自學(xué)習(xí)熱轉(zhuǎn)印機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陸瑤成，李 唐，尤麗華

（江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122）

熱轉(zhuǎn)印刷是近年來(lái)新興的一種印刷工藝，該工藝是將加熱到適宜溫度的標(biāo)紙（載體）上的印刷好的圖案通過(guò)轉(zhuǎn)移印刷到被轉(zhuǎn)印體[1]。由兩部分配合完成印刷，一部分是預(yù)先印有圖案的標(biāo)紙，即轉(zhuǎn)印紙，另一部分是有一定溫度的壓頭。通過(guò)壓頭把轉(zhuǎn)印紙壓緊在被印刷物體的表面來(lái)完成轉(zhuǎn)印工作。該技術(shù)成像好，防水防刮，制作速率快。隨著熱轉(zhuǎn)印機(jī)的普及和質(zhì)量好、形式多的轉(zhuǎn)印紙的批量生產(chǎn)，轉(zhuǎn)印成本大大降低。由于操作者對(duì)于與轉(zhuǎn)印效果直接相關(guān)的轉(zhuǎn)印溫度、壓緊時(shí)間、壓緊力等因素很難把握，轉(zhuǎn)印質(zhì)量不高。筆者正是基于對(duì)影響因素的討論，設(shè)計(jì)自學(xué)習(xí)的最優(yōu)參數(shù)熱轉(zhuǎn)印控制系統(tǒng)。

1 熱轉(zhuǎn)印機(jī)工作原理

工作流程：將印刷物3放在靜壓頭2上，根據(jù)田字光標(biāo)指示完成定位；氣缸9推動(dòng)動(dòng)壓頭6前進(jìn)，轉(zhuǎn)印紙5與印刷物3一同被壓向溫度為T(mén)的靜壓頭2，壓緊力為F，延時(shí)t時(shí)間后動(dòng)壓頭隨氣缸退回，直流電機(jī)M驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪1旋轉(zhuǎn)拖動(dòng)轉(zhuǎn)印紙帶到達(dá)新的轉(zhuǎn)印工位。

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle of system

由于不同廠商生產(chǎn)的轉(zhuǎn)印紙性能參數(shù)各異，每更換一種轉(zhuǎn)印紙都需要轉(zhuǎn)印工藝跟著改變。文獻(xiàn)[2]和實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于給定的轉(zhuǎn)印紙，轉(zhuǎn)印溫度T，壓緊時(shí)間t，壓緊力F是影響熱轉(zhuǎn)印質(zhì)量的三大工藝因素。轉(zhuǎn)印溫度過(guò)低，轉(zhuǎn)印材料與載體不易分離，造成印刷圖案不完整。轉(zhuǎn)印溫度過(guò)高，轉(zhuǎn)印材料部分融化，轉(zhuǎn)印圖案模糊、變形。壓緊時(shí)間不夠，轉(zhuǎn)印材料導(dǎo)熱不充分，同樣造成印刷圖案不完整。轉(zhuǎn)印時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，一方面造成過(guò)分加熱，使圖案模糊，另一方面降低了生產(chǎn)效率。壓緊力過(guò)小，有時(shí)會(huì)造成轉(zhuǎn)印不充分。壓緊力過(guò)大，會(huì)造成被印刷物體彈性過(guò)度變形，印刷表面收縮造成圖案折皺成虎皮狀。以往的手工轉(zhuǎn)印是靠工人手持熨斗式壓頭把轉(zhuǎn)印紙壓在物體表面一段時(shí)間，揭開(kāi)載體薄膜完成一次轉(zhuǎn)印任務(wù)，三大工藝因素全靠工人的經(jīng)驗(yàn)，印刷質(zhì)量顯然難以控制。后來(lái)出現(xiàn)的轉(zhuǎn)印機(jī)能夠替代工人完成自動(dòng)轉(zhuǎn)印工作，因?yàn)槿笠蛩毓潭ú蛔兌荒苻D(zhuǎn)印專(zhuān)用的轉(zhuǎn)印紙。因此需要設(shè)計(jì)一款控制系統(tǒng)能夠隨著轉(zhuǎn)印紙的改變而輸出相應(yīng)的最優(yōu)控制參數(shù)。

2 自學(xué)習(xí)控制方法

通過(guò)自學(xué)習(xí)的方法可以獲得各種轉(zhuǎn)印紙的最優(yōu)工藝參數(shù)（轉(zhuǎn)印溫度T，壓緊時(shí)間t，壓緊力F）。按下自學(xué)習(xí)鍵進(jìn)入系統(tǒng)的“自學(xué)習(xí)”狀態(tài)，此時(shí)數(shù)碼管顯示當(dāng)前紙?zhí)杋，可以通過(guò)清零鍵和進(jìn)紙鍵控制步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)和后退，帶動(dòng)調(diào)壓螺母上升或下降，以此來(lái)控制動(dòng)壓頭的壓緊力Fi；按光標(biāo)鍵進(jìn)入溫度調(diào)節(jié)模式，通過(guò)清零鍵和進(jìn)紙鍵來(lái)設(shè)定當(dāng)前溫度Ti；按光標(biāo)鍵進(jìn)入時(shí)間調(diào)節(jié)模式，通過(guò)運(yùn)行鍵，進(jìn)紙一個(gè)工位，壓頭壓下，啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)時(shí)器ti，按自學(xué)習(xí)鍵，壓頭抬起。微控制器保存當(dāng)前的電機(jī)步數(shù)、壓頭溫度、內(nèi)部計(jì)時(shí)器數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)印紙?zhí)枴Ｈ舻玫綕M意的轉(zhuǎn)印效果，則自學(xué)習(xí)完成，若不滿意，則重復(fù)上述過(guò)程。上述自學(xué)習(xí)過(guò)程可以把n組數(shù)據(jù)輸入并保存在微控制器的存儲(chǔ)器，程序運(yùn)行時(shí)通過(guò)判斷當(dāng)前轉(zhuǎn)印紙的種類(lèi)，自動(dòng)查表獲得最佳的轉(zhuǎn)印參數(shù)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器即可達(dá)到最優(yōu)控制。當(dāng)某種轉(zhuǎn)印紙被淘汰或者有更多的新品轉(zhuǎn)印紙出現(xiàn)時(shí)，亦可以通過(guò)“自學(xué)習(xí)”功能修改相應(yīng)組的參數(shù)。

當(dāng)目標(biāo)參數(shù)（Ti， ti， Fi）確定之后，就是如何實(shí) 現(xiàn)目標(biāo)參數(shù)的要求。Ti的實(shí)現(xiàn)是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，為了使溫度達(dá)到設(shè)定值，必須采取閉環(huán)控制的方法。本控制系統(tǒng)采取經(jīng)典PID控制算法，以設(shè)定值Ti作為目標(biāo)值，以熱電偶采集值Tc作為當(dāng)前值，用Matlab模擬得到PID控制系數(shù)（此系數(shù)一經(jīng)確定不再改變），來(lái)進(jìn)行閉環(huán)控制。ti的實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)軟件延時(shí)或者定時(shí)器中斷的方式，為了降低系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，設(shè)計(jì)采用定時(shí)器中斷的方式。Fi的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)壓螺母到達(dá)指定位置處，給調(diào)壓彈簧確定的預(yù)緊力。為了簡(jiǎn)化機(jī)械部件的復(fù)雜度，步進(jìn)電機(jī)采用開(kāi)環(huán)控制方式。

3 電路設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)需要完成如下的功能，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，紙帶位置檢測(cè)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，氣缸電磁閥驅(qū)動(dòng)，熱電阻驅(qū)動(dòng)，印刷物定位光標(biāo)驅(qū)動(dòng)，氣缸0位檢測(cè)，溫度采集，鍵盤(pán)，數(shù)碼管顯示，通訊。其中直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、氣缸電磁閥驅(qū)動(dòng)、印刷件定位光標(biāo)驅(qū)動(dòng)合稱(chēng)為驅(qū)動(dòng)模塊，紙帶位置檢測(cè)、氣缸0位檢測(cè)、溫度采集合稱(chēng)為采集模塊，鍵盤(pán)、數(shù)碼管顯示合稱(chēng)為人機(jī)交互模塊。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖Fig.2 Hardware block of system

3.1 微控制器（MCU）

根據(jù)控制要求，微處理器的控制任務(wù)量不大，用8位單片機(jī)可以達(dá)到處理速度與使用經(jīng)濟(jì)性的綜合要求。本控制系統(tǒng)采用美國(guó)新華龍公司的8位單片機(jī)C8051F340。該單片機(jī)采用51內(nèi)核，外設(shè)一路10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，兩路UART串口，內(nèi)部集成128字節(jié)的RAM和64 k的flash程序存儲(chǔ)器，2個(gè)8位和3個(gè)16位定時(shí)器[3]。程序存儲(chǔ)區(qū)可以在線讀寫(xiě)和擦除，便于“自學(xué)習(xí)”參數(shù)的自動(dòng)存儲(chǔ)。通用I/O口為32個(gè)。封裝為T(mén)QFP－48。

3.2 溫度采集

溫度采集使用北京華夏日新公司的HX－RS系列鉑電阻溫度傳感器，測(cè)溫范圍－50℃～350℃，A等級(jí)精度為±（0.15+0.002t），電路如圖 3所示。

圖3 溫度采集電路Fig.3 Circuit of temperature acquisition

熱敏電阻RS與電阻R1形成分壓，當(dāng)位于靜壓頭內(nèi)部的熱敏電阻RS的阻值隨著內(nèi)膽溫度變化而變化時(shí)，則傳輸給微處理器的電壓值也相應(yīng)地變化。因此，轉(zhuǎn)印溫度與傳輸給MCU的電壓值一一對(duì)應(yīng)，MCU通過(guò)A/D采樣端口采集信號(hào)，根據(jù)不同的A/D轉(zhuǎn)換得到當(dāng)前溫度值，與目標(biāo)值比較作為PID控制的差值。

3.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

步進(jìn)電機(jī)工作需要一定頻率和電壓的脈沖。本設(shè)計(jì)采用美國(guó)SGS－THOMSON公司的L297芯片來(lái)進(jìn)行脈沖分配。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。L297是一種硬件環(huán)分集成芯片，它可以產(chǎn)生4相驅(qū)動(dòng)信號(hào)[4－5]。采用意法公司的L6203芯片來(lái)進(jìn)行功率放大，額定驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到5 A[6]。本系統(tǒng)采用兩相步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)一個(gè)電機(jī)需要兩片L6203。L297芯片有4個(gè)控制口與單片機(jī)相連，分別是方向控制口，脈沖輸入口，細(xì)分控制口和使能控制口，兩相步進(jìn)電機(jī)接線為A－A’－B－B’。如果方向控制口高電平，電流方向?yàn)锳－A’，則電機(jī)正傳，反之，電流方向A’－A，電機(jī)反轉(zhuǎn)。脈沖輸入口輸入不同頻率的脈沖可以獲得步進(jìn)電機(jī)的不同轉(zhuǎn)速。細(xì)分控制可以使得步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)更平滑，更精密。當(dāng)使能控制口為高電平時(shí)，L6203正常輸出電流，為低電平時(shí)，L6203不再輸出電流[4]。電流控制方法是在電機(jī)回路接采樣電阻，輸出采樣電壓Vsense， 與 L297上的比較電壓 Vref進(jìn)行比較，Vsense＞Vadb時(shí)，減小輸出電流，反之增加輸出電流。

3.4 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互面極如圖5所示。采用數(shù)碼管顯示，簡(jiǎn)約可靠。顯示內(nèi)容包括轉(zhuǎn)印件數(shù)和當(dāng)前溫度。自學(xué)習(xí)時(shí)顯示已存儲(chǔ)的參數(shù)值以及當(dāng)前操作狀態(tài)。按鍵共5個(gè)，置零鍵，走紙鍵，光標(biāo)鍵，運(yùn)行鍵和自學(xué)習(xí)鍵。自學(xué)習(xí)狀態(tài)時(shí)置零鍵實(shí)現(xiàn)參數(shù)增，進(jìn)紙鍵實(shí)現(xiàn)參數(shù)減，光標(biāo)實(shí)現(xiàn)模式切換，運(yùn)行鍵實(shí)現(xiàn)運(yùn)行。非自學(xué)習(xí)狀態(tài)時(shí)清零鍵用來(lái)清除記錄的轉(zhuǎn)印件數(shù)，重新計(jì)數(shù)。光標(biāo)鍵用于開(kāi)關(guān)滅光標(biāo)。走紙鍵用于讓紙帶走到下一工位。運(yùn)行鍵用于完成一次完整的轉(zhuǎn)印。運(yùn)行鍵自學(xué)習(xí)鍵位于面板側(cè)面。

圖4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路Fig.4 Drive circuit of stepping motor

圖5 人機(jī)交互面板Fig.5 Human-computer interaction panel

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，有以下功能模塊，溫度控制、壓緊力控制、時(shí)間控制、按鍵響應(yīng)、數(shù)碼顯示、紙帶控制、氣缸運(yùn)行和通訊等模塊。其中溫控模塊、時(shí)間控制模塊、按鍵響應(yīng)模塊、數(shù)碼顯示模塊在定時(shí)器中斷中完成，壓緊力控制模塊、紙帶控制模塊、氣缸運(yùn)行模塊在主循環(huán)中完成，通訊在串口中斷中完成。主程序流程圖如圖6所示。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)前已經(jīng)通過(guò)“自學(xué)習(xí)”獲得了最優(yōu)控制參數(shù)。對(duì)照組是手工轉(zhuǎn)印組，固定參數(shù)轉(zhuǎn)印組。使用相同面料的襪子，轉(zhuǎn)印紙是手工組經(jīng)常使用而固定參數(shù)組未使用過(guò)的。每組實(shí)驗(yàn)100件。

從表1可以看出，自學(xué)習(xí)熱轉(zhuǎn)印機(jī)轉(zhuǎn)印成功率達(dá)到了98%，效率是手工方式的2.94倍，是固定參數(shù)的1.76倍。從圖7可以看出手工印刷效果不好，而且差別較大。從圖8可以看到，固定參數(shù)熱轉(zhuǎn)印機(jī)印刷效果也不理想，圖9是固定參數(shù)熱轉(zhuǎn)印機(jī)使用專(zhuān)用轉(zhuǎn)印紙的效果。圖10可以看到自學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)印的效果比較好。

圖6 主程序流程圖Fig.6 System flow

6 結(jié) 論

通過(guò)設(shè)計(jì)自學(xué)習(xí)的熱轉(zhuǎn)印機(jī)控制系統(tǒng)，較好的實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)印紙的自由更換，轉(zhuǎn)印效果明顯提高。同時(shí)，合理的軟硬件設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)工作更加流暢，穩(wěn)定，生產(chǎn)效率大大提高。簡(jiǎn)約的人際交互，簡(jiǎn)化了操作。實(shí)踐證明，本系統(tǒng)較好的滿足了生產(chǎn)的要求。

表1 生產(chǎn)對(duì)照表Tab.1 Production comparison

圖7 手工轉(zhuǎn)印結(jié)果Fig.7 Result of hand operation

圖8 固定參數(shù)熱轉(zhuǎn)印結(jié)果Fig.8 Result of fixed parameter printer

圖9 固定參數(shù)熱轉(zhuǎn)移結(jié)果2Fig.9 Result 2 of fixed parameter printer

圖10 自學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)印結(jié)果Fig.10 Result of self learning printer

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