设备，其机械尺寸差异较大，即使是同一型号同一批量的设备，也因机械加工及安装等的误差，其参数也有相当的不同。 1）喷头小车的行走步距。喷头小车的行走步距应为0.137mm ，系统在每个步距间发一个步进脉冲令伺服电机动作。但因减速机不同，同步带齿轮的半径不同，一个步进脉冲引发的喷头小车行走距离也有很大不同，因此需要有一个调整参数来修正这些改变。 2）喷头小车的水平回差。由于喷头小车是往复运动，机械系统的间隙会导致来回定位的点间有一定的误差。同时，油墨滴在从喷口喷出后有一定的惯性，这种惯性也导致回差的发生。为补偿这种运动回差，系统需保存一个调整参数。 3）起喷位置与原点的距离。印刷机的起喷位置在卷布胶辊的左边，但由于机械原点传感器安装时的误差，不同的设备