数码印花设备喷印系统与印花效果关系的研究

发布时间：2016-06-08 22:25

第一章  绪论

1.1  课题研究的背景
随着经济的快速发展，喷墨印花设备在纺织、广告印刷、装饰装潢、摄影等领域都有了非常广泛而深入的发展，由此带动了整个数码喷墨印花产业的迅猛发展。与传统喷墨印花设备相比，数码喷墨印花是用扫描仪、数字摄像机、数字照相机等输入手段，将图案以数字形式输入到计算机，经过图像软件处理后，再通过计算机控制的数字喷墨印花机，直接将墨水喷射到各种纤维织物上，印制出所需的各种图案的一种印花技术[1]。相对于传统喷印设备，数码印花设备具有打印质量高、速度快、打印介质灵活、打印模式多样的优点。进入 21 世纪后人们越来越重视个性定制和视觉体验，因此数码印花行业具有十分广阔的发展和应用前景。 数码印花技术融合了艺术性和科技性的特点，同时又贴近生活，给纺织印染行业带来了前所未有的个性化体验[2]。这种新型印花技术污染小、能耗低，完美诠释了绿色生产的环保潮流，由于其无需印前处理，极大的降低了设计打样的成本，缩短了设计、生产周期。实现了在任意纺织面料上按需喷印图像，完美体现了“所见即所得”的内涵[3]。数字喷墨印花将传统纺织工艺和现代科技技术相结合，改变了过去人们对于纺织印染行业的观念，使之由劳动密集型向技术密集型转变，与此同时数字喷墨印花技术也改变了印染行业的生产经营理念。因此，业界人士认为，数字喷墨印花技术是 21 世纪印染工业实现技术革命的关键技术之一[4]。 目前，国内大多数从事数码印花设备生产的企业，仍未充分掌握数码喷墨印花设备的关键核心技术。这些企业生产的数码喷墨印花设备在机械结构方面大量仿制欧美、日本等发达国家生产的产品，而控制板卡方面则依赖于国内几家从事数码喷墨印花控制方案供应商，甚至个别企业只进行零配件的组装，这种生产方式不仅竞争力弱，而且利润率极低。 随着国产喷墨印花设备的快速发展，国内处于行业领先地位的几家公司如杭州研华、郑州乐彩等企业也已经研发出多个系列的具有自主知识产权的喷墨印花设备，但是相对于国外品牌仍有较大差距。主要体现在运动协调控制、喷头时序控制和图片数据处理方面。由于数码喷墨印花设备对机器的机构运动协调能力和性能以及喷印控制时序要求较高，目前国产数码喷墨印花设备在运动控制方面普遍存在定位精度低、运动平稳性差、运动协调性差及存在累计误差等问题；在喷头方面目前行业内多采用压电式喷墨打印头，由于国内厂商的科研实力较弱，目前对喷头的控制方面还存在色彩还原度差、色彩渐变效果差、图像存在噪点等问题。 
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1.2 数字喷墨印花设备及其喷印系统的国内外研究现状及发展 
印染行业是一个技术密集型行业，先进的装备和加工工艺是生产高质量印花产品的前提。随着数字集成技术的发展，数字喷墨印花技术获得了前所未有的发展，数字喷墨印花技术是基于细小流体分裂成液滴的原理，而开发的一种新印花方式。是当今印染行业的先机技术，其发展过程经历如下阶段: （1）1948 年瑞典的 Siemens Elema 申请了第一个利用连续墨水分裂成液滴来记录信号的专利。20 世纪 60 年代，美国斯坦福大学的研究人员成功的研制出了世界上第一台连续喷墨打印机，其原理是通过对喷出的液滴施加电荷，从而控制液滴的喷射方向，有选择地将液滴喷射到喷印介质上形成图案，其余液滴进入液滴回收装置[3]。 （2）20 世纪 70 年代，美国的 IBM 和日本的佳能等公司先后推出应用于办公室的喷墨打印机，这些公司的早期产品效率低、墨水浪费严重，打印成本偏高，后期推出的热气泡连续打印机采用按需喷墨打印方式，节约了墨水用量，改变了人们对打印机的认识[4-5]。 （3）20 世纪 90 年代，数码喷墨印花技术开始应用于纺织品，，最具代表的是1992 年奥地利 ZIMMER 公司生产的地毯数码喷射印花机，采用连续喷墨式印花方式，但是样机分辨率只有 18dpi。在 1995 年举办的意大利米兰国际展览会上，日本 MIMAKI 公司展出的数码喷墨印花机分辨率有了显著提高，达到 720dpi。但是印花速度较慢，只有 4.6m2/h[6]。 
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第二章  提高印花质量的喷印系统改进方案设计 

数码印花机属于高精密、高科技产品，印花质量受到喷头控制方式和运动伺服单元综合影响，因此研究喷印系统控制方式与印花效果的关系对于获得高质量印花效果变得尤为重要。本章在分析了喷印设备工作原理、数字喷墨印花机的喷墨成像原理的基础上，深入研究针对 DY1601 型印花机存在的影响印花质量的问题，从喷印成像单元系统和运动控制单元两个方面提出了高质量喷印控制系统的改进方案。 

2.1 喷印设备工作原理分析 
数字喷墨印花机又名万能平板打印机。其打印介质为软、硬性物体，例如：金属，陶瓷，水晶，玻璃，亚克力，石材，PVC，塑料，玩具，U 盘，布料，木质，硅胶，皮革等[5]。数码印花机无需直接接触被打印物体，通过墨水喷射的方式完成打印和染色，不会因热量和压力而发生变形等现象，利用电脑的直接输出打印方式，不用在前期做任何准备打印工作。 数码喷墨印花机印花原理是通过喷印点多次叠加实现。如图 2-1 所示，喷印小车伺服电机通过减速齿轮带动同步带拖动压电式喷头在导轨上横向循环往复运动，在数码喷墨印花机横梁上固定了横向导轨和编码尺，运动过程中喷印小车上安装的光栅解码头将读取到的正交编码信号反馈到喷印控制主板[4]；完成一次横向打印任务后，喷印介质伺服电机通过走纸机构拖动喷印介质移动相应位移，然后电机反转拖动喷头完成反向行程打印，以此循环往复，直到这个图片打印完成。 印花时由上位机印花控制软件发送开始打印指令，当 FPGA 主控板接收到印花数据后，首先将印花数据缓存到主控板上的 SDRAM 中，FPGA 主控板向喷印小车伺服系统发送驱动信号，喷印小车伺服电机带动喷头开始水平左右移动，当喷头小车达到制定印花起始点并且进入匀速阶段时，喷印控制主板上的 FPGA 主芯片将从 SDRAM 中取出印花数据，并按照印花时序依次发送到喷头数据线上，然后喷头小车进行扫描式喷墨印花。喷头小车一次印花行程结束后，FPGA 主控板向喷印介质伺服系统发出脉冲控制信号，拖动喷印介质在进布方向上移动相应距离。接着 FPGA 主控板接收下一行印花数据，FPGA 主控板向喷印小车伺服系统发送电机反向行驶指令，使喷头进行反向行程的印花工作[13]。如此循环，直到整幅图像印花结束。当 FPGA 主控板完成整幅印花任务后，驱动喷印小车伺服电机，使喷头小车返回到导轨的最右边，即零点位置。另外 FPGA 主控板还要实现喷孔测试、步进测试、喷头物理位置测试、人机操作及测试印花介质宽度等任务，并产生相应的控制信号，驱动喷印小车和喷头。 
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2.2 数字喷墨印花机的喷墨原理 

喷印设备按照喷头喷墨方式的不同可以分为两大类，一类是按需式喷墨（Drop on demand , DOD），另一类连续式喷墨（Continuous Ink-Jet , DIJ）。其中按需式喷墨型印花机又可以分为热气泡式、静电式、压电式和音波式；连续式喷墨印花机又分为二值偏转式和多值偏转式[15]。连续式喷墨印花机上配置有供墨系统，在压电驱动装置在电压信号的作用下将腔室内的液体经由喷孔喷出。此时喷出的液体变为不均匀的液串，液串经过电极板的过程中受到静电力的作用，不均匀的液串变为大小、形态均匀且带静电的液滴。在进入电极板之前液滴沿直线方向前进，在通过偏转电极后墨滴的飞行方向发生改变，需要打印的墨滴飞向移动的基板上，不带电荷的墨滴回到回收器中，以便重复使用。根据偏转电极的种类，对墨滴的飞行方向的控制方式分为二维偏转和多维偏转。因为此种模式的液滴生成是不间断地，所以称此模式为连续喷墨式。如图 2-2 所示。 

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第三章  喷印运动伺服单元控制原理分析 .... 16 
3.1  高质量印花对喷印伺服驱动单元的要求 ...... 16 
3.1.1  喷印介质伺服单元需求分析 .......... 16 
3.1.2  喷印小车伺服单元需求分析 .......... 17 
3.2  永磁同步电机数学模型 ...... 18 
3.3 永磁同步电机矢量控制算法 ...... 19
3.4 SVPWM 原理与实现 .... 24
3.5 SVPWM 的 Simulink 仿真 ......... 28 
3.6 本章小结 .......... 30 
第四章  喷印运动伺服单元设计 ...... 31 
4.1  喷印运动伺服单元总体设计 ..... 31 
4.2 关键硬件电路设计 ........ 31 
4.3  喷印运动伺服控制单元软件设计 .... 34 
4.3.1 软件设计需求 ....... 35 
4.3.2  软件总体框架 ...... 35 
4.3.2  软件控制算法 ...... 38 
4.4  上位机调试软件设计 .......... 42 
4.5 本章小结 .......... 42 
第五章  喷印成像单元控制方法设计 ..... 43 
5.1 数码印花的喷印成像原理 .......... 43 
5.2 压电式喷头的工作原理 ....... 44 
5.3  喷印成像控制单元方案设计 ..... 45 
5.4  喷头控制时序仿真及分析 ......... 49 
5.5  本章小结 ......... 51 

第六章  实验结果及分析 

前文通过分析喷印系统控制方式与印花效果的关系入手，从运动伺服单元和喷印成像单元两方面对系统存在的问题提出了改进方案，完成方案设计后需要进行实际的调试，针对实际测试的结果对存在的问题进行修正，以满足高质量印花需求。 

6.1  喷印伺服单元测试结果及其分析  
根据以上软硬件功能设计完成了基于 STM32F103RBT6 为主控芯片的永磁同步电机控制单元，整个伺服驱动控制单元由伺服驱动功率板和伺服驱动控制板构成，功率板和控制板通过信号连接线连接。选用电机为 57BL01 系列 180W 永磁同步电机，自带 1000 线光电编码器。功率板如图 6-1 所示，控制板如图 6-2所示，图 6-3 为永磁同步电机，为了方便调试，控制板设计了串口接口，同时安装了 OLED 显示屏幕，可以实时观测数据。同时控制板硬件上配置了 EEPROM芯片，可以存储用户参数。 速度模式下，采用电流、速度双闭环，电流环作为控制闭环的内环，速度环作为外环。电流环作为内环响应速度快，当电机定子电流产生扰动时，必须快速进行调节，以降低转矩脉动；同时稳态时要达到电流无静差。为了满足上述要求电流环采用 PI 控制[23]，电流环的输出作为速度环的输入。图 6-4 表示为喷头运动伺服单元分别在给定转速在 1500rpm 和 2000rpm 启动时的速度阶越响应曲线，实验结果如图 6-4 所示。 
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总结 

论文研究的对象为 DY1601 型数码印花机，本文首先分析了喷印系统控制方式与印花效果之间的关系，进而对影响喷印设备印花精度和质量的因素进行了深入研究，提出了高质量、高精度喷墨印花改进方案设计，完成了预期的研究任务。论文主要完成了以下工作： 
（1）深入了解数码印花技术的背景及发展状况，对数码印花设备进行了简要介绍。针对国内数码印花设备在高质量印花方面存在的问题进行归纳与总结，在此基础上提出了课题研究的意义。 
（2）从数码印花设备工作原理和喷墨原理入手，分析了喷印系统控制方式与印花效果之间的关系。针对目前 DY1601 型印花机所采用的喷印控制方式在定位精度、喷头速度稳定性、喷印点质量和噪点数量等方面存在的问题，从运动控制和喷头控制两个方面提出了喷印控制系统改进方案。数码印花设备运动伺服单元主要包括喷头运动控制和喷印介质运动控制，针对喷头运动单元存在的力矩波动大，匀速稳定性差和定位精度差和喷印介质运动单元在高速时出现的失步现象，本文提出采用永磁同步电机矢量控制方式的电流、速度、位置三闭环控制方法。针对喷印成像单元采用单段点火电压而造成的喷印点不规则、图像过渡效果差和噪点数量过多问题，提出采用两段式点火电压控制方案。 
（3）通过对数码印花设备传动结构和运动参数的分析，提出高质量印花系统对运动伺服单元的要求。建立永磁同步电机数学模型，对永磁同步电机矢量控制算法进行数学公式推导，并用 MATLAB 自带的 Simulink 建立了仿真模型，进行矢量控制仿真分析。 
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参考文献(略)

本文编号：55022