摘  要： 為了滿足市場對(duì)新一代高速高精度噴繪機(jī)的需求，提出了一套自行設(shè)計(jì)的基于計(jì)算機(jī)平臺(tái)的大幅面高速度多噴頭彩色噴繪機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，介紹了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)過程中遇到的幾個(gè)典型問題，并針對(duì)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(jī)；最小二乘法；T-V曲線

隨著大型噴繪機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的拓展與普及，社會(huì)對(duì)噴繪產(chǎn)品的需求量與日俱增，同時(shí)人們對(duì)噴繪產(chǎn)品質(zhì)量的要求也越來越高。優(yōu)良的噴繪機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和噴繪機(jī)噴頭性能高低是決定噴繪產(chǎn)品的質(zhì)量和噴繪機(jī)噴繪速度的關(guān)鍵，本實(shí)驗(yàn)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(jī)。該機(jī)器與國內(nèi)外市場現(xiàn)有機(jī)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(duì)大幅面紡織品的印染優(yōu)勢明顯。本文介紹了機(jī)器的總體設(shè)計(jì)，主要討論在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)[1-4]的軟硬件過程中遇到的一些問題，并針對(duì)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(jì)
    本系統(tǒng)可以由一臺(tái)PC機(jī)控制下運(yùn)行，采用新一代工業(yè)用壓電噴繪機(jī)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(jí)的墨滴，垂直運(yùn)動(dòng)采用仿步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制伺服電機(jī)，能實(shí)現(xiàn)1、2、4、8 pass的打印。
    因此，本噴繪系統(tǒng)采用獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)控制板和可組合的數(shù)據(jù)傳輸板以及各噴頭獨(dú)立的噴頭控制板結(jié)構(gòu)，方便調(diào)試、運(yùn)輸和部件更換，整體設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

1.1 硬件層次結(jié)構(gòu)
    本系統(tǒng)以PC機(jī)為總控制平臺(tái)，由圖像數(shù)據(jù)處理單元、機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制單元、噴頭控制單元、噴頭和電機(jī)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(gè)噴頭控制單元控制一個(gè)噴頭，一個(gè)圖像數(shù)據(jù)處理單元分發(fā)一組噴頭數(shù)據(jù)，一個(gè)機(jī)械控制單元協(xié)調(diào)X軸水平運(yùn)動(dòng)和Y軸垂直運(yùn)動(dòng)的控制。PC機(jī)總控制程序統(tǒng)籌數(shù)據(jù)的分發(fā)和總體運(yùn)動(dòng)的控制，實(shí)現(xiàn)了噴頭執(zhí)行噴繪任務(wù)、圖像數(shù)據(jù)傳輸和機(jī)械運(yùn)動(dòng)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(jī)控制平臺(tái)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(duì)應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)下載到每個(gè)圖像數(shù)據(jù)處理單元，圖像處理單元由FPGA和32位MCU對(duì)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(hào)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(hào)，噴頭仍需要高壓驅(qū)動(dòng)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(gè)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(duì)這個(gè)問題，系統(tǒng)解決方案是利用USB總線將參數(shù)由PC機(jī)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(dòng)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(shí)可以方便地對(duì)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(shí)時(shí)調(diào)整當(dāng)前噴頭的驅(qū)動(dòng)電壓以實(shí)現(xiàn)噴頭所噴出的墨點(diǎn)大小一致，提高噴繪產(chǎn)品的視覺效果。本系統(tǒng)解決這個(gè)問題的方法是利用噴頭內(nèi)置的溫度傳感器對(duì)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(hào)轉(zhuǎn)化為當(dāng)前的墨水溫度值，驅(qū)動(dòng)程序則通過查找事先存儲(chǔ)的墨水溫度與驅(qū)動(dòng)電壓輸出特性對(duì)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(duì)應(yīng)墨水溫度的驅(qū)動(dòng)電壓。
1.3 機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制單元
    機(jī)械控制單元協(xié)調(diào)X軸水平運(yùn)動(dòng)和Y軸垂直運(yùn)動(dòng)的控制，即媒體拖動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制與噴頭運(yùn)動(dòng)控制[5-6]。
    媒體拖動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)是通過電機(jī)來控制齒輪滾軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)布匹或者紙張運(yùn)動(dòng)進(jìn)行批量噴繪生產(chǎn)。由于噴繪機(jī)噴頭的寬度和數(shù)目是不變的，噴頭在單位時(shí)間內(nèi)的噴繪任務(wù)也是不變的，所以媒體拖動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制時(shí)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(jī)驅(qū)動(dòng)波形的頻率來使?jié)L軸進(jìn)行階段性的變速運(yùn)動(dòng)，應(yīng)在運(yùn)動(dòng)末尾階段設(shè)定一個(gè)減速階段，從而減少慣性對(duì)位移的影響。
    噴頭的運(yùn)動(dòng)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(hào)與機(jī)械原點(diǎn)信號(hào)來產(chǎn)生當(dāng)前噴頭小車距離原點(diǎn)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(hào)，通知上位機(jī)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(jì)數(shù)脈沖對(duì)兩組信號(hào)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(yùn)算就能保證產(chǎn)生的前后沿信號(hào)都是標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)時(shí)鐘周期，進(jìn)而可以獲得720 dpi的計(jì)數(shù)脈沖、位置計(jì)數(shù)及方向信號(hào)。位置計(jì)數(shù)用于計(jì)算點(diǎn)火范圍，計(jì)數(shù)脈沖和方向信號(hào)用于產(chǎn)生點(diǎn)火信號(hào)和雙向回差相位校正。因?yàn)橐捎帽容^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(jì)數(shù)器的位數(shù)選擇計(jì)算如下，畫面采用720 dpi定位，因此每英寸有720個(gè)計(jì)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(jì)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(diǎn)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(jì)算的符號(hào)，而各個(gè)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(jì)
2.1 對(duì)T-V曲線的優(yōu)化
    在設(shè)計(jì)噴頭驅(qū)動(dòng)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(jì)精度要求為0.1)，如果直接存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)將耗費(fèi)巨大的存儲(chǔ)空間，那么如何基于上述硬件設(shè)計(jì)在保證噴繪實(shí)時(shí)性和節(jié)省存儲(chǔ)空間的前提下處理這些數(shù)據(jù)是一個(gè)較為棘手的問題，下面給出兩種設(shè)計(jì)方案。
    第一種方案是利用多項(xiàng)式對(duì)T-V曲線進(jìn)行擬合。如果采用這種方案，首先要將計(jì)算好的多項(xiàng)式V=f(T)的相關(guān)參數(shù)事先存入驅(qū)動(dòng)程序，這樣極大地節(jié)省了存儲(chǔ)空間，因?yàn)樾枰鎯?chǔ)的僅僅是多項(xiàng)式的若干常數(shù)項(xiàng)。當(dāng)MCU接收到溫度采樣數(shù)據(jù)時(shí)，直接將數(shù)據(jù)代入實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)的多項(xiàng)式內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，然后將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行輸出。但是經(jīng)過計(jì)算，該項(xiàng)目的這組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的多項(xiàng)式次冪數(shù)高的不可容忍，在進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)，產(chǎn)生大量的浮點(diǎn)數(shù)乘法運(yùn)算，極大地增加了MCU的負(fù)擔(dān)，實(shí)時(shí)性差。
    第二種方案是利用最小二乘法曲線擬合對(duì)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(duì)曲線進(jìn)行動(dòng)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(chǔ)對(duì)應(yīng)的斜率值和常數(shù)項(xiàng)兩個(gè)參數(shù)即可，在進(jìn)行數(shù)據(jù)還原時(shí)只需進(jìn)行一次乘法運(yùn)算和一次加法運(yùn)算。在測試中，該方案實(shí)際的運(yùn)行達(dá)到了項(xiàng)目的指標(biāo)，滿足實(shí)時(shí)性與存儲(chǔ)空間的要求，被最終采用。
    綜上，實(shí)時(shí)性最優(yōu)的方案是直接存儲(chǔ)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(jì)算，但是這樣極大地浪費(fèi)了MCU的存儲(chǔ)空間，但在存儲(chǔ)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(fèi)存儲(chǔ)量最小的方案是利用多項(xiàng)式對(duì)T-V曲線進(jìn)行擬合，通過存儲(chǔ)多項(xiàng)式參數(shù)來實(shí)現(xiàn)T-V的數(shù)據(jù)還原，此方案在多項(xiàng)式次冪數(shù)低、實(shí)時(shí)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(jì)
    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(dòng)電壓的輸出控制，CPLD則主要負(fù)責(zé)像素?cái)?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(shí)器中斷處理等模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴頭驅(qū)動(dòng)電壓的控制。
    CPLD則主要負(fù)責(zé)噴頭所需時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生、配置數(shù)據(jù)和像素?cái)?shù)據(jù)的編碼，驅(qū)動(dòng)IC溫度檢測及報(bào)警信號(hào)發(fā)出，驅(qū)動(dòng)電壓輸出控制等功能。
    MCU驅(qū)動(dòng)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(jī)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?jiǎng)t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(jì)算出當(dāng)前應(yīng)輸出的驅(qū)動(dòng)電壓。此時(shí)如果接收到圖像處理單元的噴頭數(shù)據(jù)配置完成信號(hào)并且噴頭驅(qū)動(dòng)IC溫度檢測正常，則開始對(duì)高壓進(jìn)行脈寬調(diào)制并輸出驅(qū)動(dòng)電壓，否則繼續(xù)實(shí)時(shí)采集當(dāng)前墨水溫度和計(jì)算當(dāng)前應(yīng)輸出的驅(qū)動(dòng)電壓。

    本噴頭系統(tǒng)利用MCU和CPLD在數(shù)字信號(hào)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(jì)算任務(wù)，滿足了大型噴繪機(jī)對(duì)高速高精度的要求，提高了工作效率。
    本噴繪機(jī)經(jīng)測試，達(dá)到了客戶對(duì)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(yùn)動(dòng)可以達(dá)到720 dpi的分辨率，點(diǎn)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(shí)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?cái)?shù)據(jù)的傳輸，在噴繪高清晰度圖像時(shí)像素?cái)?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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