一种生产线 喷码机控制方法分析及软件实现.pdf

重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 课题的研究背景 喷码机发明于六十年代末，直到七十年代末才生产出世界第一台商用喷码机【l j 。 喷码技术应用对象目前主要分为两大类，一类是产品的包装，主要分布在如食品、 饮料、烟酒及医疗等行业。另一类是在产品本身，即在产品上标注其规格型号等， 使其成为产品本身的一部分内容，主要分布在如电线电缆、建筑材料、鸡蛋外壳、 电子产品和商务印刷等行业【2 。为了适应自动化生产的流水线快速生产要求，连续 自动喷印编码技术日益成熟并得到广泛应用【3 【4 1 。与传统的打码机、贴标机相比， 喷码技术具有应用方便、经济实用等优点【5 】。喷码机可用于喷印生产日期、批号、 条型码以及商标图案、防伪标记和中文字样等定制或多变的信息，是促进包装现代 化强有力的设备【6 j 。 喷码技术以其条码印制方面使用灵活、效率高、成本低的优点，对提高企业和 产品的形象、促进产品销售、提高工作效率、增加经济效益均起到了极大的作用。 随着各种喷印墨水和各种新型喷码机相继出现，喷码机应用领域逐渐扩大。喷印方 式也变得更为灵活，先喷印后包装的传统模式已经不能适应生产需求，取而代之的 是先包装后喷印的灵活模式【7 】。据统计，二十世纪九十年代以后，喷码机需求量便 一直以1 5 一5 0 的年均增长率高速增长，而中国作为一个制造业大国，对喷码机 需求量更是惊人，近年来，一直以3 0 f l 勺速度持续增长【刎一j 。 喷码技术从诞生之初，经过三十多年的发展，已日趋成熟。但是看似简单的喷 码机，其核心技术相当复杂，目前只有少数几个发达国家掌握其先进核心技术。他 们将经过改进的办公领域气泡式喷印技术用于喷码机，使得整个系统的稳定性和喷 印结果的清晰度大大提高。泡式喷印技术在喷码机上的应用标志着第三代喷码机时 代的到来。 1 2 喷码打印技术的现状和发展趋势 1 2 1 喷码机概述 喷码机是一种通过软件控制，使用非接触方式在产品上进行标识的设备【1 1 1 。从 喷码机所用耗材来分类：一类是墨水喷码机；一类是非墨水喷码机( 激光喷码机) ； 从工作形态来分：一类为在线式喷码机，主要是给流水生产线配套用；一类移动式 喷码机，就是被喷物体不动，喷码机动，类似市场上出现手持喷码机。“喷墨编码” 即喷码，又称为非接触式印刷，现在常说的喷码是为了在产品或者产品包装上高效、 快速灵活地喷印编号、有效期、批号、徽标、品名等各种信息而发展起来的技术。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 它是运用带电的墨水微粒在高压电场作用下发生偏转的原理，在各种物体表面喷印 上图案、文字和数码，是机电一体化的高科技产品【l 2 | 。 根据喷码机工作原理的区别，可将喷吗机分为以下三大类： 连续喷射式喷码机( c o n t i n u ei n k - j e tp r i n t e r ) 简称c i j 式 连续喷射式喷码机系统是把墨水通过压力从单一喷嘴不断喷出，经晶体振荡后 发生断裂形成墨点，墨点经充电、高压偏转后在运动的物体表面扫描成字。大多应 用在成像要求低、需要高速度的包装市场。这种喷码机的动力可以分为两种：一种 是靠压缩空气产生的压力，另一种是通过喷码机内部的齿轮泵旋转的压力。对于大 量食品、饮料、药物和美容的包装印刷产品的编号和标记，c i j 是最佳的解决方案 1 引。 本文设计的喷码机即指连续喷墨式喷码机。 按需供墨式喷码机( d r o po nd e m a n d ) 简称n o n 式 工业按需供墨系统喷头由多个高精密阀门组成，在喷字时，与字型相对应的阀 门迅速启闭，墨水依靠内部恒定压力喷出，在运动的表面形成字符或图形。一个数 字信号在纸上产生的是一滴墨，而不是一条墨流。最新的d o d 喷印，与传统胶印 较为近似，它的打印效果接近照相的效果。但是喷印速度相对较慢，因此在质量要 求高、不要求速度的情况下，d o d 是最理想选择 1 4 1 。 激光喷码机 一 激光喷码机的喷印是通过激光直接在物体表面瞬间气化而成，所以它无需油墨 耗材，维护方便。激光可以形成极细的光束，在材料表面的最细线宽可以达到0 1 毫米，可以标记出复杂的文字、图形、条形码等。不过它的设备成本较高，喷印速 度不高【l5 1 。 喷码标识技术具有以下的优点： 非接触 喷码机工作时无需和产品表面发生任何直接接触，这样使得产品在喷印过程中 不会受到任何破坏，有助于提高产品质量。 速度快 高速增长的物质需求使得生产线速度必须具备高速要求，例如：饮料行业的生 产线速度在1 0 0 0 瓶分以上，作为生产线上的标识设备，也必须满足生产线高速要 求。 容易修改喷印内容 由于是电脑控制资料，所以可以很轻易的变化资料，资料内容中可加入日期时 间、流水号码、批号等会变动的资料。 可喷印表面材质广泛 喷印机有各种不同的墨水可供选择，不论是纸张、塑胶、金属、玻璃、坚硬的 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 表面或是柔软易碎的表面均可得到良好的喷印效果。 1 2 2 国内外喷码打印技术研究现状 1 9 6 9 年，美国的伟迪捷公司生产出世界上第一台喷码机。世界上相继出现了多 家喷码机企业，并推出了小字体墨水喷码机、纸箱大字体墨水喷码机等各种各样的 喷码机产品。直到二十世纪九十年代，全新的喷码机产品激光喷码机问世，标 志喷码机新时代的到来 1 6 1 。 相对于传统的油墨喷油技术，激光喷印技术是一种更先进的技术。它的特点是： 除了能实现普通的标注功能外，还具有特殊的产品防伪功能。激光喷印技术的独特 性使喷码技术不再局限于传统的单一性和规范性，创造出全新的喷印方式。它能从 不同方面突出产品的特色和品牌的差异性，大大提升了产品的竞争力，与此同时也 为缩短产品升级换代周期和产品柔性生产提供了有力的工具u 7 1 。由于激光技术无需 墨水，用户只需输入打印信息，就可以实现激光标记输出，相对于传统的油墨喷印 技术，能大大降低维修率。另外激光喷印技术还可以在玻璃灯特殊材质上进行喷印， 并且具有“一打双标”和“骑缝标识”的独特效果。由于激光喷码技术具有传统喷 印技术所不具备的诸多优点，所以它正以其自身独特的性能优点赢得广阔的市场 1 8 1 0 现代社会，人们的法律意识越来越强，消费者和厂商为了维护自己的合法权益， 使得现代的的产品必须具备可追溯的功能【l9 1 。然而，产品生产的各个环节，环环相 扣，任何环节的不适应都将对企业造成不可估量的损失，喷码技术作为实现产品可 追溯功能的必要环节也正经历着前所未有的技术革新。 高速增长的物质需求推动着现代生产线的高速发展，这对生产线标识设备也提 出了前所未有的挑战。以饮料行业为例，面对每分钟1 5 0 0 瓶甚至更快的高速生产线， 传统的低速喷码机已经不能满足需求，很多使用普通喷印技术的的企业不得不以增 加产品成本为代价提高生产效率。这无疑使产品竞争力大打折扣 2 0 【2 1 1 。为了在成本 控制优异的前提下满足生产需要，饮料行业纷纷开始寻求新的喷印技术设备。 针对现代生产线的需求，全球标识行业的领导者多米诺凭借在打印点阵控制技 术、墨路系统等方面的研究成果研发并推出了双喷嘴喷码机。如图1 1 所示，其性 能和效率上的卓越表现为主流的标识行业用户提供了成本更为优异的标识解决方案 【2 2 1 。这一技术的代表产品是多米诺a + 系列双喷嘴喷墨喷码机。同时，它还提供远 程管理、开发的标准网络接口等功能【2 3 i 。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 图1 1 多米诺a + 系列双喷嘴喷墨喷码机 f i g 1 1 t h ed o m i n oa + s e r i e sd u a l - n o z z l ei n kj e ti n k - j e tp r i n t e r 另外除了速度上的要求，生产线上对产品的材料也提出了特殊的需求，有些深 色和难以标记的材料往往难以喷印可变数据代码。伟迪捷标识技术有限公司针对这 一需求设计了v i d e o j l e t l 7 1 0 小字符连续喷码机，如图1 2 所示。一般来说，染料型 墨水很难在彩色玻璃、橡胶管、塑料线缆等材料表面喷印文字或者图案。 v i d e o j i e t l 7 1 0 小字符连续喷码机的核心在于设备的心脏“墨芯”。该墨芯能使得 颜料保持悬浮，有限避免颜料型喷码机常见的堵塞现象【2 4 j 。并且该喷码机以其出色 的性能包括业长寿命的墨芯、清洁滚动喷头降低了设备的维护成本。多米诺2 0 1 1 年推出的d 系列激光打码系统也可以实现上述产品的功能需求。 图1 2v i d e o j e t1 7 1 0 小字符连续喷码机 f i g 1 2 t h ev i d e o j e t1 7 1 0s m a l lc h a r a c t e rc o n t i n u o u si n k - j e tp r i n t e r 再次，设备的利用率和环保性能也是降低成本的重要一环，马肯依玛士2 0 1 1 年推出的新型9 2 3 2 小字符喷码机就是典型代表，利用率达到9 9 6 ，而且无需人工 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 辅助。墨水使用不含酮和甲基乙基酮的新型墨水耗材，喷码机采用8 0 的可回收材 料，环保一蚪1 2 1 2 台i 化匕更好 2 5 1 。如图1 3 所示。 图1 3马肯依玛士9 2 3 2 小字符喷码机 f i g 1 3 t h em a r k e m - i m a j e9 2 3 2s m a l lc h a r a c t e ri n k - j e tp r i n t e r 目前，我国包装工业的蓬勃发展，产品的包装技术己成为产品质量、企业形象 的标志，各种新型的包装材料应运而生，产品的包装形式也为突出品牌特征而设计 得更具特色。而且国家对产品( 特别是食品、药品等) 的出厂日期等标识的要求越来 越严格。政府和有关部门不断出台新的法律法规，对产品跟踪和防伪进行严格的规 范和管理。另外，基于质量管理和企业形象的需求，自觉利用喷码技术对产品进行 质量控制和跟踪、加强销售渠道管理和仓储管理的企业也越来越多【2 制。 基于国内包装工业的需求，国产喷码机应运而生，在2 0 0 5 年以前，国产喷码机 企业只有少数几家，比如科诺华、康迪、成顺和、航宇、金诺、东方商机等。但是 自从2 0 0 6 年起，喷码机企业如雨后春笋般降生，这些小型国产喷码机企业大多以赚 钱为目的，研发实力都非常弱，生产的喷码机产品质量上参差不齐，喷码机市场也 比较混乱 2 。n 。在众多喷码机生产企业中，以北京科诺华最具代表性，该公司于1 9 9 4 年率先取得我国内置泵喷码机技术专利。在此之后，北京科诺华公司一直处于国内 喷码机制造商的领先地位 2 8 1 。最近又推出了k n 3 6 0 内置泵喷码机、k n 一3 0 0 p 白墨 喷码机，如图1 4 和图1 5 所示。这两种喷码机从喷印速度到喷印行数都上升到了一 个新的台阶，这是国内喷码机技术的又一次飞跃。但是，与国外厂商的技术相比， 国内的产品除了具有价格优势外，技术上毫无竞争力，所以，在喷码机控制技术上， 国内还有很长的路要走。 重庆大学硕士学位论文 1绪论 图1 4k n 3 6 0 内置泵智能型喷码机 f i g 1 4 t h ek n 一3 6 0b u i l t i np u m pi n t e l l i g e n ti n k - j e tp r i n t e r 图1 5k n 3 0 0 p 白墨喷码机 f i g 1 5 t h ek n - 3 0 0 pw h i t ei n ki n k - j e tp r i n t e r 1 2 3 喷码打印技术的发展趋势 当前，国内外喷码打印技术的发展呈现了以下趋势 3 0 ： 高速性 如何满足现代高速生产线需求，是喷码机一直首要解决的问题。 操作界面人性化 由于喷码机的专用性，其参数众多，设置复杂，操作人员必须经过专业培训。 因此从不同类型用户的角度出发，开发出易学易懂的、操作简单、符和操作习惯的 人机交互界面，是当前喷码机技术的一个重要课题。 智能化 随着嵌入式技术的广泛应用，越来越多的公司将嵌入式技术应用到喷码机开发 上，嵌入式系统的强大处理能力使得喷码机功能越来越强，智能化程度越来越高， 体积越来越小、实时性越来越强。 新技术、新材料的应用 随着材料技术的不断更新及新型的墨水不断出现，喷码机使用范围不断扩展， 喷码效果也大大提高。另外，新型电磁阀( 磁致伸缩电磁阀) 的使用，使得系统响应 速度更高、可靠性更强，大大提高喷码机性能。 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 网络化 随着嵌入式系统技术在喷码机领域的广泛应用，为了迎合操作上的特别需求， 将网络引入到喷码机系统中，用户可以通过网络方便的实现远程联机控制、资料远 程下载、机器运行状态监控等功能。 维修率低、易清洗 喷码机维修非常复杂，喷头容易堵塞，大多数喷码机故障都出现在墨路系统上 面，一旦出现故障，需要专业人员进行现场维修。所以在满足用户需求的基础上使 系统清洗容易、维修率低一直是喷码机技术备受关注的热门话题。 1 3 课题研究的目的及意义 随着生产线自动化水平的提高以及消费者法律意识的增强，喷码机已经成为生 产线上不可或缺的自动化设备，特别是在食品包装行业和线缆管材制造领域，都要 求出厂时有明确的出厂日期及生产打印标识。目前我国各行业所用喷码机基本上全 部依赖进口，进口喷码机技术上虽然先进，但是价格非常昂贵。作为一个制造业大 国，喷码机需求需求数量非常巨大，为了引进喷码机设备，我国每年耗费外汇数量 惊人3 1 1 。 在国内，由于喷码技术研究起步相对国外较晚，时间短，并且从总体上看大多 研究是以企业为主，而企业过分专注利润，其推出的产品大多是仿制国外9 0 年代末 同类进口产品，在喷码机自主研发方面投入力量不大，因此，单从技术上喷码机无 法跟国外相比，其产品基本性能落后国外大约2 0 年p 2 | 。 国产喷码机存在着故障率高、界面不够人性化、维护困难、喷印速度较低、稳 定性差等诸多缺点，并且国内喷码机主要还是采用单片机等低端的微控制器作为主 控芯片，无法较好的满足我国现阶段高速和实时性需求。因此，迫切需要国内有更 多的厂商开发质量更优的喷码机产品。这样不仅能满足国内企业的需求，提高产品 喷印质量，大幅度降低喷码机成本，为国家节省大量外汇，而且有利于在喷码技术 研发上进行技术储备、缩短与世界先进喷印技术之间的差距p 3 i 。 综上所述，本文在对喷码机原理进行深入研究的基础上，提出一种基于嵌入式 系统的生产线喷码机控制方法，并开发相应的软件系统，旨在改善目前国产喷码技 术存在的诸多问题。 1 4 课题的来源 本课题得到以下科研项目的资助： 国家自然科学基金重点项目，“离散车间制造系统高效低碳运行优化理论与 关键技术”( 项目编号为5 1 0 3 5 0 0 1 ) ； 重庆大学硕士学位论文 1绪论 国家重大科技专项，“轿车变速箱齿轮加工自动生产线”( 项目编号为 2 0 1 1 z x 0 4 0 0 1 0 4 1 ) 。 1 5 论文的主要研究内容 本论文主要研究内容如下： 第一章介绍了课题提出的背景，总体分析了喷码打印技术的国内外现状，并根 据国内外现状总结了喷墨技术今后的发展趋势，分析喷了码技术当前存在的问题， 总结本课题的目的和意义，然后说明研究课题的来源。 第二章简单介绍了喷码机的基本组成及其工作原理，然后从用户和喷码机使用 环境的角度出发，总结出喷码机系统控制方法的设计原则和设计规格，最后提出生 产线喷码机控制方法的总体设计框架，包括软件和硬件框架。 第三章分别深入分析研究生产线喷码机控制方法中几点关键技术，包括生产线 喷码机上下位机通讯方法、打印数据转换算法和同步策略、打印相位控制方法。然 后给出三点关键技术的详细设计方案。 第四章在第三章的基础上，对生产线喷码机控制方法中各个主要模块包括打印 控制模块、墨路控制模块、人机交互模块进行深入分析和研究，分别设计各个主要 模块的控制方法，并详细讲述了各个主要模块控制方法的软件实现。最后讲述生产 线喷码机控制方法的应用实例，证明其设计的实用性。 最后，对全文的研究内容进行了总结，得出结论。 1 6 本章小结 首先分析了目前国内喷码机的行业背景及其存在的问题，讲述了本课题提出的 目的及意义，然后总体分析了国内和国外的喷码打印技术的发展现状和国内外在喷 码技术上存在的差异，并根据发展现状展望喷码技术的未来发展趋势，最后详细说 明课题的来源，介绍本论文的主要内容安排。 重庆大学硕士学位论文 2 生产线喷码机控制方法总体设计 2 生产线喷码机控制方法总体设计 2 1 喷码机系统组成 喷码机是集系统工程技术、计算机技术、信息处理技术、自动控制技术、机械 设计技术、流体控制技术等多个学科综合交叉的技术密集型产品。喷码机大致可以 由打印控制系统、人机交互系统、外部信息检测与同步反馈装置、墨水控制系统、 机械外壳及其安装机构六部分组成3 4 】【3 5 】。 打印控制系统 打印控制系统是整个喷码机控制技术的核心。该部分的主要作用是微处理器结 合软件及外围模拟电路精确控制外围硬件的动作，包括墨滴的分裂、墨滴充电、充 电相位检测等，打印控制系统的好坏直接影响喷码机打印结果的质量。 人机交互系统 人机交互系统主要包括l c d 显示、键盘、指示灯、蜂鸣器等人机交互装置， 通过这些人机交互装置，用户可以完成打印信息输入、打印信息编辑、打印信息存 储、系统运行状态监控、系统控制参数设置等工作，这些信息将直接或者间接的传 递给打印执行装置，影响系统或者硬件的行为。 外部信息检测与同步反馈装置 外部信息检测与同步反馈主要是运用传感器技术不断检测生产线上的产品位置 信息及流水线速度，并将传感信号迅速反馈给微处理器，微处理器对反馈信号进行 处理，然后根据处理后的结果自动调节系统打印行为，这样整个系统形成一个个闭 环控制系统，将喷印质量与精度始终维持在最优水平。外部信息检测与同步反馈装 置主要包括线速度检测装置( 用于线缆等产品的打印) 和单个产品检测装置( 用于分离 的单个产品1 。 墨水控制系统 墨水控制系统主要包括墨水泵、墨路装置、墨水参数检测传感器、储墨罐、溶 剂罐、墨水回收装置。墨水泵提供墨水传输的动力，墨水通过墨路由储墨罐到达喷 头，打印的时候，被充电墨滴打印在产品表面，未被充电的墨滴通过墨水回收装置 回到储墨罐。其中溶剂罐储存墨水溶剂，用于打印结束清洗墨路，防止墨路堵塞。 或者在打印过程中通过墨水检测传感器反馈的信息调节墨水浓度。 机械安装机构 机械安装机构主要是喷码机箱体和安装支架，箱体是为了保护系统的各个部分， 安装支架是为了在实际应用中便于安装固定整个系统。 9 重庆大学硕士学位论文2 生产线喷码机控制方法总体设计 2 2 生产线喷码机工作原理简介 本次设计的是一个连续喷墨式喷码机控制系统的控制方法。如图2 1 所示，连 续喷墨式喷码机工作原理大致分为打印数据转换、墨点产生、墨点充电、墨点充电 相位检测、墨点偏转五个模块，各个模块的工作原理如下所述【3 6 】【3 7 】。 喷印介质表面 图2 1喷墨式喷码机工作原理示意图 f i g 2 1 t h ei n k - j e tp r i n t e rp r i n c i p l es c h e m a t i cd i a g r a m 2 2 1 打印数据转换 打印的信息有文字、图片、数字、字母，首先我们将要打印的信息经过一定的 算法转换成点阵信息，这些点阵中的点会根据自己所处的位置被转换成相应的电压 值，这些电压值就是我们打印的时候真正需要的数据，它会被传给墨滴充电极板作 为墨滴的充电电压。 2 2 2 墨点的产生 墨水靠内置泵提供的动力源通过墨路到达喷头，在泵输送的高压下，墨水从一 个直径很小的喷嘴喷射出来，形成墨线，喷嘴上有一个固定频率的晶振棒，这个晶 振棒由一个频率固定的晶振正弦波驱动。墨线经过振动的晶振棒，形成均匀的分离 重庆大学硕士学位论文 2 生产线喷码机控制方法总体设计 的墨点微粒。 2 2 3 墨点充电相位检测 墨点充电相位通俗的讲就是墨点充电时机，要想让墨点带上大小合适的电量( 最 好为当前充电电压下墨点所能带电的最大值) ，充电时机非常重要，这需要系统通过 软件结合当前系统的机械特性和当前晶振棒驱动电压幅值进行充电相位的最佳时机 搜寻。这个最佳时机搜寻过程叫做墨点充电相位检测。墨点充电相位检测的目的是 找到当前状态下墨点充电的最佳充电相位，墨点相位检测是整个系统的核心以及难 题，直接影响打印输出。如果相位控制精度高，将得到很高质量的打印效果。 2 2 4 墨点充电 相位检测完毕后，在系统软件控制下，墨滴充电极板用上层传下来的电压值在 适当的相位开始给墨滴充电，最佳充电相位会确保墨滴带电量达到当前充电电压下 的最大值。在充电电场下，充电会在瞬时完成。 2 2 5 墨点偏转与打印 不同的充电电压会确保墨点带上大小不同的电量。带电的墨点离开充电极，进 入一个高压偏转电场，这个偏转电场会使墨滴发生偏转，根据带电量的不同，带电 量大的偏转量大，带电量小的，偏转量小，不带电的不会发生偏转，这些不带电的 墨点会径直进入喷头下端的墨水回收装置回到储墨罐。因此只有带电的墨滴才会飞 出回收装置，打印到产品上。如果每个充电墨点都满足充电要求( 相位准确) 。不同 墨点由于偏转量的不同会在产品表面形成预期的文字或者图案。 2 3 生产线喷码机控制方法设计原则和设计规格说明 2 3 1 生产线喷码机控制方法设计原则 根据喷码机的行业特点和国内外喷码技术的现状，本次将围绕如下原则对生产 线喷码机控制方法进行设计p 如： 高速性 高速性是指喷码机工作时具有很高的喷印速度，为了适应现代生产线的高效率 低成本，打印系统的打印速度也必须满足高速性要求。 稳定性 稳定性本来是一个硬件领域的术语，人们通常把稳定性也称作是可靠性，稳定 性是一个和时间相关联的属性，是指在一定时间内，系统不出现故障的概率。它是 设备能长期维持正常工作状态的性能，是一个统计量，通常用设备的平均无故障时 间来衡量设备的稳定性。为了降低产品成本，提高产品竞争力，生产线上的设备需 要具有很高的设备利用率，进而要求设备必须具有很高的稳定性。因此生产线喷码 重庆大学硕士学位论文 2 生产线喷码机控制方法总体设计 机作为一个生产线上产品信息标识设备，稳定性对降低产品成本也很重要。 易用性 易用性是指设备使用的容易程度，软件的易用性主要是指用户界面友好、操作 简单。复杂的操作必然会浪费大量时间，影响工作人员工作效率。 健壮性 健壮性的含义有两层：一是容错能力，二是恢复能力。容错是指在异常情况下 系统不出错的能力。在生产线喷码机工作的时候，有些异常情况非常重要，如果系 统不做及时的容错处理，会导致严重后果，比如墨滴溅射到高压极板，这种情况会 导致高压极板产生火花，如果不切断极板高压，会导致严重火灾。恢复能力是指软 件发生错误后，程序重新运行能使系统恢复到错误发生前的状态。喷码机要正常工 作，有很多重要数据参数需要设置，如果软件出现严重错误，系统可能就不能正确 运行，给用户带来很大麻烦，恢复能力对用户来说非常重要。用户可以利用设备恢 复能力使系统恢复正常状态。 智能化 生产线喷码打印控制系统的设计应让系统更智能化。现在生产线对喷码打印的 系统要求越来越高，希望系统能做些专业人员才能做的事情，使系统更智能化，减 少操作人员的参与度，提高生产效率。 2 3 2 生产线喷码机控制方法设计规格 本次设计的生产线喷码机控制方法在功能上需要满足以下规格： 良好的人机交互界面，人机交互装置包括：l c d 屏、状态指示灯、报警器 和自定义键盘； 良好的墨水系统，通过软件控制可以实现墨路自动清洗、电机转速自动调节、 自动调节墨水浓度、墨路异常记录和处理、维修容易、各个电磁阀手动控制等功能； 良好的打印系统，能实现实时相位收集、打印异常自动处理、实现连续打印、 重复打印、延时打印、内部信号打印、外部信号打印等各种打印方式。 此外，系统还应具有以下性能指标： 打印字体点阵类型：5 x 5 、6 x 7 、8 x 1 4 、9 x 7 、1 4 x 8 、1 4 x 1 4 、8 x 1 6 、1 6 x 1 6 、 2 1 x 1 4 、2 1 x 2 1 、2 4 x 1 6 ( 可选) ； 最大喷印行数：4 行7 x 6 字体( 纵向最大2 8 行点阵) ； 显示方式：5 6 英寸t f t 真彩l c d 屏； 最大喷印速度：6 1 k 个点秒( 1 4 5 2 个6 x 7 大小点阵字符秒， 输入法：中文输入法、英文输入法，自定义工业键盘输入； 手动可调参数：连续打印间隔、重复打印间隔、墨点利用率、 印延时、相位、墨点分离频率和调制电压等； 1 2 可手动改变) ： 电机转速、打 重庆大学硕士学位论文 2 生产线喷码机控制方法总体设计 可变动态内容喷印( 加入实时时钟、序列号) ； 系统参数实时存储，系统数据备份和丢失数据恢复； 打印信息和图片存储( 1 0 0 0 条) ； 扩展功能：实时时钟，喷印次数计数器，外部打印信息交互。 2 4 生产线喷码机控制方法软件总体设计 2 4 1 生产线喷码机硬件体系构架概述 以生产线喷码打印控制系统的功能需求和设计原则为基础，系统硬件总体结构 如图2 2 所示，可分为墨水系统控制模块、人机交互模块和打印系统控制模块。 图2 2 生产线喷码机控制方法硬件总体结构 f i g 2 2 t h eh a r d w a r eo v e r a l la r c h i t e c t u r eo ft h ep r o d u c t i o nl i n ei n k - j e tp r i n t e rc o n t r o lm e t h o d 墨水系统控制模块，墨水系统控制模块是整个打印系统的基础，负责为信息 喷印做好前期准备以及在打印完毕做好后续处理。墨水系统控制模块主要实现电机 和墨路系统的各个电磁阀的开关( 手动和自动) 、电机转速自动厍动调节、墨水浓度 自动手动调节、墨路系统异常反馈和处理、墨路压力自动手动调节、墨点回收、 墨路清洗、开关机墨路动作等一系统墨路系统控制功能。 人机交互系统，人机交互系统负责用户和系统的交互工作，包括打印信息编 辑、系统参数设置、系统异常报警、系统状态指示、系统故障记录显示等。在本系 统中人机交互装置包括l c d 屏、蜂鸣器、l e d 指示灯和键盘。l c d 屏主要用于显 示系统参数、系统的各个操作界面。蜂鸣器主要用于键盘按键音指示和故障报警。 重庆大学硕士学位论文 2 生产线喷码机控制方法总体设计 l e d 指示灯用于指示系统当前运行状态。键盘用于l c d 界面菜单操作，包括界面 切换、修改参数、编辑打印信息等。 打印系统控制模块，打印系统控制模块主要控制打印机在打印过程中的各种 行为和功能，包括打印信息的转换与存储、打印信息同步、相位实时控制、打印行 为( 打印间隔、打印延时、内外打印信号源、连续单次打印) 控制、信息特性控制( 字 高、字宽、重复打印次数和间隔、字体加粗、信息颠倒和翻转、序列号插入、实时 时钟插入) 、打印墨点分离参数控制( 晶振频率和调制电压) 、墨滴充电控制、高压控 制等。 实时时钟模块主要负责保持系统时钟，当系统断电的情况下，时钟芯片在纽 扣电池作用下继续工作，实时记录当前时间。当系统重新启动，c p u 可以通过单片 机读取时钟芯片中当前时间，获得系统时钟。 信息存储与交互模块主要借助外围移动存储介质和喷码机系统进行信息交 互，主要是文件信息的拷入拷出。系统提供s d 卡接口和u s b 接口，可以用s d 卡 和u s b 移动存储设备和系统进行内外信息交互。 2 4 2 生产线喷码机软件体系构架设计 图2 3 生产线喷码机控制方法软件总体构架 f i g 2 3 t h es o f t w a r eo v e r a l la r c h i t e c t u r eo ft h ep r o d u c t i o nl i n ei n k - j e tp r i n t e rc o n t r o lm e t h o d 如图2 3 所利3 9 1 ，整个系统软件构架就像一个人体系统，c p u 是整个系统的核 1 4 重庆大学硕士学位论文2 生产线喷码机控制方法总体设计 心和大脑，主要负责人机交互控制和发出控制指令到各个模块，主要是打印控制和 墨路控制模块，然后各个模块在各自微处理单元( 单片机) 控制下完成硬件动作。 整个软件构架主要分为两部分：上位机和下位机。c p u 和运行于其上的软件处 于整个控制系统的项层，称为上位机；各个单片机及其单片机程序处于整个控制系 统的底层，称为下位机。下位机模块包括打印控制模块、墨路控制模块、键盘模块。 上位机和下位机之间通过扩展串口按照自定义的协议进行通信，上位机不会涉及打 印机外围硬件的具体操作，只负责控制指令的发送、信息识别和处理，下位机负责 指令动作的执行和系统状态信息反馈。 在系统正常打印的时候，墨路控制程序和打印控制程序必须高度协调。从图中 可以看出，打印控制模块和墨路控制模块分别采用独立的单片机及其处理程序对硬 件进行控制，这种上下位机分离的设计使得单片机模块封装了对硬件的控制细节， 并通过一套协议提供统一的控制接口给运行于c p u 之上的应用程序。上位机程序只 需按照协议发送命令给相应的单片机，就可以轻松实现对硬件控制。这样的上下位 机分离的设计不仅能大大节省c p u 的软硬件资源，让有更高的执行效率去执行其他 高级处理，如打印字符转换、系统异常处理等动作，而且提高了模块独立性、可移 植性，c p u 及其应用程序就可以不必关心硬件控制细节，只要按照一定的控制策略 协调两个模块的动作，系统就能按照需求正常工作。 2 5 本章小结 本章首先对喷码机的组成及喷码机打印原理做了详细介绍，接下来详细描述了 本次喷码机控制方法系统设计规格和设计原则，最后围绕以上设计规格和设计原则 提出一种生产线喷码机控制方法软硬件总体设计。 重庆大学硕士学位论文 3生产线喷码机控制方法关键技术研究与实现 3 生产线喷码机控制方法关键技术研究与实现 3 1 上下位机通讯方法研究与实现 3 1 1 通讯协议制定 生产线喷码机是一个极其复杂的系统，从第二章的软件总体设计构架可以看出， 整个系统分为上位机和下位机，他们之间通过一条条通道串口保持信息交互。 要完成系统规定的各项复杂的打印功能，除了在硬件上提供的串口通道，还必须有 一套良好的通信语言才能保证在上位机和下位机准确、高效的进行信息传递，从而 达到上位机指令和下位机动作的协调和同步。这就是本节所说的通信协议。 鬻 鬻藜i 蒸蘩、鬻鬻鬻麟瞩熏 蘩簟l粼j黎bo日*，蝣黼、i、目泓；vx。j。ig、lii 蒸溪瓣鬻墼 i 奠毒0 # 薅舅i 蠢鳟i 女= v 臻i 鬏i 蔫纂鬻i l 鬻l 鬻鬻豢 攀鬻嚣蘩器鬻繁鬻蒺 卜_ 1 b y t e _ 一。1b y t 争1 b y t e 卜一4 b y t e - -+ 一1b y t e | 图3 1 通信协议格式 f i g 3 1 t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lf o r m a t 如图3 1 所示为上下位机通信协议的基本格式。整个协议包包含5 个字段，开 始标识表示一条命令的开始。命令类型分两大类，一类是控制命令，这类命令是上 位机发送给下位机要求下位机执行某个特定的动作的命令；另一类是反馈命令，是 下位机反馈给上位机反应执行装置当前工作状态的命令。命令类型后面是控制类型 字段，用于标识命令本身的功能。对于控制命令，该字段表示命令要求执行何种操 作，比如打开电机，打开供墨电磁阀等等；而对于反馈命令，该字段表示下位机反 馈给上位机何种状态信息，比如电机转速、墨路压力、墨水浓度等等。接下来是控 制信息字段，该字段占四个字节大小，对于控制命令，该字段表示执行该命令所需 的数据参数，比如打开电机时的转速，墨路压力值等等；而对于反馈命令，该字段 表示下位机反馈给上位机某种状态信息的当前值，比如电机转速大小、墨路压力大 小、墨水浓度大小等等。对于有些命令，该字段可能空闲不用。最后是命令结束标 识，表示一条命令结束。 在设计中，采用模块化设计思想，打印控制模块的通讯命令，主要控制打印期 间需要调整的参数，比如：高压、低压、晶振棒驱动电压值、晶振棒驱动电压频率、 相位偏移、打印间隔、打印信号源等等，这些参数的值将直接影响打印的输出结果。 1 6 重庆大学硕士学位论文 3生产线喷码机控制方法关键技术研究与实现 墨路控制模块的通讯命令，主要控制系统在开关机过程中和打印过程中电机转速以 及各个电磁阀的协调动作，反馈整个墨路的运行状态，l l 女n ：墨路压力、墨水粘度、 墨水液位、溶剂液位等等。系统对这些反馈信息进行处理，可以自动调节系统状态， 使墨路维持在工作良好状态。 3 1 2 通讯实现及其通讯可靠性保障方案 从生产线喷码机控制方法总体设计可以看出，要实现上位机( c p u ) 和下位机( 打 印控制单片机和墨路控制单片机) 的无缝结合，除了要具有一套完备的通讯协议外， 还必须有一套简单有效的通讯策略去保障整个通讯过程的可靠性。否则在控制过程 中会出现通讯失效，导致整个系统工作不正常。 = 付栅。， 改变系统参数备份 v 一“数 ：弋：碧眵 嚼磊三静 旱 等待延迟 v 、 ， 。l 打由备企扯磐襻l 1 ，j 磊；涂。石i 与原有控制命 l 接收反馈命令 7 引b o 岢升反硒r r 、 掣! 竺曼拳7 。t 口 令参数对比 阂 v名鬻囊熬 润 l 丢弃数据包 么鍪麟 攀翔 茹捌i 飞 i 誊l _ j 薅薯喜 j 鬻i ；岁 鬟罗 一赡 i 接收控制命令 藕i j 丢弃茎廿握白1 0旦j 解析命令 _ _ 一执行命令l 一裔反馈系缬献态 等待延迟 皂蚤参一j下位机_ 图3 2 上下位机通讯方法示意图 f i g 3 2 t h eu p p e ra n dl o w e rm a c h i n ec o m m u n i c a t i o nm e t h o d ss c h e m a t i cd i a g r a m 如图3 2 所示为上位机和下位机通讯方法原理示意图。该图代表控制命令的整 个通讯过程，用户通过人机交互界面改变系统控制参数，上位机将这些参数按照协 议打包成一定格式的数据包，如果是打印模块的控制命令，上位机通过扩展串口发 送给打印控制单片机，如果是墨路控制命令，上位机通过扩展串口发送给墨路控制 单片机。单片机收到数据包后，判断数据包是否完整，若不完整，丢弃，重新开始 本次命令过程，若完整，按照协议解析命令，并执行命令相应的操作，如：设定高 压值、设定晶振棒驱动电压频率、开供墨阀等等。执行完命令制定操作后，单片机 重庆大学硕士学位论文 3生产线喷码机控制方法关键技术研究与实现 按照协议将当前执行状态数据打包并返回给上位机，上位机接收状态数据包，并判 断是否完整，若不完整，丢弃，重新开始本次命令过程，若完整，解析数据包，然 后将解析所得的数据与发送给下位机的控制命令比较，判断状态命令是否执行成功， 若不成功，再一次发送相同的控制命令，并循环执行上述过程直到成功为止，若成 功，改变系统参数备份，一次参数设置过程结束。对于单独的反馈命令，系统定时 发送反馈值，比如：墨水粘度反馈、墨水液位反馈等等。 从整个通信过程可以看出，在改变系统参数的时候，上位机和下位机形成一个 封闭的通信环。一旦通信不成功，上位机会继续重复上次通信过程，直到本次通信 成功。由此保证单次通讯过程的可靠性。 另外，在数据包接收过程中，由于硬件等其他原因，导致在接收一个数据包的 时候出现通讯延迟，即在指定时间限制内还未完成单次数据包的接收，如果为了保 证通讯完整性，在这种条件下等待通讯完成，就无法预知通讯结果，软件无法知道 本次通讯是否能顺利完成，因此系统会丢弃本次接收的不完整的数据包，继续接收 下一个数据包，这样不会影响通讯的可靠性，又能保证通讯的实时性。 3 2 打印数据转换算法和同步策略 喷码机输出图形、数字、汉字、字母等信息都有一个个墨点组合而成，当从喷 码机系统外部手动输入打印信息后，从前面的喷码机的工作原理可知，这些数据并 不能直接被系统用于打印，必须将这这些点转化为一个个电压值。每个墨点一个电 压值，那么一个字或者字母至少需要几十甚至上百个充电数据，一条打印信息至少 需要成百上千个充电数据。在高速生产线的要求下，要在短时间内( u s 级) 完成如此 大批量数据的转换、传输，需要具有高效的数据转换算法和一套完整的数据同步机 制，保证上下位机数据实时批量传输。 3 2 1 点阵字库和充电电压补偿表 点阵字库 由外部输入的数字、汉字、字母等信息转换成点阵信息需要借助于点阵字库， 点阵字库是一个数据文件，在这个数据文件里面保存了汉字字符或者英文字符的点 阵数据。点阵字库是把每个字符都分成x * y 个点，每个点的虚实用一个二进制位来 表示，虚用0 表示，实用1 表示。汉字点阵字库是根据区位码的顺序进行存储的， 因此，可以根据区位码来获取一个字符的点阵在字库中的存储位置，获取点阵起始 存储位置后，就可以从这个位置读取出一个字符的点阵信息【4 u 】。 点阵字库可以用软件人为生成、修改，可以根据需要修改某个字的轮廓和点阵 组成。字库的生成和选择可以根据用户需求适当改变，在本次设计中需要用到的中 字库包括5 x 5 、7 x 6 、1 6 x 8 、2 1 x 1 4 、2 4 x 1 6 等英文字库，1 4 x 1 4 、2 1 x 2 1 、2 8 x 2 8 、1 6 x 1 6 、 重庆大学硕士学位论文 3生产线喷码机控制方法关键技术研究与实现 2 4 x 2 4 等中文字库。 充电电压补偿表 有了点阵字库，就可以根据一定的规则找到相应的字的点阵信息，这些点阵信 息仅仅用数字描述出了信息的轮廓形状，标识出字符点阵中哪些点需要充电，哪些 点不需要充电，因此还不是打印所需的电压信息。墨点充电电压值的大小还需要借 助充电补偿表来获取。 充电补偿表是存储具体点的充电电压相对值的数组，根据这张表和点阵的组合 情况的位置，可以查询到具体点阵的充电电压相对值。形成清晰汉字的点阵在横向 和纵向上距离相等，根据电磁学知识，理论上一列墨点的充电电压相对值也应该呈 现规律性变化，比如线性递增。但是实际的情况并不是如此，两列不同的组合的点 阵，即使相同位置的点，充电电压相对值可能不同。有些情况的充电电压相对值之 间确实存在线性递增的关系，但是有些情况，这些值之间关系就没有任何规律可循。 这是因为带电墨点之间的相互影响以及一些固定环境因素造成。因此实际上充电电 压相对值并不是根据某种计算公式计算出来的，而是在计算公式的基础上的实验修 正数据。系统需要事先将这些实验数据按照固定的存储方式储存在一个表中，在打 印数据转换过程中，方便快速获取这些实验数据，缩短转换时间，这个表就叫做充 电补偿表。 根据充电补偿表，系统可以获取各种墨点组合列情况下的充电电压相对值。充 电补偿表在系统不运行的时候以文件的形式存储在系统中，当系统运行后，系统会 将其读入到对应的数组，并提供充电补偿表修正界面，允许修改各种点阵组合情况 下的充电相对值。修改后的数据会保存到原先的存储文件，以供在生产中永久使用。 有了充电补偿表和点阵字库这两个工具，就可以将输入字符信息经过一定的转 换算法转换成充电矩阵用于下位机打印输出。对于图片信息，则不需要借助点阵字 库，可以将其保存为b m p 格式的黑白图片，由程序转换成点阵。 3 2 2 打印数据转换算法设计与实现 1 9 重庆大学硕士学位论文 一 ! 生兰垡堕堡垫笙型查鎏茎壁垫查婴窒皇窒垫 _ - - 一一一 图3 3 打印信息转换算法程序流程图 f i g 3 3 t h ep r o g r a mf l o wc h a r to f t _ h ep r i n ti n f o r m a t i o nc o n v e r s i o n 蛳t t t m 如图3 3 所示，用户输入打印信息到系统后，系统加载相应的字库，根据打印 信息在字库中查找相应的点阵信息，读取到的点阵信息是左右倒转的，将读取到的 点阵信息左右翻转到正常次序。若将这些正常次序点阵信息按照行列顺序输出，数 字为1 表示该位置有点，直接用“”代替，否则输出空白信息。由此获得一个由“” 表示的字符点阵。图3 4 为一个“不”字的点阵，点阵大小为1 4 x 1 4 。 图3 4 打印信息点阵示例 f i g 3 4 t h e p r i n t i n gi n f o r m a t i o nl a t t i c ee x a m p l e 2 0 重鏖奎堂堡圭堂垡笙壅 3 生产线喷码机控制方法关键技术研究与实现 二：二：= 二：= 二：= = ：2 ：! ：型二：二2 二! ：! 获得点阵信息后，将其注入到打印点阵内存中，打印点阵是由很多需要打印的 字符点阵组成的点阵。待整个打印点阵获取完毕。根据用户设置，对点阵进行处理， 比如打印信息上下颠倒、打印信息左右翻转等。然后根据充电补偿表中充电电压相 对值按照公式计算打印点阵中每个点充电矩阵值。整个打印点阵计算完成后，就得 到打印所需要的充电矩阵，下位机( 打印控制模块) 只需在合适的相位下按照y 0 1 1 1 页 序输出这些电压，就可以打印一帧用户输入的数据。如图3 5 所示为“不”字的充电 矩阵信息，图中数字以伏特( v ) 为单位。 图3 5 打印信息充电矩阵示例 f i g 3 5t h ee x a m p l eo f p r i n t i n gi n f o r m a t i o nc h a r g