任 雯，賴森財，曾顯杰，張宗鑠，于月朋

（1.三明學(xué)院 機電工程學(xué)院，福建 三明 365004；）2.裝備智能控制福建省高校重點實驗室，福建 三明 365004；3.三明恒順印刷機械有限公司，福建 三明365001）

移印機是一種特種印刷機械。它與傳統(tǒng)印刷設(shè)備相比的顯著特點是能在不規(guī)則的凹凸曲面或平面上印出精美的文字和圖案，塑料、金屬、陶留、尼龍、玻璃等材料的制品均可印刷，尤其適用于柔軟物品和表面脆弱的物體印刷。 這種印刷方法，與貼紙、噴棒、燙金、絲印等相比，具有成本低、效率高、效果好等優(yōu)點[1-3]。 當(dāng)前主流應(yīng)用的移印機控制系統(tǒng)人機界面多采用薄膜輕觸面板，具有人機交互性差（顯示單調(diào)，單面顯示信息量小，操作不便）等固有缺陷。 如對設(shè)備功能升級或改型，需要整體更換薄膜面板，開發(fā)周期長、成本高對企業(yè)設(shè)備升級造成成本壁壘。 同時，當(dāng)前企業(yè)用戶希望生產(chǎn)裝備擁有遠程監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)管理的功能[4-6]，通過提高信息化水平而減少現(xiàn)場操作工人數(shù)量，提高經(jīng)營效益。 因此本文提出了一種基于T5 智能觸摸屏的新型移印機控制系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)策略，具有移印膠頭自動清潔功能[7]，人機界面友好，性能穩(wěn)定。

1 移印機結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 移印機結(jié)構(gòu)組成

本文設(shè)計的移印機結(jié)構(gòu)如圖1 所示，包括機械部件、氣動裝置（垂直氣缸、上墨氣缸、清洗氣缸）、電動裝置（清潔帶驅(qū)動電機）、限位和測距傳感器以及柔性膠頭、蝕刻鋼板、清潔臺以及油墨等輔料。 該機型操作簡便，結(jié)構(gòu)靈巧，智能化、自動化程度高。

圖1 SPD1040E 型移印機結(jié)構(gòu)示意圖

(1）各氣缸功能

垂直氣缸：驅(qū)動柔性膠頭上下往復(fù)運動，完成沾墨、清洗、印刷動作。

上墨氣缸：該氣缸為水平氣缸，驅(qū)動蝕刻鋼板前后往復(fù)穿梭，為膠頭提供油墨。

清洗氣缸：該氣缸為水平氣缸，驅(qū)動清潔臺前后往復(fù)穿梭，為膠頭提供清洗工位。

(2）其它部件功能

清潔帶及驅(qū)動電機、清潔臺：置于清潔臺上方的清潔帶用于去除膠頭余墨，保證印刷質(zhì)量。 驅(qū)動電機用于驅(qū)動滾軸帶動清潔帶在每一次清洗膠頭后卷取沾有油墨的部分，保證膠頭下方為清潔面，等待下一次膠頭清洗動作。

位置檢測傳感器：本機有膠頭上限位、墨臺（表面安裝有蝕刻鋼板）前限位、墨臺后限位、清潔臺前限位、清潔臺后限位5 個光電位置檢測開關(guān)。

光柵傳感器：用于檢測膠頭從初始位置垂直向下方運動的距離（深度），工作原理如圖1 和圖2 所示，本機設(shè)計為沾墨深度＜清潔深度＜印刷深度。

控制電路板：實時檢測各部件位置，控制氣缸按照印刷流程運動。

觸摸屏：顯示機器運行狀態(tài)信息；提供設(shè)備自動、手動運行以及參數(shù)設(shè)置觸摸按鍵。

圖2 光柵傳感器的基本結(jié)構(gòu)

如圖2 所示光柵傳感器主要由光源、透鏡、主光柵、指示光柵、和光電元件組成。 光源通過透鏡照射到光柵上，當(dāng)指示光柵在主光柵移動的時候就形成了亮暗相間的條紋，條紋之間相隔1 mm，光線從光柵透出照射到光電元件上，轉(zhuǎn)換成電脈沖信號進行計數(shù)。 光柵傳感器從上至下用于檢測沾墨、清洗、印刷三個工位，深度可以通過觸摸屏參數(shù)設(shè)置頁面進行設(shè)置。

1.2 移印機工作原理

為了滿足生產(chǎn)需要，移印機一般包括用于調(diào)試的手動模式和連續(xù)工作的自動模式。 手動模式一般為自動模式的特殊單步方式。 移印機自動工作流程有以下步驟

(1）制作蝕刻鋼板。 根據(jù)用戶需求將待印圖案、文字、字母等信息蝕刻在鋼板上。

(2）依照產(chǎn)品特性，設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)。由于當(dāng)前企業(yè)訂單多呈現(xiàn)為定制化、小批量特點，印刷對象的尺寸、材料差異較大，在設(shè)計夾具的基礎(chǔ)上，每個生產(chǎn)批次需要通過觸摸屏設(shè)置運行模式、沾油深度、印刷深度、清洗深度、清洗間隔、印刷時間、沾墨時間、往返時間、收料時間、自動時間等運行參數(shù)。

(3）移印機氣缸回歸原點。 通過控制初始化操作使水平方向的上墨氣缸、清洗氣缸回到后限位，垂直氣缸回到上限位，保證系統(tǒng)處于原點狀態(tài)（初始狀態(tài)），這是設(shè)備可靠自動運行的基本保證。 此時垂直氣缸上限位傳感器、上墨氣缸后限位傳感器、清洗氣缸后限位傳感器為ON，上墨氣缸前限位傳感器、清洗氣缸前限位傳感器為OFF。

(4）移印機自動工作程序邏輯。 移印機工作過程總體包括沾墨、移印、清潔三個環(huán)節(jié)。

①膠頭沾墨。 對處于初始狀態(tài)的移印機按下自動運行啟動按鍵后，上墨氣缸驅(qū)動蝕刻鋼板向前運動（簡稱前行），碰到前限位傳感器后，停在該處，0.1 s（時長可通過往返時間設(shè)置）后垂直氣缸驅(qū)動膠頭向下運動（簡稱下移），通過光柵傳感器檢測下移的深度，當(dāng)?shù)竭_設(shè)定的沾墨深度（初始狀態(tài)與蝕刻鋼板上表面間的垂直距離），停在該處，0.2 s（時長可通過沾墨時間設(shè)置）后上移返回至初始位置，一次沾墨動作完成。 如果根據(jù)工藝要求需要多次沾墨，則需要多次執(zhí)行沾墨環(huán)節(jié)。

②產(chǎn)品印刷。 垂直氣缸驅(qū)動膠頭下移，當(dāng)達到設(shè)定的印刷深度（初始狀態(tài)與承印物表面間的垂直距離），停在該處，0.2 s（時長可通過印刷時間設(shè)置）后上移返回初始位置，一次印刷動作完成。

③膠頭清洗。根據(jù)工藝要求，可設(shè)定膠頭清洗間隔。當(dāng)膠頭清洗間隔滿足設(shè)定值時，在印刷動作完成后，需要使用膠帶將膠頭上的余墨清洗一次后再進行下一次沾墨動作。 膠頭清洗過程為：水平清洗氣缸驅(qū)動清洗臺和膠帶前行，碰到前限位傳感器后，停在該處后垂直氣缸驅(qū)動膠頭下移，當(dāng)?shù)竭_設(shè)定的清洗深度（初始狀態(tài)與膠帶上表面間的垂直距離）后上移返回至初始位置，一次清洗動作完成，清洗過程完成后，通過電機卷動膠帶將沾有油墨的膠帶滾動回收，保證膠頭垂直下方是干凈的膠帶。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制電路設(shè)計

本設(shè)計采用STC15 系列高性能微控制器為核心，輸入輸出端口采用光耦芯片PS2805 隔離，保障了系統(tǒng)的抗干擾能力，采用UL2068 達林頓管全數(shù)字化驅(qū)動氣缸高速全自動完成移印過程，電路原理如圖3 所示。電源采用35 W 工業(yè)通用24 V 開關(guān)電源，通過轉(zhuǎn)換模塊（24 V 轉(zhuǎn)5 V）模塊給電路板芯片供電的同時，通過三線式輸入輸出接線端子給輸入傳感器供電。

2.2 智能串口觸摸屏設(shè)計

人機交互界面采用基于T5 內(nèi)核、具備遠程網(wǎng)絡(luò)功能的迪文串口電容觸摸屏，如圖4 所示。 本設(shè)計軟件部分采用DGUS 軟件客戶端通過配置13.BIN、14.BIN、22.BIN 文件以及圖片素材設(shè)計系統(tǒng)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置和診斷測試三個用戶界面，如圖4～5 所示。 通過DWIN OS 軟件進行安全管理（權(quán)限、密碼等）、CAN 總線協(xié)議、串口外設(shè)（比如打印機）、控制程序狀態(tài)機配置等自定義高級功能，擴展系統(tǒng)功能。

圖3 嵌入式控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖4 基于T5 智能屏的軟件設(shè)計架構(gòu)

T5 觸摸屏硬件部分采用雙核8051 CPU 架構(gòu)，分別獨立運行DGUS 軟件和DWIN OS 軟件，支持T5 自定義指令集，通過0X80～0X84 指令實現(xiàn)觸摸屏變量區(qū)、曲線緩沖區(qū)、功能寄存器與內(nèi)嵌移印算法的控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，完成參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示、曲線動態(tài)跟蹤、觸摸動作執(zhí)行等功能。

圖5 所示為采用DGUS 軟件設(shè)計的用戶界面。 在系統(tǒng)監(jiān)控界面中主要顯示系統(tǒng)的運行狀、總印刷數(shù)。 并可以實現(xiàn)對沾墨、印刷、清洗三個膠頭下移深度的調(diào)整。 同時在手動狀態(tài)，可以對墨臺前后穿梭、膠頭上下移動、清洗臺前后穿梭單功能動作進行調(diào)試。 在參數(shù)設(shè)置界面實現(xiàn)主要系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置。 在診斷測試界面實現(xiàn)對輸入輸出I/O 口的實時監(jiān)控。

圖5 系統(tǒng)人機交互界面

3 控制算法設(shè)計流程

根據(jù)1.2 節(jié)所述的移印機工作原理，基于 Keil C 軟件平臺所設(shè)計的STC15 系列微處理器的移印控制算法流程如圖6所示。

圖6 移印控制算法流程

4 結(jié)束語

設(shè)計的新型智能移印機采用了T5 內(nèi)核的電容觸摸屏作為人機界面，采用氣動驅(qū)動的工作方式高效環(huán)保，具有自動清潔膠頭裝置，自動化程度高。與傳統(tǒng)采用薄膜輕觸面板的傳統(tǒng)機型相比顯示信息豐富美觀，操作便捷性大幅提升，結(jié)構(gòu)緊湊性價比高。 經(jīng)實踐應(yīng)用表明，性能穩(wěn)定，定位精準，對于印刷裝備的信息化升級具有較大借鑒價值。