（计算机系统结构专业论文）光栅印制机的硬件设计与实现.pdf

摘要 本文避避慰绘图枫及以锺必撩复制法黪研究，镑对传统光 8 酲复翩法印制溅援 的长发鸯限，不能满熙大幅蟊耀大蝠巍喷墨绘蹿搬定佼戆应躅要袋。挺爨了分段 曝光、道续印制的设计思路，可获德任意长度和宽度豹条彤光攫以潢足大蝠戮喷 鼹绘图机和其它的定位需求。 论文主要研究了兔襁印制枫直流伺服驱动系绞酌结构缎成、控制方案釉系统 硬软件设计等问题。我们采用p w m 巍流伺服瓤动装置，通过位簧反馈实现对胶 片静避韵精确定位。程控翩算法上采用p i d 控制和加减速控制方法。在设计中为 了进一步簿纯奄路，爨寒系统豹鬻靠健采餍a l t e r a 公霹豹c p l d 器俘 e p m 9 3 2 0 l c 8 4 - 1 5 - 实璇帮分秘筢。滚系绞箕蠢结章奄筠零、调试方馕、成零低 廉、稳定性好等优点。 阑内目前滏无生产该擞条形透射式光栅的厂巅，嚣此论文的疆究与实践对促 避我国赢黯质嚷墨绘图技术的发展，特则是自主的产业他方囊商港重簧的实用意 义和参考价值。 关键宇：光掇印制枧童流p w m 伺服驱动伺服控制p i d 控制步进电桃 a b s t r a c t a s t u d yo ft h ep l o t t e ra n dt h et r a d i t i o n a lg r a t i n gd u p l i c a t i o nm e t h o ds h o w st h a t g r a t i n gb yt h et r a d i t i o n a lg r a t i n gd u p l i c a t i o nm e t h o dd o e sn o th a v eas u f f i c i e n tl e n g t ht o m e e tt h er e q u i r e m e n to f t h el a r g e f o r m a tp l o a e ri nl o c a t i o n ，i nv i e wo f w h i c ht h i sp a p e r p r o p o s e st h ei d e ao fp i e c e w i s ee x p o s u r ea n ds u c c e s s i v ed u p l i c a t i o nt oo b t a i na r b i t r a r y l e n g t ha n dw i d t ha n dt h u sm e e t t h er e q u i r e m e n to ft h el a r g e f o r n m tc o l o ri n k j e t p l o t t e r a n do t h e rm a c h i n e si nl o c a t i o n 。 t h i s p a p e rp u t se m p h a s i so nt h es t r u c t u r e ，c o n t r o ls c h e m ea n dd e s i g no ft h e s y s t e m ss o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，t h ep r o g r e s s i o no ff i l mi sp r e c i s e l yl o c a t e dt h r o u g h t h ed i r e c tc u r r e n tp w m s e r v od r i v e ra n dl o c a t i o nf e e d b a c k 。t h em e t h o d so fp i dc o n t r o l a n ds p e e d i n g & s l o w i n ga r ee m p l o y e d t of u r t h e rs i m p l i 母t h ec i r c u i ta n di m p r o v et h e s y s t e m sr e l i a b i l i t y , t h ec p l dd e v i c ee p m 9 3 2 0 l c 8 4 - 1 5b ya l t e r ac o i sa d o p t e dt o a c h i e v es o m ef u n c t i o n s t h i ss y s t e mh a st h e a d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r e ，e a s yt e s t i n g ， l o wc o s ta n d g o o ds t a b i l i t y n om a n u f a c t u r e ri nc h i n ah a sy e tp r o d u c e db a rp e n e t r a t i n gg r a t i n go ft h i sk i n d t h i sp a p e ri s ，t h e r e f o r e ，o fp r a c t i c a lv a l u ei nt h e p r o m o t i o no fc h i n a sh i g hq u a l i t y 窭o t t i n gt e c h n i q u ea n dp a r t i c u l a r l yi nt h ea u t o n o m o u si n d u s t r i a l i z a t i o na n di tc a ns e r v e a sar e f e r e n c e k e y w o r d s ：g r a t i n gd u p l i c a t i n g m a e l i n ed i r e c te u r l 陀n tp w m s e r v od h v e r s e r v oc o n t r o lp i dc o n t r o l s t e p p i n gm o t o r 创颏性声明 本人声明所里交的论文是我个人在导师指导“f 进行的研究工作及墩得的研究 成采。曝我所知，除了文中特别加戳标注和致谢率所罗歹f j 的内容以外，论文中不 包禽其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不镪食为获褥鹾嶷电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的闹志对本研究所做 戆任何贡献愆已程论文中徽了螺确的淡骥弗凌示了谢意。 申请学位论文与资料若有，f = = 实之处，本人承担剀l l ：1 关责任。 本入签名： 壅丝 开潮 绝主：! 至f 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保魁和使用学能论文的规定，即：研究 生在校攻读学位黼闽论文工作的知泌产权单位属西安电予科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工 乍成果时瀑名零位仍然强嚣安电子辩技大学。 学校有权保赠送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校w 以公布论文的全 熬或鄂分志容，霹滋兔许采餍彩窝、缝露或其它笺铡手段保存谂文。( 绦誉静论 文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 零人签名： 导师签名 建焦。e 耀曼咝：z 14 f 1 期。竖j t 五o 文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引畜 绘图枫诈为一秘大蠛面、全功能、数字化的电嬷输出设餐，在各张不鼹瓣 应用领域发挥若越采越冀要的馋用。随羲应用锁域蛇不叛掇宽，绘图技术褥到不 断改进、发展并趋于成熟，用户对绘图设备爨求的撼毫，健进了绘隧极敷发展。 除了最早阀世的篷式绘圈机外，热敏、热转印、静电、喷墨、激光簿魏类绘图帆 也相继意入市场。其中，近年来发展起来的喷墨绘图枫，较之笔式绘图机速度 快、线型多、色彩丰富、应用面广，以其靓丽的真彩色、清晰的线条、鲜明的曲 线轮廓、精确的绘图位缀，在c a d 、建筑、测绘、工程制图、地图、形象设计 阔、广告招帖画、背喷式灯箱图、甚至摄影楼的画布等方方面预作高分辨帮的输 出，它可以在普通纸、薄白及高分辨率彩色等各种钢板纸、硫酸纸、磷布和胶片 上绘图。而其与笔式绘阔机相差无几的价格，又是其它种类绘图机所无i 去比拟 的。因而喷茹绘图机以其卓越的性熊价格比受到广大用户的青酥。h ” i l j 然而喷疆点的定位精度是影响绘圈质鬣的藿要因索之，随着分辨率的提 赢，对定位精度的要求也越来越高。否则，就会造成疆点的疏密不均。图像扭 腩，边缘粗糙和色彩失真等现象。光栅具有精度高、抗干扰性强、性能稳定、数 字讫涮纛结采等伉点囡此条形透射式光栅是必不可缺少的位鬻测囊元件。直线 墅光糯有两种，一种是透射式光栅，勇一种为反射式光栅。反射式光栅的精度眈 较高，蔸其怒瀛度系数小，阑内又裔多家生产厂家，例如就京密云杭_ 嗣薯研究所， 济南机床厂，蓖绸梳床厂等。毽是这种光栅豹价格太商。而透射式光栅的鳐构简 攀，侄它的谥度系数较大，考虑翻打印瀚像豹绝对足寸蘩求不燕缀严格，采用透 射式誊线光糖遗行定位楚合理静，讴是翟雨尚无垒产该类条形透射式光褥的厂 裔，必绥依赖进日，徐格昂蠹。因魏，进行光撩印镅橇躺磷究，并投入生产，经 溪产超太幢嚣彩色嚷墨绘圈梳懿整体按术指稼达戮潮鞴先进承平，这辩大瞩蓠彩 龟暖器绘圈设备嚣产钝，产姓钝有鬟大意义，溺对瓣手提嵩我溪毫子稽怠产品在 瘸际枣场上鹃竞争力瞧鸯若燕大意义1 2 i l 。 1 2 项目概况 本论文的选题来源予“十嚣”篷防预研项目，主蒙目的是研究爨幄彩色嚷 摄绘图仪的关键技术，能够疑终宪成一螽彩色喷墨绘图仪性能样机，然后通过测 2 光栅印制机的慢r l ：没计实现 试骏证嬲决关键技术的可纷燃，弗且在改滋定型蓐投入生产。 绘嚣撬懿磷剃，娥予二毽纪矗卡年代。1 9 5 8 霉，荚鏊试粼或秘第一台平鸯 式绘图机。隧蕾计算机技术的飞逮发展，鞍裁绘图搬已具备餐能纯豹功黪。这秘 绘图机幽微处理器控制，机内带有c p u 、存储器、总线和接口电路等。实际上控 制系统就是一台计算机，称作“枫内徽计算机”。这种绘图机具商文线和字簿插 补运算及其自检等功能，搡作简便。 智熊绘图枫燕要完成两个任务：接收命令和实施绘图。 按渡命令怒撩税内微计算视通过接口岛主控计算枫相连，主控计算机根攒稻 户豹绘溷应蠲耧滓发滋一定格式静绘图命令筏粥字褥率。祝内徽计舞视接收螽， 递行勰器、差错鞭实蕤绘瀚羧铡。祝肉徽计簿梳每蔓控计算梳豹僖怠交羧，憝通 过接口完成的。 实蕤绘图是掇撬内微计算撬裁摄鼹接收耱余令，控铡能够绘瘸瓣宠或定题 绘图操 乍。 喷墨绘图机爆予种点降无笔式绘图枞，能够缭制点阵图像也溅绘制矢爨图 形，它接收计算枫传潦的向鬟和图像数摄嚣，分别避裙向量的栅格他处理与凰豫 处瑕，并将合并聪的处理缩聚分色成c m y k 醒色数掘，再经灰度变换形成对应 的像图信息。在绘图机控制器的控制下，通过接口邀至喷嘴的驱渤电路，实现墨 惫1 ；奄喷辩。绘辫梳豹生要性能指标有稍瑟足寸、最离绘闰蘧度、棚速度、精壤 笛。添瑟尺寸决定了戆够绘翻鬻甄箍鬣的太枣，遴凄、翻遮凄美系戮绘鬻静侠 懂，糖度彩蛹到绘鍪豹壤爨。其串糠凄器速度爨两磺霪黉静糖栋。毯赛餐名的绥 燃飙制造厂愁如h p 、c a l c o m p 、e n c a d 、s u m m a g r a p h i c s 麓公司都在避几年啦 玎发了爨已的大蠛瑟彩色骥鬟绘图机产照。1 4 , 9 1 这类产品魇具窍觞绘灏速度快、噪 声低、绘瑶介质广、实用性谶、价格低廉的特点只髓明摄，从而迅速占领了罴笔 试绘图机市场的绝大份额，萁应用领域能覆盖计算机大幅面绘图的多个领域e 而 我篱在犬幅鬣帮超大瞩西彩魏绘图杌领域院较落瓶，舀前商无自主知识产权酾两 类产晶。因惩，所需的大罹瑙和越太牺霭彩色绘圈枕基本蔹赣逡翻，侨穰昂爨。 阂内豹喷整绘翟梳枣场毽鸯凡令翟韩产晶掰占鬏。 1 3 本文的研究内容 本论文负费设计和丌发喷器绘图机的位黄检测元件一光栅印僚0 机的设计与实 现，在满足整梳经能撩标黉求的基础上，练台考虑价格和实现的复杂度，设嗣+ 一 个念理茸行并鏊经济离效黼巍赣印翻税。 该党褥印制梳既能翻z 条形光栅义能加工光栅码盘，定傻精凄优予 第一章缝论 0 o l m m 。分辨率为1 8 0 一3 6 0 d p i ，其有穰板宽度，加工光栅长度和曝光时间人工设 定功能。生产过程龛自动。 全文共分为七章，肉容安排如下： 第一章对光栅印制机和大幅面超大幅面彩色喷凝绘图枫的疆前现况做了概括 的攒述。给出了本论文将要研究的内容以及期望达到的目标。 第二章介绍了光栅印制机的相关理论与技术。对于光栅的分类、工作原理及 其优缺点做了简要的概述。 第三章依据光栅印制机的性能指标，给出了本光栅印制机的机械设计、电气 设计以及工作流程等总体方案设计，并对其合理性和可行性进行论证。以下通过 赢流伺暇控制系统、步进电杌驱动和操作面板设计三个部分详细说明该光栅机的 实现。 第四章着重论述直流伺服控制系统的设计与实现。介绍了现代p w m 廒流伺 服驱动技术和利用位置反馈实现胶片前进的精确定位。并用可编私逻辑器件实现 部分功熊。 第五章论述了横板升降部分步进电机的驱动。介绍了专用步进电机的驱动芯 片p b l 3 7 1 7 及箕电路构成。并讲述了模板燕否到位的检测方法n 第六章是光栅印制机操作面板的设计与实现。生要描述了参数的设定方法和 曝光电路的构成。 第七章是实验分析，通过实验测试数据验迸系统的正确性和可靠性 第八章在本文的结束部分，对系统所能达到的性能指标进行分析评价。并绘 出了有待研究的问蹶所在。 第= 章透射式直线光栅概述 第二耄透射式赢线光搬溉邃 2 + 1 光栅的分类 光栅分为透射式光栅和反射式光栅两犬类。透射式光栅悬用光学玻璃或透光 介质镇# 成的，用党劐极在光学璇壤上射出的犬萋的宽度秘鼹离都摆等的平行线务 褥为粼痰。裹疯鞠警予毛玻臻，不透竞，必蠢两个蕤疲乏闻豹竞滑黧分透先，稳 当于一条窄缝。透射光栅的特点是光源可以采用直射光，光电元件能够直接接 受，因此信号幅俊比较大，信噪比离，光电编码器的结构简单。同时线条可以刻 褥缀密，每毫米甏淤刻1 0 0 条蒹至更多象线，麸瑟霹竣减轻邀子线黪熬受搀，势 达到很高的精度。 众属反射式光栅是在长条形金属镜面上制成全反射姆漫反射间隔相等的密集 线纹剃燕，其特点是：线膨胀蘩数缀窖易敲刘与撬床用的簧通钢或铸铁一致，接 长方便，甚至可愆镧带髑戒整缀静长竞穰，不易破碎。搽尺毙穰安装在甑寐土需 要的丽积小，而飘发装调整比较方便，可以赢接用螺钉躐压板固定簌机床的床身 上。假是由于采用反射原理，熊信号幅废小，不适窘蔫予绘图机。目髓常用的反 鬟式党疆每毫零线绞羧戈4 ，l o ，2 5 鹌，5 0 ，1 0 0 。 除了直线式光栅以外，遥有一种塌柬溯熏角度熊越转光栅( 俗猕湖光栅) 。 圆光栅的线条是辐射状，相互问的夹角相等删。 2 。2 透羹幸式壹绫竞糨躲王终豢壤驿l 光栅技术是盹较典型而且常用的精密位移测量方法。利用光栅梭测线位移和 霆鼗穆霹疆运蘩较蹇豹羲度。谤耋毙捷孬隽溺耋元箨爨簿多年戆历史，特翻是在 数攘机床上，计豢光栅是应用的较多的测黧元件之一。它的特点悬测重精度商 ( 搿达ii l m ) 、响应速度快和量程范围广游。 漳羹毙攥搜零懿基醢是莫零条纹。莫尔条绞是稽其番愿懿性豹绫簇爨叠蛙产 圭酌条绞。其骧疆是：褪光耱( 簿毫米钓绫数1 0 0 条戳下静毙耱) 惹蓦l l 霜了光线 在感线传播时通她两个叠合光柑时产主的宏观效应，w 以用几何光学的原理来说 明；丽细光栅( 每毫米的线数1 0 0 条以上的光糖) 韪铡罔了光的徽射和千涉威 毽。 这里介绍迸射式直线光栅韵工作原理，邂射式光栅豳光栅尺和编码器构成， 6 始搬印制l 豹硬件设计与餐观 光栅尺是在玻璃足上，类能于翔划尺那样，进行长刻线的密集刻划，得到如下圈 2 1 所示的黑翻相间的、阏照缅小钓条纹。没有剡翔的自的地方透光，剡划的发 黑处不透毙，这就是光橱尺编码器南光源和相艘的检测电路构成，能够检铡到 光耱冗在毙源和检测电路闸移动时，光栅尺上交谮的明睹条缎，并产生相应的两 黯正交数字信号。 霉2 1 糯缩放大国 直线光棚一般由光源、长光栅( 又称定栅) 、短光栅( 又称幼栅) 、光电器件等 组成，如鞠2 2 ( a ) 所示。使用对通常把长光栅安装在阐定部件上静止不动而斌 光栅安装在活动部件上。伛也有相反安装的，即短光栅静止不动，长光栅活动。 究宽采用鄂种方式应飙蜜砾情况考虑。长光栅和短光栅的刻线密度完全相同。 捌攘的宽度加上刻癃之闻豹距离称为光栅常数或耱距，记为籼 3 徽鞋 ( a ) 党姆漉重原理( b ) 羹尔豢救形成骧理c c ) 夔承条绞移动幂意窭 睡2 2 光栅潮量赈理及奠尔豢纹示意蹦 l 一定栅2 一动挪 3 光敏器件4 一发光器件 a 一光栅常散疗一光栅夹角- 一莫尔索绽同鼯 把定栅平颟平行地放在动糖乎面上面，并使屯们的刻线倾斜一个很小的角度 日。这时在定栅上就会出现较宽的明暗榴间的条纹。称为“莫尔袭纹”。见圈 2 2 ( b ) 。因e 很小所以箕尔麓缴几乎与光栅上的刺绫垂直，而光强度分布近似予 正弦形。两块光栅剡绞闻的夹角。越小，明暗条坡糟宽。将动搪左右移动时藁尔 条纹勰金上下移动，每毒动耨移过一个泵纹的间距时，夷尔条纹也移过一个条绒 的阀距。遮一点由圈2 2 珂l ；上看得税清楚。图中线i 和2 是动栅上的两条相邻 的透光缝，线3 是定栅上的一荣迸光缝。在豳中位置，续2 与线3 交于点a ，缆 1 与线3 交于点b ，这都悬亮点。强动栅移过一个栅距时，线2 穆到1 的位譬，a 第= 章透射式直线光橱概述 7 点移到原来的b 点的位置，莫尔条纹准确地移过宗自已的一个闻距。莫尔条纹的 间距就是a 、b 两点间的躐离，记为w ，由图4 ，2 ( c ) 可知w = a s i n0 ，当0 缀小 时商w = a 0 。尽管a 很小，缎0 特别小，所以莫尔条纹w 仍然比较宽，比较容 易观察别明暗条纹移动情况。这就是莫尔条纹的放大作用。它等于将两个光线条 纹间的距离由栅距a 放大到莫尔条纹间距w ，从而大大地减轻了光学系统和电子 线路的负担。 莫尔条纹的移动的数目和光栅之问移动的栅躐数目相等。因此，记录下奠尔 条纹移过的数嗣。也就知邋了标尺光栅移过的栅躐数，这个数乘以栅距就是移动 的距离。这就怒用光栅测位移的原理。 2 。3 光撼的优、缺点 一、优点 ( 1 ) 精度高。光稀式传感器在大璧襁直线位移方面，萁铡羹精度缀高，仅 次予激光干涉仪。 ( 2 ) 分辩率嵩，电路结构简单。 ( 3 ) 可实现动态测薰，输出为电信号，易于实现测量及数据处理的自动 化。 ( 4 ) 具有较强的抗干扰能力。 二、缺点 如果采用透明胶片作为光栅尺，其长度受温度变化影响较大n 但是对于图像 打印质量来说，这缺点影响不是很大。 第三章光栅印制机总体方案9 第三章光栅印制机总体方案 本章给出了设计的光栅印制机的总体方案，从而使我们对光栅印制机的系统 组成和工作过程有一个比较全面的了解。 3 1 光栅印制机的性能指标 根据项目对绘图机的实际要求，以目前处于市场领先地位的彩色大幅面喷墨 绘图机技术指标为基础，并基于降低成本、容易生产、稳定可靠等方面的考虑， 将光栅印制机的技术参数设计如下： 既能加工条形光栅又能加工光栅码盘。 光栅印制机的定位精度优于0 0 l m m 。 生产光栅的分辨率为1 8 0 - - 3 6 0 d p i 。 生产过程全自动。 一次加工宽度l o o m m ，长度不限。 具有模板宽度，加工光栅长度和曝光时间人工设定功能。 3 2 光栅印制机的功能与构成 传统的光栅复制【2 4 ，2 5 l 如下：将处理好的母光栅放在模板平台上，压上待复制 的光栅白坯。经过仔细调平和排除气泡后，进行曝光，曝光结束后将复制好的光 栅取出。根据不同需要，模板可以是圆光栅也可以是条形光栅，一块母板可以复 制出多块子光栅。可是每次复制出的光栅长度有限，无法满足大幅面超大幅面喷 墨绘图机的应用要求。因此，提出了分段曝光、连续印制的思想。e p 辛f j 用半导体 工艺制作个长l o o m m ，宽6 0 r a m 的条形光栅母板，将母板贴在模板平台上，使 光栅胶片移动需要的距离，压下模板进行曝光。然后将曝光好的光栅胶片进行拖 动，再对下一段光栅胶片进行曝光，如此循环，最后将曝光好的胶片取出，进行 显影与定影。根据不同需要，母板可以是圆光栅也可以是条形光栅，一块母板可 以复制出多块子光栅。这样利用重复印制的方法，就能获得任意长度和宽度的条 形光栅和光栅码盘。 该“模板复制法”印制光栅时为了保证精度须处理好以下几个问题： ( 1 ) 胶片必须紧贴在台面，始终处于拉紧状态。 1 0 走榧印刳机的硬转设计与实现 ( 2 胶芹每次移动的位鬻要精确。否则将会使两次印制的按缝处耩度达不 蓟簧求。 3 2 1 光撮印制机的机械结构设计 依据系统要求，将光栅印露枫的枫城结构设计如下图3 1 艇搴。该炎攘印剃 机由拖动胶片前进的部件，台蕊，模板及升降结毒句，控转压辊秘光源基部分缓 成。其中胶片前进部件由舆有离摩擦系数的驱动辍。媛胶片辗，减速艇，和驱动 电机构成，主要功能是驱动胶片前进，利用光码擞测爨驱动敏旋转的角度。螽露 由金属台板，负压盒和真空泵构成，其主要功能是让胶片始终紧贴在台蕊的农藤 上；驱动辊使胶片始终处于拉紧状态；模板升降机构郯件由光栅母板、摸板刑降 机构和位置敏感元件组成，在模板上贴有标准的光栅图案，当胶片前进时。升降 机将模板抬起，避免擦伤底片。当印制光栅时将模板压下，位置敏感元件检测模 板位置怒抬起还是压下。光源为紫外波段，将模板的光栅嬲案复制到底片上。 鞣动墩税 图3 1 光栅印剁机机械圜 3 2 2 巍耱印蒂8 机的电气结构设计 该印耩梳耄气部势的总体耩图鲡鹜3 2 ： 第三章光栅印制机总体力案li 胖 p l 曝弼闻防阐 8 恐 l 掣u 掣 闸既爵阿k p 3 1 厂橱陬掬 l 控制电路rp 3 。2 l 鼹承电路ll 汀电路| 图3 2 电气框罄 盘潮雨戳看出电气硬俘部分崮m p u 、搡 睾瑟扳、l e d 箍示电路、狡悫搔示 灯电路、赢流伺服驱动装置及步进电机驱动部分组成，各部分的主要功能如下： 操作面板： 操佟灏援主要宪成对光撩印割妖瘦、模菝突痰稻曝走簿潮豹参鼗设定戳及工 作状态的鼹示。 6 位l e d 显示电路： 工镶予不竭熬狡杰驻录不霾的数毽。当工黪予参数浚定敬态瓣，分泠敬豹显 示参数竣宠开关设定的印制光栅的长度、曝光时间。当工作予光栅印制状态时， 显示已印制的光栅长度。 状态指示灯电鼹： 用于鼹示光栅印制机当前的工作状态。 蛊滤伺服驱动： 嚣必光程摸援懿长度只赛1 0 0 r a m ，款印裁l o o m m 鞋上的长光撵孵跫熊分段 印制，驱霸电路驱动魂祝拖动胶片篱进设定的长魔，实现分羧瀑光。 步进电机驱动 在驳嚣魏进对，必须把模援拾越， 鞋篼擦伤胶片上秘药膜 在黢靖曝光时须将模板莲下避豁曝光。诧郝势壤步 进电机带动一个凸轮以实现模板的升降。 曝光时间控测电鼯： 由予不同鹃感光赢冀，要求不阏静曝毙辩阉，嚣量辩嗣黉糖确，放农藏系统 中采用电乎计时器。 3 2 3 印制光搬的点作流程 印翻巍据鑫三个学程序完或：攘援舞簿予耩窿( a ) 、是驳菏子程謦( 3 ) 秘 曝光子程序( c ) 。首先设定印制长膣、模板宽度和曝光时间镩参数，参数设定 巍撩印臻i 梳盼踺稍二设计与实璃 完肇甓，羧下印翩歼关，设务鄹进入印铡光援状态。检测撰板状态( 蹇藿濮器 壤) ，模援若擒越，粼胶背嚣遴5 公分( 裔的是将胶片控綮，连续印制不需 要) 。磷剿，先将模缀捻起，褥建成上逡操佟；羧韪放下横投开始曝光；判断印 制憋否结寒，若没有缩寨，剽抬超模板，前进胶片，送行曝兜。重复以上操作； 若印截结束，则熄灭状态灯，返鼹主稷廖。其工佟漉程图见瘸3 3 黼3 3 印制光栅过程流耩凿 3 3 光栅印制穰l 的方案构成 对乎光栅帮裁辊的蕤体设计，觜先庭满足印翻机的性能指标，并工作可靠、 稳定、易子生产。弱时还疲考虑磐发成本羁舞发调试方便，以辕糕汗发瓣期。攘 个设计包括硬件静软件辑部分，其中戳硬件为核心+ 谯硬彳孛的基础上，疆发鞠皮 的软馋避圣亍程序控制。 率先穰鼯粼瓤主簧囊三郝势缀成，露嫒部分，壹淡啁服驱动鄹分帮疹遴窀桃 驱动部分。霭板部分的设计相对滗较简苹，在托不徽说鞠。电机瓶动胶片前进 r 尊，对乎糖发豹簧求较凑，爨系绞的关键部分，器器馨 l 雳反缓系统来绦诞精度。 与步涟寇梳控制系统桶院，饲激毫巍羧髑系统要更加蔓杂，一般郝是闼环藏半闭 环豹控制系统，爝加了检测单嚣，繇且傅滕电枫一般楚由模羧蠢来控制的，登然 也需要横数( a d ) 和数模( d a ) 转换簿繇节。弼辩，餐服控制可以选剃毙步 避电规控制裹鳃多的擦钥糖发。耋潍耄枫具有爨好瓣调速特性为一般交流电梳所 第三章巍楗印剁枫总体方案 不及，因此在对电机豹调邋性能和扁动性能要求较高的生产机械上，以往都采用 壹流电机驱渤，丽不顾及其结构复杂和价格较资的缺点。 模板升降部分只是完成模板的抬越和降落，对于精度的要求楣对较低，因此 可阻采用成本低，控制线路简单。调试方便的疹进电机驱动模板的升降。为此提 出了以下的设计方案： 由于运薄和传输的运算薰不大，所以控制系统采用个单片机作为其c p u 的 数字控制系统。我们选用8 位的微控制器8 0 c 5 2 ，它与8 0 5 1 功能兼容，和8 0 5 1 褶比有以下改进；2 5 6 字节r a m ：3 个定时器计数器、6 个中断源、8 k 字节的片 内r o m 。 走胶片部分采用闭环伺服控制系统，利用位鹫反馈保证胶片前进的精度，并 使胶片的走动处于恒速平稳状态。 模板升降机构采用步进电机驱动。控制方式为开环控制。 设计上广泛采用c p l d ，提高电路的可靠性和稳定性，提高湃发的质量和效 率。图3 4 是光栅机的系统组成框图。 ll 。 p 0 蠖存器 爿髫鑫b d 盎嚣姜曲k 3 譬紧u 馈栽 p 作面板f p l ” - 扩 叫p 一 f h 一一絸 4 先措机鹊系统组成框图 流伺服驱动的设计 片部公主强负责胶片的前进，胶片的定位精确，才能保证印制光栅的精 因此走胶片部分的设计是本系统的关键技术。 动电机：设计时采用伺服性能较好的无刷直流伺服电机作为胶片前进的 电机，它具有体积小，效率离，出力大，幼态性能好簿优点。 1 4 毙舞秘嘉4 鞔麴硬捧设计每实瑗 电视驱动苍片；采阉美国阐家半导体公司生产的颟代d m o s h 型全桥 功率驱溯器l m d l 8 2 4 5 。箕内集成了驱动和控制赢流电机和单向取极性步进电机 酌所有电路模块。 控制方式；为了提高控制的精度，我们采用位置反馈的闭环控制及数字 p t d 控制算法。 位置反馈元件：将电机光电码盘反馈的信号脉冲进行计数，通过读取计数 值可以褥到胶片走过的实际位移置。 模板升降机构步进电机的驱动设计 模板升降生要负责模掇的抬起和降落，胶片前进时，捡起模扳，以免擦伤胶 片上的药膜；曝光时将模板压下进行曝光。 驱动电机：此部分对檄度；f 速度的要求不是很高。可用个步进电机实 现。步进电机的优点在于单步运行稳定性好，在设计上采用鼹棚混食式步遴电 机。 电机驱动芯片：采用步进电机的专用驱动芯片p b l 3 7 1 7 。该芯砖能够提供 的最大电流满足电机的需求，并且具有过热保护和防全通描施。 模擞到位检测：检测横板是否到位可利用光电元传进锊检测。 第四章赢流恫服控制系统的设计与实现 第四章直流饲秀鼗控制系统的设计与实现 镯服系统是一种闭环跟踪系统t 2 ，其输入邋常为模襁的或者数字韵电的参考 倍号，输出楚橇械转角蔽者梳械位移。它静主婺往能要求燕输国器蹙不失真地复 瑗输入参考指令信号翡交化。 伺服系统与一般的威馈控铡系统一样，楚由控澍嚣、受控对象、反馈测量装 甏戳及毙较器等都分组袋，控割器怒按照预定静控制规律谲节能量驹输入，以使 系统产生所希望靛输爨；受控对象一般建指梳嚣静运动部分，遁常包括功攀放大 器、执嚣撬桷、减速器潋及内反绩鼙路等。反馈装置是莱释传戆器测蠢单元，它 测璧输出变爨，辫将其转换势电信号爱馕髫系统豹输入臻。输入与及镄信弩沈较 爱毂蒺毽称必误差偿号。误装蠖号麴给控割器，然嚣调肇受控怼象瓣输入，这样 形成闭环控制圜疑。 在要求较离糖度戆定位瓣，必缀采耀位鬣爱镶静方法，维藏位藿爱谈掩潮系 统。逶常垃爨反馈系绞其有键鐾摆令秘俊墨爱镄测羹装鬟。位鼗指令将希望的证 移量转抉戏具有定壤蹙的电偿号。位鼗反馈测量装鐾随时检测出受控极槭静实 璐位攫，劳转换成具毒一定糙瘦的激信号。位嚣撂令缤号瓣毯譬爱馔信号毙较 威，产生偏差控巷4 信号，经放大质控毒4 执嚣电极，妻到达到定数糖度为止。 在控剃嗽糗熬选择上，漾鼹翅鞭特性较好煞壹滚髑瑕壤瓠“，为了翳于控 制，选用自繁光魄玛鑫1 1 孽l 蛉囊溅镯服电撰，宅霹辕爨互相相差9 0 0 邀耀位韵两列 脉冲鲤毽4 1 辑瘃，有时掌鸯熙炸参考攀位的撂记辣冲壤撵忝黥沸，震来攒示枧 械位燮或对累计误差涛零。当电机正转时，光电输出波形如图4 。l 中妻边图形辑 承。a 相比b 相滞后9 0 0 ；当电机反转时，a 提比b 姻越翦9 0 0 ，光电输出波形妇 圈4 。l 中右边图形魇示。将这两列脉冲送入计数器，通过读取计数爨的计数僮， 便可计算出实际的位移羹。将实际位移量葶h 理论位移纛相比较产生偏差控制僖 号，完成对伺服电机的控制。电机的转速可通过输入电压方便的进荦亍调节，变压 的方式也有多种，目前用大功率端体管p w m 控制的直漉伺服电动机驱动装置， 悬高精度伺服控制领域应用最为广泛的驱动形式。称之为p w m ( p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ) 驱动装颦。这种装黧。较常规的驱动形式肖无可比拟的优点。它能 蜜现宽范圈的速旋和位置控制，舆有响应快、精度离、平稳性好等特点。 光撵舔澍撬的疆棒设诗与实磷 肌厂 门。相厂 厂 嘲1 巾l 。相门if 标蕊厂 广稀叮r 蹦4 1 电机码擞输出脉冲示意瞬 4 1 伺服系统的驱动设计b 一】 4 1 1 崴流p w m 伺服驱动装置的工作原理 p w m 骧渤装譬是利麓囊薅大功攀晶体骛豹嚣荚特性来调铡溷定豹童溅邀 源。使其按一个固定的频率接通年口断开。并根据需要改变一个周期内“接通”和 “断开”秘时阋长短，逶邋政变赢流搦藏毫狐毫褪上电压豹“占空比”来改交平 均电压的大小，从丽控瓤电机的转速。 ( a ) ( b ) 螫4 。2 湖控制幂意餮爨电嚣浚形匿 p w m 控制螅零意匿如鞠4 ；2 ( 鑫) 赝示，可控舞关sl ：乏一定的时阏阕鼹爨复鲍攘 邋和断开，当s 按遇时，供电电源u 8 通过开关s 施加到墩动机的两端，电源翔 魄动瓤罐圣 黥鬃，惫动撬髂辘；娄舞美s 薮弹瓣，审薮了镞耄毫源诲懿毫动撬 提供能爨，但在开关s 接通期婀电枢电感所存储的能量此时通过续流= 檄管v d 使电动枫电流缝续流通。 在瞧动枫灏端阅褥到的邀压波形如辫4 ，2 嘞所示，毫压的平均值，辨w 用下式 袭示： 第嚣章壹流镧鞭控刳系统熬设诗与实现1 7 = 等以= 拜致 式( 4 - 1 ) 式串： 乇努关每次接遽豹霹游 r 开关通断的周期( 即开关接通时间瓦和关断时阀舀之鞠) d 一蠢龇争 由式( 4 1 ) 可以看出，改变开关接通时间。和开关道断周期丁的比例亦即 改交豫滓豹蠢空琵，电动褫两端豹耄压的平均傻也熬之改变，献耨使电动梳豹转 速得到了控制。按照式( 4 1 ) ，改变占空比有两种方法，即开关周期引叵定，通 过敢交辞通脉冲宽度。来改变占空比的方式，这就怒脉冲宽度调制( p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ，镶写为p w m ) ；凳一种方式为罨通辣池宽度疋。恒定，通避改变拜 燕频率( f = 1 t ) 来改变占空比，即脉冲频率调制( p u i s ef r e q u e n c y m o d u l a t i o n ，缝写为p f m ) 。蛊- 1 = p f m 是镶靠辣捧凝率懿黛纯来黢交占窆琵静， 港遇到某个特殊频率下的机械谐振时，常导致系统振荡和出现音频啸叫声。这一 严重较点导致p f m 控制程伺蔽系统孛不适嗣。弱蘸，壹流电动辘韵控制，戳应 用p w m 控制方式为主。 4 1 2 直流伺服电机的p w m 驱动实现 鲞滤饲黢驱动电路由d a 转换、运放、功放电赚组成。伺服电枧般是由模 拟量来控制的。d a 转换器是必不可少的环节。我们选用8 位的d a 转换芯片 a d 7 5 2 4 。a d 7 5 2 4 必t 型毫骓网络裂d a c ，耄滚输出。a d 7 5 2 4 豢鸯输入锬存器，霹 以直接把d 0 d 7 接剔数据总线上，不需另加锁存器，其转抉时间为1 5 0 n s ，可以 使用+ 5 v 至睁i 5 v 静莘稷毪瞧源骰邃。器信号辩痔翔i t t4 3 掰承。选溺两级运髯放 大器l m 3 4 8 寐完成。通过外围电路的合理设计，将a d 7 5 2 4 输融的控制电压进行 放大，送给下一级韵放。 匿4 。3a d 7 5 2 4 写入逻辑时謦 峨 。 。 岫 。 1 8 毙橱鼯露9 梳的硬件设诗与蜜现 为了撬嵩系统工撑的霹纛瞧，褥识电路，在设计妻滤镧溅惫枫掰采用鹣 p w m 驱动装鐾时，选撵用集成电路来实糯。我们选用了筵国阔家半静体公司生 产的新一代d m o s - h 懋全捺功率驱动嚣l m d l 8 2 4 5 i , t 2 , 2 3 1 。其内集戏了驱蹬帮控 制塞滚瞧规褪荜淘黢极性步进电杭的所有溉路模块。l m d l 8 2 4 5 采用了多莘申技术 使褥单个芯靖上箍融集成双掇馕逻辑电路、c m o s 逻辑瞧路及d m o s 功率湃关毫 黯，并遥蛙豳定芙断嚣尊淄轿波技术来控制惫梳电流。方使翁用，炎鬻外按两个电 阻葶电容，即可实现电机躲功率驱动、电漉控剁及多釉保护功糍。 l m d l8 2 4 5 酌主要毪能参数 正作漱度范潮：一4 0 + 1 2 5 8 c 最大瓣墩撩缤奄流：3 a 最大辘泌峰德毫溅t6 a 电机电源电压藏围：+ 1 2 + 5 5 v 最大邂辑亳聪：+ 1 2 v 矮小输入脓挣赛度：2 p s 峨巍缝感嚣最大线憾误麓( o 。5 a o a ) ；圭9 l m d l 8 2 4 5 的内部结构 黼4 4 新示为l m d l 8 2 4 5 的内部缝梅，其芯嚣内部集成了所毒p w m 驱动鲍 电路模块。 t 坩l lv # 饿球2 i9i s 制n 麓毽t o 瓣r 萄朗鞠嘲l l 瞄， 1 221 3纛7 磊 s 啪潮po l 锵o u t麓l 冀2 艇3v l 爨4 。4l 瓣1 8 2 4 5 内帮缮构强 l m d l 8 2 4 5 在箕巍郝集成有实现霜定关断鬟孛阉锩霞教大嚣所需鹣掰宥藏路横 第四章赢流伺服控制系统的设计与实现1 9 块，包括带有钳位二极管的h 全桥、负载电流采样放大器、比较器、单稳态电路 和一个为方便微处理器控制钳位门限电流的4 位d a 转换器。此外l m d1 8 2 4 5 还集成有可对电流方向、刹车以及电平移位和驱动等进行控制的逻辑电路。 【胤d 1 8 2 4 5 的工作过程 l m d i8 2 4 5 的斩波工作过程： 上电后，在b r a k e 信号无效，且保护逻辑无输出的情况下，电机按 d i r e c t i o n 信号的方向转动，采样电流通过接在c so u t 引脚的阻容网络后转 换成电压值，与d a 转换输出的预定阀值相比较。 - _ p ， - 一 - _ - - 啊”斜 电帆墁i _ f 1 一 _ r p p s 1 翱s 4 导强 s i 辱逼s 曼闭 ( i t ) v c c 章 p p 图4 5 靳波放大器工作过程 如果当前的电流转化的电压值小于阀值，则控制功率桥源点开关( s o u r c e s w i t e h ：s l 或s 2 ) 及对角位置上的吸收开关( s i n ks w i t c h ：s 4 或s 3 ) 导通，电源电 压全部加在负载电机上，使负载电流通过电源一s 卜负载一s 4 一地或电源一s 2 一 负载- - $ 3 一地的回路如图4 5 ( a 、b 实线所示) 。以指数规律增加。接在c s o u t 端的阻容网络上的电压值也随之增长，当负载电流增加或超过阀值电流时， 则比较器输出触发单稳态电路翻转，关断吸收开关( s 4 或s 3 ) 。此时，电机线 圈的能量通过续流二极管构成回路，继续沿于源方向流动，如图4 5 ( a ，b 虚线 2 0光栅印制机的鹾件设计与实现 所示) ，其大，j 、璧指数魏律衰减并趋向于零。吸收开关荚断的时阍为k 零 ；瓣。1 1 r c 。其中，r , c 分别为引脚3 所接的奄隰和彀容。 刍d i r e c t i o n 傣号改变孵，系统进入方向变化阶段。为防止4 个歼关同时 导遵，首先，将4 个功率歼关全部关断，电流通过续流= 极管构成的鲤路熏l 圈 4 5 ( c ，d 所示的虚线) 向零褒减；在电流接近零时反向开关闭合，_ i 羲过反向开关 构成翅鼹，知豳4 。5 ( c ，d 所承的实线) 。电流迅遥衰减到零，并魏质反楣增大 到露标电漉僵。 电溅采样放大器 l m d l 8 2 4 5 负载电流采样放大器如图4 6 所示。它利用两个源开关中少数几 个单元来采样受载电枫电流，构成了独特的功率损耗的采样电路。对予每一个输 入的d m o s 歼芙，酃有l x 的健感开关和4 0 0 0 x 的功率开关网时工作，从而使传 感嚣玎关按1 4 0 0 0 受载电流的比例输如传感电流。每输出1 a 的负载电流，电瀛 传感放大器便会输出2 5 0 u a 的传感电流。在传感电流鲍输堪与地之阀加入隰容鄹 络。一方西将电流傣号转化为电压信号，与d a 转化输出的潴值电疆栩比较，触 发斩波过程；另一方蓓，通过该低遴滤波器，可以滤除电瀛开关噪声。 圉4 。6l m d l 8 2 4 5 朗电流传感器= 作原理 d 聃转化器 d a 转化疆用予将短鼹器的门限电压设震为v d c r e rxi ) 1 6 ，其中v d a c r e f 是d a 转化嚣参考电压输入，其壤定输入为o 5 v 。在控制糖度要求较赢的场 合，胃以通过外加d a 转换嚣提高穗度。d 蹙由m 1 m 4 绘定的十避制数，取僮 范豳为o 1 5 v 。 电流传感电阻黜值的选定霹震以下公式求褥： 第四章直流伺服控制系统的设计与实现 足= ( 一d 1 6 ) ( 2 5 0 l o _ 6 ) l 式( 4 2 ) 其中工。为电机负载电流的最大设定值。在实际应用中，电机的最大电 流为l a ，当上式中d 取最大值1 5 ，由此根据式( 4 2 ) 的公式可求得电流传感电 阻的阻值： r ：鳖鲤：旦坐 1 2 5 0 1 0 “，l “m ；墨型兽。2 0 ( x 辅 2 5 0 1 0 6 1 、7 图4 7 给出了l m j ) 1 8 2 4 5 在直流伺服控制系统中应用电路。连接在r c 与地之间的 2 0 k f l 电阻与4 7 2 p f 电容将关断时间设定为： 一。= 1 1 r c = 1 1 x 2 0 x 1 0 3x 4 7 2 x 1 0 。2 = 1 0 4 s 。其中线圈电流的方向及关断门 限的大小由单片机和d f a 转换器进行控制。 图4 7 给出了l m d l 8 2 4 5 在直流伺服控制系统中应用的原理图。 圈4 7 由l 埘d 1 8 2 4 5 构成的直流伺服控制系统电路圈 4 1 3 电路设计中应注意的问题 l m d l 8 2 4 5 具有过流保护、过热保护、欠压保护等多种保护功能，使由该芯片 构成的功放系统具有较高的安全性和可靠性。下面分别介绍番保护功能和工作原 2 2 光橱印制帆的硬件设计与实现 毽及痤臻拜事应注意翦攀项。 过流保护实际是利用芯砖内部的1 2 a 电流耀值开关实现鲍。如果芯片驰嚣个 输入开关中的任意一个的电流达到了1 2 h 的阀值，l m i ) 1 8 2 4 5 的内部电路就将开关 阂会，势遣捷教障电流在大约3 , u s 豹时鬻辩衰减奎零。在藏之螽，蕊建巍动耋耨 启动。成当注意的是：如果此时电路故障已经排除，自动启动盾电路将迅速恢复 羁正常工作获态；毽翔莱敲簿没有消豫，穗鼯仍然过太，曩| j 蕊舞将反复送入遵断 状态。反复开关如此大的电流，将在电源线上感应如破坏性的电压尖峰脉糟 ( s p i k e ) ，如采该脉冲静幅度超遗了芯片的最大承受电压( 6 0 v ) ，剐有可能遗 成芯片的永久性损坏。因此，芯片的￥。端要求必须能霹靠滤除电压尖峰脉冲，以 保护芯片不被损坏。 在安舔搡绺过疆每，垂予电裁瞧漉戆髋变或换尚经常赉凌，瑶茂雹游线上迄 经常会出现尖蜂电压_ 和浪灞电流。在电路实际设计中，常采用在芯片的电源端并 联嵩频陶瓷滤波电容及大容薰韬电解电容艉方法消除袋峰稼冲和浪涌电流。通常 陶瓷电容的容傻设定为l g f 左右。铝电解电容鲍大小设定必1 0 0 i f 左右。爨 外，在布线时成注意：电容距v 。的距离威在0 5 英寸以内，电容的管脚引线应尽 量短。 一过热保护悬利用芯片内部的结湿传感器实现的。当结温超过1 5 5 时，结濑 铐感器将功率开关关闭；当缩溢下降弱阀德戳下时，芯片自动重新癞动。 欠匿保护的王作过程为；当电源电压下降到大约s 8 v 的阂值以下孵，内部 电路将关闭功率开关；如果电压恢复正常，芯片将重新启动。 4 2 基于c p l d 的胶片精确迩位 由予本光栅印制机对光栅的印制采用分段曝光，连续印制的方法，其工作原 理为：将娃理好的母巍褫放在模板平台( 模板长度约1 0 0 m m ) 上，匿上待复稍的 光栅自坯，经过仔细调平和 j 除气泡后，进行曝光，曝光结束后将复制好的光栅 用电机拖动前谶一个褥板竞度钓躐离，稀对下一段光栅白坯进行曝光，如此循 瑶，裁碟双复粼出任意长度瓣毙撵。显然，如鬃怼胶篾豹定控不壤确，那么，簌 两次印制之间存在接缝误差，直接影响光栅印制机的性能。 因诧我稍采甩位鬟反馈来实现瓣胶片前进煎精确定位