试议底层一种简易可行CIJ式喷码机底层打印技术实现

论文导读：
【摘 要】随着当今工业的飞速发展，作为工业流水线上不可缺少的配套标识设备——喷码机必须具备高速、稳定、美观等多方面的要求。论文首先讨论了CIJ式喷墨式喷码机的工作原理，在对此原理具体分析后给出了一种简单可行的基于FPGA的喷码机底层软、硬件实现，并制作了实验样机；实验结果表明该设计突破了传统的喷码机设计方案，在喷印质量、易操作性等多方面已全面超越目前市面上的传统喷码机，且更易于实现。
【关键词】FPGA；连续喷墨式喷码机；相位检测；充电；晶振驱动
CIJ式喷码机基本原理是墨水在压力作用下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；大多使用在成像要求低、需要高速度的包装市场，例如工业连续喷射式喷码系统的速度最高可达每分钟1000英尺，大多数工业喷墨打标系统都采用该技术。
本论文的主要工作包括：首先详细分析CIJ式喷码机各部分工作原理，接着给出各部分实现的硬件电路，最后编写Verilog HDL程序写入FPGA、搭建硬件电路板并完成了最后的测试，实验结果验证了本文所给出的底层打印软硬件技术是有效的。

1.CIJ式喷码机基本工作原理

连续喷墨式喷码机基本工作原理如下：墨水在喷中压力的作用下产生墨线，墨线在喷腔内部的晶体驱动杆的上下振动的作用下，射出喷嘴后分裂成大小相等，间距一定的墨滴；墨滴断开前“充电”电极如果有电压，该墨滴就会带电；带静电的墨滴经过检测电极（用以反馈给主控电路寻找合适相位）；最后，带电墨滴在高压偏转电场中发生偏转，从喷头处射出，分别打在产品表面不同位置，形成所需各种文字、图案等标识；而没有被充电的墨滴则落入回收槽，重新进入机器内部的墨水循环系统。
下面详细讨论系统各部分详细的工作原理：

1.1 墨滴产生过程

墨水在墨路系统压力作用下于喷嘴处构建了一个的挤出系统，晶振柱由压电陶瓷和驱动杆组成，经高频电激励，压电陶瓷产生高频超声振动（本设计中高频电激励信号为频率为62.5KHz，峰值根据墨水粘度可调的正弦信号），带动驱动杆在前端产生同频次的高频微量位移（上下伸缩抖动）。油墨在压力的作用下进入喷腔，通过一个55微米孔径的喷嘴射出连续的非常细微的墨线流，流经高频振动的晶振杆前端而被高频声波切断[3]，从而形成类似显像管里电子发出的电子束流。

1.2 墨滴的充电

墨滴充电指的是墨线靠近充电极板（电源正极）时，由于静电感应现象产生的负电荷将分布于墨线尖端的表面[4]，此时墨滴从墨线断开时便会带负电，如图1所示，墨线从喷喷头高速射出后，在晶振杆正弦信号的切割下会在充电极附近分裂成墨滴，假如想给墨滴1充电，需要在墨滴0断开后立即给充电极加正电，在静电感应的作用下会在墨线尖端（即将断开的墨滴1）处感应出负电荷，维持充电极电压不变一直等到墨滴1从墨线上断开源于：论文开题报告www.7ctime.com
，此时墨滴1就会带负电，墨滴充电完成后，充电极板上的电压应立即断开，以保证不会出现对墨滴2以及后面的墨滴进行充电。
图1 墨滴充电原理图

1.3 墨滴带电的检测

带电墨滴经过检测极时，会在检测极铜芯的另一端感应出微弱的电压，可以根据该电压的大小判断充电极施加电压相位是否合适。

1.4 墨滴的偏转

类似于CRT显示器电子在高压下发生偏转的成像原理，墨滴经过高压偏转后发生的侧移（字符的高度）与墨滴所带电量成正比[5]，与高压偏转极板间偏转电压成正比；字符的宽度则与生产线的速度成正比，在此不再细述。

2.系统硬件电路规划

针对上述分析的喷码机基本原理，现逐一给出各部分解决方案如下：

2.1 墨滴产生电路

图2为正弦波产生电路的硬件结构：粗线代表器件，细线为电气连线，虚线为信号，正弦小信号由FPGA编写cordic迭代算法经DA产生，频率为62.5KHz；后面经过一个推挽电路激励高频变压器实现正弦电压的放大和隔离，用以驱动晶振杆。
图2 墨滴产生电路

2.2 墨滴充电电路

喷码机在工作过程中会根据喷印数据内容，通过按预存的充电量大小控制充电电源电压，而使墨滴在此过程中感应出数量不同的负电荷。当墨线进入充电极板间时，由FPGA通过控制高速DA并经过功率放大从而决定充电极电压的大小，墨线尖端感论文导读：
应出负电荷（理论上与充电极板电压成正比），墨滴此时从尖端断开便会带一定量的负电荷。

2.3 墨滴带电检测电路

检测极为横截面光滑的铜芯，铜芯具有良好的导电性，带电的墨滴在靠近检测极时，同样在铜芯表面产生感应电荷[6]，由于该信号十分微弱，需经放大电路将该检测信号放大，再由此决定最合适的相位。

3.打印系统实现过程

打印控制的实现过程，主要分为两部分：相位检测和打印时序控制。
在保证正弦波电压幅值、频率合适的情况下，加到喷内的晶振杆上就会产生打印所需的墨滴；从喷头喷出的墨线要经过一定距离才可以分裂成墨滴，可以通过调整喷头和充电极的相对位置，使墨滴分裂正好发生在充电极的中部，这样就保证了充电正确的硬件要求；控制任务关键是“相位”的确定，只有施加充电脉冲的时间点和分裂发生时刻保持合适的相位关系，才可以使墨滴带电量最优，并且不会出现多个墨滴充电的情况。
图3 相位检测框图
下面结合图3和图4详细讨论相位检测原理：通过调整相位检测电路的放大倍数可以将检测电压范围控制到0～3.3v，即墨水粘度合适，充电系统工作良好的情况下，检测电压最好可以达到3.3v，正常工作时检测电压通常达不到该值；为了设计调节器方方便，将相位检测参考电压取值范围设为2v～3v；系统上电复位后相位为0，参考电压取最小值2v，充电系统开始工作，墨滴带电量在检测极产生的电压，与参考电压比较，如果小于参考电压说明施加的相位不合适，此时调节器的任务是改变一次相位（1us，对应图4的1/16个周期），接着再判断检测电压与参考电压的关系，如果还是小于参考，调节器继续调整相位……，只要墨水粘度在运行范围内，总有检测电压大于参考的时候（墨滴总会充上电），这时可以认为充电相位是合适的，但并不一定是最优的，为了寻找好的相位，调节器还得继续下面的任务：增加参考电压Δv（本文取0.1v），重复上面寻找相位的流程，找到合适相位后，参考电压增加2×Δv……直到参考增加n×Δv后，既使相位调整一个完整的周期（16×1us）后，也找不到合适的检测电压大于参考电压，这时就认为已经找到了最优的相位，即参考电压增加（n-1）×Δv时找到的合适相位就是最优的。只有墨水压力、粘度和晶振杆正弦驱动不发生变化，上面找到的相位就会使墨滴始终带电充足，正式打印数据时直接根据打印内容的要求施加该相位下所需的不同充电脉冲幅值就可以；但是在实际工作时，上面所说的几个变量往往会发送变化[7]，进而使相位发生变化，因此每隔一段时间还需要接着寻找最佳相位。 打印的时序控制：如图4所示，黑色粗线矩形脉冲代表一个墨滴的周期（62.5KHz），每个周期平均分为16份（类似火柴梗表示），假如相位检测电路获得的合适相位如下图细虚线所示，那么正式打印时控制充电脉冲如下图粗灰线所示将是恰当的（因为实际检测到的相位精度为±1/16周期）：保证分裂点正好落入充电区域（粗灰线）的最后1/16周期左右；充电区域的上升沿要比检测到的相位点（灰色箭头所示）落后2个1/16周期，以保证不会对上个墨滴充电。因此，正式工作时所需的灰色充电区域的脉冲宽度实际为14/16个周期。
图4 充电相位图
上面讨论的CTJ工作各要素都满足后，现以打印大写字母“E”为例，介绍具体打印流程；“E”用5×7点阵表示如图5所示，实点为打印点（需充电），空点为非打印点（不充电）：从下图可以看出打印分5列，每列包括7个点，充电与否由空、实点确定，充电值从110v～170v等差排列，为了保证墨滴充电量的正确性，实验表明每3个实际墨滴中选1个墨滴作为字体的点阵是可行的（太密会影响打印质量），即字体的每个实点、空点都要经过至少三个实际墨滴才可以表示完整。
图5 ‘E’字体点阵图
具体充电序列如图6所示：假设当前的相位位于15/16周期，充电脉冲电压的上升沿对应于2/16周期，下降沿正好对应论文导读：006.7（4）：34～36.段军义.喷码机的应用与发展.加工装备，2006.23（2）：2～6.PeredinaA，AllenA.Telemedicinetechnologyandclinicalapplication，2007.TakeoKushida.HighSpeed，PowerfulandSimpleSolenoidActuator“Disole”anditsDynamicAnalysisResults.SAE85037

3.罗玉元.钢铁产品点阵式打

于16/16周期，脉冲为高的时间为14us，对应14/16周期。
图6 充电时序图

4.实验结果

根据上述方法编写程序，搭建硬件电路，制作样机。打印4个“E”字的实验结果如图7所示：字符倾斜的原因是由生产线的移动速度引起的，但注意到最后一列第7个点位置有些上扬，打印的效果并不是非常理想。
图7 喷印效果图
从物理方面分析，上述结果的原因包含如下几种可能：静电感应产生的带电墨滴落在打印物体表面的位置，并非简单地跟充源于：大学毕业论文范文www.7ctime.com
电极板的电压完全成正比，而且与当前打印点的前后有没有充电墨滴有关（充电极板工作时大概有100v左右的脉冲电压，会使仍然在充电槽中的带电墨滴产生错误的偏转，以及前后带电墨滴的互斥作用导致的错误偏转）；仔细分析上述原因调整程序后的打印效果如图8所示，效果要比简单的线性充电好很多。
图8 改进后的喷印效果图
5.结论
实验结果验证：根据本文所提方案搭建的底层硬件及算法是可行的；为了改进打印字体的美观程度，下一步的研究内容是静电感应系统对墨滴充电的非线性影响。
参考文献：
国内喷码机发展现状.包装工业.200

6.7（4）：34～3

段军义.喷码机的应用与发展.加工装备， 200

6.23（2）：2～

[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]罗玉元.钢铁产品点阵式打印机字符成形系统的研究一字符成形原理及字形控制.机床与液压.200

6.3（l）：20～22.

[6]赵钧.喷墨打印技术展望以及在中国开展研发制造之探讨.中国机械工程， 200

7.5（13）：5～8.

[7]韩曾晋.自适应控制[M].北京：清华大学出版社， 1987.