基于NIOSⅡ的寬幅打印機(jī)多載體控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫海明，馮平波

（1.湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，湖北 十堰 442002；2.神龍汽車(chē)有限公司 襄樊工廠，湖北 襄樊 441000）

基于NIOSⅡ的寬幅打印機(jī)多載體控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫海明1，馮平波2

（1.湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，湖北 十堰 442002；2.神龍汽車(chē)有限公司 襄樊工廠，湖北 襄樊 441000）

針對(duì)寬幅打印機(jī)單一載體軸無(wú)法滿(mǎn)足高效率打印的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于NIOSⅡ軟核處理器的多載體自動(dòng)控制系統(tǒng)，結(jié)合東芝TB6560AHQ步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，實(shí)現(xiàn)了3種載體的自動(dòng)加卸載控制，給出了載體箱的原理圖和控制流程圖，提高了寫(xiě)真機(jī)的印前效率。

寬幅打印機(jī)；載體；TB6560AHQ；自動(dòng)控制

寬幅噴墨式彩色打印機(jī)已在全球廣告、圖文和CAD等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，控制系統(tǒng)也已升級(jí)為嵌入式微處理器控制，其穩(wěn)定性、打印精度和速度都有了極大的提高。與寫(xiě)真機(jī)的高精度和高速度相比，其印前和印后環(huán)節(jié)卻相對(duì)落后。目前國(guó)內(nèi)外寫(xiě)真機(jī)和噴繪機(jī)都只在機(jī)架上配置一根載體卷軸，不能同時(shí)存放和識(shí)別多種規(guī)格的載體，無(wú)法實(shí)現(xiàn)裝載自動(dòng)控制。

針對(duì)該問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了基于NIOSⅡ嵌入式軟核處理器的多載體控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了一次同時(shí)安裝5種不同寬度的打印載體，并結(jié)合東芝公司的TB6560AHQ步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)了下箱3根載體軸自動(dòng)識(shí)別、加載和卸載。該自動(dòng)控制載體箱獨(dú)立于打印機(jī)單獨(dú)工作，通用性強(qiáng)。

1 寬幅打印機(jī)工作原理

1.1 工作原理簡(jiǎn)介

寬幅打印機(jī)的工作原理與普通小型噴墨打印機(jī)類(lèi)似，但打印載體的連續(xù)性和大幅面要求其控制系統(tǒng)的時(shí)序和穩(wěn)定性更高，國(guó)產(chǎn)750型和1200型寫(xiě)真機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示［1］。

寫(xiě)真機(jī)噴頭橫向運(yùn)動(dòng)由伺服電機(jī)帶動(dòng)打印小車(chē)并由光柵定位來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要完成PC機(jī)既定圖像的打印任務(wù)。小車(chē)橫向移動(dòng)速度和噴頭固有點(diǎn)火頻率決定著打印速度和精度?？v向運(yùn)動(dòng)依據(jù)噴墨打印時(shí)序由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)進(jìn)紙輪來(lái)實(shí)現(xiàn)載體的步進(jìn)供給，主要完成打印圖像的有序排列，還原既定圖像。用戶(hù)通過(guò)操作面板上的載體進(jìn)退按鍵使載體快進(jìn)或快退，實(shí)現(xiàn)人工加載、卸載和更換當(dāng)前載體。

1.2 單一載體軸的不足

目前，寫(xiě)真機(jī)使用的國(guó)產(chǎn)打印載體PP背膠紙有914 mm、1070 mm和1270 mm等3種常用寬度規(guī)格，另外有635 mm、1370 mm和1520 mm等3種不常用規(guī)格。實(shí)際打印過(guò)程中，為了節(jié)約成本，要依據(jù)畫(huà)面寬度選擇最為經(jīng)濟(jì)的載體，但由于國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口寫(xiě)真機(jī)在機(jī)架上都只配置一根載體存放軸，一次只能安放一種寬度規(guī)格的打印載體，因此實(shí)際打印工作中需要頻繁更換載體。

頻繁更換打印載體有3點(diǎn)不利：1）載體軸在上下機(jī)架時(shí)，容易彎曲變形，塑料齒輪容易磨損；2）最外圈的打印載體容易污染，導(dǎo)致材料浪費(fèi)；3）更換載體需要1～2人配合完成，且需要移動(dòng)打印機(jī)，比較麻煩。這種低效率的印前環(huán)節(jié)在一定程度上制約了寬幅打印機(jī)的高效生產(chǎn)。

圖1 寫(xiě)真機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 控制系統(tǒng)組成與功能

寫(xiě)真機(jī)多載體自動(dòng)控制系統(tǒng)由NIOSII嵌入式軟核處理器、光電傳感器、載體軸步進(jìn)電機(jī)、載體輸送步進(jìn)電機(jī)、輸送主被動(dòng)輪和電磁鐵等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

多載體自動(dòng)控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)4項(xiàng)控制功能：1）載體輸送步進(jìn)電機(jī)的啟停和正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)載體1～3的自動(dòng)輸送、加載和卸載；2）載體軸步進(jìn)電機(jī)的啟停和正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)載體的預(yù)放和收縮；3）載體輸送被動(dòng)輪電磁鐵的吸合，使打印載體而自由通過(guò)輸送輪；4）人機(jī)交互操作和顯示。

本系統(tǒng)選用NIOS II/S（標(biāo)準(zhǔn)型）型CPU，是Altera公司結(jié)合其FPGA推出的一款32位高性能RISC軟核處理器，其內(nèi)部包括512個(gè)通用寄存器，指令集簡(jiǎn)單完整，尋址模式較強(qiáng)，可擴(kuò)展性和硬件加速性能良好。［1］本系統(tǒng)采用Cyclone II開(kāi)發(fā)板，板載芯片為EP2C20F672C6，該芯片提供了4608～33216個(gè)邏輯單元，有475個(gè)管腳，能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)需求和升級(jí)。

圖2 載體自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3.1 載體箱結(jié)構(gòu)

載體箱結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由上下箱體、5根載體軸、自動(dòng)輸送輪、載體引導(dǎo)板、傳感器、支架和腳輪等構(gòu)成。

圖3 載體箱結(jié)構(gòu)及與打印機(jī)位置關(guān)系示意圖

載體箱上下箱均采用折疊式箱門(mén)，箱門(mén)向后或向上開(kāi)啟后，可以方便的安放打印載體。上箱和下箱共有5根載體卷軸，下箱載體軸1～3由獨(dú)立的步進(jìn)電機(jī)控制，并配有獨(dú)立的自動(dòng)加載卸載送紙輪，上箱載體軸4和5應(yīng)用較少，為手動(dòng)控制。5根載體軸按照逆時(shí)針順序編號(hào)，其安放位置、功能區(qū)分和規(guī)格定義上有所區(qū)別，如表1所示。

表1 載體軸功能定義表

載體軸步進(jìn)電機(jī)和載體自動(dòng)輸送主動(dòng)輪步進(jìn)電機(jī)都選擇北京斯達(dá)微步控制技術(shù)有限公司生產(chǎn)的57系列2相混合式直流步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)為57BYG096，原始步距角為1.8°，最大靜扭矩為0.75 N·m，相電流3.0 A，機(jī)身直徑為Φ57 mm，重量0.6 kg［2］。

3.2 載體軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

步進(jìn)電機(jī)將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，其轉(zhuǎn)角大小和方向由控制器控制。本控制系統(tǒng)的載體1～3自動(dòng)輸送主動(dòng)輪分別由3個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制，要求與寫(xiě)真機(jī)進(jìn)紙電機(jī)同步控制。經(jīng)比較，選用東芝公司的TB6560AHQ驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片為HZIP25-P-1.27封裝，使用BiCD工藝將低電阻與高許可損耗封裝相結(jié)合，最大輸出電流達(dá)到3.5 A［3］，配合三選一互鎖電路實(shí)現(xiàn)3個(gè)步進(jìn)電機(jī)的分時(shí)控制，其電路圖如4所示。

圖4中，引腳3控制步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)量，引腳21控制旋轉(zhuǎn)方向，二者共同控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。由自動(dòng)加載過(guò)程可知，當(dāng)載體從引導(dǎo)板達(dá)到寫(xiě)真機(jī)進(jìn)紙輪后的短暫時(shí)間內(nèi)，是由輸送輪和寫(xiě)真機(jī)進(jìn)紙輪同時(shí)輸送的，2個(gè)步進(jìn)電機(jī)的同步運(yùn)動(dòng)是保證載體平順而不扭曲褶皺的必要條件，因此引腳3和引腳21的控制信號(hào)與寫(xiě)真機(jī)進(jìn)紙步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)相同。3根載體軸任何時(shí)候最多只有一根是被選擇的，配合三選一互鎖電路可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)驅(qū)動(dòng)器控制3臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，使得控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

圖4 TB6560AHQ驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)電路圖

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)載體的寬度識(shí)別、自動(dòng)加載、卸載、預(yù)放、收卷等控制，用7個(gè)變量來(lái)表示、控制或反饋當(dāng)前狀態(tài)，系統(tǒng)斷電后該信息清零。載體軸存在有無(wú)載體、被選擇和沒(méi)有被選擇3種狀態(tài)，Z為1表示軸上有載體，XZ為1表示當(dāng)前載體被選擇。打印載體需要JA、JD、JF和JS 4個(gè)變量表示其當(dāng)前位置。DG為1表示打印機(jī)送紙步進(jìn)電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)，自動(dòng)輸送輪步進(jìn)電機(jī)依據(jù)該信號(hào)實(shí)現(xiàn)正向選轉(zhuǎn)，即圖4中引腳21的信號(hào)，系統(tǒng)狀態(tài)量符號(hào)如表2所示。

表2 載體軸和打印介質(zhì)變量表

4.1 載體自動(dòng)更換或人工選擇的控制

載體自動(dòng)更換是指用戶(hù)通過(guò)控制面板選擇了新載體，系統(tǒng)自動(dòng)卸載當(dāng)前載體并自動(dòng)加載新載體的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程系統(tǒng)需要知道打印平臺(tái)上當(dāng)前有無(wú)舊載體，以及新載體是否成功安放到載體軸上。如果當(dāng)前打印平臺(tái)沒(méi)有載體，就是人工選擇載體的過(guò)程。以圖5為例說(shuō)明選擇載體1的過(guò)程。

系統(tǒng)首先判斷將要安裝的載體1如果已經(jīng)在打印平臺(tái)上（XZ1=1），顯示該信息并維持現(xiàn)狀。如果不是載體1，則有3種情況：當(dāng)前載體是載體2或載體3或沒(méi)有載體。無(wú)論是載體2或載體3，系統(tǒng)先執(zhí)行自動(dòng)卸載當(dāng)前載體，然后自動(dòng)加載載體1。如果當(dāng)前沒(méi)有載體，系統(tǒng)將直接加載載體1。如果載體軸2~3上沒(méi)有安放載體（Z2=0），系統(tǒng)則不執(zhí)行該載體的卸載動(dòng)作，將直接自動(dòng)加載載體1。

圖5 人工選擇或更換載體控制圖

4.2 載體自動(dòng)選擇控制

載體自動(dòng)選擇是指依據(jù)打印平臺(tái)當(dāng)前載體的實(shí)際寬度，自動(dòng)選擇相應(yīng)的載體軸，并考慮載體的寬度尺寸誤差±4 mm。例如，當(dāng)檢測(cè)到載體實(shí)際寬度JD為913 mm時(shí)，程序判斷后自動(dòng)選擇理論寬度為914 mm的載體軸1，程序控制取變量XZ1為1，XZ2、XZ3為0，流程如圖6所示。

4.3 載體自動(dòng)加載和卸載控制

載體自動(dòng)加載是指載體從打印機(jī)進(jìn)紙輪后方50 mm處的導(dǎo)引板上由輸送電機(jī)送入打印平臺(tái)的過(guò)程，其控制流程如圖7所示。

測(cè)紙器檢測(cè)到載體后JA為1，表示加載過(guò)程完成，之后，由打印機(jī)進(jìn)紙輪獨(dú)立完成載體的縱向補(bǔ)給任務(wù)直至打印完成。為了避免與輸送輪不同步，系統(tǒng)控制被動(dòng)輪電磁鐵得電吸合，與主動(dòng)輪分離3 mm使載體自由通過(guò)，被動(dòng)輪從此開(kāi)始起到載體引導(dǎo)作用，輸送電機(jī)停止工作。卸載與加載過(guò)程相反，載體退出打印平臺(tái)后，打印機(jī)進(jìn)紙電機(jī)延遲0.1 s，保證載體退回到50 mm的位置。

圖6 載體自動(dòng)選擇控制圖

圖7 載體自動(dòng)加載和卸載控制圖

4.4 載體自動(dòng)預(yù)放和收縮的控制

自動(dòng)預(yù)放是指為打印而預(yù)先準(zhǔn)備300 mm的載體。避免載體軸電機(jī)持續(xù)動(dòng)作，只有DG為1時(shí)，即打印正在進(jìn)行或用戶(hù)手動(dòng)操作打印載體前進(jìn)時(shí)，系統(tǒng)才循環(huán)執(zhí)行自動(dòng)預(yù)放命令，直到預(yù)放量達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的要求（JF=1）。當(dāng)用戶(hù)操作大量載體從平臺(tái)退出打印機(jī)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行載體預(yù)收命令，此時(shí)，載體軸電機(jī)與打印機(jī)進(jìn)紙電機(jī)同步反向旋轉(zhuǎn)，避免載體堆積在導(dǎo)紙板上。當(dāng)完成打印任務(wù)關(guān)機(jī)后，卸載后的載體需要收回預(yù)放量，起到防塵保護(hù)的作用，這就是載體自動(dòng)收縮功能。此時(shí)，載體控制系統(tǒng)比打印機(jī)延遲60 s關(guān)機(jī)，載體軸電機(jī)反轉(zhuǎn)直到JS為1，使載體收縮到合適位置，其控制過(guò)程如圖8所示。

圖8 載體自動(dòng)預(yù)收放和收縮控制圖

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)國(guó)產(chǎn)樂(lè)彩LC750型寫(xiě)真機(jī)的NIOSⅡ多載體控制系統(tǒng)樣品已調(diào)試成功，實(shí)現(xiàn)了下載體箱載體1～3的自動(dòng)識(shí)別、加載、卸載、預(yù)放和收縮等控制功能，極大的提高了印前效率和節(jié)約資源成本。對(duì)于不同品牌的寬幅打印機(jī)，需要調(diào)整多載體箱的高度，使引導(dǎo)板與打印平臺(tái)等高，且自動(dòng)送紙輪與打印機(jī)進(jìn)紙輪直徑相同。

［1］侯育萌.基于NIOSII的大幅面彩色噴墨寫(xiě)真機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2008.

［2］北京斯達(dá)微步控制技術(shù)有限公司.57BYG096步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品資料［EB/OL］.［2010-10-25］.http：//www.startsh.net.

［3］TOSHIBA，Semiconductor Company.TB6560AHQ Stepping Motor Drivers IC［K］.2009.

Design of Multi-roll-fed Control System for Wide Farmat Ink-jet Printer Based on NIOSⅡ

Sun Haiming1，F(xiàn)eng Pingbo2
（1.Dept of Mechanical Engineering，Hubei Automotive Industries Institute，Shiyan 442002，China; 2.Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Company Ltd DUXF，Xiangfan 441000，China）

A multi-roll-fed control system was designed based on NIOSⅡprocessor.According to Toshiba TB6560AHQ stepping motor drivers IC，automatic load control and unload control of three types of print paper were achieved.The schematic diagrams of box and control flow chart were given.

wide format ink-jet printer；print paper；TB6560AHQ；automatic control

TP311

A

1008-5483（2010）04-0039-05

10.3969/j.issn.1008-5483.2010.04.010