導語：數(shù)控系統(tǒng)設計論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1陣列雙模式噴印平臺的設計

數(shù)控技術利用數(shù)字信號控制執(zhí)行機構(gòu)完成某種功能，實現(xiàn)自動化。隨著我國計算機技術的變革，微小型計算機數(shù)字控制CNC是當今制造高精度、高質(zhì)量以及形狀復雜產(chǎn)品的基礎設施，屬于制造技術的關鍵環(huán)節(jié)。對于一般數(shù)控系統(tǒng)組織，運算器接收、運算、處理輸入裝置的指令或數(shù)據(jù)，并不斷向輸出裝置送出運算結(jié)果?？刂破髂芨鶕?jù)指令控制運算器和輸出裝置來實現(xiàn)各種操作及控制整機的循環(huán)工作，使數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行所要求的運動，其中伺服驅(qū)動把來自控制器的脈沖信號經(jīng)過功率放大、整形后，轉(zhuǎn)換成執(zhí)行部件的平移、進給或旋轉(zhuǎn)等運動，主要包括驅(qū)動裝置和執(zhí)行結(jié)構(gòu)兩大部分。驅(qū)動裝置由進給驅(qū)動單位電機、主軸驅(qū)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(zhí)行機構(gòu)根據(jù)控制器發(fā)出的指令信號，完成驅(qū)動裝置對系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)和進給運動的控制。作為數(shù)控系統(tǒng)改進生產(chǎn)設備的實例，數(shù)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(zhì)量越來越受到用戶的青睞。數(shù)字噴印吸收噴墨打印等新技術，墨水經(jīng)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(nèi)部微處理器監(jiān)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(jīng)調(diào)研，市場上還沒有針對薄膜開關制造工藝而開發(fā)的專業(yè)噴印設備，部分生產(chǎn)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(chǎn)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(guī)模化生產(chǎn)。廣州某公司生產(chǎn)的平板噴印機，采用陶瓷壓電式工業(yè)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?qū)ξ焕щy，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(tǒng)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(xiàn)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(shù)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(shù)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(shù)字控制器現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA），DSP，PC及軟件，由程序協(xié)調(diào)操作FPGA等多芯片運作，同時解決數(shù)據(jù)分配、時分信號和信號優(yōu)化等數(shù)據(jù)處理問題。在數(shù)控系統(tǒng)中可以利用FPGA處理接口板與上位主控板之間的數(shù)據(jù)傳輸，接收下位伺服的反饋信號，監(jiān)測伺服電機的工作狀態(tài)。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(gòu)建精確位置控制系統(tǒng)。以PLC控制變頻電機為執(zhí)行元件，通過RS-485通信實現(xiàn)驅(qū)動單元的遠程控制，提高系統(tǒng)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(shù)控系統(tǒng)的核心技術，噴印平臺簡化了傳統(tǒng)工藝流程，只需改變電氣參數(shù)就能完成不同的噴印任務，不需要為新產(chǎn)品的每一次改動而制作網(wǎng)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(tài)噴頭陣列與4通道動靜雙模式噴印模組構(gòu)造，雙模式構(gòu)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(chǎn)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(shù)數(shù)控噴印平臺系統(tǒng)，既有平移、旋轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)協(xié)調(diào)、時控合理，核心控制模塊采用WDM類設備驅(qū)動程序架構(gòu)和MINIPort層間驅(qū)動協(xié)議，驅(qū)動程序用VC編寫和調(diào)試，使其達到4路USB準同步數(shù)據(jù)傳輸，時間關鍵幀技術保證操作系統(tǒng)達ms級響應。發(fā)揮硬件和軟件的開放性，實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)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(shù)據(jù)處理、I/O系統(tǒng)、驅(qū)動接口等子模塊，以上位機數(shù)控系統(tǒng)來擴展網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，使用計算機數(shù)控系統(tǒng)與FPGA控制器完成接口驅(qū)動，控制模塊見圖2。噴印控制電路系統(tǒng)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(shù)提取部分。采用現(xiàn)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(tǒng)，F(xiàn)PGA有豐富的邏輯硬件資源，CycloneIIFPGA芯片有DSP系統(tǒng)、硬件協(xié)處理器、接口系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、存儲電路以及普通邏輯電路等功能子系統(tǒng)，能解決傳統(tǒng)寬幅噴印機對大量圖像數(shù)據(jù)在上下位機之間和系統(tǒng)內(nèi)部傳輸速度的瓶頸。利用DSP實現(xiàn)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(tǒng)還開發(fā)了FPGA的時鐘同步系統(tǒng)，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(tài)補償，實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的精確時鐘同步。FPGA主控部分主要包括USB接口模塊、噴印數(shù)據(jù)處理模塊、噴頭驅(qū)動模塊、溫度控制模塊、驅(qū)動電壓調(diào)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(shù)據(jù)處理

FPGA接收數(shù)據(jù)并處理數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)到噴嘴、電機、相機等數(shù)字終端，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)則使用多片DDR2，以加快數(shù)據(jù)傳輸速度。對輸入數(shù)據(jù)進行分組，基于FPGA內(nèi)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(nèi)實現(xiàn)多目標的同步時鐘系統(tǒng)。通過使用VHDL編寫的時序程序發(fā)送控制字到FPGA的UART接收模塊，根據(jù)控制字的不同，調(diào)整相應的數(shù)據(jù)，電機模塊根據(jù)控制字產(chǎn)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(shù)值，利用FPGA實現(xiàn)復雜的邏輯時序的控制信號。事件驅(qū)動控制的機電驅(qū)動系統(tǒng)也在FPGA實現(xiàn)，由有限狀態(tài)機（FSM）定義所有可能的實現(xiàn)方向數(shù)據(jù)。其中，USB接口模塊在每批次噴印開始前用于接收計算機發(fā)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(shù)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(shù)，噴印數(shù)據(jù)處理模塊用于將待噴印圖像的像素數(shù)據(jù)進行拆解，并重新封裝成適合噴頭噴印的數(shù)據(jù)格式。噴頭驅(qū)動模塊用于計算時設置的有關噴印參數(shù)信息轉(zhuǎn)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(diào)整并顯示噴頭的溫度，驅(qū)動電壓調(diào)整模塊用于實時調(diào)整噴頭驅(qū)動電壓的幅值及幅寬，存儲噴印圖像及工藝MARK參數(shù)信息處理，可以保證噴印位置的準確性。利用CycloneIIFPGA的并行執(zhí)行特點，對2—4排噴嘴的數(shù)據(jù)進行處理及分配，實現(xiàn)實時噴射控制、裝置控制邏輯與狀態(tài)管理。多排噴嘴的數(shù)據(jù)收發(fā)1次，先將此行像素拆分成奇數(shù)像素數(shù)據(jù)和偶數(shù)像素數(shù)據(jù)，再將這2部分像素以相反的順序發(fā)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(tài)的全局緩存，存放所要噴印的一排像素數(shù)據(jù)，再為若干個噴頭分別開辟單獨的緩存區(qū)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)所消耗的時間，從而提高數(shù)據(jù)處理的速度。

3結(jié)語

核心控制模塊統(tǒng)一采用WDM類設備驅(qū)動程序架構(gòu)，混合硬件和軟件開發(fā)，實現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)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(zhí)行的特點，對多排噴嘴數(shù)據(jù)及時處理及分配，實現(xiàn)了實時噴射控制、裝置控制邏輯與狀態(tài)管理。采用FPGA可編程邏輯實現(xiàn)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(chǎn)工序，并有利于實現(xiàn)自動清洗、回收、配色及免拆卸切換。采用動態(tài)和靜態(tài)噴頭的雙模式噴印裝置方案，實現(xiàn)了兼顧高速生產(chǎn)及復雜工藝的生產(chǎn)需求。

作者:孟治國朱云鵬單位:廣東輕工職業(yè)技術學院