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1、立体彩色喷绘系统的设计与实现 南开大学硕士学位论文立体彩色喷绘系统的设计与实现姓名:刘征申请学位级别:硕士专业:控制理论与控制工程指导教师:刘景泰20080501摘要摘要自从世纪年代开始,大型喷墨打印机被广泛应用于各种平面彩色喷绘作业中。然而,现有喷墨打印设备仅能对平面材质进行打印。为此,在军事沙盘、风景区景点演示、城市规划等诸多需要制作立体地形模型的领域,在模型的制作上目前普遍采用人工着色的方法。该方法存在加工时间长、色彩真实度低、产品一致性差、成本昂贵等缺点,很难满足更高精度应用的需求。为此,本文设计并实现了一套针对立体材质的彩色喷绘系统,该系统提高了对立体材质表面着色的速度、精度、色彩还
2、原度,降低了加工费用。本文针对立体喷绘系统中的控制部分进行了细致研究,着重介绍了喷墨控制系统的设计,依据系统需求把整个喷墨控制系统细分为中央主控模块、喷头时序控制模块、喷头位置检测模块和喷头运动控制模块四大部分,对各大模块的硬件结构设计和软件功能设计都做了详细介绍。在硬件设计方面上提出了删的多处理器混合硬件构架,发挥了在系统控制及外围接口方面,在处理复杂算法方面,在并行处理方面各自的优势,满足了比较苛刻的系统性能要求;在软件设计上采用了分层架构,引入板级支持包的概念,把与硬件相关的软件开发工作限制在中,并且在中央控制模块中移植了操作系统,提高了软件的可移植性。为了在短时间内完成喷墨控制系统的研
3、发工作,本文提出了一种全新的嵌入式系统开发模型一模式,通过模式开发流程成功构建了喷墨控制系统的原型系统,从而验证了喷墨控制系统软硬件设计的可行性, 同时验证了模式开发模型的可行性。模式的成功应用可以缩短嵌入式系统的开发周期,节省开发经费,对企业及研究院所的嵌入式系统开发工作都有一定的借鉴价值。关键字:立体彩色喷墨打印运动控制喷墨控制嵌入式系统开发流程模式 、析 .,. ,., , .? ?, ?, ., , ,. ?,. , , , .,. , ,., ,、析、析. ,”, ,“.,“ ”.“ ” ,.?:? ;.; ;南开大学学位论文版权使用授权书本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位
4、论文的规定,同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本:学校有权保存学位论文的印刷本和电子版,并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文;学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务;学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版;在不以赢利为目的的前提下,学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。学位论文作者签名:判乏够俨罗年月口 经指导教师同意,本学位论文属于保密,在 年解密后适用本授权书。指导教师签名: 学位论文作者签名;解密时间: 年 月 日各密级的最长保密年限及书写格式规定如下:内部年最长年,可少于年秘密年最长年,可少
5、于年机密年最长年,可少于年南开大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位沦文作糍签名弓舀年 月 日留 诎第一章绪论第一章绪论第一节彩色喷绘系统概述.喷墨技术发展的历史与现状喷墨打印技术的发展大致可分为三个阶段【】:第一阶段:世纪年代以前,理论准备期,主要是对液滴形成和充电等机理进行试验和理论研刭。早在 年,就
6、对非粘性液体的均匀颗粒化过程进行了详细严密的数据分析【】,然后提出了液滴形成的理论,并确定了液滴在电场中充电的极限,为后来研究连续喷墨打印技术原理奠定了基础,促进了其他喷墨打印方式原理的研究。年对粘性流进行了研究,并得到了粘性射流开始分解成滴的长度。第二阶段:世纪年代到年代,主要针对喷墨打印技术的各种可能实现方案进行了大量的研究。年,在美国申请了第一个实用的喷墨装置专利【】。年.:提出了电荷控制型喷墨技术【】,证明通过对小孔施加一个压力,可以把墨流打碎成大小和间距一定的墨滴。当墨滴破碎机理可控时,再由连续墨流形成墨滴的同时对墨滴选择性施加电荷。通过电场时带电墨滴折射进入回收槽,不带电的墨滴则直
7、线飞溅到介质表面形成图像。年.和在研究基础上首次开发了连续喷墨打印技术。年提出了强度调制型喷墨技术。年代、等人先后提出了按需喷墨型喷墨技术。按需打印的设备只在被用于介质成像时才喷出墨滴。这种方法摆脱了连续喷墨打印技术复杂的墨滴带电装置、折射硬件和墨回收循环系统的固有不可靠性。第三阶段:世纪年代以后,根据各种喷墨技术的原理,先后研制出了各种产品,并开始作为商品投入市场。喷墨打印机成为非击打式打印机中令人瞩目的新型、高速、低噪音输出设备。年,公司的和发明了一种按需打印的喷墨方法【】,通过喷口附近的热器产生的水蒸气泡的长大和破裂将墨滴喷出喷口。年公司发明了带电树脂棒放电 技术。公司也发明了热熔式的喷
8、墨技术,开始解决喷墨方式的实用问题。年商业化生产了打印机,它是首台基于气泡喷墨原理的成功第一章绪论的低成本打印机。打印机通过扔掉已到使用寿命的打印头【,解决了喷墨技术可靠性的问题。从那之后,和公司持续改进这项技术,使得喷墨打印机具有更高的打印分辨率和色彩打印能力。从世纪年代后期起,在家庭和小型商业领域,喷墨打印机由于有成本、体积、安静性、彩色输出性能等方面的巨大优势,已经成为撞击式点阵打印机的替代者。此后日立的微粒子方式与的方式以及佳能的方式的发明,进一步促进了喷墨打印技术的产业化。年自电脑公司发明的台式出版打印机被采用之后,喷墨打印技术确立了其在打印领域中不可动摇的地位。年初,美国公司的个人
9、电脑内藏式打印系统采用了日本公司的气泡喷墨打印机并大量推向市场,进一步加速了喷墨打印技术的普及。特别是近年来随着家庭和办公室办公自动化机器的快速增长,为适应彩印的要求,彩色喷墨打印机的产量逐年成倍增加。在年第三季度,喷墨打印机的销售量首次以.%的市场份额,超过针式打印机,成为打印设备中的领头羊。.大幅面平面喷绘系统发展大幅面平面喷绘是采用数字化压电技术在特制的基材上打印彩色图片,广泛应用于广告领域。平面喷绘具有使广告页面效果生动、画面逼真,操作控制简单,制作时间快捷,安装、携带方便等优势。随着电脑喷绘技术在国内的普及,电脑喷绘制作已完全替代过去的人工绘制,使广告画面形象逼真,色彩艳丽,并极大的
10、增强了户外广告的视觉冲击效果和价值,为近年来户外广告的高速发展创造了有利条件【。世纪年代初,喷绘技术从美国传入我国,先进的喷绘技术对户外广告的兴起起到了强劲的推动作用。户外广告市场的高速发展,也给喷绘行业带来了巨大的市场需求,从而带动了喷绘市场的高速增长。由于市场规模的限制和技术的差距,年以前,国内喷绘设备市场完全被进口设备占据主要是美国威特、桑太克及以色列赛天使三大品牌。年以后,随着喷绘行业市场规模的扩大和技术的发展,国产设备逐步以价格优势扩大了其市场份额,占据了喷绘设备低端市场的较大份额。第一章绪论.立体彩色喷绘系统近年来,二维平面喷绘由于市场的推动得到了长足的发展,喷绘技术也随之提高。但
11、喷绘技术的发展主要集中在提高喷绘速度和提高喷墨头上,例如采用多喷嘴喷墨头以及喷墨头阵列以达到更快速的喷绘打印和更好的图像质量的目的,而在立体喷绘技术发展上并没有标志性的成果出现,主要的技术瓶颈在于三维喷绘机械结构复杂。喷墨头向多喷嘴,大体积发展也不利于喷绘技术的发展。但也有一些公司进行了立体打印机的研制,其中以公司【】的 三维成型系统和美国公司四的地形模型加工系统最具代表性。第二节选题背景及本文主要内容现有喷墨打印技术仅能在平面上进行作业,而对于大量诸如军事沙盘、风景区景点演示、城市规划等领域,目前仍普遍采用人工着色的方法。该方法存在加工时间长、色彩真实度低、产品一致性差、成本昂贵等缺点,很难
12、满足高精度的应用需求。为此,南开大学机器人与信息自动化研究所在平面喷绘技术的基础上,设计并实现了一套针对立体材质的彩色喷绘系统,该系统提高了对立体材质表面着色的速度、精度、色彩还原度,降低了加工费用。立体彩色喷绘系统属于全真地形模型加工系统的一部分,全真地形模型加工系统体系结构如图.所示,可以分为数据处理系统和模型加工系统两大部分。全真地形模型加工系统通过对卫星或航拍图片进行处理,得到地形的数据及地表信息颜色数据,再通过高精度全真地形模型加工彩喷一体化平台完成地形模型的加工工作。第章绪论钨肮女侦察系统数据表颜色数据蔫”信息齄理%统真地彩罐型移自加平台地面接收系统?珂彩丑地衰信惠疆高精度真地梗型
13、句口工牟峨一体化平台系统磊司互髂姜暖数据处系统 ;制皂。地表颤色信息处。,。一:、筮圈 全真地形模型加工系统结构高精度全真地形模型加工彩喷一体化平台包括三维地形雕刻系统与立体喷绘系统两大部分,两者的本质上是同平台,只是加工工具不同,雕刻系统安装的是铣刀,而立体喷绘系统使用的是彩色喷墨模块。本文的工作就是立体彩色喷绘系统的设计与实现。奉人结合南开大学机器人所内的删络机器人研究小组已有的实验条件【”,在国产工业机器人半台上成功完成了原理机的开发,实现了单色喷绘,多色叠加的立体彩色喷绘系统。利用具有一定硬度的泡沫作为基材.成功地制作出高精度,低失真率的二维彩色地形模型,在围内率先实现立体喷绘技术,为
14、喷绘技术的发展和地形模型制作工艺的改进提供了新的思路。但是原理机还存在许多问题及不足,例如原理机一次只能喷绘一种颜色,在进行彩色喷绘时,就需要重复四遍喷绘过程,这样夸仪耗时长,而且容易出现因套色不准导致的图像重影问题。为了解决原理机中存在的喷绘速度缓慢,套色精度低,工作平台过于狭窄等问题,项目组在前期工作的基础上,设计了一套基于高精度龙门结构的专用立体彩色喷绘系统。龙门系统属于直角坐标机器人,相比原理机中使用的.工业机器人具有如下几个优点:第一章绪论加工范围大。的最大加工范围是,龙门的价格范围可以达到数米甚至数十米,本文工作基于的的龙门系统最大加工范围可以达到。加工精度高。的绝对定位精度在.左
15、右,而龙门系统的绝对定位精度一般可以达到.。使用龙门系统可以减少喷绘前的重定位工作量。结构钢性强,负重大。的负载最大是公斤,龙门系统的最大负载可以达到上百公斤,并且龙门系统结构的刚性较强,可以加工更高硬度的材料。本文就是针对基于高精度龙门结构的专用立体彩色喷绘系统中控制部分的设计与实现进行研究。结合本人的工作内容和研究重点,本文的结构安排如下:首先对国内外喷墨技术的发展现状和现有技术进行了简要介绍,接下来在第二章详细地介绍了整个立体彩色喷墨系统的体系结构设计,并就其中的各个模块的功能及相互关系做了简要介绍;然后,在第三章和第四章中分别就喷墨控制系统和喷墨控制系统中的四色喷头协同运动控制模块的设
16、计与实现进行了详尽的阐述;最后,在第五章中创新性地提出了一种新的嵌入式系统设计流程一模式,并基于模式完成了喷墨控制系统的原型系统开发。第二章三维立体表面彩色喷绘系统结构第二章立体彩色喷绘系统结构立体彩色喷绘系统从作业顺序上可以分为图像预处理、二维曲面加工、喷绘表面光滑处理,图像三维坐标标定,三维立体喷绘五个阶段。图像预处理图像预处理包括颜色空问转换、维颜色补偿、数据格式转换三三个方面颜色空间转换颜色空间转换是指从加色模式转换到减色模式的过程。减色法加色法图】加色法与减色法模式是三原色叠加模式。当两种或二种色光刺激人眼视网膜锥体细胞时,视神经即存大脑里产牛色光信号混合产牛视觉,这就是视世器官内的
17、色光加色法。在视觉器官内有一种混色方法,一种为空间位置的色光,同一时间在视觉内混色的方法称为空间混色:另种为不同色光存时间上先后交替刺激视觉,由于视觉的残留生理作用产生加色混色称为连续混色。根据国际照明委员会年制定的三原色标准色相和波长为:红光:,色相为大红、带黄。绿光:,色相为嫩绿。蓝紫光 : ,色相为蓝中略带红。兰种色彩按照不同比例叠加,可以形成其它任意一种彩色。当三种色光以第二章三维立体表面彩色喷绘系统结构相同的比例和相同的亮度混合在一起时则为白光。三种颜色每一种都有个亮度水平级。三种色彩叠加可形成万种颜色俗称“真彩”。这足以将图象显示得淋漓尽致,使我们这个世界更加绚丽多彩。模式是由红、
18、绿、蓝相叠加形成其它颜色,因此该模式力色模式。模式广泛应用于显示器、投影设备,以及电视等许多设备中。颜色模式是四色油墨颜色模式。颜料或染料等物质能吸收光谱中大部分波段的光波反射或透射出某波段的光波。色料中的三原色色料为“青、品红、黄,将色料以任意比例混合可以得到自然界中的绝大部分颜色,理论上等量的三原色色料混合将得到黑色。但是在实际应用中,由于原料不纯的缘故,三种色料混合只能得到褐色,因此又引入了黑色。黑色的作用是强化暗调,加深暗部色彩。色料混色为减色法,因为色料的颜色是吸收光谱中某波段的色光而反射或透射某波段的色光表现其颜色,是光谱中减剩的色光,能量和亮度都降低,故称减色。二种色料如果能混合
19、相减成黑色,则这二种颜色称为互补色。在减色法混色中可以是透明色彩的叠合相减,如彩色片叠合,而彩色印刷中三原色网点叠合混合减色。墨层吸收其相反色光反射出本色光,反射的色光变暗,三色网点反射的色光同时映入视觉内混色是色光在空间相加混色。图.揭示了可见光、与模式之间的关系。图. 及颜色模式和可见光谱关系【】模式与模式之间存在一定联系,在各原色等比例混合情况下,有以下转换公式:红绿黄第二章三维立体表面彩色喷绘系统结构绿蓝青蓝红品红在实际处理中,黑色颜料的加入将会使比例减少。三维颜色补偿立体彩色喷绘是将平面图像喷绘到立体表面的过程,两者表面积的不一致将导致图像的失真变形。此外在立体喷绘的过程中由于物理尺
20、寸的限制,喷头不可能与喷绘对象表衙的每个点保持等距状态,导致在小位置的喷绘效果不一致,使图像失真。为了弥补这种失真,需要根据喷绘对象的数据,采丌二维颜色补偿算法对原始图像进行补偿。】数据格式转换数摧格式转换包括两个部分:一是喷墨头安装角度引起的数据格式转换,二是数据向喷黑头硬件所需数据格式的转换。喷翠头安装角度引起的数据格式转换是为了适应三维立体表面的起伏.需要将喷头倾斜一定角度安装,以达到更好的喷绘效果,为了保证喷绘图像和原来的一致,就需要在喷绘前把原始图像按照倾斜角度作逆处理。为了方便调试及验证,项目组设计如图.所示的方格图片:墨一日% 日国.喷倾斜安装的数据转换数据向喷墨头硬件所需数据格
21、式的转换是由于喷墨执的硬件所限,不能控制墨滴大小,即不能在一点上体现灰度级,所以需要把的的灰度数据转换成点阵数据。同时,由于图像数据是以字节为单位的,而喷墨弟二章二维立体表面彩色喷绘系统结构头接受的数据是以位为单位的“,这两者之问也存在一个转换关系。三维曲面加工三维曲而加工是指利用机器人将原始泡沫基材加工成预定立体模型的过程。在此过程中,采用了多分辨率加工方法,提高了加工效率,达到了很好的效果。多分辨率加工的具体做法是,首先采用较大的川具做轮廓加工,冉依次减小刀具尺寸,通过在加工过程中插补更高精度的点,表达更丰富的曲而特征。加。卜一阻怠图.一维曲面加工过程喷绘对象表面处理喷绘表面处理包括表面光
22、滑处理和涂布两个工艺。表而光滑处理丁艺是指在三维嶂面加工的基础上需要进一步减小表面粗糙程度。这是因为泡沫基材表面缝隙较大,而墨滴直径单位在微米级,同时,基材的表面颜色呈黄色,与的白色底色不相符。涂布工艺的作用是控制墨滴的扩散程度.如果墨滴扩散过大并且无规则会导致图像小能达到需要的分辨率;扩散太慢则不能在很短时间内吸收墨滴使得墨滴外流导致串色;墨的扩散和色彩问的串色都会使彩色罔像质量变差。为了得到高质量的彩色喷墨图像,介质表而需要一个特殊的涂层”“。特殊的涂布介质必须在多个设计参数问取得平衡,如墨滴体积、蒸发速度、渗透速度、涂层厚度、孔隙率等。通过实验测量,在本系统中使用建筑业中常用的内蔓三至二
23、丝兰苎墨堂堂皇堕竺查竺堕塑墙涂料和清水 混台作为白色涂料,二氧化硅结台有机溶剂作为固色剂九两者以:的关系混合,达到了较好的固色效果。图.喷绘对象表面处理图像三维坐标标定图像三维华标标定包括两个方面的内容:一是从二维平面图像到三维曲面的坐标匹配,使得喷绘图像映射到止确的曲面上;二是在多次喷绘过程中重复定位匹配,避免在喷绘过程中出现重影现象。立体喷绘二维立体喷绘过程是存前述步骤的荜础上,利用机器人带动喷墨装置,沿着三维立体表面运动,在此过程中,控制系统接收上位机发米的喷绘数据,驱动喷墨头二作,完成图像的喷绘,实现立体彩色喷绘。图.所示为原理机的喷绘过程,采用了单色喷绘,多披叠加的方式实现彩色喷绘。
24、第二章三维立体表自彩色喷绘系统结柑初始基材层喷绘层喷绘“层喷绘“成品层喷绘幽.喷绘过科第三章喷墨控制系统设计与实现第三章喷墨控制系统设计与实现本章针对喷墨控制系统的设计与实现进行详细阐述。喷墨控制系统是立体彩色喷绘系统的核心模块之一,设计是否合理将直接影响喷绘质量。第一节喷墨控制系统概述及功能分析.喷墨控制系统概述喷墨控制系统通过预设的接口可以是串口,高速有线以太网,无线以太网等从上位机接收颜色点阵数据及其对应的三维位置信息,经过处理,转换成喷墨控制数据及喷头位置数据。通过喷头运动控制系统的精确定位控制,使喷头运动到指定位置;喷头时序控制模块利用喷头位置检测模块提供的喷墨触发信号,使喷头在精确
25、的位置执行喷射动作。喷头运动控制模块将在下一章中做详细阐述。喷头触发信号 位置反馈信号图.喷墨控制系统信号流图如图.所示,喷墨控制系统分为以下五个模块,其主要信号流图模块功能说明如下:第三章喷墨控制系统设计与实现.上位机主要功能:一是对图片的处理工作,包括喷绘图片的文件格式转换,图片的模式到模式的转换,图片信息与喷绘对象表面高程数据、的对应处理;二是完成与用户的交互工作,包括对用户操作的响应及对喷绘系统运行状态的监控。.喷墨中央主控模块主要功能:一是接收上位机发送的喷绘任务信息,并对其进行解析,对其中的数据信息进行本地存储,对控制命令信息进行响应。在接收完喷绘信息及收到喷绘开始命令后,根据收到
26、的图像及位置信息文件分别对喷头的时序控制模块及喷头的运动控制模块进行控制。二是随时监控其他模块的状态,自行处理部分紧急事件例如喷头温度报警事件,并同时向上位机反馈状态信息。.喷头时序控制模块主要功能:以行为单位缓存喷墨中央主控模块发送的图像数据信息,根据喷头位置检测模块发来的喷墨触发信号,按照喷头的时序控制规范,控制四个喷头的内部逻辑时序,实现对喷头喷墨的控制.。.喷头运动控制模块主要功能:从喷墨中央主控模块接收喷头的位置信息,控制四个喷头在空间走出相应的轨迹,实现四个喷头的精确协同运动。.喷头位置检测模块主要功能:利用光栅尺设备精确检测喷头位置,并向喷头时序控制模块提供喷墨触发信号,同时向喷
27、头运动控制模块提供喷头位置信息,使得喷头运动控制模块可以实现一个全闭环的伺服控制,提高喷头运动控制的精度。.喷墨控制系统功能分析喷墨系统的功能比较复杂,总体说来有以下几个方面:提供丰富的与上位机交互的接口;对上位机发来的大量数据进行解析及缓存;控制喷头运动到指定位置进行喷墨;向上位机反馈系统状态。喷墨控制系统的功能结构见图.。第三章喷墨控制系统设计与实现与上位机通讯接口图像信息数据解析竺堕争图像信息存储 位置信患存储喷头数据 喷头位置睡螋怡篓螺髅始葵晕鄹蓐剿靶需喇螋螯 状态信号处理图.喷墨控制系统功能结构.与上位机的通讯接口中,必须提供串口用于系统调试。而由于数据传输量大,需要提供一个以太网接
28、口用于数据传输,并提供其它可选接口方式如,无线以太网等方便用户使用。.数据解析需要对上位机发来的数据信息类别及信息内容进行处理,最终分为三种类型,图像信息数据、位置信息数据、控制数据,并分别对其进行处理。.图像信息和位置信息存储需要提供至少一行的图像和位置信息存储空间,根据选用的喷头解析度及预设的最大喷绘对象宽度为.计算,每行个颜色的图像信息大小约是字节。同时将位置信息按的插补点数来计算,得到每行的位置信息大小约是。.喷墨控制需要控制喷头按图像数据内容把墨水喷射在喷绘对象表面。.喷头运动控制需要控制喷头精确地运动到指定位置,并保证喷头与喷绘表面之间的距离不超过,避免喷绘质量下降。.状态信号处理
29、需要把喷绘控制系统的状态反馈给上位机,并在出现紧急状态时对系统做应急处理。第三章喷墨控制系统设计与实现.喷头位置检测需要精确检测喷头的运动位置,为喷墨控制提供喷墨触发信号,并把喷头位置信息反馈给喷头运动控制模块。第二节喷墨控制系统体系结构.硬件体系结构设计依据喷墨控制系统的功能分析,喷墨控制系统硬件体系结构设计如图所一,示,主要由以下几个模块构成:图.喷墨控制系统硬件体系结构图.中央主控模块:中央控制模块是喷墨控制系统的控制核心,主要负责系统与上位机的接口,接收并解析上位机发来的数据,协调其他模块的工作,并把当前的系统工作状态及时反馈给上位机,方便用户做出相应的处理。第三章喷墨控制系统设计与实
30、现.喷头时序控制模块:喷头时序控制模块是喷墨控制系统对喷头进行控制的核心模块,提供了喷头接口的时序控制,并对图像数据进行缓存,提高喷墨效率。.喷头位置检测模块:喷头位置检测模块利用精密的光栅尺设备精确检测喷头位置,为喷头时序控制模块提供喷墨触发信号,并为喷头运动控制模块提供喷头位置信息反馈,使其可以实现对喷头运动的全闭环控制,提高喷头位置一一控制精度。.喷头电源控制模块:喷头电源控制模块主要是控制给喷头供电的两个电源和的上电及掉电时序,避免喷头由于上电或掉电顺序错误导致的喷头烧毁问题。.喷头运动控制模块:喷头运动控制模块的功能是精确控制喷头运动到指定的位置,由于这个模块结构比较复杂,将在第四章
31、做详细阐述。.。软件体系结构设计由于硬件上采用了双处理器外加的体系结构,软件体系结构也会相应比较复杂,其可以分为两大部分,一是中央主控模块软件,二是喷头运动控制系统模块软件,具体结构如下图.所示:喷绘控制系统应用软件操作系统,中粪妻蕃孥孝:。堂黑喷墨控制模运动控制模及其燃备驱溪蚕荔器零粪蓑豸器零动程序 “?”“。“”“隘口通信蠢序已 。搬铣。运动控制主程序运动控制系统模块软件运动控制算法运动控制模块输入输出驱动程序图.软件体系结构第三章暌墨控制系统设计与实现中央主控模块软件由喷绘控制系统应用软件、操作系统及设备驱动程序三部分构成,其中操作系统的引入主要是为了简化对硬件资源的控制和方便喷绘控制系
32、统应用软件的编程。喷绘控制系统应用软件的主要功能将在下一节详细叙述。运动控制系统模浃软件由接譬通信程序、运动控剜主程序、运动控制算法及运动控制模块输入输出驱动程序四部分构成。接口通信程序提供与中央主控模块软件通信的接口通道;运动控制模块输入输出驱动程序负责运动控制系统模块中与通信,运动控制模块的具体结构及运动控制算法的原理和实现将在本文第四章中做详细叙述。第三节喷墨控制系统设计与实现.中央主控模块.中央主控模块的主要任务接收上位机发送的喷绘任务文件并及时反馈喷绘系统状态。中央控制器首先要接收来臼上位机的喷绘任务文件,这些文件是经过上位机的软件处理后玎包的喷绘信息数据,包括控制命令和图像点阵数据
33、。在接收数据过程中,中央控制器还要及时地向上位机反馈喷绘系统的当前状态,以便用户做出相应的处理。解析分离图像信息并存储。为节省时间,提高效率,中央控制器在接收喷绘任务文件的同时对喷绘任务文件中的数据进行解析,识别出数据中的位置数据和图像数据,并分别进行存储。重组图像数据。根据喷头喷嘴的排列结构,重新组合原始图像数据,生成驱动喷头各个喷嘴打印所需的数据。大幅面的喷绘图像的数据量很大,为提高处理速度,在接收数据的同时要对图像数据迸彳亍重组。控制喷头运动控制器的运行并监测其状态。中央控制器将经过解析得到的控制命令发给喷头运动控制器,并随时接收判断运动控制器端的响应信息,不断地向上位机反馈当前工作状态
34、。向喷头时序控制模块发送图像数据。将重组后得到的喷头打印所需的点阵数据发送给喷头时序控制模块。第三章喷墨控制系统设计与实现其它任务,如打印测试图见图.,对喷头位置进行校正。图.喷头位置校正测试图.中央主控模块硬件体系结构及器件选型通过对中央主控模块的功能分析可以看出,中央主控模块功能比较复杂,对上位机的接口比较多,对数据处理速度和数据存储空间的要求也较高,位和位微处理芯片完成这样的任务比较困难,因此选择一套以位的高性能嵌入式处理器为核心的硬件体系结构是比较合理的。系列处理器目前在位嵌入式系统中占主流地位,技术比较成熟,可利用的资源也比较多,因此开发难度也相对较低。而立体彩色喷绘系统作为工业产品
35、,对稳定性有很高的要求,以公司系列的工业级处理器为核心来构建这个中央主控模块将是一个不错的选择。中央主控模块硬件体系见图.,具体器件选型详见附录一。三图.中央处理模块结构图第三章喷墨控制系统设计与实现.喷头时序控制模块.喷头逻辑接口及其注意要点接口信号具体功能说明请参见喷头用户手册;通过本人实践总结的重要的注意事项详见附录二;.喷头接口信号时序控制喷头时序控制主要有以下两个方面,其控制流程见图.:喷头初始化:置信号为低,延时几个时钟周期后置高,同时根据喷头的安装方式给定信号值。喷头数据加载:检测信号,如果为高则继续检测,为低则把信号置低,从口按串行数据输入时序送入的数据见附录二中图,之后把信号
36、置高,进入下一个喷头数据加载周期。图.喷头时序控制流程。.喷头位置检测模块喷头位置检测模块结构如图.所示,由以下几个部分构成第三章喷墨控制系统设计与实现喷墨触发信号。整形及差分接 光栅信差分信号 、信号 方波信号光栅尺 电平转收电路 号处理模块换电路喷头位置信号。图.喷头位置检测模块结构光栅尺:用于精确测距的传感器,输出差分信号;差分接收电路模块:对光栅尺传感器输出的差分信号进行接收并转化为、三路信号;整形及电平转化电路模块:对、三路信号进行整形,并对电平进行转换,使其与芯片的输入电平相匹配;光栅信号处理模块:对光栅尺输出的经过整形后的方波信号进行处理。.差分接收电路模块差分放大电路模块使用四
37、路差分接收器实现,具体电路可以参考的手册】中的参考电路设计。.整形电路在数字系统中,矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变。当传输线上电容较大时,波形的上升沿将明显变坏。当传输线较长,而且接收端的阻抗与传输线的阻抗不匹配时,在波形的上升沿和下降沿将产生振荡现象。当其他脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号上时,信号上将出现附加的噪声。出现上述任何情况,都可以通过用施密特触发器整形而获得比较理想的矩形脉冲波形。因此本设计中采用对光栅位移传感器信号进行整形。第三章喷墨控制系统设计与实现.电平转换电路在混合电压系统中,不同电源电压的逻辑器件互相连接时存在以下几个问题】:第一,加到输入和
38、输出引脚上允许的最大电压限制问题。器件对加到输入或者输出脚上的电压通常是有限制的。这些引脚经二极管或者分离元件接到。如果接入的电压过高,则电流将会通过二极管或者分离元件流向电源。例如在.器件的输入端加上的信号,则电源会向.电源充电,持续的电流将会损坏二极管和其它电路元件。第二,两个电源间电流的互串问题。在等待或者掉电方式时,.电源降落到,大电流将流通到地,这使得总线上的高电压被下拉到地,这些情况将引起数据丢失和元件损坏。必须注意的是,不管在.的工作状态还是在的等待状态都不允许电流流向。第三,接口输入转换门限问题。器件和. 器件间有多种接口方式,同样和间的电平转换也存在着不同情况。驱动器必须满足
39、接收器的输入转换电平,并且要有足够的容限以保证不损坏电路元件。由以上分析可知,不同逻辑标准的电平信号一般是不能直接连接的。有少量信号需要电平转换的情况下,可以考虑使用上拉电阻或选择具有输入容限的器件,甚至可以考虑电阻分压降低输入电压的办法。但是对于大量信号需要电平转换的情况,为了可靠传输数据,需要采用双电压一边是. ,另一边是供电的双向驱动器来实现电平转换。在本设计中,前端光栅位移传感器信号的硬件处理电路的工作电压为,后端基于的信号处理电路/口的工作电压为.,因此,采用了进行电平转换。.光栅信号处理光栅信号处理模块功能是对相位差为度的、两路方波信号的处理,主要是实现对其进行数字滤波、细分与辨向
40、、可逆计数处理,其功能结构设计见图.。第三章喷墨控制系统设计与实现图. 光栅信号处理模块数字滤波器,光栅传感器输出的信号虽然经过了预处理,但发生抖动时,仍会产生噪声信号。为了消除噪声信号,在器件内部设计了数字滤波器,并用一个模块来实现,可以有效地滤除抖动脉冲,防止可逆计数器产生误计数。其基本工作原理是将输入的方波信号通过时钟周期的延迟来克服毛刺和噪声信号,延迟的时钟周期数取决于毛刺和噪声信号的脉宽。电子学中,把门电路两个输入信号同时向相反的逻辑电平跳变一个从变为,另一个从变为的现象叫做竞争。由于竞争而在电路输出端可能产生尖峰脉冲的现象就叫做竞争冒险。有竞争现象时不一定都会产生尖峰脉冲,但是只要
41、存在竞争现象,输出就有可能出现违背稳态下逻辑关系的尖峰脉冲。竞争冒险是组合逻辑电路工作状态转换过程中经常会出现的一种现象,如果负载是一些对尖峰脉冲敏感的电路,则必须采取措施防止由于竞争而产生的尖峰脉冲。因此,本设计中数字延迟滤波器见图.的设计可以提高系统的抗干扰能力,保证系统的稳定性。图.编码器数字延迟滤波器第三苹喷墨控制系统设计与实现四细分辨向电路根据光栅传感器测位移原理,若直接对光栅信号进行计数,其分辨力就是一个信号周期所对应的位移量。为了提高测量系统的分辨力,需要对光栅信号进行细分。在实际应用中,通常采用四倍频的方法以提高光栅尺的定位精度。光栅传感器的典型输出为两个相位差为度的方波信号和
42、,以及零位脉冲信号,见图.,其中,、两相信号的脉冲数表示码盘轴旋转的角度,、之间的相位关系标志光栅的移动方向,即当相超前相度时,光栅正向移动,当相超前相度时,光栅反向移动。在脉冲周期内,、两相信号共产生了四次变化,即、时刻的上升沿和、时刻的下降沿。尽管不确定,但由于、两方波信号之间相位关系确定,使这四次变化在相位上平均分布,如果利用这四次变化产生四倍频信号,则可以实现光栅测量精度的提高】。一.?二?一:?厂 虻卫到;厂厂正方向运动反方向运动图.光栅传感器输出当光栅正方向移动时,相信号超前相度,则在一个周期内,两相信号共有四次相对变化,如果每发生一次变化,可逆计数器便实现一次加计数,则一个周期内
43、,共可实现四次加计数,从而实现正向移动的四倍频计数。当光栅反方向移动时,相信号超前相度,则在一个周期内,两相信号也有四次相对变化,如果每发生一次变化,可逆计数器便实现一次减计数,则一个周期内,共可实现四次减计数,从而实现反向移动的四倍频计数。第三章喷墨控制系统设计与实现根据上述分析,四细分辨向电路可以表示为如下状态转换图图.,根据这个状态转换图可以很容易的使用语言在下实现四细分辨向电路,图.中状态、是、相组合后的取值。图.四倍频辨向电路状态转移图.电源控制模块电源控制模块用于对喷头的三种输入电源、及的上电和掉电时序进行控制,避免出现由于上电或掉电时序错误造成的喷头电路烧毁。.喷头电源上电及掉电
44、时序控制系列喷头需要有三个不同的电源输入:,是大电流输入,用于驱动喷头的压电喷射执行器,最大电流可达,属于功率电源输入,对电源噪声敏感度低;也是输入,但是要求的电流比较小,最大不超过,用于喷头压电执行器的逻辑控制电路的电源输入,对噪声的敏感度较高,一般不能和直接连接在一起,他们中间至少得接一个电感进行滤波,避免中的噪声直接窜入中,导致压电喷射控制机构的误操作;是电源输入,用于喷头内部的状态及时序逻辑电路部分的电源供电,对噪声比较敏感,需要在电源输入喷头前再进行一次滤波处理。第三章喷墨控制系统设计与实现由于喷头内部存在两个不同的电压供电,为了保证喷头的内部电路安全,需要严格执行图.一图.所示的喷
45、头电源上电规范,其中一,删:对图.用一个原则总结就是:电源上电稳定后才能加载电源;电源完全掉电稳定后电源才能掉电。唧.,咐肼嘲雌髓; ;一愀一一怔銎时 一 图.喷头上电及掉电时序图 啪嘲豫芝啪 习图.上电顺序匿影叠氍,:董一 :蠡 翻剐疆? 豳一群:一犍矗荔;一%?啪 、,绷芝 订吖.图.掉电顺序.电源控制模块设计电源控制模块的及电源控制信号由中央主控模块提供。电源上掉电顺序可以通过在中央主控模块中做延时操作实现:上电过程:电源控制信号置高,延迟后电源控制信号置高;掉电过程:电源控制信号置低,延迟后电源控制信号置低;第三章喷墨控制系统设计与实现图.电源控制模块电源控制模块结构如图.所示,及电源开关由三级管电路构成,需要注意的是的电源开
