高速點(diǎn)陣式大字符噴碼系統(tǒng)研究

摘 要： 對高速點(diǎn)陣式大字符噴碼系統(tǒng)進(jìn)行了研究，根據(jù)鋼管生產(chǎn)中噴碼機(jī)的控制要求，重點(diǎn)研究了直徑大小控制方法及噴印點(diǎn)陣字符大小連續(xù)可調(diào)的實(shí)現(xiàn)方法，噴嘴開關(guān)閥頻率響應(yīng)，閥口開啟量的確定等幾個(gè)設(shè)計(jì)噴碼系統(tǒng)的關(guān)鍵問題，為高速點(diǎn)陣式噴碼系統(tǒng)的研發(fā)制造提供了理論基礎(chǔ)。試驗(yàn)證明，以此設(shè)計(jì)的高速點(diǎn)陣式噴碼系統(tǒng)，性能穩(wěn)定、速度快、精度高，很好的滿足了工業(yè)現(xiàn)場鋼管在線標(biāo)識的要求。

關(guān)鍵字： 高速點(diǎn)陣式噴碼系統(tǒng)； 脈沖； 噴碼機(jī)； 鋼管標(biāo)識

中圖分類號： TN710?34； TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）13?0112?03

Research on high?speed dot?matrix ink?jet system for big characters

ZHANG Zong?lu1， QI Xiao?chun1， ZHANG yang2， SHENG Wen?ping2， MOU Zhao?xia2

（1. Yantai Vocational College， Yantai 264670， China； 2. Naval Aeronautical Engineering Institute， Yantai 264001， China）

Abstract： High?speed dot?matrix ink?jet system is studied. According to the control requirements of ink?jet printer in steel production， the key problems are discussed in detail such as the diameter size control method and jet print dot matrix characters size method， nozzle switching valve frequency response and the confirmation valve port opening size. It provided the theoretical basis for researching and producing the high?speed dot?matrix ink?jet system. Tests show that the high?speed dot?matrix printing system could meet the requirements of steel pipe identification online in industrial site， for its stable performance， high speed and high precision.

Keywords： high?speed dot?matrix ink?jet system； pulse； ink?jet printer； steel pipe identification

0 引 言

在鋼管的生產(chǎn)過程中，為了便于廠家跟蹤產(chǎn)品質(zhì)量以及用戶了解產(chǎn)品的相關(guān)信息，需要在每根鋼管注上相應(yīng)的標(biāo)識符。標(biāo)識符應(yīng)清楚明顯，不脫落。噴碼技術(shù)的應(yīng)用滿足了這些要求，它不僅促進(jìn)發(fā)展了生產(chǎn)、物流管理，同時(shí)增加了產(chǎn)品的附加值，對樹立品牌，提高產(chǎn)品的競爭力，都具有很重要的意義。而目前國內(nèi)的中小企業(yè)主要采用手寫或人工字模噴印的方法對產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)識[1]。這兩種操作方法不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低下，而且容易發(fā)生錯(cuò)誤，質(zhì)量也難以保證，嚴(yán)重影響了鋼管的自動(dòng)化生產(chǎn)，是企業(yè)鋼管生產(chǎn)效率的瓶頸，更直接影響了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。而目前國內(nèi)使用的自動(dòng)噴碼機(jī)基本依靠進(jìn)口，價(jià)格高昂，只有少數(shù)幾家鋼鐵企業(yè)（如包鋼、寶鋼等）配備了進(jìn)口標(biāo)碼機(jī)[2]。標(biāo)碼機(jī)的關(guān)鍵部件是高速點(diǎn)陣式脈沖噴射器，它的好壞直接影響著設(shè)備性能，甚至整條鋼管生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍也會受到影響，因而研究高速點(diǎn)陣式大字符噴碼系統(tǒng)具有重要意義。

當(dāng)前鋼管生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度很高，生產(chǎn)節(jié)奏也非常快，每個(gè)工序要求過管速度大約在每小時(shí)300根。噴碼是生產(chǎn)線的最后一道工序，所以噴碼系統(tǒng)要具有相當(dāng)高的噴射頻率和穩(wěn)定性，否則會影響到整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。

1 高速點(diǎn)陣式大字符噴碼系統(tǒng)工作原理

高速點(diǎn)陣式大字符噴碼系統(tǒng)（簡稱噴碼系統(tǒng)）是由人機(jī)交互系統(tǒng)、噴碼控制器、同步控制系統(tǒng)、涂料供應(yīng)系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)及噴頭六部分組成，輔以故障報(bào)警輔助信號來處理工作中意外情況。各部分聯(lián)系如圖1所示，噴碼系統(tǒng)工作原理是在噴頭與工件的相互運(yùn)動(dòng)中，噴碼控制器控制噴頭以設(shè)定的間距間隔噴出圓點(diǎn)，在工件表層形成點(diǎn)陣字符或圖標(biāo)。

在鋼管自動(dòng)化生產(chǎn)線中，噴碼系統(tǒng)采集企業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)的信息，當(dāng)鋼管到達(dá)噴碼位置時(shí)，在線完成噴碼任務(wù)。其工作結(jié)構(gòu)如圖2所示，上位工控機(jī)主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互，通過與企業(yè)網(wǎng)絡(luò)及噴碼控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，確定每根鋼管要噴印的內(nèi)容；鋼管到達(dá)噴碼位置時(shí)，噴碼控制器靠光電編碼器發(fā)送的脈沖信號來確定起噴位置及噴印速度，控制噴頭在不影響鋼管正常輸送的前提下完成在線標(biāo)識。

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圖1 噴碼機(jī)系統(tǒng)組成關(guān)系圖

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圖2 噴碼系統(tǒng)工作示意圖

2 噴碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)的幾個(gè)關(guān)鍵問題

2.1 點(diǎn)陣字符大小控制

噴碼字符大小調(diào)整包括字符高度調(diào)整和寬度調(diào)整，具體要根據(jù)用戶的要求及相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。點(diǎn)陣字符的高度調(diào)整要通過選擇不同噴嘴個(gè)數(shù)的噴頭或調(diào)整噴頭轉(zhuǎn)角的方式實(shí)現(xiàn)。如圖3所示，[θ]是噴頭各噴嘴連線與噴頭運(yùn)動(dòng)方向[V]的夾角，稱為噴頭轉(zhuǎn)角，[Φ]是噴嘴直徑，[S]是兩相鄰噴嘴的中心距，[D]是噴印點(diǎn)的直徑，[L]是相鄰噴印點(diǎn)的中心距。在調(diào)整噴頭轉(zhuǎn)角[θ]后，兩相鄰噴射點(diǎn)的垂直中心距也隨之發(fā)生改變，其間距[L]的計(jì)算公式為：

[L=Ssinθ] （1）

噴頭轉(zhuǎn)角[θ]調(diào)整后要保證噴頭所噴出的兩相鄰噴點(diǎn)邊緣距離大于等于最小允許的間距Δ，即L-D≥Δ，那么噴頭轉(zhuǎn)角的調(diào)整范圍應(yīng)為：

[θarcsinΔ+DS] （2）

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圖3 噴嘴端面示意圖

噴點(diǎn)直徑及兩噴點(diǎn)的間距是由噴頭端面距離鋼管表面的距離[h]確定的。如圖4所示，射流極角[α]由公式[α=arctan（βκ）]求得，公式中[β]是出流斷面系數(shù)，[κ]是射流特性系數(shù)。對圓斷面射流[3]可取[β=]3.4，[κ=]0.078，計(jì)算得到[α=]14.85°。噴點(diǎn)直徑[D]、噴嘴直徑[Φ]及噴頭與鋼管表面距離[h]之間的相互關(guān)系如圖3所示。

[D=2htgα+Φ] （3）

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圖4 噴點(diǎn)直徑與噴嘴直徑關(guān)系圖

設(shè)選擇的噴頭點(diǎn)數(shù)為[m]，即噴頭由[m]個(gè)一字排開的噴嘴組成，那么噴碼所獲得的點(diǎn)陣字符高度[H]應(yīng)為：

[H=（m-1）?Ssinθ+D] （4）

點(diǎn)陣字符寬度與鋼管的相對速度[V]與噴頭成正比，與噴嘴開關(guān)頻率[f]成反比，因此可通過調(diào)節(jié)噴頭與鋼管的相對速度[V]和高速噴嘴開關(guān)頻率[f]來調(diào)整點(diǎn)陣字符的寬度。若設(shè)噴頭點(diǎn)數(shù)為[m]，則點(diǎn)陣字符的寬度[W]按式（4）計(jì)算：

[W=（m-1）?Vf+D] （5）

2.2 噴嘴開關(guān)閥的頻率

噴嘴開關(guān)頻率的高低直接影響到噴碼系統(tǒng)的工作效率，噴嘴開關(guān)閥的工作頻率[f]高低與噴頭運(yùn)動(dòng)速度[V]及噴印點(diǎn)的水平間距[B]有關(guān)。如果噴點(diǎn)水平間距[B]保持不變，噴頭速度[V]越大所需要的工作頻率[f]就越高；如果噴頭運(yùn)動(dòng)速度[V]保持不變，要求得到的水平噴點(diǎn)間距[B]越小則需要的工作頻率就越高。[f]與[V]及[B]的關(guān)系為：

[f=VB] （6）

理想的噴嘴開關(guān)閥，應(yīng)在一個(gè)調(diào)制周期[T]內(nèi)，電壓波形和閥芯位移波形完全相同。但是由于高速開關(guān)閥受到磁滯及閥芯相應(yīng)滯后的影響，實(shí)際閥芯響應(yīng)不可能準(zhǔn)確地跟蹤脈寬信號的變化。圖5是開關(guān)閥的階躍響應(yīng)曲線，開啟時(shí)間[ton]是指從線圈得電時(shí)間開始直到閥全部開啟所需的時(shí)間；[toff]是指從線圈斷電到噴嘴完全關(guān)閉所需的時(shí)間。其中[ton=t1+t2]，[toff=t3+t4]。

[t1]為線圈電流增長滯后時(shí)間和閥芯響應(yīng)滯后時(shí)間；[t2]為閥芯開啟動(dòng)作時(shí)間；[t3]為線圈電流衰減滯后時(shí)間；[t4]為閥芯復(fù)位和噴嘴關(guān)閉動(dòng)作時(shí)間。

噴嘴開關(guān)閥的總開啟時(shí)間[ton]和總關(guān)閉時(shí)間[toff]代表著閥的正、負(fù)階躍響應(yīng)的過渡時(shí)間，它反映了閥的快速性。若要獲得完全的開啟響應(yīng)，脈寬[Tp]至少需要保持[ton]時(shí)間，若要得到完全的關(guān)閉響應(yīng)，負(fù)脈沖寬度至少需要保持[toff]時(shí)間。因此要得到完全的開關(guān)響應(yīng)，脈沖周期最小為[Tc=ton+toff，]最高頻率則為[fc=1Tc]。

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圖5 開關(guān)閥的階躍響應(yīng)曲線

2.3 閥芯開啟量的確定

噴頭若采用錐閥作為開關(guān)閥可以克服滑閥的行程較長及泄漏問題，也可以克服球閥的壓力不平衡的問題，能方便快速地控制流體的微小流量[4]。錐閥閥口關(guān)閉時(shí)，閥芯與閥座孔之間是線密封，因此不僅密封性好，而且動(dòng)作靈敏、閥口開啟時(shí)沒有死區(qū)。

閥每次開啟時(shí)涂料的噴射量應(yīng)嚴(yán)格控制，如果噴射量太大會導(dǎo)致噴點(diǎn)直徑過大，噴點(diǎn)交叉會造成字跡模糊不清；若噴射量太小會導(dǎo)致字符顏色太淺，影響到噴碼效果。控制閥芯與閥座的開啟位移[δ]是調(diào)節(jié)噴射量的簡單有效方法。

設(shè)閥芯向上位移為[δ]，則閥口的通流截面為母線等于[δsinα1]的圓錐的側(cè)面積[（α1]為錐閥的圓錐角），當(dāng)閥座孔徑為[D1]時(shí)，通流面積[Az]為：

[Az=πδsinα1D1-12δsin2α1] （7）

因?yàn)殄F閥閥口為薄壁小孔型，所以通過閥口的流量方程應(yīng)為：

[Q=CdAz2ΔPρ] （8）

式中：[ΔP]是閥口內(nèi)外壓力差；[Cd]是閥口流量系數(shù)，與雷諾數(shù)有關(guān)，可選取[5][Cd=]0.77～0.82。因?yàn)殚y芯位移[δ]遠(yuǎn)小于閥座直徑[D1，]所以通流面積[Az]可近似的取為[Az=πD1δsinα1]，因此由式（7），式（8）可得到閥芯的位移公式：

[δ=QCdπD1sinα1ρ2ΔP] （9）

圖6是閥芯位移量和涂料流量的關(guān)系圖。

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圖6 閥芯位移與流量關(guān)系

3 系統(tǒng)應(yīng)用

在本文的理論指導(dǎo)下開發(fā)的噴碼系統(tǒng)應(yīng)用于山東煙臺魯寶鋼管有限責(zé)任公司的鋼管生產(chǎn)線上，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和廠家要求進(jìn)行了調(diào)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表面，噴嘴開關(guān)閥響應(yīng)頻率高，工作穩(wěn)定，該系統(tǒng)很好地完成數(shù)字、字母及特殊字符的噴印，噴點(diǎn)大小在2～3 mm之間，字符高度和寬度可連續(xù)可調(diào)。圖7是試驗(yàn)中32點(diǎn)噴碼系統(tǒng)在60 m/min的噴印速度下的實(shí)際效果圖。由圖7可見點(diǎn)陣字符字跡清晰，附著性好，能夠很好地滿足工業(yè)現(xiàn)場的實(shí)際需要。

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圖7 噴碼系統(tǒng)實(shí)際噴印效果

4 結(jié) 論

本文以鋼管生產(chǎn)線作為應(yīng)用對象，對高速點(diǎn)陣式大字符噴碼系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，在分析工作原理的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了噴碼系統(tǒng)的點(diǎn)陣式字符調(diào)整方法，噴嘴開關(guān)閥頻率響應(yīng)及閥芯開啟量確定等幾個(gè)關(guān)鍵問題，為高速點(diǎn)陣式大字符噴碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造提供了理論基礎(chǔ)。

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