基于STM32的遙控墨斗系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮彩銀，朱龍彪，沈祖軍，陳小林

基于STM32的遙控墨斗系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮彩銀1，朱龍彪1，沈祖軍2，陳小林2

（1.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019；2.如皋中羅印刷機(jī)械有限公司，江蘇 如皋 226553）

針對國內(nèi)膠印機(jī)數(shù)字化供墨系統(tǒng)墨量精確調(diào)節(jié)不足的問題，分析現(xiàn)有供墨系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，提出一種基于STM32的遙控墨斗系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。采用分區(qū)獨(dú)立控制墨鍵開度的墨斗機(jī)械結(jié)構(gòu)，以STM32F103單片機(jī)為主控制器構(gòu)建墨鍵電機(jī)驅(qū)動(dòng)硬件系統(tǒng)，采用6位撥碼開關(guān)選址區(qū)分不同的驅(qū)動(dòng)板，對磁編碼器輸出脈沖反饋計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)墨鍵位置控制；設(shè)計(jì)操作臺面板按鍵及顯示單元，將墨鍵位置調(diào)節(jié)分為0～99分位，系統(tǒng)間采用CAN總線通訊方式，操作臺面板和上位機(jī)監(jiān)控界面實(shí)時(shí)顯示墨鍵位置及狀態(tài)信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，遙控墨斗系統(tǒng)調(diào)節(jié)墨鍵開度范圍為0.05～0.6 mm，墨鍵定位精度為5 μm，且重復(fù)定位精度良好?；赟TM32的遙控墨斗系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了膠印機(jī)印刷過程中墨量的精確調(diào)節(jié)，且運(yùn)行穩(wěn)定，滿足當(dāng)前膠印機(jī)數(shù)字化供墨要求，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

遙控墨斗；STM32；磁編碼器；CAN總線；位置控制

膠印機(jī)是目前市場上用于印刷高品質(zhì)印刷品的主要印刷機(jī)型，在印刷過程中，膠印機(jī)供墨量的精確程度直接影響著印刷的質(zhì)量和效率[1-3]。近年來，人們對印刷品質(zhì)要求的不斷提高，促使人們對膠印機(jī)供墨系統(tǒng)展開了大量的研究。目前膠印機(jī)供墨系統(tǒng)控制方式分為3種：手動(dòng)調(diào)節(jié)、無墨鍵供墨、數(shù)字化供墨[4]。德國海德堡、高寶針對膠印機(jī)供墨系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)了Anicolor、Gravuflow無墨鍵供墨系統(tǒng)；海德堡的CP Tronic和曼羅蘭的RCI控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化的供墨方式。國內(nèi)北京莫尼公司與國外印刷企業(yè)合作生產(chǎn)遙控墨斗，但核心技術(shù)未掌握，價(jià)格高難以普及；江蘇科思KICS墨色遙控系統(tǒng)和上海華太HDC墨色遙控系統(tǒng)采用PLC控制，成本較高，與國外先進(jìn)墨斗技術(shù)存在差距，對墨量的精細(xì)調(diào)節(jié)和油墨預(yù)置技術(shù)的研究相對較少[5-8]。針對以上分析，為彌補(bǔ)我國數(shù)字化供墨系統(tǒng)方面的不足，提出一種基于STM32的遙控墨斗系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，對墨斗分區(qū)獨(dú)立控制，搭建墨斗操作臺，并編寫下位機(jī)與上位機(jī)監(jiān)控軟件程序，結(jié)合相應(yīng)實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)的精度和可靠性。

1 遙控墨斗實(shí)驗(yàn)平臺搭建

墨斗是膠印機(jī)供墨系統(tǒng)的重要部分之一。以四色膠印機(jī)為研究對象，分為4個(gè)色組，即4個(gè)墨斗，每個(gè)墨斗可印刷最大寬度為1040 mm，將墨斗分為26個(gè)墨區(qū)，每塊墨區(qū)墨鍵寬度設(shè)計(jì)為40 mm，驅(qū)動(dòng)由直流電機(jī)提供，因安裝空間限制，選擇小直流電機(jī)配合減速齒輪來輸出較大的轉(zhuǎn)矩。齒輪減速機(jī)構(gòu)減速比為1∶90，螺桿選用導(dǎo)程為0.5 mm的精密定制螺桿，直流電機(jī)經(jīng)齒輪減速后帶動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)換為墨鍵的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而控制墨鍵與墨斗輥間的距離，即調(diào)節(jié)墨鍵開度來控制輸出墨量大小[9]。遙控墨斗見圖1。

圖1 遙控墨斗

2 遙控墨斗控制系統(tǒng)方案

遙控墨斗控制系統(tǒng)由電機(jī)控制系統(tǒng)、操作臺控制系統(tǒng)和上位機(jī)控制系統(tǒng)組成[10]。電機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)操作臺或上位機(jī)指令信息控制各色組分區(qū)電機(jī)動(dòng)作，并將墨鍵位置信息和狀態(tài)反饋回操作臺和上位機(jī)系統(tǒng)；操作人員通過操作臺按鍵實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)墨鍵位置，同時(shí)將墨鍵信息發(fā)送給上位機(jī)和電機(jī)控制系統(tǒng)；上位機(jī)從印刷數(shù)據(jù)中讀取所需信息發(fā)送給操作臺和電機(jī)控制系統(tǒng)，并實(shí)時(shí)監(jiān)控各色組墨鍵位置和印刷機(jī)狀態(tài)。遙控墨斗控制系統(tǒng)采用CAN總線通訊方式，易開發(fā)且可靠性強(qiáng)[11]。在設(shè)計(jì)遙控墨斗電機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，因每個(gè)色組除油墨色彩外參數(shù)均相同，研究單個(gè)色組26個(gè)墨區(qū)便可實(shí)現(xiàn)全部墨斗控制功能，即控制26組直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。操作臺控制系統(tǒng)將墨鍵位置調(diào)節(jié)分為0～99分位，最小調(diào)節(jié)分位為0.5，墨鍵調(diào)節(jié)范圍為0.05～0.6 mm，最小控制精度為2.75 μm。因墨鍵位置精度要求高以及電機(jī)響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，根據(jù)墨斗體的安裝尺寸設(shè)計(jì)每塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)板最多控制4臺直流電機(jī)，單個(gè)墨斗則需要7塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，并通過一個(gè)6位撥碼開關(guān)選址區(qū)分不同的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，電機(jī)位置信息采用STM32對磁編碼器計(jì)數(shù)反饋獲取，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)墨鍵位置精確控制[12-13]。遙控墨斗控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案見圖2。

圖2 遙控墨斗控制系統(tǒng)方案

3 遙控墨斗系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 主控制模塊及基本外圍電路設(shè)計(jì)

電機(jī)主控制模塊采用基于ARM的32位微控制器STM32F103C8T6，該芯片供電電壓為2.0～3.6 V，功耗低，速度快，可完成指令接收和響應(yīng)控制等功能[14]。同時(shí)其內(nèi)置1個(gè)高級定時(shí)器和3個(gè)通用定時(shí)器，可滿足4個(gè)直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)、停止以及其位置控制。在通訊方面，該芯片設(shè)有一個(gè)CAN通信接口，與專用CAN總線芯片連接，能實(shí)現(xiàn)遙控墨斗實(shí)時(shí)通訊功能。主控制及基本外圍電路見圖3。

3.1.2 電源模塊設(shè)計(jì)

在電機(jī)控制系統(tǒng)中，電源大小需求分為3種：STM32主控模塊、選址模塊、CAN總線通訊模塊及SWD程序下載部分均為直流3.3 V；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、磁編碼器輸出信號供電為直流5 V；直流電機(jī)采用24 V電壓供電。設(shè)計(jì)時(shí)外部供電采用直流24 V和5 V2種電壓形式，直流5 V電壓經(jīng)穩(wěn)壓芯片SPX1117M3-L-3-3/TR輸出穩(wěn)定的直流3.3 V，滿足系統(tǒng)供電要求。穩(wěn)壓電路見圖4。

圖3 主控制及基本外圍電路

圖4 穩(wěn)壓電路

3.1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及反饋電路設(shè)計(jì)

因該系統(tǒng)直流電機(jī)正常工作時(shí)電流約為180 mA，主控制模塊輸出信號無法直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作，因此選用專用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片TB6559FG，具有過流保護(hù)功能，采用恒流PWM驅(qū)動(dòng)模式，在控制信號端加入光耦，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路見圖5。電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片TB6559FG輸出端OUT1、OUT2加入RC電路減少雜波，ALERT輸出端作警報(bào)輸出保護(hù)電路。磁編碼器MT3411-EN輸出形式為開漏輸出，因其內(nèi)置10 kΩ上拉電阻，在輸出脈沖信號時(shí)，串接電阻以限制輸入電流大小，同時(shí)采用RC電路來提高抗干擾能力。

在恒流PWM模式下，電機(jī)的運(yùn)動(dòng)模式通過控制IN1、IN2端口來改變，具體輸入/輸出功能見表1。

為實(shí)現(xiàn)電機(jī)的位置控制，利用STM32定時(shí)器編碼器模式對磁編碼器反饋脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，采用編碼器四倍頻模式，同時(shí)輸入TI1和TI2計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)最小細(xì)分步距[15]。磁編碼器輸出信號90脈沖/轉(zhuǎn)，四倍頻后編碼器分辨率可達(dá)到360脈沖/轉(zhuǎn)，設(shè)置電機(jī)初始位置計(jì)數(shù)值為36，每變化一個(gè)分位，目標(biāo)計(jì)數(shù)值變化4，這樣電機(jī)位置在0～99分位內(nèi)變化時(shí)，則目標(biāo)計(jì)數(shù)值在36～432變化。具體位置分位和移動(dòng)距離計(jì)算式為：

(1)

(2)

式中：為位置分位；為自動(dòng)重裝載值；為移動(dòng)距離；目標(biāo)為目標(biāo)計(jì)數(shù)值；當(dāng)前為當(dāng)前計(jì)數(shù)值；為螺桿導(dǎo)程。

3.1.4 選址模塊設(shè)計(jì)

遙控墨斗系統(tǒng)中單個(gè)墨斗電機(jī)控制部分分為7塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，26個(gè)直流電機(jī)，4個(gè)色組總共分為28塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，104個(gè)直流電機(jī)。為區(qū)別不同的驅(qū)動(dòng)板，方便CAN總線通訊設(shè)置，采用6位撥碼開關(guān)定義地址，輸入端上拉3.3 V直流電源，撥碼開關(guān)電路見圖6。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)及反饋電路

表1 恒流PWM輸入/輸出功能

Tab.1 Constant current PWM input/output function

注：H代表高電平；L代表低電平；X代表無信號；CCW代表逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；CW代表順時(shí)針旋轉(zhuǎn)

圖6 撥碼開關(guān)電路

3.1.5 CAN通訊模塊設(shè)計(jì)

遙控墨斗各個(gè)系統(tǒng)間均通過CAN總線進(jìn)行通訊，在電機(jī)控制系統(tǒng)中，STM32內(nèi)部集成了CAN總線接口，兼容規(guī)范2.0A和2.0B(主動(dòng))，配合CAN總線芯片MAX3051，將STM32邏輯電平與總線差分電壓信號互相變換，實(shí)現(xiàn)指令接收和發(fā)送的功能[16]。CAN總線通訊電路見圖7，圖7中CAN_TXD和CAN_RXD分別與STM32單片機(jī)的CAN_TXD和CAN_RXD引腳連接，CAN_H和CAN_L兩端加入120 Ω的終端電阻接入總線網(wǎng)絡(luò)中，使阻抗連續(xù)，消除信號反射，提高系統(tǒng)的抗干擾性。

圖7 CAN總線通訊電路

3.2 墨斗操作臺搭建

墨斗操作臺是整個(gè)遙控墨斗系統(tǒng)中重要組成部分之一，操作人員通過操作臺按鍵和顯示界面直接控制各色組26組墨鍵位置和狀態(tài)信息，墨斗操作臺面板設(shè)計(jì)見圖8。每組按鍵和顯示光柱上標(biāo)號1～26與各色組墨鍵標(biāo)號相對應(yīng)，當(dāng)墨斗調(diào)整狀態(tài)不在自動(dòng)調(diào)整和預(yù)置狀態(tài)時(shí)，通過加減按鍵可直接控制印刷機(jī)墨區(qū)油墨膜厚度，墨鍵位置信息可由光柱和數(shù)碼管同時(shí)實(shí)時(shí)顯示；當(dāng)墨區(qū)鎖定時(shí)，鎖定指示燈亮，此時(shí)按鍵命令無法執(zhí)行，用以保護(hù)印刷機(jī)當(dāng)前狀態(tài)不被破壞。當(dāng)墨斗整體墨量要求變化時(shí)，在操作臺面板右側(cè)可選擇調(diào)節(jié)模式，調(diào)節(jié)模式分為百分比模式、統(tǒng)一模式和

同值模式。在百分比模式下，對所有未鎖定的墨鍵當(dāng)前位置百分比調(diào)節(jié)；同理，統(tǒng)一模式則是在原先墨鍵位置基礎(chǔ)上統(tǒng)一調(diào)節(jié)；當(dāng)系統(tǒng)對各分區(qū)墨鍵墨量控制要求一致時(shí)，選擇同值模式，對選定色組所有未鎖定狀態(tài)的墨鍵同值設(shè)定墨鍵開度。

4 遙控墨斗系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

遙控墨斗系統(tǒng)軟件主要包含：電機(jī)驅(qū)動(dòng)及位置控制程序、CAN總線協(xié)議指令、操作臺按鍵及顯示模塊程序、上位機(jī)監(jiān)控界面等。應(yīng)用Keil 5、Visual Studio 2015軟件編寫下位機(jī)和上位機(jī)程序。上位機(jī)監(jiān)控界面見圖9。圖9中墨鍵位置信息由代表各色組油墨顏色的柱形圖顯示，界面中“+”、“?”、“=”分別表示各色組墨量整體加、整體減和整體設(shè)值，上位機(jī)界面設(shè)計(jì)簡潔，方便操作人員觀察調(diào)試。

程序流程見圖10。遙控墨斗操作過程：系統(tǒng)上電初始化，通訊正常后讀取當(dāng)前墨鍵信息，同時(shí)在操作臺和上位機(jī)監(jiān)控界面上顯示；操作人員在調(diào)整墨鍵開度時(shí)，先選擇相應(yīng)的色組并解鎖色組狀態(tài)；根據(jù)墨量調(diào)節(jié)要求，解鎖相應(yīng)的墨鍵狀態(tài)，通過上下按鍵對墨鍵位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，數(shù)碼管和光柱實(shí)時(shí)顯示位置信息；當(dāng)需要對整個(gè)色組操作時(shí)，按下總鎖定鍵解鎖，鎖定指示燈滅，當(dāng)前色組所有墨區(qū)解除鎖定狀態(tài)；按下總調(diào)節(jié)按鍵并執(zhí)行可以對當(dāng)前色組所有墨鍵位置百分比加減、同值加減和統(tǒng)一加減，實(shí)現(xiàn)整個(gè)色組墨量控制；切換色組，循環(huán)操作完成所有色組的墨鍵開度設(shè)置，隨后按下總鎖定按鍵，所有墨鍵鎖定指示燈亮，色組鎖定，印刷機(jī)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

圖8 墨斗操作臺面板

圖9 上位機(jī)監(jiān)控界面

圖10 程序流程

5 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

在實(shí)際印刷過程中，膠印機(jī)供墨量的大小直接影響產(chǎn)品的色彩、質(zhì)量和墨層厚度，遙控墨斗系統(tǒng)通過控制墨鍵位置來調(diào)節(jié)墨鍵與墨輥間出墨量的大小，因此墨鍵位置精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性尤為重要。為了驗(yàn)證遙控墨斗墨鍵位置精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性，針對墨鍵的定位精度和重復(fù)定位精度進(jìn)行測試和分析，墨鍵定位精度測試是為了測試墨鍵在各個(gè)分位上到達(dá)目標(biāo)位置的精確程度，而墨鍵重復(fù)定位精度是為了測試墨鍵在某個(gè)分位上重復(fù)到達(dá)目標(biāo)位置的精確程度。具體實(shí)驗(yàn)方法：隨機(jī)選取4組墨鍵，文中選取色組一中的5、12、19、24號墨鍵，選用日本三豐0～12.7 mm數(shù)顯千分表，分別對10、20、30…90、99墨鍵分位測試實(shí)際的墨鍵位置，同時(shí)對4個(gè)墨鍵重復(fù)測量10次40、80分位的墨鍵實(shí)際位置，具體操作為將千分表表頭頂在所選墨鍵的前端，壓入一定數(shù)值后固定，待示值穩(wěn)定后進(jìn)行墨鍵位置調(diào)節(jié)，墨鍵到達(dá)指定分位后，讀出示值，得到前后示值差，即墨鍵實(shí)際移動(dòng)距離，將實(shí)際位置與理論位置進(jìn)行比較，驗(yàn)證墨鍵的位置精度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線見圖11。

圖11中墨鍵定位誤差曲線呈現(xiàn)出正誤差變?yōu)樨?fù)誤差的趨勢，最大誤差出現(xiàn)在墨鍵19的99分位上，誤差為4.8 μm，且所測墨鍵定位誤差范圍在5 μm以內(nèi)，40分位以及90分位處各個(gè)墨鍵重復(fù)定位誤差相對平緩，精度較高。實(shí)際印刷過程中墨輥上墨層厚度均勻，供墨量大小控制精確，提高了產(chǎn)品的印刷質(zhì)量，系統(tǒng)測試運(yùn)行穩(wěn)定，振動(dòng)噪聲較小，基本滿足設(shè)計(jì)要求。

圖11 墨鍵實(shí)驗(yàn)誤差曲線

6 結(jié)語

研究分析了國內(nèi)數(shù)字化供墨系統(tǒng)的不足，提出了一種基于STM32分區(qū)遙控墨斗系統(tǒng)，搭建墨斗操作臺及上位機(jī)監(jiān)控界面，操作人員通過操作臺按鍵及面板信息對墨鍵位置精確控制，實(shí)現(xiàn)了對膠印機(jī)出墨量大小的精準(zhǔn)調(diào)控，操作簡便。所設(shè)計(jì)的墨斗分區(qū)墨鍵位置精度可達(dá)到5 μm，有良好的重復(fù)定位精度，且印刷油墨厚度均勻，墨量控制精確，滿足了當(dāng)前印刷機(jī)數(shù)字化墨色調(diào)節(jié)的要求，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

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Design of Remote Control Ink Fountain System Based on STM32

FENG Cai-yin1,ZHU Long-biao1,SHEN Zu-jun2,CHEN Xiao-lin2

(1.School of Mechanical Engineering, Nantong University, Nantong 226019, China;2.Rugao Zhong Luo Printing Machinery Co., Ltd., Rugao 226553, China)

The work aims to analyze the advantages and disadvantages of the existing ink supply system, and propose a design scheme of remote ink fountain system based on STM32 to solve the problem of insufficient ink volume in the digital ink supply system of domestic offset printing presses. The mechanical structure of the zoning ink fountain was adopted to control the opening degree of the ink key independently. The ink key motor drive hardware system based on STM32F103 MCU was constructed. The 6-bit DIP switch was used to distinguish different drive boards. The feedback pulses from magnetic encoder were counted to control the position of the ink key. The panel buttons and display unit of the console were designed and the ink key position adjustment was divided into 0～99 positions. CAN bus was adopted for communication between systems. The ink key position and status information were displayed on the console panel and the host computer monitoring interface in real time. The experimental results indicated that the remote control ink fountain system adjusted the ink key opening range from 0.05 mm to 0.6 mm. The ink key positioning accuracy was about 5 μm and the repeated positioning accuracy was well. The remote ink fountain system based on STM32 realizes the precise adjustment of the ink volume during the printing of the offset press. The system runs stably, meets the current digital ink supply requirements for offset presses, and has great application value.

remote control ink fountain; STM32; magnetic encoder; CAN bus; position control

TS803.6；TP273

A

1001-3563(2022)03-0244-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.03.030

2021-06-20

江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金項(xiàng)目（BY2014081-07）；南通市應(yīng)用基礎(chǔ)研究-工業(yè)創(chuàng)新項(xiàng)目（GY12016006）

馮彩銀（1996—），男，南通大學(xué)碩士生，主攻機(jī)電系統(tǒng)的智能控制與信息處理。

朱龍彪（1964—），男，碩士，南通大學(xué)教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電傳動(dòng)控制和故障診斷等。