基于計算機平臺的多噴頭噴繪機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要： 為了滿足市場對新一代高速高精度噴繪機的需求，提出了一套自行設(shè)計的基于計算機平臺的大幅面高速度多噴頭彩色噴繪機控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，介紹了控制系統(tǒng)的設(shè)計思想以及各控制子模塊之間的層次結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系，深入討論了在系統(tǒng)實現(xiàn)過程中遇到的幾個典型問題，并針對這些問題給出了具體的解決方案。經(jīng)研究測試，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高速噴繪全彩色高清晰畫面，目前處于業(yè)界領(lǐng)先水平。
關(guān)鍵詞： 控制系統(tǒng)；多噴頭噴繪機；最小二乘法；T-V曲線

隨著大型噴繪機應(yīng)用領(lǐng)域的拓展與普及，社會對噴繪產(chǎn)品的需求量與日俱增，同時人們對噴繪產(chǎn)品質(zhì)量的要求也越來越高。優(yōu)良的噴繪機系統(tǒng)設(shè)計和噴繪機噴頭性能高低是決定噴繪產(chǎn)品的質(zhì)量和噴繪機噴繪速度的關(guān)鍵，本實驗室引進(jìn)一種新型高DPI工業(yè)用壓電噴頭，研制出一種新型高速多噴頭彩色噴繪機。該機器與國內(nèi)外市場現(xiàn)有機器相比，具有高速度、高質(zhì)量、高分辨率、適用于多種噴繪材質(zhì)等優(yōu)勢，特別是對大幅面紡織品的印染優(yōu)勢明顯。本文介紹了機器的總體設(shè)計，主要討論在設(shè)計控制系統(tǒng)[1-4]的軟硬件過程中遇到的一些問題，并針對這些問題給出了較優(yōu)的解決方案。
1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
本系統(tǒng)可以由一臺PC機控制下運行，采用新一代工業(yè)用壓電噴繪機噴頭，每噴頭510孔，180 dpi，為了提高噴繪速度，采用分組噴頭，每組6色或者8色，共3～6組可選，支持打印1～4灰度等級的墨滴，垂直運動采用仿步進(jìn)電機的開環(huán)控制伺服電機，能實現(xiàn)1、2、4、8 pass的打印。
因此，本噴繪系統(tǒng)采用獨立的運動控制板和可組合的數(shù)據(jù)傳輸板以及各噴頭獨立的噴頭控制板結(jié)構(gòu)，方便調(diào)試、運輸和部件更換，整體設(shè)計圖如圖1所示。

1.1 硬件層次結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)以PC機為總控制平臺，由圖像數(shù)據(jù)處理單元、機械運動控制單元、噴頭控制單元、噴頭和電機組五大單元組成。考慮到噴繪的高速度和高精度的客戶需求，采用一個噴頭控制單元控制一個噴頭，一個圖像數(shù)據(jù)處理單元分發(fā)一組噴頭數(shù)據(jù)，一個機械控制單元協(xié)調(diào)X軸水平運動和Y軸垂直運動的控制。PC機總控制程序統(tǒng)籌數(shù)據(jù)的分發(fā)和總體運動的控制，實現(xiàn)了噴頭執(zhí)行噴繪任務(wù)、圖像數(shù)據(jù)傳輸和機械運動控制的并行化。
1.2 噴頭控制單元邏輯結(jié)構(gòu)
噴頭控制單元的邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示，PC機控制平臺根據(jù)所需載入的圖像數(shù)據(jù)設(shè)定好噴繪參數(shù)，通過USB總線把對應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)下載到每個圖像數(shù)據(jù)處理單元，圖像處理單元由FPGA和32位MCU對噴繪數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過數(shù)據(jù)分流傳輸接口與噴頭控制單元進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)傳輸，再經(jīng)過噴頭控制單元內(nèi)CPLD進(jìn)行信號分配解碼與同步，將數(shù)據(jù)通過噴頭排線傳輸?shù)絿婎^。

然而，除了上述數(shù)據(jù)信號，噴頭仍需要高壓驅(qū)動才能執(zhí)行噴繪任務(wù)。由于噴頭工業(yè)生產(chǎn)工藝的問題，系統(tǒng)所采用的噴頭的墨水腔容積總存在微小差別，即每個噴頭的容積電壓參數(shù)值是不同的，所以不能靜態(tài)寫入程序中。針對這個問題，系統(tǒng)解決方案是利用USB總線將參數(shù)由PC機控制窗口寫入圖像數(shù)據(jù)處理單元，再由該單元通過I2C總線動態(tài)加載入噴頭控制單元。經(jīng)過測試，該方案能很好地克服這一工藝缺陷，而且在更換噴頭時可以方便地對容積電壓參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。
此外，由于噴頭內(nèi)部所盛墨水的溫度不同，系統(tǒng)需要實時調(diào)整當(dāng)前噴頭的驅(qū)動電壓以實現(xiàn)噴頭所噴出的墨點大小一致，提高噴繪產(chǎn)品的視覺效果。本系統(tǒng)解決這個問題的方法是利用噴頭內(nèi)置的溫度傳感器對噴頭內(nèi)部所盛墨水的溫度進(jìn)行溫度采樣，并將采樣電壓輸入到噴頭控制單元的8位MCU的10位A/D通道，MCU通過A/D轉(zhuǎn)換器將采樣信號轉(zhuǎn)化為當(dāng)前的墨水溫度值，驅(qū)動程序則通過查找事先存儲的墨水溫度與驅(qū)動電壓輸出特性對應(yīng)表，即T-V曲線，查找出應(yīng)該輸出的電壓值，最后通過PWM脈寬調(diào)制加載的高電壓，輸出對應(yīng)墨水溫度的驅(qū)動電壓。
1.3 機械運動控制單元
機械控制單元協(xié)調(diào)X軸水平運動和Y軸垂直運動的控制，即媒體拖動機構(gòu)運動控制與噴頭運動控制[5-6]。
媒體拖動機構(gòu)運動是通過電機來控制齒輪滾軸轉(zhuǎn)動，從而帶動布匹或者紙張運動進(jìn)行批量噴繪生產(chǎn)。由于噴繪機噴頭的寬度和數(shù)目是不變的，噴頭在單位時間內(nèi)的噴繪任務(wù)也是不變的，所以媒體拖動機構(gòu)的運動步長位移是固定的。但是測試的過程中由于滾軸的力矩和質(zhì)量過大，采用較高的勻速運動控制時產(chǎn)生了較大的慣性，使步長位移產(chǎn)生了過量現(xiàn)象。為了克服這一缺陷，這里采用了通過調(diào)節(jié)步進(jìn)電機驅(qū)動波形的頻率來使?jié)L軸進(jìn)行階段性的變速運動，應(yīng)在運動末尾階段設(shè)定一個減速階段，從而減少慣性對位移的影響。
噴頭的運動控制采用光柵尺位移傳感器進(jìn)行直線位移檢測，通過接收來自光柵的差分脈沖編碼信號與機械原點信號來產(chǎn)生當(dāng)前噴頭小車距離原點的位置，并將其與噴繪的起始位置和結(jié)束位置進(jìn)行比較，得出噴繪區(qū)間信號，通知上位機進(jìn)行控制。其中光柵正交脈沖解碼模塊，采用分辨率為180 dpi的光柵尺，利用計數(shù)脈沖對兩組信號的前后沿都進(jìn)行檢測鎖存，利用第一次的鎖存結(jié)果與第二次的鎖存結(jié)果進(jìn)行非運算就能保證產(chǎn)生的前后沿信號都是標(biāo)準(zhǔn)的一個時鐘周期，進(jìn)而可以獲得720 dpi的計數(shù)脈沖、位置計數(shù)及方向信號。位置計數(shù)用于計算點火范圍，計數(shù)脈沖和方向信號用于產(chǎn)生點火信號和雙向回差相位校正。因為要采用比較多的比較器，因此表示位置的數(shù)據(jù)位要仔細(xì)選擇。位置計數(shù)器的位數(shù)選擇計算如下，畫面采用720 dpi定位，因此每英寸有720個計數(shù)值，而噴頭小車行走的有效行程為5 m，即197英寸，使用的計數(shù)值為197×720=141 840=22A10H，需占用18 bit，考慮可能出現(xiàn)小車過沖原點的情況，即位置可能出現(xiàn)負(fù)數(shù)，因此采用19 bit比較合適，最高位僅用于判斷計算的符號，而各個寄存器都采用18 bit來保存數(shù)據(jù)。
2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
2.1 對T-V曲線的優(yōu)化
在設(shè)計噴頭驅(qū)動板的過程中，由于T-V曲線表的數(shù)據(jù)量過于龐大，(從-20 ℃～+90 ℃，設(shè)計精度要求為0.1)，如果直接存儲這些數(shù)據(jù)將耗費巨大的存儲空間，那么如何基于上述硬件設(shè)計在保證噴繪實時性和節(jié)省存儲空間的前提下處理這些數(shù)據(jù)是一個較為棘手的問題，下面給出兩種設(shè)計方案。
第一種方案是利用多項式對T-V曲線進(jìn)行擬合。如果采用這種方案，首先要將計算好的多項式V=f(T)的相關(guān)參數(shù)事先存入驅(qū)動程序，這樣極大地節(jié)省了存儲空間，因為需要存儲的僅僅是多項式的若干常數(shù)項。當(dāng)MCU接收到溫度采樣數(shù)據(jù)時，直接將數(shù)據(jù)代入實現(xiàn)存儲的多項式內(nèi)進(jìn)行計算，然后將計算結(jié)果進(jìn)行輸出。但是經(jīng)過計算，該項目的這組數(shù)據(jù)對應(yīng)的多項式次冪數(shù)高的不可容忍，在進(jìn)行數(shù)據(jù)計算時，產(chǎn)生大量的浮點數(shù)乘法運算，極大地增加了MCU的負(fù)擔(dān)，實時性差。
第二種方案是利用最小二乘法曲線擬合對T-V曲線進(jìn)行逼近。該方案在精度保證的情況下，利用最小二乘法對曲線進(jìn)行動態(tài)劃分，將T-V曲線劃分成若干條單調(diào)的直線，因此每條直線只需存儲對應(yīng)的斜率值和常數(shù)項兩個參數(shù)即可，在進(jìn)行數(shù)據(jù)還原時只需進(jìn)行一次乘法運算和一次加法運算。在測試中，該方案實際的運行達(dá)到了項目的指標(biāo)，滿足實時性與存儲空間的要求，被最終采用。
綜上，實時性最優(yōu)的方案是直接存儲T-V參數(shù)表，這樣根據(jù)讀入的溫度數(shù)據(jù)直接查表即可，無需進(jìn)行計算，但是這樣極大地浪費了MCU的存儲空間，但在存儲空間允許或者是參數(shù)表比較小的情況下是可以采用的。而耗費存儲量最小的方案是利用多項式對T-V曲線進(jìn)行擬合，通過存儲多項式參數(shù)來實現(xiàn)T-V的數(shù)據(jù)還原，此方案在多項式次冪數(shù)低、實時性要求不高的情況下是可以采用的。
2.2 基于MCU與CPLD進(jìn)行噴頭控制的設(shè)計
本系統(tǒng)的噴頭控制由8位MCU和CPLD協(xié)調(diào)完成，MCU負(fù)責(zé)驅(qū)動電壓的輸出控制，CPLD則主要負(fù)責(zé)像素數(shù)據(jù)的配置。
MCU主要包含LED顯示與按鍵控制、A/D轉(zhuǎn)換、PWM輸出、Flash自編程、定時器中斷處理等模塊，實現(xiàn)對噴頭驅(qū)動電壓的控制。
CPLD則主要負(fù)責(zé)噴頭所需時鐘信號的產(chǎn)生、配置數(shù)據(jù)和像素數(shù)據(jù)的編碼，驅(qū)動IC溫度檢測及報警信號發(fā)出，驅(qū)動電壓輸出控制等功能。
MCU驅(qū)動程序流程如圖3所示，噴頭控制板上電后，MCU首先初始化各寄存器，并開始與上位機進(jìn)行通信，判斷是否需要重新設(shè)定相關(guān)參數(shù)，如果需要則接收參數(shù)，否則直接由指定Flash地址讀出相關(guān)參數(shù)，接著采集當(dāng)前墨水溫度，并將采集結(jié)果代入T-V曲線，計算出當(dāng)前應(yīng)輸出的驅(qū)動電壓。此時如果接收到圖像處理單元的噴頭數(shù)據(jù)配置完成信號并且噴頭驅(qū)動IC溫度檢測正常，則開始對高壓進(jìn)行脈寬調(diào)制并輸出驅(qū)動電壓，否則繼續(xù)實時采集當(dāng)前墨水溫度和計算當(dāng)前應(yīng)輸出的驅(qū)動電壓。

本噴頭系統(tǒng)利用MCU和CPLD在數(shù)字信號處理方面各自的優(yōu)勢并行工作，能高效地完成大數(shù)據(jù)量的傳輸和計算任務(wù)，滿足了大型噴繪機對高速高精度的要求，提高了工作效率。
本噴繪機經(jīng)測試，達(dá)到了客戶對噴繪效果和速度的要求。打印幅寬可以達(dá)到3.2 m，水平運動可以達(dá)到720 dpi的分辨率，點火頻率可以達(dá)到14 kHz以上，具有外吐功能，能在噴頭閑置時進(jìn)行周期性吐墨，避免了噴頭堵塞。在國際市場上處于領(lǐng)先水平。但是由于利用USB總線進(jìn)行像素數(shù)據(jù)的傳輸，在噴繪高清晰度圖像時像素數(shù)據(jù)傳輸速度相比噴頭的吞吐速度慢，所以如果有一種更高速的數(shù)據(jù)傳輸通道來代替USB進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，則有進(jìn)一步提升噴繪效率的空間。
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