一種簡易可行的CIJ式噴碼機底層打印技術實現(xiàn)

王曉燕 劉春霞 蔣金星

【摘 要】隨著當今工業(yè)的飛速發(fā)展，作為工業(yè)流水線上不可缺少的配套標識設備——噴碼機必須具備高速、穩(wěn)定、美觀等多方面的要求。論文首先討論了CIJ式噴墨式噴碼機的工作原理，在對此原理具體分析后給出了一種簡單可行的基于FPGA的噴碼機底層軟、硬件實現(xiàn)，并制作了實驗樣機；實驗結果表明該設計突破了傳統(tǒng)的噴碼機設計方案，在噴印質量、易操作性等多方面已全面超越目前市面上的傳統(tǒng)噴碼機，且更易于實現(xiàn)。

【關鍵詞】FPGA；連續(xù)噴墨式噴碼機；相位檢測；充電；晶振驅動

CIJ式噴碼機基本原理是墨水在壓力作用下從單一噴嘴不斷噴出，經(jīng)晶體振蕩后發(fā)生斷裂形成墨點；墨點經(jīng)充電、高壓偏轉后在運動的物體表面掃描成字[1]；大多使用在成像要求低、需要高速度的包裝市場，例如工業(yè)連續(xù)噴射式噴碼系統(tǒng)的速度最高可達每分鐘1000英尺，大多數(shù)工業(yè)噴墨打標系統(tǒng)都采用該技術[2]。

本論文的主要工作包括：首先詳細分析CIJ式噴碼機各部分工作原理，接著給出各部分實現(xiàn)的硬件電路，最后編寫Verilog HDL程序寫入FPGA、搭建硬件電路板并完成了最后的測試，實驗結果驗證了本文所給出的底層打印軟硬件技術是有效的。

1.CIJ式噴碼機基本工作原理

連續(xù)噴墨式噴碼機基本工作原理如下：墨水在噴槍中壓力的作用下產(chǎn)生墨線，墨線在噴腔內部的晶體驅動桿的上下振動的作用下，射出噴嘴后分裂成大小相等，間距一定的墨滴；墨滴斷開前“充電”電極如果有電壓，該墨滴就會帶電；帶靜電的墨滴經(jīng)過檢測電極（用以反饋給主控電路尋找合適相位）；最后，帶電墨滴在高壓偏轉電場中發(fā)生偏轉，從噴頭處射出，分別打在產(chǎn)品表面不同位置，形成所需各種文字、圖案等標識；而沒有被充電的墨滴則落入回收槽，重新進入機器內部的墨水循環(huán)系統(tǒng)。

下面詳細討論系統(tǒng)各部分詳細的工作原理：

1.1 墨滴產(chǎn)生過程

墨水在墨路系統(tǒng)壓力作用下于噴嘴處構建了一個的擠出系統(tǒng)，晶振柱由壓電陶瓷和驅動桿組成，經(jīng)高頻電激勵，壓電陶瓷產(chǎn)生高頻超聲振動（本設計中高頻電激勵信號為頻率為62.5KHz，峰值根據(jù)墨水粘度可調的正弦信號），帶動驅動桿在前端產(chǎn)生同頻次的高頻微量位移（上下伸縮抖動）。油墨在壓力的作用下進入噴腔，通過一個55微米孔徑的噴嘴射出連續(xù)的非常細微的墨線流，流經(jīng)高頻振動的晶振桿前端而被高頻聲波切斷[3]，從而形成類似顯像管里電子槍發(fā)出的電子束流。

1.2 墨滴的充電

墨滴充電指的是墨線靠近充電極板（電源正極）時，由于靜電感應現(xiàn)象產(chǎn)生的負電荷將分布于墨線尖端的表面[4]，此時墨滴從墨線斷開時便會帶負電，如圖1所示，墨線從噴槍噴頭高速射出后，在晶振桿正弦信號的切割下會在充電極附近分裂成墨滴，假如想給墨滴1充電，需要在墨滴0斷開后立即給充電極加正電，在靜電感應的作用下會在墨線尖端（即將斷開的墨滴1）處感應出負電荷，維持充電極電壓不變一直等到墨滴1從墨線上斷開，此時墨滴1就會帶負電，墨滴充電完成后，充電極板上的電壓應立即斷開，以保證不會出現(xiàn)對墨滴2以及后面的墨滴進行充電。

圖1 墨滴充電原理圖

1.3 墨滴帶電的檢測

帶電墨滴經(jīng)過檢測極時，會在檢測極銅芯的另一端感應出微弱的電壓，可以根據(jù)該電壓的大小判斷充電極施加電壓相位是否合適。

1.4 墨滴的偏轉

類似于CRT顯示器電子在高壓下發(fā)生偏轉的成像原理，墨滴經(jīng)過高壓偏轉后發(fā)生的側移（字符的高度）與墨滴所帶電量成正比[5]，與高壓偏轉極板間偏轉電壓成正比；字符的寬度則與生產(chǎn)線的速度成正比，在此不再細述。

2.系統(tǒng)硬件電路規(guī)劃

針對上述分析的噴碼機基本原理，現(xiàn)逐一給出各部分解決方案如下：

2.1 墨滴產(chǎn)生電路

圖2為正弦波產(chǎn)生電路的硬件結構：粗線代表器件，細線為電氣連線，虛線為信號，正弦小信號由FPGA編寫cordic迭代算法經(jīng)DA產(chǎn)生，頻率為62.5KHz；后面經(jīng)過一個推挽電路激勵高頻變壓器實現(xiàn)正弦電壓的放大和隔離，用以驅動晶振桿。

圖2 墨滴產(chǎn)生電路

2.2 墨滴充電電路

噴碼機在工作過程中會根據(jù)噴印數(shù)據(jù)內容，通過按預存的充電量大小控制充電電源電壓，而使墨滴在此過程中感應出數(shù)量不同的負電荷。當墨線進入充電極板間時，由FPGA通過控制高速DA并經(jīng)過功率放大從而決定充電極電壓的大小，墨線尖端感應出負電荷（理論上與充電極板電壓成正比），墨滴此時從尖端斷開便會帶一定量的負電荷。

2.3 墨滴帶電檢測電路

檢測極為橫截面光滑的銅芯，銅芯具有良好的導電性，帶電的墨滴在靠近檢測極時，同樣在銅芯表面產(chǎn)生感應電荷[6]，由于該信號十分微弱，需經(jīng)放大電路將該檢測信號放大，再由此決定最合適的相位。

3.打印系統(tǒng)實現(xiàn)過程

打印控制的實現(xiàn)過程，主要分為兩部分：相位檢測和打印時序控制。

在保證正弦波電壓幅值、頻率合適的情況下，加到噴槍內的晶振桿上就會產(chǎn)生打印所需的墨滴；從噴頭噴出的墨線要經(jīng)過一定距離才可以分裂成墨滴，可以通過調整噴頭和充電極的相對位置，使墨滴分裂正好發(fā)生在充電極的中部，這樣就保證了充電正確的硬件要求；控制任務關鍵是“相位”的確定，只有施加充電脈沖的時間點和分裂發(fā)生時刻保持合適的相位關系，才可以使墨滴帶電量最優(yōu)，并且不會出現(xiàn)多個墨滴充電的情況。

圖3 相位檢測框圖

下面結合圖3和圖4詳細討論相位檢測原理：通過調整相位檢測電路的放大倍數(shù)可以將檢測電壓范圍控制到0～3.3v，即墨水粘度合適，充電系統(tǒng)工作良好的情況下，檢測電壓最好可以達到3.3v，正常工作時檢測電壓通常達不到該值；為了設計調節(jié)器方方便，將相位檢測參考電壓取值范圍設為2v～3v；系統(tǒng)上電復位后相位為0，參考電壓取最小值2v，充電系統(tǒng)開始工作，墨滴帶電量在檢測極產(chǎn)生的電壓，與參考電壓比較，如果小于參考電壓說明施加的相位不合適，此時調節(jié)器的任務是改變一次相位（1us，對應圖4的1/16個周期），接著再判斷檢測電壓與參考電壓的關系，如果還是小于參考，調節(jié)器繼續(xù)調整相位……，只要墨水粘度在運行范圍內，總有檢測電壓大于參考的時候（墨滴總會充上電），這時可以認為充電相位是合適的，但并不一定是最優(yōu)的，為了尋找好的相位，調節(jié)器還得繼續(xù)下面的任務：增加參考電壓Δv（本文取0.1v），重復上面尋找相位的流程，找到合適相位后，參考電壓增加2×Δv……直到參考增加n×Δv后，既使相位調整一個完整的周期（16×1us）后，也找不到合適的檢測電壓大于參考電壓，這時就認為已經(jīng)找到了最優(yōu)的相位，即參考電壓增加（n-1）×Δv時找到的合適相位就是最優(yōu)的。只有墨水壓力、粘度和晶振桿正弦驅動不發(fā)生變化，上面找到的相位就會使墨滴始終帶電充足，正式打印數(shù)據(jù)時直接根據(jù)打印內容的要求施加該相位下所需的不同充電脈沖幅值就可以；但是在實際工作時，上面所說的幾個變量往往會發(fā)送變化[7]，進而使相位發(fā)生變化，因此每隔一段時間還需要接著尋找最佳相位。

打印的時序控制：如圖4所示，黑色粗線矩形脈沖代表一個墨滴的周期（62.5KHz），每個周期平均分為16份（類似火柴梗表示），假如相位檢測電路獲得的合適相位如下圖細虛線所示，那么正式打印時控制充電脈沖如下圖粗灰線所示將是恰當?shù)模ㄒ驗閷嶋H檢測到的相位精度為±1/16周期）：保證分裂點正好落入充電區(qū)域（粗灰線）的最后1/16周期左右；充電區(qū)域的上升沿要比檢測到的相位點（灰色箭頭所示）落后2個1/16周期，以保證不會對上個墨滴充電。因此，正式工作時所需的灰色充電區(qū)域的脈沖寬度實際為14/16個周期。

圖4 充電相位圖

上面討論的CTJ工作各要素都滿足后，現(xiàn)以打印大寫字母“E”為例，介紹具體打印流程；“E”用5×7點陣表示如圖5所示，實點為打印點（需充電），空點為非打印點（不充電）：從下圖可以看出打印分5列，每列包括7個點，充電與否由空、實點確定，充電值從110v～170v等差排列，為了保證墨滴充電量的正確性，實驗表明每3個實際墨滴中選1個墨滴作為字體的點陣是可行的（太密會影響打印質量），即字體的每個實點、空點都要經(jīng)過至少三個實際墨滴才可以表示完整。

圖5 ‘E字體點陣圖

具體充電序列如圖6所示：假設當前的相位位于15/16周期，充電脈沖電壓的上升沿對應于2/16周期，下降沿正好對應于16/16周期，脈沖為高的時間為14us，對應14/16周期。

圖6 充電時序圖

4.實驗結果

根據(jù)上述方法編寫程序，搭建硬件電路，制作樣機。打印4個“E”字的實驗結果如圖7所示：字符傾斜的原因是由生產(chǎn)線的移動速度引起的，但注意到最后一列第7個點位置有些上揚，打印的效果并不是非常理想。

圖7 噴印效果圖

從物理方面分析，上述結果的原因包含如下幾種可能：靜電感應產(chǎn)生的帶電墨滴落在打印物體表面的位置，并非簡單地跟充電極板的電壓完全成正比，而且與當前打印點的前后有沒有充電墨滴有關（充電極板工作時大概有100v左右的脈沖電壓，會使仍然在充電槽中的帶電墨滴產(chǎn)生錯誤的偏轉，以及前后帶電墨滴的互斥作用導致的錯誤偏轉）；仔細分析上述原因調整程序后的打印效果如圖8所示，效果要比簡單的線性充電好很多。

圖8 改進后的噴印效果圖

5.結論

實驗結果驗證：根據(jù)本文所提方案搭建的底層硬件及算法是可行的；為了改進打印字體的美觀程度，下一步的研究內容是靜電感應系統(tǒng)對墨滴充電的非線性影響。

參考文獻：

[1]國內噴碼機發(fā)展現(xiàn)狀.包裝工業(yè).2006.7（4）：34～36.

[2]段軍義.噴碼機的應用與發(fā)展.加工裝備， 2006.23（2）：2～6.

[3]Peredina A， AllenA. Telemedicine technology and clinical application [J/OL]， 2007.

[4]TakeoKushida. High Speed， Powerful and Simple Solenoid Actuator “Disole” and its Dynamic Analysis Results. SAE 850373.

[5]羅玉元.鋼鐵產(chǎn)品點陣式打印機字符成形系統(tǒng)的研究一字符成形原理及字形控制.機床與液壓.2006.3（l）：20～22.

[6]趙鈞.噴墨打印技術展望以及在中國開展研發(fā)制造之探討.中國機械工程， 2007.5（13）：5～8.

[7]韓曾晉.自適應控制[M].北京：清華大學出版社， 1987.