印刷机供墨系统设计

印刷机供墨系统设计（精选5篇）

印刷机供墨系统设计 篇1

随着市场经济的发展, 为了适应不断变化的市场需求, 在纸箱印刷机的设计、制造过程中也不断地进行着技术革新, 不断有新的纸箱印刷机设计、制造出来, 但是对目前市面上存在的纸箱印刷机的结构进行分析, 各种不同型号的纸箱印刷机的很多零部件的设计结构都是相同的, 如果按照传统的设计方法, 在新产品的开发过程中, 对其零部件进行一一重新设计, 会对设计效率产生很大的影响, 而开发出纸箱印刷机参数化设计系统, 能够实现印刷机各个零部件的参数化设计, 大大提高纸箱印刷机的设计效率, 本文就将对此予以简单分析。

一、二次开发简介

本次研究中进行纸箱印刷机参数化设计系统的开发是在Soli Works三维设计软件的基础上进行二次开发, 因此, 在进行参数化设计系统的开发工作之前, 首先要对二次开发原理进行简单的分析, Soli Works二次开发体系主要有三部分组成, 即Soli Works平台、操作系统及相关的开发工具, 其中操作系统的主要作用是负责对组件对象的注册信息进行管理, 在二次开发的过程中会得到插件对象, 这时要进行注册表中注册信息的填写, 当Soli Works需要加载插件时, 首先会查找加载对象的注册表, 得到相应的加载插件的文件路径, SoliWorks会根据文件路径找到相关的加载插件。在整个二次开发工作中, 核心内容是Soli Works平台, 想要调用Soli Works的功能, 必须通过Soli Works平台所提供的API接口, Soli Works二次开发的工具是多种多样的, 包括任何支持COM和OLE的编程语言, 经过Soli Works二次开发得到的插件具有DLL与EXE两种, 这两种插件的主要区别是DLL插件必须要加载到Soli Works中才能运行, 而EXE直接可以独立地运行。

二、参数化设计系统的研究与开发

在纸箱印刷机参数化系统的设计过程中, 采用的主要开发方法是在Soli Works的基础上, 结合纸箱印刷机设计企业的相关要求, 进行二次开发, 最终得到满足纸箱印刷机参数化设计需求的参数化设计系统, 下面就予以详细的分析。

(一) 参数化设计系统的系统设计思想。

开发纸箱印刷机参数化设计系统的主要目的是提高纸箱印刷机的设计效率, 因此, 该系统的开发过程中的核心问题是零部件的三维参数化建模, 同时, 该系统还应该具有三维模型分析、装配、工程图的绘制等功能, 本次设计中, 二次开发出的系统格式为DLL, 在Soli Works环境下可以实现该系统的调用, 并且可以通过COM接口建立该系统与Soli Works的通信, 为了方便用户的操作, 该系统应该设置友好的用户界面, 用户可以进行数据及指令的输入, 并具有储存各种参数的数据库系统, 本次设计中完整的设计流程图如图1所示。

(二) 参数化设计系统的系统结构与主要功能。

本系统的最主要的功能是在保证零件模型的拓扑结构不变的情况下能够根据用户所输入的相关参数自动生成尺寸不同的纸箱印刷机零部件, 并且该系统还要具有一定的结构分析功能, 对相关设计中的零部件的变形计应力进行有效的分析, 保证参数化设计过程中所设计的零部件的结构具有合理性, 为了方便用户的设计工作, 在该系统中还具有工程图输出功能与装配功能, 工程图输出功能的主要作用是用户可以根据需要将参数化设计中的零部件的工程图进行输出, 同时零部件的装配工程图也可以进行输出。系统中的装配功能的主要作用是对用户的设计进行优化, 形成装配三维图, 综合以上的分析可以看出本系统的主要组成部分有三维建模、结构分析、零部件装配仿真、工程图输出等几大组成部分。

(三) 参数化设计系统开发的技术实现方法。

本系统的开发涉及的知识面非常广, 其要求参与开发的开发人员熟悉SoliWorks的操作及各种功能, 还要掌握相关的编程语言, 同时还要对纸箱印刷机的设计、制造原理熟悉, 由此可见, 在纸箱印刷机参数化设计系统的开发过程中所涉及的技术也是多种多样的。

一是在该系统的开发过程中需要用到宏功能, 因为在系统的开发过程中, 需要进行三维建模程序代码的编写, 而相关的零部件的构造比较复杂, 需要进行大量的代码编写工作, 大大增加了开发人员的工作量, 而如果采用Soli Works系统中的宏功能, 能够有效地减少代码的编写量, 并且能够有效地提高代码的编写质量。

二是系统的开发过程中需要建立标准件库, 在纸箱印刷机的设计中, 会用到很多标准件, 并且这些标准件的尺寸都必须遵循国家的相关规定, 为了保证在进行参数化设计时, 所设计出来的标准件的规格都是符合国家的相关标准的, 可以在系统中建立起一个常用零部件的标准件库, 本次设计中建立标准件库采用Access来进行组建, 并且在该标准件库中输入了相关的国标值, 这样再进行纸箱印刷机零部件设计时, 就可以通过相关的造型函数在国标的基础上, 获得零部件实体的仿真模型, 成功实现了纸箱印刷机标准件的参数化设计。

三是有限元分析技术也是系统开发中需要用到的技术, 该技术模块的主要功能是通过有限元分析法, 对设计出来的零部件的应变计应力进行分析, 从而判断所设计出来的零部件的结构是否合理。

四是矩阵转化法在系统的装配功能中会进行零部件的装配, 在零部件的装配过程中, 进行一个零部件的装配首先要将其添加至装配环境中, 在添加的过程中, 如果该零件的原点正好与装配体的原点重合, 则零部件的装配空间与零件空间保持一致, 可以进行正常的装配仿真, 但是在实际的仿真工作中, 并不能很好地对新添加的零部件的位置进行很好的控制, 这就需要在装配环境下进行零部件的矩阵转换。

五是装配干涉检测, 在进行纸箱印刷机的装配时, 零部件中存在装配干涉是一种常见现象, 装配过程中需要对相关的干涉进行检测, 如果仅仅靠视觉进行检测, 是很难达到理想的检测效果的, 这时可以调用系统中的张培干涉检测功能, 能够对装配体中的各零部件的干涉进行很好的检测。

六是在机械设备的设制造过程中, 工程图是其中最重要的依据, 在工程图中需要包含注解、尺寸、辅助视图、方向视图等参数, 所涉及的数值比较繁琐, 这时使用工程图生成技术, 能够很好地完成各项参数内容的标注, 如调用put_ScaleDecimal函数能够实现视图比例的设置, 调用Auto Dimensionl函数能够实现视图尺寸的自动标注, 十分方便。

三、结语

本文通过基于Soli Works的二次开发技术, 设计了纸箱印刷机参数化设计系统, 并对该系统的结构、主要功能、涉及技术等进行了简单分析, 通过该系统能够方便地对纸箱印刷机进行参数化设计, 大大提升了设计效率, 并能够有效地提高设计质量, 该系统的设计对于其他行业的参数化设计系统的开发也具有一定的参考作用。

参考文献

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印刷机供墨系统设计 篇2

关键词：虚拟装配,仿真,印刷机,VRP

虚拟装配培训可以非常方便地解决现场教学中关于机械装配培训中的理论与实践问题, 是增强现场教学和扩大培训效果的有效手段。目前国内的印刷高校科研人员或者企业工程师们也在探索着通过建造“虚拟样机”, 真实地仿真其运动过程, 目的是虚拟装配系统发现新设计产品在装配中的问题, 并且可以迅速地分析比较多种设计方案, 测试并改进装配工艺规程, 直至达到最优化[1]。另外虚拟装配与培训的应用范围正在不断扩大, 这些逐渐发展成为一个新的应用领域, 开创了虚拟装配培训的新局面[2]。

目前我国的高校。在印刷机机械装配的仿真方面的研究正在探索阶段, 因此本文将就数码印刷机的外部装配过程为例, 以VR-Platform (Virtual Reality Platform, 简称VRP) 为主要的开发工具, 就装配流程系统的设计与实现上进行阐述。

1 基于VR-Platform的仿真交互平台

仿真交互平台的开发方面, 国内外主要使用的虚拟现实软件主要有Vega, Quest3D, Virtools, VRP, Converse3D等[3]。目前我国虚拟现实领域, 市场占有率最高的一款虚拟现实软件是VRP, 它是一款由中视典独立开发的一款虚拟现实软件, 所包含的平台如图1所示分为八个方面。该虚拟现实软件适用性强、操作简单、功能强大、高度可视化、所见即所得。

VRP可广泛的应用于城市规划、室内设计、工业仿真等方面, 其中工业仿真平台集工业逻辑仿真, 三维可视化虚拟表现, 虚拟外设交互等功能于一体。

VRP目前支持支持多种工业数据格式, 支持Maya Pro/E, Catia, Solidworks工业软件导入到VRP中进行编辑, 以及Dassalt系统的3D XML文件[4]。VRP全新的UCOS (即用户User、相机Camera、对象Object、场景Scene) 体系构架, 而且软件内部所有的技术原理和实现方法是透明的, 制作过程不需要程序员参与, 减少了二次开发的时间。

另外其虚拟装配系统可以实现自定义支持多种装配方法;支持实时调整设计装配方案;参数编辑与3D装配模型变化同步可视化;自定义虚拟装配仿真动画;支持宏观装配规划, 分步设计装配;可视化验证装配流程, 优化装配工艺[5]。

2 虚拟装配

虚拟装配结合了众多技术如可视化、仿真、决策理论、装配与制造过程和装配/制造开发等的综合, 这些技术的有机地协调统一, 促进了虚拟装配方面在我国工业界逐步走向成熟。虚拟装配技术是一种全新的装配工艺规划方法, 它可以在不利用物理模型的条件下, 对产品进行装配工艺规划并和装配过程仿真, 并能有效的将装配工艺规划过程与装配过程仿真结合起来, 为装配工艺设计人员提供一个可见、可触和逼真的虚拟装配环境, 该文中虚拟装配系统所包含的内容如图2所示[6]。

3 数码印刷机装配系统

3.1 虚拟装配平台制作流程

虚拟装配展示系统可以化为五个核心部分, 分别是印刷机外部构造的安装动画, 印刷机组件安装步骤, 外观展示, 零件列表和现实照片, 本实验以数码印刷机富士施乐Docu Color 5065, 该机器的虚拟装配仿真设计流程如下图3所示[7]。

3.2 3ds-Max模型的建立与优化

整个三维模型创建的目的是集机械设计、模具设计、组装过程设计等功能于一体;任意角度对模型进行镜像、旋转、缩放和平移等操作;内嵌高效渲染引擎;任意角度, 实时3D显示。

整个系统模型的实验与制作过程主要是通过建模软件3ds-Max实现, 首先将外部设备分成下图7个部分, 如图4所示, (1) 为输出接收盘部分, (2) 为装订部分, (3) 为底部纸柜部分, (4) 为侧方纸柜部分, (5) 为印刷成像部分, (6) 为图文扫描部分, (7) 为控制面板部分, 如图4所示为该机器的三维引用效果图, 各部分需要在建模软件3ds-Max中分步实现[7]。在VRP中, 主要是体现的是虚拟装配系统的如下特征, 如图5所示, 主要分成如下几个方面:

另外在模型建立和导入到VRP中得到的结论如下:

1) 在建模过程中需要删除看不见的线和面, 这样有利于减少模型在设备的占据容量, 加快后期运算速率, 模型的三角网格面尽量为等边三角形, 不要出现长条型8]。

2) 在表现细长条的物体时, 尽量不用模型而用贴图的方式表现, 重新制作简模比改精模的效率更高。

3) 模型的数量不要太多, 可以通过两种方法进行调整, 首先是调整物体贴图坐标, 即先给物体赋一张合适的贴图, 并独立调整好每个物体的贴图坐标, 方法二是通过Attach (合并) 命令精简模型个数, 即将模型转换成Edit Mesh, 然后通过将鼠标放在模型上右击, 选择Attach (合并) 命令, 最后通过鼠标单击其他相同材质的物体, 单击后的物体就被合并到了一起[8]。

4) 合理分布模型的密度, 相同材质的模型, 远距离的不要合并, 保持模型面与面之间的距离, 用面片表现复杂造型.

3.3 VRP交互实现与发布

3.3.1 刚体动画与相机切换

VRP支持3ds Max中的“路径动画”、“精确的参数关键帧动画”、“刚体动画”等机械拆装的过程都包含动画表现, 动画部分可以在3ds-Max中制作, 也可以在VRP中实现。该文的虚拟装配过程的动态过程就是在3ds-Max中以刚体动画的形式制作的。

VRP的脚本可进行场景的交互设置, 主要体现在多次使用变量, 切换不同步骤, 播放刚体动画和时间轴动画等方面。主要的制作步骤如图6所示:

3.3.2 主页面与脚本交互运用1) 初始化变量设置

在整个脚本的运行中, 需要对多个部分进行初始化的变量设置, 整个制作过程中, 需要进行的初始化脚本输入内容如下图7所示:

2) 安装按钮脚本

脚本输入内容如下图, 其中需要使用二次变量, 即二次单击事件, 如图8所示, 图中的参数中“1”表示显示, “0”表示隐藏, 下列代码的现实效果是单击一次显示【步骤一】与“ATX箭头”控件, 再次单击就将二者隐藏。

3) 拆装步骤脚本

由于整个动画过程中拆装步骤分成七个部分, 因此需要添加多次变量, 添加变量递增脚本, 实现多次单击事件, 具体内容如如图9所示, 其中的<1>, <36>, <50>为播放动画的具体的某一帧。其六个步骤, 以此类推, 继续添加脚本。

3.3.3 项目格式发布

最后, 在VRP中可以发布成两种格式, 编译独立执行Exe文件, 主要用于PC机端浏览使用, 还有就是输出为可发布的VRPIE文件, 可便于将各模块的内容, 发布整合在网站系统上, 方便学习者便捷, 快速的学习系统内容。最终的启动界面如图10所示:

4 结果与讨论

整个装配系统的设计与实现过程中, 主要体现的是设备操作, 组装流程, 设备外观, 组件识别等内容。整个装配系统中各个组件的建模是整个虚拟装配系统建立的基础, 整个系统在实现的过程中总结结论如下:

1) 模型在在导入VRP中, 材质类型可以是Advanced Lighting、Architecturd、Lightscape Mtl、Standard。需要给定基本贴图:Diffuse (漫反射) 通道上添加一张基本的纹理贴图, Diffuse (漫反射) 通道上没有添加纹理贴图的话, 也只能将该物体烘焙为Complete Map[8]。

2) 刚体动画的导入过程中需要特别注意:将制作好的刚体动画模型添加到一个ABC组中, 同时该ABC组命名为“VRP_rigid”。

3) 利用VRP中的Active X插件, 可以嵌入所有支持Active X的软件中, 通过多媒体软件进行包装, 成为多种元素为一体的多媒体应用程序。此文中VRP的场景文件可以不加修改, 直接嵌入IE, 通过插件实现Web 3D的功能。此外, 对于Director、Authoware等各种多媒体软件, VRP场景文件也可以嵌入。

另外, VRP种可基于脚本方式, 用户可以通过使用命令, 来实现对VRP系统最基本的控制。同时, 针对部分的使用者, VRP也可以提供SDK (C++源码级的) , 使用者可以在此该软件的基础上进行自己所需要的高效仿真软件[9], 此方面的研究还需进一步扩展。

总之, VRP与3ds-Max无缝集成, 通过3ds-Max建模与VRP的交互制作, 可以达到预期的展示效果, , 对今后印刷机虚拟装配方面, 和其操作系统设计与仿真的完善方面, 将会奠定一定的基础。

参考文献

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印刷机供墨系统设计 篇3

印刷生产过程中,印刷的原辅材料种类繁多,影响印刷质量的因素很多,其中,环境温湿度是造成印刷指令不稳定的关键因素之一。经过实践经验的总结,一般要求印刷车间在印刷生产过程中,温度控制在(23±5)℃,相对湿度保持在60%~70%RH之间。即便有先进的印刷设备和印刷工艺,也不能提高产品质量,不能高效率地完成印刷生产任务。印刷车间环境温湿度的稳定控制是提高印刷产品质量和生产效率的前提和基础[1]。针对这一情况,采用先进的数字传感技术,结合微电子技术和单片机技术研制了一种高精度、高稳定性、低成本且实用的分布式恒温恒湿智能控制系统。

2 系统组成及工作原理

分布式恒温恒湿智能控制系统由上位PC机、CAN总线接口通信适配卡和多个温湿度检测单元组成。检测单元的位置及数量根据检测环境而定。其中,温湿度检测电路及CAN总线通讯接口电路为本系统设计的重点。本系统采用CAN总线作为通信网络,将各检测单元与上位PC机连接成分布式控制系统。完成对环境温湿度的实时检测,对采集数据进行处理分析,并按照要求实时控制各温湿度调节设备。上位机采用普通PC机,使用USB网络适配器,使上位机具有USB通信功能。系统结构原理如图1所示。

系统以AT89C52单片机为各检测现场终端监控设备核心控制器,组成分布式多点温湿度控制系统,利用较少的外围器件实现了对温湿度的自动控制。上位PC机通过CAN适配卡与CAN总线相连,进行信息交换,负责对整个系统进行监视管理,检测现场终端监控设备通过CAN总线接收上位PC机操作控制命令并完成参数设定;实时采集各检测现场温、湿度值,驱动空调、风机等设备的开关,从而达到依据环境,实时对印刷车间温湿度的控制。

上位机通过对接收到的数据进行计算,得到一个精确的控制量,传送给现场监控设备控制器执行相应操作,控制现场恒温恒湿设备的启停,从而保证印刷车间环境温湿度始终保持在合适的范围内。

3 硬件电路设计

3.1 温度检测电路

DS18B20是美国Dallas半导体公司利用单总线协议生产的一款数字温度传感器。单总线技术是美国Dallas半导体公司近年来推出的新技术。它将地址线、数据线、控制线合为一根信号线(1-wire),每个DS18B20都有自己唯一的序列号,允许在这根信号线上挂接多个单总线器件。其测温范围为-55~+125℃,在-10~+85℃时精度为±0.5℃,测量温度值可由用户选择设定用9~12位表示,DS18B20的转换分辨率均可由用户设定[2]。温度转换所需时间较短,最大转换时间为750ms,可设定温度超标报警上、下限值,当温度超限时发送报警信号。本设计中由于需要远距离不同位置设置温度传感器,故采用外部电源供电方式实现。温度检测电路原理如图2所示。

AT89C52的P1.0控制采集一组DS18B20的数值。也可通过其它P1口实现多组数据的采

集。另外,为减小总线分布电容的影响,单总线电缆选用带屏蔽双绞线电缆。

3.2 湿度检测电路

HS1101湿度传感器是法国HUMIREL公司生产的一种基于电容原理的湿度传感器,相对湿度的变化和电容值呈线性规律。在自动测试系统中,电容值随着空气湿度的变化而变化,因此将电容值的变化转换成电压或频率的变化,才能进行有效的数据采集。本系统用集成电路组成振荡电路,湿度传感器充当振荡电容,从而完成湿度到频率的转换。其测温范围在0%~100%RH,电容量从162~200pF,其误差不大于±2%RH,响应时间小于5s,温度系数为0.04pF/℃。工作温度范围为-40~100℃,且湿度输出受温度影响极小(温度系数仅为0.04pF/℃),常温下使用无需温度补偿, 无需校准,测量精度较高[3]。单点湿度检测电路原理图如图3所示。

湿度信号采集控制电路采用555定时器及单总线A/D转换器DS2450及外围电路实现。根据555工作时输出的频率特性,其输出脉冲频率及输出测量脉冲宽度为[4]

f=1.03627/[2(RT+Rx)Cx]

τ=0.965(RT+Rx)Cx

式中:f为从3端口输出的脉冲频率;τ为输出待测脉冲的宽度;RT为电阻器输出电阻;Rx为精密可调电阻。

图3中,HS1101作为电容变量,湿度的变化将引起电容的变化,电容的变化又引起振荡频率的变化,1-wire器件DS2423对振荡频率进行测量,单片机通过1-wire网络测量出振荡频率,再换算成湿度的值。BAT54S中的一个肖特基二极管和输入电容提供本地电源,另一个肖特基二极管跨接在DATA和GND之间,限制数据端偏移在约-0.4V以内,提供电路反向保护[5]。单DS2423有一个内部上拉电阻,以免输入处于浮置状态,高电阻值不易收到噪声的干扰。

3.3CAN总线节点接口电路

CAN总线是德国Bosch公司20世纪80年代初为解决现代汽车中众多的控制与检测仪器之间数据交换而开发的一种串行通讯网络,属于现场总线的范畴。CAN总线的通讯介质可采用双绞线,同轴电缆和光导纤维。通讯距离与波特率有关,最大通讯距离可达10 km,最大通讯波特率可达1 Mb/s。CAN总线仲裁采用11位标识和非破坏性位仲裁总线结构机制,可以确定数据块的优先级,保证在网络节点冲突时最高优先级节点不需要冲突等待。CAN总线采用了多主竞争式总线结构,具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次,因此可在各节点之间实现自由通信。CAN总线协议已被国际标准化组织认证,技术比较成熟,控制的芯片已经商品化,性价比高,特别适用于分布式测控系统之间的数据通讯[6]。

本系统选取PHILIPS公司生产的CAN总线控制器SJA1000以及CAN总线收发器PCA82C250,考虑SJA1000是一种独立的CAN总线控制器,同时支持CAN2.0A和CAN2.0B协议,通信速率可达1Mb/s,能够完成通讯协议的所有要求。PCA82C250是CAN控制器与物力总线间的接口。为增强CAN总线节点抗干扰能力,在SJA1000与PCA82C250之间通过光电隔离芯片6N137连接。使各终端设备检测节点的稳定性和安全性得到充分提高。CAN总线节点接口电路如图4所示。

PCA82C250的CANH和CANL引脚各自通过5Ω电阻与CAN总线相连,保护PCA82C250免受过流的冲击。CANH和CANL与地之间并联30pF电容,起到滤除总线高频干扰和防电磁辐射的作用。在总线接入端与地之间分别反接了保护二极管,当总线有较高的负电压时,通过二极管短路起到保护PCA82C250瞬间高压情况下受损的危险[7]。

3.4USB总线接口电路

USBCAN总线适配器简单来说就是USB总线与CAN总线之间起桥梁作用的模块,模块的一端接监控计算机的USB接口,另一端接CAN总线网络。由于USB协议较复杂,用USB控制器芯片可避免上述麻烦,USB1.1接口的最高传输速率可达12Mb/s,完全满足CAN总线传输波特率的范围要求。因此,本系统选择USB1.1标准,整个USBCAN模块由USB控制器、单片机、CAN控制器、光电隔离、CAN总线收发器等组成。CAN总线模块与检测终端装置相似,这里不做更多介绍。仅对USB总线接口电路进行设计分析。

PDIUSBD12是PHILIPS公司生产的一款性价比很高的USB器件,在微控制器系统中,可实现高速并行数据通信,并且支持本地DMA传输。本系统设计选用PDIUSBD12芯片进行USB接口设计[8]。PDIUSBD12与AT89C52接口有两种方式:多路地址/数据总线方式、单地址/数据总线方式。本系统采用第一种方式,使用AT89C52的INT0,ALE,WR,RD和P0口,PDIUSBD12在ALE下降沿时对单片机控制器输出地址进行锁存。在这种方式中AT89C52使用MOVX指令就可对PDIUSBD12进行数据操作,若输出地址为奇数,则表示对PDIUSBD12发送指令;输出地址为偶数,则表示对PDIUSBD12进行数据传输。USB总线接口电路如图5所示。

3.5 抗干扰设计

系统抗干扰性能的好坏直接影响到整个系统工作的可靠性与安全性。因此,抗干扰设计是系统设计的一个主要内容,本系统采用的是由硬件和软件相结合的抗干扰措施。程序跑飞等情况,使用看门狗将程序拉回到复位状态。系统选用美国IMP公司生产的芯片IMP813L设计看门狗电路。系统上电后,IMP813L能自动产生脉宽为200ms的复位脉冲信号,使系统复位,也可通过手动使系统复位。另外,将电源端加入滤波器,以减小瞬变噪声干扰;在直流电源线和地线之间接滤波电容,以抑制电源噪声。在印刷电路板的各个集成电路电源端与接地端间接去耦电容。使用低电阻材料作为屏蔽材料,把需要隔离的部分屏蔽起来。

I/O通道上采用光电隔离器,将单片机系统与各种传感器、开关从电器上隔离开来。如厂房恒温恒湿自动调节设备驱动电路。此外,在软件抗干扰设计方面,采用数字滤波技术除去输入信号中所掺杂的各种随机干扰。

4 软件设计

系统软件主要包括CAN总线USB接口适配器软件,CAN总线通信软件,终端装置节点数据采集与处理软件等。本系统采用模块化设计,使得模块之间相互连接、组合灵活方便。下面主要对USB总线通信软件及智能节点软件进行简单介绍。

4.1USB通信软件

USB通信软件主要包括PDIUSBD12硬件驱动层、USB接口控制驱动层、USB协议层和USB应用层软件设计。PDIUSBD12硬件驱动层主要任务是PDIUSBD12与AT89C52连接的初始化、PDIUSBD12复位, PDIUSBD12与AT89C52的通信函数。USB接口控制驱动层软件主要完成PDIUSBD12地址使能、端点数据读取、写入数据、设置DMA等。通过调用PDIUSBD12硬件驱动层的发送命令、数据函数以及读取数据函数来实现, 并提供给USB协议层和USB应用层使用。USB协议层软件主要是处理标准的USB设备请求以及特殊的厂商请求。上位PC机通过标准USB设备请求,设定和获取USB设备的有关信息,完成USB设备的枚举。所有的请求都是通过PDIUSBD12的端点0接收和发送SETUP包来完成。USB应用层软件用于调用PDIUSBD12硬件驱动层、USB接口控制驱动层和USB协议层中的函数,完成USB设备端通信软件的主要功能[9]。

4.2 智能节点软件

检测终端节点软件由初始化、数据发送和数据接收3部分组成。主要完成温湿度传感器的数据采样与处理,当上位PC机请求数据时将检测点所在区域温湿度数据和CAN节点状态等数据传送给上位PC机。数据发送和数据接收采用中断方式进行,大大提高了程序运行效率。

5 实验与总结

为检验系统的准确性和可靠性,对系统测量精度进行验证。将测试仪与系统测温测湿装置置于同一被测环境,同时取值。将车间温度控制在(23±5)℃,相对湿度保持在60%~70%RH之间。测试温度及相对湿度数据及检测精度如表1所示。通过数据计算得出温湿度检测精度。可以看出温度检测误差不高于0.5℃;湿度检测误差不大于4%。较好地实现了印刷车间温湿度实时监控及恒温恒湿。

分布式恒温恒湿智能控制系统利用1-wire技术组成单总线数字式温湿度测试网络,利用CAN总线完成了各测试装置与上位PC机之间的数据传输与控制。本系统是集监视、控制与管理功能于一体的印刷环境智能化监控设备,具有成本低、测量精确、控制灵活,实时显示和现场总线信息传输等特点。通过程序管理实现印刷车间的抽风机、空调等设备的自动控制,实现对印刷车间温湿度的智能调节和语音报警,从而实现印刷环境智能化控制和科学管理,达到印刷产品高质量、高效率的现代化要求。由于采用模块化设计方式,系统便于移植与扩展到其他检测领域。

参考文献

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印刷机供墨系统设计 篇4

伴随近数十年的技术突破, LED光源因其节能、环保和寿命长等优势而发展迅速, 被公认为是最具发展前景的绿色节能照明光源。但由于LED芯片发光效率较低, 大部分的输入功率都以热量的形式散发出来, 导致芯片结温升高, 从而引发一系列问题, 如寿命大幅缩短, 光衰严重等, 如何能高效散热已成为大功率LED一个亟待解决的问题。

UV-LED光源随着LED的技术进步而迅速发展。UV-LED印刷灯是利用光固化原理干燥油墨的一种印刷灯, 具有体积小, 成本低, 寿命长, 节能环保, 瞬间开关, 低温运作, 无须保养维修等优势。但UV-LED印刷灯也同样面临着发光效率低, 大量的输入功率转化成热量, 导致结温升高的问题, 加之实际应用中UV-LED印刷灯的散热要求苛刻, 因此, 设计效率较高的散热系统, 不仅是大功率UV-LED印刷灯系统设计的关键, 而且对散热系统理论研究及工程实践应用具有较高的价值。

目前, 国内外研究人员对大功率LED散热系统设计的研究相对较少。鲁祥友等[1,2,3]提出了一种新型结构的回路热管, 建立了回路热管导热性能的测试实验装置。实验结果证明这种回路热管散热器温度分布均匀, 热阻较小, 可较快地降低大功率LED的结温。Sano等[4]报道了一个具有优秀散热能力的超亮度LED散热模块, 该模块采用导热能力出色的铝作为散热基板, 取得了较好的散热效果。Acikalin等[5]采用小型压电风扇强迫风冷的冷却方法降低LED的工作温度, 实验结果表明该冷却方法能将LED温度下降37.4℃, 证明了压电风扇是一个具有较好竞争力的LED热管理方法。

传统的对流散热方式难以满足大功率UV-LED印刷灯的热设计要求, 本文设计出一种热管加风冷翅片的散热方案, 通过仿真模拟和实验测试, 对比分析了模拟和实验下的芯片结温值和热沉到环境热阻值等结果, 满足散热系统设计要求, 对大功率UV-LED印刷灯强制对流散热系统的实际应用具有一定的指导意义。

1 方案设计

1.1 传热过程分析

图1为UV-LED灯芯片与基板及散热器的结构示意图。为了增大出光功率, 基板上一般封装多颗裸芯片, 采用阵列式分布, 因芯片向上传导的热阻较大, 故芯片向上近似为绝热。UV-LED灯芯片PN结到环境的热阻网络如图2所示, 为简化计算, 各单颗裸芯片的结温统一用Tj表示:

根据传热方程式:

由于Rj1、Rj2……Rjn是并联热阻, 故

故结温

其中, Φ为芯片的散热总功率, Rj1、Rj2……Rjn为单颗芯片的内热阻, R2为上铜层的热阻, R3为氮化铝基板的热阻, R4为下铜层的热阻, R5为导热胶的热阻, R6为散热器的热阻。

由传热方程可知, 在芯片散热总功率Φ和环境温度Ta一定的条件下, 芯片结温Tj与R总呈正比关系, R总增大, Tj也随之增大。通常, 芯片内热阻为定值, 相比其它热阻, 散热器的热阻是影响芯片结温Tj的关键因素。因此, 降低散热器的热阻, 可使芯片最高结温也随之降低, 保持在合理范围内, 从而满足设计的要求。

1.2 方案模型设计

UV-LED印刷灯是利用光固化原理, 通过光化学反应干燥油墨的, 其紫外光出功率密度越大, 固化深度和速度也随之增加, 因而印刷效果也越好。

本文选用的大功率UV-LED印刷灯, 其设计要求主要包含以下几点:1.芯片结温控制在110℃以下[6,7,8];2.保证出光窗口足够出光功率;3.灯具整体尺寸不能很大;4.控制产品成本。

该大功率UV-LED芯片采用阵列式分布, 共120颗, 每颗芯片功率最大为3W, 在工作过程中, 芯片发光效率为1/3, 所以每颗发热功率最大为2 W, 总的发热功率为240W。

在基板尺寸较小的情况下, 封装120颗芯片, 如此高密度的排布, 导致单位面积上的热流密度升高很快, 若未能进行有效散热措施, 芯片的结温会迅速升高, 严重影响其工作性能和寿命。传统的自然对流, 采用单一散热方式, 结构简单, 成本较低, 可靠性较高, 比较适合功率不大的散热系统, 但其热阻偏大, UV-LED阵列分布产生的热量易在局部聚集生成“热点”, 使芯片结温升高, 难以满足散热要求。因此, 大功率UV-LED印刷灯散热系统越来越多的采用强制对流散热方式, 例如风冷翅片的散热方式, 取得了较好的散热效果。

热管是一种高效导热器件, 具有较好的传热和等温性能, 其充分利用了液体的蒸发与凝结来传递热量。热传导原理与致冷介质的快速热传递性质使热管具备了超高的导热能力, 其导热系数远远超过已知的任何金属。所以, 将热管散热方式应用在大功率UV-LED印刷灯散热系统中, 可有效降低传热过程热阻, 消除“热点”, 降低芯片结温, 保持散热面温度均匀[9,10]。

因此, 本文针对大功率UV-LED印刷灯散热系统的设计要求, 在传统风冷翅片的基础上, 结合实际应用, 设计出热管加风冷翅片的散热方案, 其结构如图3所示。

此散热系统安装在一矩形外壳中, 翅片采用紫铜, 两只轴流风扇光源对面侧进风, 外壳上靠近光源面的四个侧面上配有出风口, 热管沿基板长边等间距布置成两组, 其中一端焊接在铜板上, 另一端以不同高度穿铜翅片而出。

2 仿真模拟与结果分析

2.1 仿真模拟

利用热分析软件, 设置求解器、计算模型、材料属性、边界条件等参数, 对散热模型进行仿真模拟计算。为监测分析最高结温及基板温度分布的均匀性, 需在基板上芯片表面选取若干监测点。本文在芯片表面不同位置分别设置了5个温度监测点, 如图4所示。

2.2 结果分析

经过模拟计算, 得到芯片表面监测点温度, 如表1所示。热沉温度为63.3℃, 环境温度35.0℃。由表1可知, 各个芯片结温在110℃以下, 且有较大余量, 因此该模型散热性能较好, 满足结温要求。另外, 根据表1, 从热沉到环境的热阻, 热阻较小。

对计算结果进行后处理, 得到温度梯度分布云图及流场分布图, 如图5和图6所示。由图5和图6可知, 热量大部集中在基板部分, 中心区域芯片温度略高于边缘区域芯片温度, 翅片与基板间的温差较小, 整个温度分布较为均匀, 散热模型的导热性能良好;由模拟流场分布图可知, 整个空气流动较为顺畅, 内部热气流能及时散发, 不影响整体散热效果。

3 实验测试与结果分析

3.1 实验测试

热测试是散热系统设计后期的一个重要工作, 通过实测温度分布等参数, 与热分析软件仿真结果进行对比, 两者互为验证, 使热分析数据更为准确, 热性能评估更为全面。

图7是实验样品散热模组整体图。热管与铜板间采用焊接的连接方式。芯片基板与铜板间采用相变导热垫片连接。为了增大界面间压力, 减少界面间空气隙, 降低接触热阻, 基板采用螺栓压紧。环境温度为17.2℃, 风扇电流I为0.4A, 电压U为12.7V。采用Agilent34970A温度采集仪和6根直径为0.1mm的铜-康铜热电偶, 实时读取所测温度数值并监控各点温度变化趋势。温度采集仪有20通道多路转换器模块, 最高扫描率250通道/秒, 设定每组的采集间隔为10s。6根热电偶分别固定在6个测温部位:芯片Tj1、芯片Tj2、氮化铝表面T3、热沉铜板表面T4、散热翅片表面T5、热管表面T6。芯片表面测试温度点分布如图8所示。为了更直观地观察散热模组的温度分布, 采用FlukeTi20红外热像仪拍摄不同输入功率下模组温度稳定时的温度分布图。

3.2 结果分析

通过调节电源输入, 控制芯片功率, 进行7组不同功率下的实验测试。假设芯片发热效率为85%, 测试结果如表2所示。

由表2可知,

1) 第一组和第二组实验, 即当输入功率为133.6 W和170.3W时, 氮化铝表面温度比铜板表面温度低, 且差值较大, 这是由于相变导热垫片的相变融化温度为55℃, 此时输入功率不大, 相变导热垫片温度较低, 尚未达到其相变温度, 没有完全融化, 其导热性能未能得到充分发挥, 此时实验尚未达到稳定状态。

随之功率的增加, 当输入功率为211.0W时, 氮化铝表面温度即开始高于热沉铜板表面温度, 当输入功率达到292.6W后, 两者温差维持在1.7℃—1.8℃左右, 即从第三组实验开始, 实验达到稳定状态, 经计算, 热沉热阻值在0.151K/W至0.157K/W之间, 比仿真模拟结果0.118K/W略大, 在允许误差范围内。

2) 由于实验中采用调节电源控制输入功率, 芯片发热效率为85%, 加之一些不确定因素, 因此很难将芯片的发热功率精确控制在240W (与仿真模拟中的功率相同) 。为了更好地将实验结果与仿真模拟进行对照, 从第三组实验 (稳定状态) 开始, 根据各组实验中得到的功率和温度值, 推出当发热功率为240W时的芯片和铜板 (热沉) 的温度值, 与仿真模拟值相比有所增大, 考虑到误差等因素, 满足散热系统的设计要求。

另外, 通过观察红外热像仪拍摄的散热模组温度分布图, 可知整个散热面温度分布较为均匀, 与温度采集仪所测温度的变化趋势吻合, 与仿真模拟结果是保持一致的。

综上, 通过对散热模组进行多组的实验测试, 分析温度分布和热阻等相关实验结果, 并与仿真模拟进行对比, 得出实验测试与仿真模拟有较好的一致性, 实验测试较为准确可行, 可见该热管加风冷翅片的散热方案满足大功率UV-LED印刷灯散热系统的设计要求。

4 结论

针对大功率UV-LED印刷灯散热系统的设计要求, 本文设计了热管加风冷翅片的散热方案, 并分别进行了仿真模拟和实验测试研究, 结论如下:

1) 热管加风冷翅片的散热模型具有较好的散热性能和等温性能, 有效满足大功率UV-LED印刷灯散热系统的设计要求。

2) 散热模型的仿真模拟和实验测试结果具有较好的一致性, 该方案对大功率UV-LED印刷灯强制对流散热系统的实际应用具有一定的指导意义。

参考文献

[1]鲁祥友, 华泽钊, 刘美静等.基于热管散热的大功率LED热特性测量与分析[J].光电子·激光, 2009, 20 (1) :5-8.

[2]鲁祥友, 程远霞, 刘美静等.用于大功率LED冷却的热管散热器的实验研究[J].半导体光电, 2008, 29 (5) :651-654.

[3]刘美静, 鲁祥友, 华泽钊.冷却照明用大功率LED的回路热管的测试[J].制冷学报, 2008, 29 (5) :39-43.

[4]Sano S, Murata.H, Hattori.K.Development of flat Panel LED module with heat sink[J].Mitsubishi Cablehid.Rev, 1993, (86) :112-118.

[5]Acikalin, Garimella S V, Petroski J, et al.Optimal design of miniature Piezoeleetric fans for cooling light emitting diodes[C].The Ninth Intersociety Conference on Thermal and Thermo mechanical Phenomena in Electronic Systems, Nevada, USA, 2004:663-671.

[6]Petroski J.Thermal challenges facing new generation light emitting diodes (LEDs) for lighting applications[J].Proc.SPIE, 2002, 4776:215-222.

[7]钱可元, 胡飞, 吴慧颖等.大功率白光LED封装技术的研究[J].半导体光电, 2005, 26 (2) :118-120.

[8]Arik M, Petroski J, Weaver S.Thermal challenges in the future generation solid state lighting applications:Light emitting diodes[C].Proceeding of IEEE Inter Society Conference on Thermal Phenomena, California, USA, 2002:113-120.

[9]Grove G M, Cotter T P, Erikson G F.Structure of very high thermal conductance[J].Applied Physics, 1964, 35 (6) :1990-1991.

印刷机供墨系统设计 篇5

1 红外热成像检测电路的原理

一般物体的红外辐射功率与物体表面热力学温度的4次方成正比,与物体表面的辐射率成正比。根据斯蒂芬-波尔兹曼定律,灰体辐射能量的计算公式为E=εσT,其式中ε为物体表面辐射率,σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数,T为物体的绝对温度。由焦耳-楞次定律可知,当有电流流动时,电路中的耗能元器件将会产生一定的热量[1]。由以上两个定律可知,当热量与外界环境进行交换时,电路板中元器件将会具有一定的工作温度。

在硬件方面,一般的电路故障是电路以及元器件的故障,又可分为短路和开路以及接触不良故障。所谓的元器件故障主要是指一下三种情况:早期失效、相关事件导致的故障以及损耗报废。之所以元器件工作时的温度可以有效重复的反映他们的状态,是因为电路以及元器件的热特性和电流流动相关,电子电路的内部激励和电流流动有关,而且电流的流动会产生热量。热和元器件的大部分故障都有所联系,如果元器件不能正常工作的话,一般存在以下两种情况:当元器件过热时,因为元器件的过度发热可以导致故障,同时故障也会使元器件过度发热;当元器件不发热时,因为正常情况下元器件是会散发热量的,说明此时元器件存在故障导致无法发热,例如出现开路现象。

2 系统组成

红外热成像印刷电路板故障系统的检测如图1所示[2],

红外热成像检测技术与以往的检测有了很大的不同,它采用了各种加热技术来对被检测物进行控制,然后观测电路板表面的温度变化以及对产生的结果进行存储分析,从而得到被检测电路板的检测结果。在电路板正常工作时,激励源对待测电路板进行激励,将使待测电路板将产生一定的红外辐射。而当电路板异常工作时,将产生其他的红外辐射。红外热像仪对电路板元器件进行全面扫描,就会将电路板的图像信息和数据传送到计算机,利用计算机软件对被测电路板的异常与正常工作时所产生的差异进行分析。

红外热像仪是整个系统的核心,其性能直接关系到分析结果和故障检测的准确率,先进的红外热像仪可以更敏锐的捕捉到待测电路板产生的红外辐射,使计算机更精确的对故障部位进行判别,从而诊断出电路板的故障部位。

待测电路板在通电稳定后,各个元器件就会向外界环境发射热量,产生红外辐射,然后被红外热像仪吸收,传输到计算机中进行分析处理,最后以图像的方式显示出来。对故障进行定位的工作由主控计算机来进行完成,其中包括三个环节[3],热源辨识、特征提取以及热模式识别。红外热像仪采集到的热像图像信息很庞大,难以直接进行故障诊断,为此需要将该信息进行相关转换,即由像素空间转移到器件空间,将印刷电路板上的热像信息转换为电路板上的各元器件的温度估值序列。确定各个元件的温度信息的估计区域是实现这种转换的关键,即热源辨识。在进行特征提取之前,由于受周围环境、电路板元件间的热传递以及元件表面辐射率的影响,我们需要对采集到的信息做一些矫正工作,以减小对真实值的影响,从而进一步提炼相关信息,抽选出稳定、合理的特征参量,以作为热模式识别的依据。在特征空间中,电路板中的每一类故障在特征空间里都是以一定的规律分布,根据电路板热像对故障进行判断时,与正常时的电路热像进行比对,从而进行故障定位,找到温差最严重的元件,一般情况下,该元件就是故障部位。如果不是的话,则需要相关专业工作人员来进行判断故障。目前有很多的人工智能技术来对故障部位进行红外热像诊断。

3 关键技术的处理

红外摄像头只接收红外辐射通量,通常被测对象的表面辐射率以及粗糙度等表面状况以及绝对温度决定红外辐射通量的大小。同时借助于人工黑体也能够对被测元件的表面温度进行精准的测量。但是我们都知道温度场总是在一种不稳定的状态,瞬间温度测量是一项很困的工作,之所以这样是电路板上面的器件非常密集,元件之间具有很大的“热干扰”,随着不断的加电,电路板的总题温度不断上升,热平衡难以实现。根据实践,一般的环境温度是有空调来控制的,但是电路板空置时的局部环境温度和环境温度是存在差异的,所以最合适的特征值是“温差”,但并以环境温度为基准。

4 结束语

文中对印刷电路板故障检测的组成系统进行了介绍,并对在设计过程中所遇到的技术难题进行了相关分析。该检测系统对大尺寸的电路板进行热像拍摄,并与原来的标准库中的数据进行比对,比对系统将会对热量的变化进行比对,并自动生成相关的检测报告。该检测系统能够将元器件的的温度变化的故障准确的检测出来,为红外电路板故障检测技术的进一步发展奠定了基础。