摘要：本文通過對伺服系統(tǒng)各個(gè)組成進(jìn)行分析，并對噴繪機(jī)工藝及原理進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一套噴繪機(jī)伺服控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中通過單片機(jī)控制器對噴印速度和位置進(jìn)行跟蹤控制，并且選用速度控制方式實(shí)現(xiàn)對伺服電機(jī)運(yùn)動的控制，從而利用了伺服電機(jī)系統(tǒng)自帶控制模型，實(shí)現(xiàn)了噴印過程中變速、勻速運(yùn)動的平穩(wěn)性滿足了噴繪機(jī)系統(tǒng)關(guān)于位置控制精確度的要求，性能優(yōu)越的伺服控制系統(tǒng)保證了噴頭的運(yùn)動平穩(wěn)性及準(zhǔn)確性，同時(shí)也提高了噴繪機(jī)設(shè)備在市場上的競爭力。

0引言

    噴繪機(jī)是利用電腦技術(shù)，將圖像設(shè)計(jì)與精密噴頭控制技術(shù)和機(jī)電自動化技術(shù)相結(jié)合的高科技產(chǎn)品，傳統(tǒng)的滾筒結(jié)構(gòu)噴繪機(jī)工作時(shí)，小車帶噴頭左右移動，同時(shí)滾筒帶動材料向前移動，能在燈箱布，車身貼，無涂層卷材等廣告材料上噴上色彩絢麗的圖案目前噴繪機(jī)的送布電機(jī)和小車板電機(jī)主要采用苴流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。但隨著產(chǎn)品的升級，客戶在噴繪機(jī)高速能力，過載能力等方向提出更高的要求，特別是噴繪機(jī)越來越多出口歐美的需要，直流伺服驅(qū)動方案已經(jīng)不能滿足某些客戶要求，適應(yīng)這種需要，我們開發(fā)了新的永磁交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)(驅(qū)動器Acs806+電機(jī)AcM602V36)來滿足客戶的這種較高需求。本文重點(diǎn)論述用于3.2m幅面，8噴頭的噴繪機(jī)交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的原理及特點(diǎn)。

    噴繪機(jī)按幅面可分為兩種：大幅面噴繪機(jī)和超大幅面噴繪機(jī)大幅面噴繪機(jī)其幅寬在一米左右，利用染料性（DyEBASED）墨水噴繪，分辨率較高（可達(dá)600-1000DPI），可噴繪至高光相紙產(chǎn)生相片效果。但由于受油墨性能限制，產(chǎn)品不防水、不防紫外線，必須后期覆膜或涂層，適用于效果圖及小樣等。超大幅面噴繪機(jī)的幅寬在3米以上，它利用顏料性（PIGMENT-BASED）油墨噴繪，主要面對戶外巨幅廣告市場，分辨率能滿足戶外要求（通常24-70DPI即可完全滿足戶外需求）。由于采用的噴繪技術(shù)及油墨的不同，對承印物的要求也不同。有些噴繪機(jī)限定承印物品牌及類型，有些不限定。有些噴繪機(jī)要求后期涂層，有些噴繪機(jī)的產(chǎn)品可直接應(yīng)用于戶外。另外，由于顏料油墨與染料油墨的色域不同，顏料油墨的色域比染料油墨的色域要窄得多，故采用顏料油墨的超大幅面噴繪機(jī)對色彩的真實(shí)再現(xiàn)性在一段時(shí)期內(nèi)還達(dá)不到小型寫真機(jī)的水平。

    伺服系統(tǒng)是自動控制系統(tǒng)的重要組成部分，它的性能優(yōu)劣直接決定與影響著自動控制系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性和精確性，機(jī)、電、液的組合成為目前工業(yè)自動化的主要技術(shù)基礎(chǔ)。伺服控制系統(tǒng)用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個(gè)過程的反饋控制系統(tǒng)。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機(jī)械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機(jī)械位移（或轉(zhuǎn)角）準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角）。伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒有原則上的區(qū)別。伺服系統(tǒng)的主要任務(wù)是按照控制命令要求，對信號進(jìn)行變換、調(diào)控和功率放大等處理，使驅(qū)動裝置輸出的轉(zhuǎn)矩、速度及位置都能靈活方便的控制。由于伺服電機(jī)響應(yīng)快，速度高，并且定位精度高的特點(diǎn)。所以很多廣告客戶最終選擇噴繪。為迎合國內(nèi)市場，部分生產(chǎn)廠家開始在引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上研發(fā)生產(chǎn)自主品牌的噴繪機(jī)。

1噴繪機(jī)工藝

    電腦雕刻機(jī)和噴繪機(jī)都是大型噴墨打印機(jī)。噴繪機(jī)按工作原理可分為固體噴墨和液體噴墨兩種，當(dāng)今主流的噴墨打印機(jī)為液體噴繪機(jī)打印機(jī)。電腦雕刻噴墨方式可分為雕刻機(jī)氣泡式與液體壓電式。氣泡技術(shù)是通過加熱噴嘴，使墨水產(chǎn)生氣泡，噴到打印介質(zhì)上的。墨水在高溫下易發(fā)生化學(xué)變化，性質(zhì)不穩(wěn)定，所以打出的色彩真實(shí)性就會受到一定程度的影響；另一方面由于印花機(jī)墨水是通過氣泡噴出的，刻字機(jī)墨水微粒的方向性與體積大小不好掌握，寫真機(jī)打印線條邊緣容易參差不齊，一定程度的影響了打印質(zhì)量。壓電式噴墨技術(shù)，墨水是由一個(gè)和熱感應(yīng)式噴墨技術(shù)類似的噴嘴所噴出，但是墨滴的形成方式是藉由縮小墨水噴出的電腦雕刻機(jī)區(qū)域來形成。而噴出區(qū)域的縮小，是藉由施加電壓到噴出區(qū)內(nèi)一個(gè)或多個(gè)壓電板來控制的。由于微壓電打印頭技術(shù)是利用晶體加壓時(shí)放電的特性，在常溫狀態(tài)下穩(wěn)定的將墨水噴出。它有著對墨滴控制能力強(qiáng)的特點(diǎn)，容易實(shí)現(xiàn)1440dpi的高精度打印質(zhì)量，且微壓電噴墨時(shí)無需加熱，噴繪機(jī)墨水就不會因受熱而發(fā)生化學(xué)變化，故大大降低了對墨水的要求。

    噴繪機(jī)是運(yùn)用一種鳴PZT的半導(dǎo)體壓電晶體資料，在它上面制造一系列的極微細(xì)小的通道，再由它發(fā)生的機(jī)械效應(yīng)將墨點(diǎn)激射而出。在PZT的出產(chǎn)入程中，它經(jīng)由極性化處置：物料的原子電荷被強(qiáng)行按指定的方向排列。這是一個(gè)非常要害的特性，因?yàn)楫?dāng)外接電場效應(yīng)附加在經(jīng)由極性化的資料上時(shí)，依據(jù)它的方向定義，它會令PZT發(fā)生一個(gè)物理性的變形，而就是這種現(xiàn)像，授于了一個(gè)噴射的才能。送布電機(jī)要求能夠正反轉(zhuǎn)，進(jìn)布和退布速度保持平穩(wěn)，在停機(jī)時(shí)自動鎖死，防止布滑落。小車板電機(jī)要求在移動過程中穩(wěn)定無振動，小車板靜止時(shí)保持力度足夠大。

    對于噴頭軸和進(jìn)布軸伺服性能的要求主要是伺服系統(tǒng)有較高的動態(tài)響應(yīng)及較高的定位精度。全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器有著高速度頻率響應(yīng)，具有共振抑制功能，可以精確調(diào)諧，消除震動；控制精度可以達(dá)到1個(gè)脈沖，最大的輸入頻率可以達(dá)到250Kpps，這都很好的保證了進(jìn)布軸所需驅(qū)動的要求。對于主軸伺服要求有快速的啟停特性和穩(wěn)定的速度控制，全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器具有開放式的參數(shù)調(diào)整接口，可以根據(jù)用戶的使用情況進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置。

2噴繪機(jī)原理

如圖1所示為噴繪機(jī)工作原理圖。

圖1噴繪機(jī)原理圖

2.1驅(qū)動器

    伺服驅(qū)動器一般可以采用位置、速度和力矩三種控制方式，主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)，目前是傳動技術(shù)的高端。編碼器（encoder）是將信號或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設(shè)備。

    驅(qū)動器是一個(gè)驅(qū)動放大元件，只是把上位機(jī)（如運(yùn)動控制卡）發(fā)來的一些信號進(jìn)行放大，以致使電機(jī)可以運(yùn)轉(zhuǎn)起來。MAC系列運(yùn)動控制卡是基于總線的電機(jī)運(yùn)動控制卡。采用專用控制芯片為核心器件，輸入輸出信號均為光電隔離，可與各種類型的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器連接，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，構(gòu)成高精度位置控制系統(tǒng)或調(diào)速系統(tǒng)。可與PC機(jī)構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)：PC機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)界面的管理和其它管理工作；而控制卡負(fù)責(zé)運(yùn)動控制方面的所有細(xì)節(jié)。用戶通過我們提供的動態(tài)鏈接庫可方便快速的開發(fā)出自己需要的運(yùn)動控制功能。圖2為伺服驅(qū)動器結(jié)構(gòu)圖

圖2伺服驅(qū)動器結(jié)構(gòu)圖

2.2PC總線

    放開式系統(tǒng)動態(tài)控制器的核心是DSP，它具有運(yùn)算速度快，支持復(fù)雜運(yùn)動算法的特點(diǎn)，可以滿足高精度運(yùn)動控制的要求，因此，以DSP為核心的多軸動態(tài)控制卡越來越廣泛地應(yīng)用在運(yùn)動控制系統(tǒng)中，將多軸動態(tài)控制卡插在PC機(jī)擴(kuò)展槽上，就可以組成高精度運(yùn)動控制系統(tǒng)，位置反饋信號的采集、閉環(huán)控制計(jì)算及控制量的輸出均由動態(tài)控制卡完成，極大的提高了運(yùn)算速度和控制響應(yīng)速度，將工控機(jī)的資源從煩瑣的數(shù)據(jù)采集和計(jì)算中解決出來，從而可以更好的實(shí)施整個(gè)控制系統(tǒng)的管理。

2.3運(yùn)動控制卡

    運(yùn)動控制卡是一種上位控制單元，可以控制伺服電機(jī)，是基于PC總線，利用高性能微處理器（如DSP）及大規(guī)模可編程器件實(shí)現(xiàn)多個(gè)伺服電機(jī)的多軸協(xié)調(diào)控制的一種高性能的步進(jìn)/伺服電機(jī)運(yùn)動控制卡包括脈沖輸出、脈沖計(jì)數(shù)、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、D/A輸出等功能，它可以發(fā)出連續(xù)的、高頻率的脈沖串，通過改變發(fā)出脈沖的頻率來控制電機(jī)的速度，改變發(fā)出脈沖的數(shù)量來控制電機(jī)的位置，它的脈沖輸出模式包括脈沖/方向、脈沖/脈沖方式。運(yùn)動控制卡不僅要發(fā)送脈沖給電機(jī)驅(qū)動器，同時(shí)接受伺服電機(jī)編碼器反饋的脈沖數(shù)，還接受光柵尺反饋信號，進(jìn)而控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。伺服驅(qū)動器既要與運(yùn)動控制卡有數(shù)據(jù)線連接，其本身還要連接插座電源。

2.4編碼器

    編碼器是把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號的一種裝置。前者成為碼盤，后者稱碼尺．按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種．接觸式采用電刷輸出，一電刷接觸導(dǎo)電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0”；非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時(shí)以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0”。

3伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    自動控制系統(tǒng)對伺服電機(jī)的基本要求：

    （1）無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。即要求控制電機(jī)在有控制信號時(shí)迅速轉(zhuǎn)動，而當(dāng)控制信號消失時(shí)立即停止轉(zhuǎn)動，控制信號消失后，電機(jī)仍然轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象稱為自轉(zhuǎn)，自動控制系統(tǒng)不允許有“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。

    （2）空載始動電壓低。電機(jī)空載時(shí)，轉(zhuǎn)子從靜止到連續(xù)轉(zhuǎn)動的最小控制電壓稱為始動電壓，始動電壓越小，電機(jī)的靈敏度越高。

    （3）具有線性的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性。線性的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性有利于提高系統(tǒng)的控制精度，能在寬廣的范圍內(nèi)平滑穩(wěn)定地調(diào)速。

    （4）快速響應(yīng)性好。即要求電機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)要小，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩要大，轉(zhuǎn)動慣量要小，轉(zhuǎn)速能隨控制電壓的變化而迅速變化

    機(jī)電一體化的伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),類型繁多,但從自動控制理論的角度來分析,伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器,被控對象,執(zhí)行環(huán)節(jié),檢測環(huán)節(jié),比較環(huán)節(jié)等五部分。

比較環(huán)節(jié)

    比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進(jìn)行比較,以獲得輸出與輸入間的偏差信號的環(huán)節(jié),通常由專門的電路或計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。

控制器

    控制器通常是計(jì)算機(jī)或PID控制電路,其主要任務(wù)是對比較元件輸出的偏差信號進(jìn)行變換處理,以控制執(zhí)行元件按要求動作。

執(zhí)行環(huán)節(jié)

    執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號的要求,將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能,驅(qū)動被控對象工作。機(jī)電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機(jī)或液壓,氣動伺服機(jī)構(gòu)等。

被控對象

    機(jī)械參數(shù)量包括位移，速度，加速度，力，和力矩為被控對象。

檢測環(huán)節(jié)

    檢測環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測量并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置,一般包括傳感器和轉(zhuǎn)換電路。

4結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)的伺服控制系統(tǒng)性能優(yōu)越保證了噴頭的運(yùn)動平穩(wěn)性及準(zhǔn)確性。在運(yùn)行效果上完全可以和進(jìn)口伺服系統(tǒng)媲美，在性價(jià)比上具有較高的優(yōu)越性。此噴繪機(jī)充分結(jié)合了伺服的響應(yīng)快、定位精確、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過客戶的試用，噴繪出來的圖案都符合客戶要求，各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到要求，同時(shí)還提高了生產(chǎn)效率，使客戶達(dá)到最大滿意度。此設(shè)備向客戶充分展示了伺服控制系統(tǒng)的優(yōu)勢，同時(shí)也提高了噴繪機(jī)設(shè)備在市場上的競爭力。