本文通過對伺服系統(tǒng)各個組成進行分析，并對噴繪機工藝及原理進行研究，設(shè)計了一套噴繪機伺服控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中通過單片機控制器對噴印速度和位置進行跟蹤控制，并且選用速度控制方式實現(xiàn)對伺服電機運動的控制，從而利用了伺服電機系統(tǒng)自帶控制模型，實現(xiàn)了噴印過程中變速、勻速運動的平穩(wěn)性滿足了噴繪機系統(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)保證了噴頭的運動平穩(wěn)性及準確性，同時也提高了噴繪機設(shè)備在市場上的競爭力。
1.引言
噴繪機是利用電腦技術(shù)，將圖像設(shè)計與精密噴頭控制技術(shù)和機電自動化技術(shù)相結(jié)合的高科技產(chǎn)品，傳統(tǒng)的滾筒結(jié)構(gòu)噴繪機工作時，小車帶噴頭左右移動，同時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的送布電機和小車板電機主要采用苴流伺服電機和交流伺服電機。但隨著產(chǎn)品的升級，客戶在噴繪機高速能力，過載能力等方向提出更高的要求，特別是噴繪機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AcM602V36)來滿足客戶的這種較高需求。本文重點論述用于3.2m幅面，8噴頭的噴繪機交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的原理及特點。
噴繪機按幅面可分為兩種：大幅面噴繪機和超大幅面噴繪機大幅面噴繪機其幅寬在一米左右，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。超大幅面噴繪機的幅寬在3米以上，它利用顏料性（PIGMENTbaseD）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。有些噴繪機限定承印物品牌及類型，有些不限定。有些噴繪機要求后期涂層，有些噴繪機的產(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對色彩的真實再現(xiàn)性在一段時期內(nèi)還達不到小型寫真機的水平。
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、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械位移（或轉(zhuǎn)角）準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。由于伺服電機響應(yīng)快，速度高，并且定位精度高的特點。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)廠家開始在引進國外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上研發(fā)生產(chǎn)自主品牌的噴繪機。
2.噴繪機工藝
電腦雕刻機和噴繪機都是大型噴墨打印機。噴繪機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為液體噴繪機打印機。電腦雕刻噴墨方式可分為雕刻機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性就會受到一定程度的影響；另一方面由于印花機墨水是通過氣泡噴出的，刻字機墨水微粒的方向性與體積大小不好掌握，寫真機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)一個或多個壓電板來控制的。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的特點，容易實現(xiàn)1440dpi的高精度打印質(zhì)量，且微壓電噴墨時無需加熱，噴繪機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。
噴繪機是運用一種鳴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小的通道，再由它發(fā)生的機械效應(yīng)將墨點激射而出。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行按指定的方向排列。這是一個非常要害的特性，因為當(dāng)外接電場效應(yīng)附加在經(jīng)由極性化的資料上時，依據(jù)它的方向定義，它會令PZT發(fā)生一個物理性的變形，而就是這種現(xiàn)像，授于了一個噴射的才能。送布電機要求能夠正反轉(zhuǎn)，進布和退布速度保持平穩(wěn)，在停機時自動鎖死，防止布滑落。小車板電機要求在移動過程中穩(wěn)定無振動，小車板靜止時保持力度足夠大。
對于噴頭軸和進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；控制精度可以達到1個脈沖，最大的輸入頻率可以達到250Kpps，這都很好的保證了進布軸所需驅(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)用戶的使用情況進行參數(shù)的設(shè)置。
3.噴繪機原理
3.1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)動器是一個驅(qū)動放大元件，只是把上位機（如運動控制卡）發(fā)來的一些信號進行放大，以致使電機可以運轉(zhuǎn)起來。MAC系列運動控制卡是基于總線的電機運動控制卡。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電機驅(qū)動器連接，驅(qū)動步進電機，構(gòu)成高精度位置控制系統(tǒng)或調(diào)速系統(tǒng)。可與PC機構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)：PC機負責(zé)人機界面的管理和其它管理工作；而控制卡負責(zé)運動控制方面的所有細節(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)出自己需要的運動控制功能。圖2為伺服驅(qū)動器結(jié)構(gòu)圖。
3.2PC總線
放開式系統(tǒng)動態(tài)控制器的核心是DSP，它具有運算速度快，支持復(fù)雜運動算法的特點，可以滿足高精度運動控制的要求，因此，以DSP為核心的多軸動態(tài)控制卡越來越廣泛地應(yīng)用在運動控制系統(tǒng)中，將多軸動態(tài)控制卡插在PC機擴展槽上，就可以組成高精度運動控制系統(tǒng)，位置反饋信號的采集、閉環(huán)控制計算及控制量的輸出均由動態(tài)控制卡完成，極大的提高了運算速度和控制響應(yīng)速度，將工控機的資源從煩瑣的數(shù)據(jù)采集和計算中解決出來，從而可以更好的實施整個控制系統(tǒng)的管理。
3.3運動控制卡
運動控制卡是一種上位控制單元，可以控制伺服電機，是基于PC總線，利用高性能微處理器（如DSP）及大規(guī)模可編程器件實現(xiàn)多個伺服電機的多軸協(xié)調(diào)控制的一種高性能的步進/伺服電機運動控制卡包括脈沖輸出、脈沖計數(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的速度，改變發(fā)出脈沖的數(shù)量來控制電機的位置，它的脈沖輸出模式包括脈沖/方向、脈沖/脈沖方式。運動控制卡不僅要發(fā)送脈沖給電機驅(qū)動器，同時接受伺服電機編碼器反饋的脈沖數(shù)，還接受光柵尺反饋信號，進而控制伺服電機的轉(zhuǎn)速。伺服驅(qū)動器既要與運動控制卡有數(shù)據(jù)線連接，其本身還要連接插座電源。
3.4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”。
4.伺服控制系統(tǒng)設(shè)計
自動控制系統(tǒng)對伺服電機的基本要求：
（1）無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。即要求控制電機在有控制信號時迅速轉(zhuǎn)動，而當(dāng)控制信號消失時立即停止轉(zhuǎn)動，控制信號消失后，電機仍然轉(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。電機空載時，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，電機的靈敏度越高。
（3）具有線性的機械特性和調(diào)節(jié)特性。線性的機械特性和調(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。即要求電機的機電時間常數(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算機來實現(xiàn)。
控制器：控制器通常是計算機或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)化成機械能，驅(qū)動被控對象工作。機電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機或液壓，氣動伺服機構(gòu)等。
被控對象：機械參數(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。
5.結(jié)論
本文設(shè)計的伺服控制系統(tǒng)性能優(yōu)越保證了噴頭的運動平穩(wěn)性及準確性。在運行效果上完全可以和進口伺服系統(tǒng)媲美，在性價比上具有較高的優(yōu)越性。此噴繪機充分結(jié)合了伺服的響應(yīng)快、定位精確、運行平穩(wěn)等優(yōu)點。經(jīng)過客戶的試用，噴繪出來的圖案都符合客戶要求，各項指標都達到要求，同時還提高了生產(chǎn)效率，使客戶達到最大滿意度。此設(shè)備向客戶充分展示了伺服控制系統(tǒng)的優(yōu)勢，同時也提高了噴繪機設(shè)備在市場上的競爭力。
