第一章  緒論

1.1  課題研究的背景
隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，噴墨印花設(shè)備在紡織、廣告印刷、裝飾裝潢、攝影等領(lǐng)域都有了非常廣泛而深入的發(fā)展，由此帶動了整個數(shù)碼噴墨印花產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展。與傳統(tǒng)噴墨印花設(shè)備相比，數(shù)碼噴墨印花是用掃描儀、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、數(shù)字照相機(jī)等輸入手段，將圖案以數(shù)字形式輸入到計算機(jī)，經(jīng)過圖像軟件處理后，再通過計算機(jī)控制的數(shù)字噴墨印花機(jī)，直接將墨水噴射到各種纖維織物上，印制出所需的各種圖案的一種印花技術(shù)[1]。相對于傳統(tǒng)噴印設(shè)備，數(shù)碼印花設(shè)備具有打印質(zhì)量高、速度快、打印介質(zhì)靈活、打印模式多樣的優(yōu)點。進(jìn)入 21 世紀(jì)后人們越來越重視個性定制和視覺體驗，因此數(shù)碼印花行業(yè)具有十分廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。 數(shù)碼印花技術(shù)融合了藝術(shù)性和科技性的特點，同時又貼近生活，給紡織印染行業(yè)帶來了前所未有的個性化體驗[2]。這種新型印花技術(shù)污染小、能耗低，完美詮釋了綠色生產(chǎn)的環(huán)保潮流，由于其無需印前處理，極大的降低了設(shè)計打樣的成本，縮短了設(shè)計、生產(chǎn)周期。實現(xiàn)了在任意紡織面料上按需噴印圖像，完美體現(xiàn)了“所見即所得”的內(nèi)涵[3]。數(shù)字噴墨印花將傳統(tǒng)紡織工藝和現(xiàn)代科技技術(shù)相結(jié)合，改變了過去人們對于紡織印染行業(yè)的觀念，使之由勞動密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變，與此同時數(shù)字噴墨印花技術(shù)也改變了印染行業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營理念。因此，業(yè)界人士認(rèn)為，數(shù)字噴墨印花技術(shù)是 21 世紀(jì)印染工業(yè)實現(xiàn)技術(shù)革命的關(guān)鍵技術(shù)之一[4]。 目前，國內(nèi)大多數(shù)從事數(shù)碼印花設(shè)備生產(chǎn)的企業(yè)，仍未充分掌握數(shù)碼噴墨印花設(shè)備的關(guān)鍵核心技術(shù)。這些企業(yè)生產(chǎn)的數(shù)碼噴墨印花設(shè)備在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面大量仿制歐美、日本等發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)的產(chǎn)品，而控制板卡方面則依賴于國內(nèi)幾家從事數(shù)碼噴墨印花控制方案供應(yīng)商，甚至個別企業(yè)只進(jìn)行零配件的組裝，這種生產(chǎn)方式不僅競爭力弱，而且利潤率極低。 隨著國產(chǎn)噴墨印花設(shè)備的快速發(fā)展，國內(nèi)處于行業(yè)領(lǐng)先地位的幾家公司如杭州研華、鄭州樂彩等企業(yè)也已經(jīng)研發(fā)出多個系列的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的噴墨印花設(shè)備，但是相對于國外品牌仍有較大差距。主要體現(xiàn)在運動協(xié)調(diào)控制、噴頭時序控制和圖片數(shù)據(jù)處理方面。由于數(shù)碼噴墨印花設(shè)備對機(jī)器的機(jī)構(gòu)運動協(xié)調(diào)能力和性能以及噴印控制時序要求較高，目前國產(chǎn)數(shù)碼噴墨印花設(shè)備在運動控制方面普遍存在定位精度低、運動平穩(wěn)性差、運動協(xié)調(diào)性差及存在累計誤差等問題；在噴頭方面目前行業(yè)內(nèi)多采用壓電式噴墨打印頭，由于國內(nèi)廠商的科研實力較弱，目前對噴頭的控制方面還存在色彩還原度差、色彩漸變效果差、圖像存在噪點等問題。 
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1.2 數(shù)字噴墨印花設(shè)備及其噴印系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展 
印染行業(yè)是一個技術(shù)密集型行業(yè)，先進(jìn)的裝備和加工工藝是生產(chǎn)高質(zhì)量印花產(chǎn)品的前提。隨著數(shù)字集成技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字噴墨印花技術(shù)獲得了前所未有的發(fā)展，數(shù)字噴墨印花技術(shù)是基于細(xì)小流體分裂成液滴的原理，而開發(fā)的一種新印花方式。是當(dāng)今印染行業(yè)的先機(jī)技術(shù)，其發(fā)展過程經(jīng)歷如下階段: （1）1948 年瑞典的 Siemens Elema 申請了第一個利用連續(xù)墨水分裂成液滴來記錄信號的專利。20 世紀(jì) 60 年代，美國斯坦福大學(xué)的研究人員成功的研制出了世界上第一臺連續(xù)噴墨打印機(jī)，其原理是通過對噴出的液滴施加電荷，從而控制液滴的噴射方向，有選擇地將液滴噴射到噴印介質(zhì)上形成圖案，其余液滴進(jìn)入液滴回收裝置[3]。 （2）20 世紀(jì) 70 年代，美國的 IBM 和日本的佳能等公司先后推出應(yīng)用于辦公室的噴墨打印機(jī)，這些公司的早期產(chǎn)品效率低、墨水浪費嚴(yán)重，打印成本偏高，后期推出的熱氣泡連續(xù)打印機(jī)采用按需噴墨打印方式，節(jié)約了墨水用量，改變了人們對打印機(jī)的認(rèn)識[4-5]。 （3）20 世紀(jì) 90 年代，數(shù)碼噴墨印花技術(shù)開始應(yīng)用于紡織品，，最具代表的是1992 年奧地利 ZIMMER 公司生產(chǎn)的地毯數(shù)碼噴射印花機(jī)，采用連續(xù)噴墨式印花方式，但是樣機(jī)分辨率只有 18dpi。在 1995 年舉辦的意大利米蘭國際展覽會上，日本 MIMAKI 公司展出的數(shù)碼噴墨印花機(jī)分辨率有了顯著提高，達(dá)到 720dpi。但是印花速度較慢，只有 4.6m2/h[6]。 
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第二章  提高印花質(zhì)量的噴印系統(tǒng)改進(jìn)方案設(shè)計 

數(shù)碼印花機(jī)屬于高精密、高科技產(chǎn)品，印花質(zhì)量受到噴頭控制方式和運動伺服單元綜合影響，因此研究噴印系統(tǒng)控制方式與印花效果的關(guān)系對于獲得高質(zhì)量印花效果變得尤為重要。本章在分析了噴印設(shè)備工作原理、數(shù)字噴墨印花機(jī)的噴墨成像原理的基礎(chǔ)上，深入研究針對 DY1601 型印花機(jī)存在的影響印花質(zhì)量的問題，從噴印成像單元系統(tǒng)和運動控制單元兩個方面提出了高質(zhì)量噴印控制系統(tǒng)的改進(jìn)方案。 

2.1 噴印設(shè)備工作原理分析 
數(shù)字噴墨印花機(jī)又名萬能平板打印機(jī)。其打印介質(zhì)為軟、硬性物體，例如：金屬，陶瓷，水晶，玻璃，亞克力，石材，PVC，塑料，玩具，U 盤，布料，木質(zhì)，硅膠，皮革等[5]。數(shù)碼印花機(jī)無需直接接觸被打印物體，通過墨水噴射的方式完成打印和染色，不會因熱量和壓力而發(fā)生變形等現(xiàn)象，利用電腦的直接輸出打印方式，不用在前期做任何準(zhǔn)備打印工作。 數(shù)碼噴墨印花機(jī)印花原理是通過噴印點多次疊加實現(xiàn)。如圖 2-1 所示，噴印小車伺服電機(jī)通過減速齒輪帶動同步帶拖動壓電式噴頭在導(dǎo)軌上橫向循環(huán)往復(fù)運動，在數(shù)碼噴墨印花機(jī)橫梁上固定了橫向?qū)к壓途幋a尺，運動過程中噴印小車上安裝的光柵解碼頭將讀取到的正交編碼信號反饋到噴印控制主板[4]；完成一次橫向打印任務(wù)后，噴印介質(zhì)伺服電機(jī)通過走紙機(jī)構(gòu)拖動噴印介質(zhì)移動相應(yīng)位移，然后電機(jī)反轉(zhuǎn)拖動噴頭完成反向行程打印，以此循環(huán)往復(fù)，直到這個圖片打印完成。 印花時由上位機(jī)印花控制軟件發(fā)送開始打印指令，當(dāng) FPGA 主控板接收到印花數(shù)據(jù)后，首先將印花數(shù)據(jù)緩存到主控板上的 SDRAM 中，F(xiàn)PGA 主控板向噴印小車伺服系統(tǒng)發(fā)送驅(qū)動信號，噴印小車伺服電機(jī)帶動噴頭開始水平左右移動，當(dāng)噴頭小車達(dá)到制定印花起始點并且進(jìn)入勻速階段時，噴印控制主板上的 FPGA 主芯片將從 SDRAM 中取出印花數(shù)據(jù)，并按照印花時序依次發(fā)送到噴頭數(shù)據(jù)線上，然后噴頭小車進(jìn)行掃描式噴墨印花。噴頭小車一次印花行程結(jié)束后，F(xiàn)PGA 主控板向噴印介質(zhì)伺服系統(tǒng)發(fā)出脈沖控制信號，拖動噴印介質(zhì)在進(jìn)布方向上移動相應(yīng)距離。接著 FPGA 主控板接收下一行印花數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA 主控板向噴印小車伺服系統(tǒng)發(fā)送電機(jī)反向行駛指令，使噴頭進(jìn)行反向行程的印花工作[13]。如此循環(huán)，直到整幅圖像印花結(jié)束。當(dāng) FPGA 主控板完成整幅印花任務(wù)后，驅(qū)動噴印小車伺服電機(jī)，使噴頭小車返回到導(dǎo)軌的最右邊，即零點位置。另外 FPGA 主控板還要實現(xiàn)噴孔測試、步進(jìn)測試、噴頭物理位置測試、人機(jī)操作及測試印花介質(zhì)寬度等任務(wù)，并產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，驅(qū)動噴印小車和噴頭。 
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2.2 數(shù)字噴墨印花機(jī)的噴墨原理 

噴印設(shè)備按照噴頭噴墨方式的不同可以分為兩大類，一類是按需式噴墨（Drop on demand , DOD），另一類連續(xù)式噴墨（Continuous Ink-Jet , DIJ）。其中按需式噴墨型印花機(jī)又可以分為熱氣泡式、靜電式、壓電式和音波式；連續(xù)式噴墨印花機(jī)又分為二值偏轉(zhuǎn)式和多值偏轉(zhuǎn)式[15]。連續(xù)式噴墨印花機(jī)上配置有供墨系統(tǒng)，在壓電驅(qū)動裝置在電壓信號的作用下將腔室內(nèi)的液體經(jīng)由噴孔噴出。此時噴出的液體變?yōu)椴痪鶆虻囊捍捍?jīng)過電極板的過程中受到靜電力的作用，不均勻的液串變?yōu)榇笮�、形態(tài)均勻且?guī)ъo電的液滴。在進(jìn)入電極板之前液滴沿直線方向前進(jìn)，在通過偏轉(zhuǎn)電極后墨滴的飛行方向發(fā)生改變，需要打印的墨滴飛向移動的基板上，不帶電荷的墨滴回到回收器中，以便重復(fù)使用。根據(jù)偏轉(zhuǎn)電極的種類，對墨滴的飛行方向的控制方式分為二維偏轉(zhuǎn)和多維偏轉(zhuǎn)。因為此種模式的液滴生成是不間斷地，所以稱此模式為連續(xù)噴墨式。如圖 2-2 所示。 

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第三章  噴印運動伺服單元控制原理分析 .... 16 
3.1  高質(zhì)量印花對噴印伺服驅(qū)動單元的要求 ...... 16 
3.1.1  噴印介質(zhì)伺服單元需求分析 .......... 16 
3.1.2  噴印小車伺服單元需求分析 .......... 17 
3.2  永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型 ...... 18 
3.3 永磁同步電機(jī)矢量控制算法 ...... 19
3.4 SVPWM 原理與實現(xiàn) .... 24
3.5 SVPWM 的 Simulink 仿真 ......... 28 
3.6 本章小結(jié) .......... 30 
第四章  噴印運動伺服單元設(shè)計 ...... 31 
4.1  噴印運動伺服單元總體設(shè)計 ..... 31 
4.2 關(guān)鍵硬件電路設(shè)計 ........ 31 
4.3  噴印運動伺服控制單元軟件設(shè)計 .... 34 
4.3.1 軟件設(shè)計需求 ....... 35 
4.3.2  軟件總體框架 ...... 35 
4.3.2  軟件控制算法 ...... 38 
4.4  上位機(jī)調(diào)試軟件設(shè)計 .......... 42 
4.5 本章小結(jié) .......... 42 
第五章  噴印成像單元控制方法設(shè)計 ..... 43 
5.1 數(shù)碼印花的噴印成像原理 .......... 43 
5.2 壓電式噴頭的工作原理 ....... 44 
5.3  噴印成像控制單元方案設(shè)計 ..... 45 
5.4  噴頭控制時序仿真及分析 ......... 49 
5.5  本章小結(jié) ......... 51 

第六章  實驗結(jié)果及分析 

前文通過分析噴印系統(tǒng)控制方式與印花效果的關(guān)系入手，從運動伺服單元和噴印成像單元兩方面對系統(tǒng)存在的問題提出了改進(jìn)方案，完成方案設(shè)計后需要進(jìn)行實際的調(diào)試，針對實際測試的結(jié)果對存在的問題進(jìn)行修正，以滿足高質(zhì)量印花需求。 

6.1  噴印伺服單元測試結(jié)果及其分析  
根據(jù)以上軟硬件功能設(shè)計完成了基于 STM32F103RBT6 為主控芯片的永磁同步電機(jī)控制單元，整個伺服驅(qū)動控制單元由伺服驅(qū)動功率板和伺服驅(qū)動控制板構(gòu)成，功率板和控制板通過信號連接線連接。選用電機(jī)為 57BL01 系列 180W 永磁同步電機(jī)，自帶 1000 線光電編碼器。功率板如圖 6-1 所示，控制板如圖 6-2所示，圖 6-3 為永磁同步電機(jī)，為了方便調(diào)試，控制板設(shè)計了串口接口，同時安裝了 OLED 顯示屏幕，可以實時觀測數(shù)據(jù)。同時控制板硬件上配置了 EEPROM芯片，可以存儲用戶參數(shù)。 速度模式下，采用電流、速度雙閉環(huán)，電流環(huán)作為控制閉環(huán)的內(nèi)環(huán)，速度環(huán)作為外環(huán)。電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)響應(yīng)速度快，當(dāng)電機(jī)定子電流產(chǎn)生擾動時，必須快速進(jìn)行調(diào)節(jié)，以降低轉(zhuǎn)矩脈動；同時穩(wěn)態(tài)時要達(dá)到電流無靜差。為了滿足上述要求電流環(huán)采用 PI 控制[23]，電流環(huán)的輸出作為速度環(huán)的輸入。圖 6-4 表示為噴頭運動伺服單元分別在給定轉(zhuǎn)速在 1500rpm 和 2000rpm 啟動時的速度階越響應(yīng)曲線，實驗結(jié)果如圖 6-4 所示。 
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總結(jié) 

論文研究的對象為 DY1601 型數(shù)碼印花機(jī)，本文首先分析了噴印系統(tǒng)控制方式與印花效果之間的關(guān)系，進(jìn)而對影響噴印設(shè)備印花精度和質(zhì)量的因素進(jìn)行了深入研究，提出了高質(zhì)量、高精度噴墨印花改進(jìn)方案設(shè)計，完成了預(yù)期的研究任務(wù)。論文主要完成了以下工作： 
（1）深入了解數(shù)碼印花技術(shù)的背景及發(fā)展?fàn)顩r，對數(shù)碼印花設(shè)備進(jìn)行了簡要介紹。針對國內(nèi)數(shù)碼印花設(shè)備在高質(zhì)量印花方面存在的問題進(jìn)行歸納與總結(jié)，在此基礎(chǔ)上提出了課題研究的意義。 
（2）從數(shù)碼印花設(shè)備工作原理和噴墨原理入手，分析了噴印系統(tǒng)控制方式與印花效果之間的關(guān)系。針對目前 DY1601 型印花機(jī)所采用的噴印控制方式在定位精度、噴頭速度穩(wěn)定性、噴印點質(zhì)量和噪點數(shù)量等方面存在的問題，從運動控制和噴頭控制兩個方面提出了噴印控制系統(tǒng)改進(jìn)方案。數(shù)碼印花設(shè)備運動伺服單元主要包括噴頭運動控制和噴印介質(zhì)運動控制，針對噴頭運動單元存在的力矩波動大，勻速穩(wěn)定性差和定位精度差和噴印介質(zhì)運動單元在高速時出現(xiàn)的失步現(xiàn)象，本文提出采用永磁同步電機(jī)矢量控制方式的電流、速度、位置三閉環(huán)控制方法。針對噴印成像單元采用單段點火電壓而造成的噴印點不規(guī)則、圖像過渡效果差和噪點數(shù)量過多問題，提出采用兩段式點火電壓控制方案。 
（3）通過對數(shù)碼印花設(shè)備傳動結(jié)構(gòu)和運動參數(shù)的分析，提出高質(zhì)量印花系統(tǒng)對運動伺服單元的要求。建立永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型，對永磁同步電機(jī)矢量控制算法進(jìn)行數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，并用 MATLAB 自帶的 Simulink 建立了仿真模型，進(jìn)行矢量控制仿真分析。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號：55022