壁紙機(jī)預(yù)套準(zhǔn)系統(tǒng)研究

田玉周，張 巖，張 征

（西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048）

隨著印刷機(jī)技術(shù)水平的提高，現(xiàn)代印刷機(jī)正向著高質(zhì)量，高精度，高速度，高自動(dòng)化方向發(fā)展。在這個(gè)過(guò)程中印刷機(jī)的自動(dòng)套準(zhǔn)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用對(duì)于提高印刷質(zhì)量和印刷的自動(dòng)化水平發(fā)揮了重要作用。作為自動(dòng)套準(zhǔn)前提的預(yù)套準(zhǔn)技術(shù)，它的分析研究也顯的尤為重要。預(yù)套準(zhǔn)是印刷機(jī)自動(dòng)套準(zhǔn)前的一項(xiàng)重要操作技術(shù)，通過(guò)預(yù)套準(zhǔn)技術(shù)可以節(jié)約大量的套準(zhǔn)準(zhǔn)備時(shí)間，而且能夠大大降低套印調(diào)整時(shí)的材料浪費(fèi)。

1 預(yù)套準(zhǔn)原理

預(yù)套準(zhǔn)的主要功能就是在開(kāi)車(chē)時(shí)能實(shí)現(xiàn)快速的對(duì)版功能，在電子軸控制系統(tǒng)中，圓網(wǎng)印刷機(jī)每個(gè)色組單元都是采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在每個(gè)單元的印刷版棍上都要有一個(gè)“零位”標(biāo)志。但是“零點(diǎn)”在機(jī)械裝配的時(shí)候是隨機(jī)的，所以開(kāi)始印刷前，每個(gè)色組單元的版棍要通過(guò)伺服電機(jī)控制精確的恢復(fù)到“零位”位置，然后根據(jù)單元之間的紙路長(zhǎng)度計(jì)算出每個(gè)版棍預(yù)套準(zhǔn)時(shí)需要走到角位移大小，每個(gè)色組單元的控制伺服電機(jī)根據(jù)各自對(duì)應(yīng)的角位移在繼續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)預(yù)套準(zhǔn)，然后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為套準(zhǔn)模式?？梢源蟠筇岣咛诇?zhǔn)技術(shù)精度。

2 主要硬件組成

2.1 接近開(kāi)關(guān)

預(yù)套準(zhǔn)中對(duì)于“零位”標(biāo)志的獲取，一般是在每個(gè)色組單元的版棍旁邊安裝一個(gè)傳感器即接近開(kāi)關(guān)，接近開(kāi)關(guān)實(shí)質(zhì)上是一種位移-數(shù)字開(kāi)關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)換器。它將檢測(cè)體的微小位移轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的開(kāi)關(guān)數(shù)字信號(hào)，從而起到“開(kāi)”和“關(guān)”的控制作用[1]。當(dāng)被測(cè)體沿移動(dòng)方向移動(dòng)的時(shí)候，會(huì)引起接近開(kāi)關(guān)的輸出呈高低電平變化形成脈沖信號(hào)。這里用到的是磁性接近開(kāi)關(guān)，它能以細(xì)小的開(kāi)關(guān)體積達(dá)到最大的檢測(cè)距離。將接近開(kāi)關(guān)固定，當(dāng)磁鋼接近磁性接近開(kāi)關(guān)時(shí)，接近開(kāi)關(guān)內(nèi)與之相配套的電路狀態(tài)隨之發(fā)生變化，輸出電壓也發(fā)生變化，由此識(shí)別出附近有磁性物體存在，元件輸出信號(hào)經(jīng)處理后輸出脈沖信號(hào)，成為開(kāi)關(guān)動(dòng)作信號(hào)，使之呈現(xiàn)開(kāi)關(guān)特性[2]。

圖1 接近開(kāi)關(guān)的工作原理Fig.1 Working principle of the proximity switch

2.2 DSP和FPGA

在信號(hào)分析和處理的過(guò)程中，主要用到FPGA和DSP，其中FPGA主要用于信號(hào)的采集，，DSP作為執(zhí)行芯片，主要是對(duì)信號(hào)的分析處理以及向伺服電機(jī)發(fā)出控制信號(hào)。TMS320F2812[3]是TI公司推出的新一代32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，具有很高的性?xún)r(jià)比，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制，特別是應(yīng)用于處理速度、處理精度方面要求較高的領(lǐng)域，在電子控制領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，該DSP芯片25 ns的指令周期，配合高性能的PWM輸出電路，采用先進(jìn)的控制理論，使系統(tǒng)能夠達(dá)到快速的預(yù)套準(zhǔn)；FPGA是ALTERA公司的大規(guī)?？删幊踢壿嬯嚵蠩P1CT100C8，該芯片的測(cè)量信號(hào)從輸入到輸出可以達(dá)到10 ns[4]，完全保證了預(yù)套準(zhǔn)的需求。FPGA硬件拓?fù)鋱D如下圖2所示。

圖2 FPGA硬件圖譜圖Fig.2 Structure diagram of FPGA

3 預(yù)套準(zhǔn)模塊軟件設(shè)計(jì)

預(yù)套準(zhǔn)模塊軟件流程如下：紙路的長(zhǎng)度與版輥的周長(zhǎng)是在事先設(shè)置的，上位機(jī)通過(guò)通信將所需的數(shù)據(jù)傳遞給FPGA，接下來(lái)會(huì)判斷零位信號(hào)是否來(lái)臨，如果零位信號(hào)到來(lái)，F(xiàn)PGA把事先計(jì)算計(jì)算好的脈沖個(gè)數(shù)發(fā)送給DSP，有其控制伺服驅(qū)動(dòng)器完成相位調(diào)整，完成預(yù)套準(zhǔn)，初始預(yù)套準(zhǔn)對(duì)版后的精度一般，預(yù)套準(zhǔn)完成后，就進(jìn)入套準(zhǔn)階段。預(yù)套準(zhǔn)的軟件流程如圖3所示。

4 預(yù)套準(zhǔn)過(guò)程

4.1 接近開(kāi)關(guān)零位信號(hào)的采集

圓網(wǎng)印刷機(jī)在制作色組單元版棍時(shí)，在“零位”位置上嵌入一個(gè)磁鋼，當(dāng)接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)到網(wǎng)頭內(nèi)置的磁鋼后，它就會(huì)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，我們把這個(gè)信號(hào)叫做零位Z1脈沖信號(hào)，而且印版每轉(zhuǎn)一周，就會(huì)有一個(gè)Z1脈沖信號(hào)。接近開(kāi)關(guān)有兩線制和三線制之區(qū)別，三線制接近開(kāi)關(guān)分為NPN型和PNP型，兩種類(lèi)型的接線是不同的。三線制接近開(kāi)關(guān)的接線：一端接電源正端；一端接電源0 V；一端接負(fù)載作為信號(hào)輸出端。而負(fù)載的另一端是這樣接的：如果是NPN型，接到電源正端；而PNP型接近開(kāi)關(guān)接到電源的0 V端。

圖3 軟件設(shè)計(jì)的流程圖Fig.3 Flow chart the software design

原理如圖4所示。接近開(kāi)關(guān)輸出的Z1脈沖信號(hào)需要進(jìn)行光電隔離，此處使用的光電耦合器是TLP521。由于考慮到Z1脈沖信號(hào)是個(gè)頻率相對(duì)較小的信號(hào)，所以采用TLP521光電耦合器。

圖4 接近開(kāi)關(guān)零位信號(hào)采集Fig.4 Collecting the zero signal of the proximity switch

4.2 信號(hào)的傳輸

這個(gè)信號(hào)會(huì)傳給FPGA.由于接近開(kāi)關(guān)的輸出信號(hào)需要進(jìn)行長(zhǎng)線傳輸，并且現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾較多，所以接近開(kāi)關(guān)信號(hào)采用差分長(zhǎng)線傳輸[5]。

圖5 接近開(kāi)關(guān)信號(hào)差分傳輸Fig.5 Differential transmission of the proximity switch signal

圖5是接近開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)差分傳輸電路圖，如圖所示芯片內(nèi)總共采集8路差分信號(hào)，其中兩路采集接近開(kāi)關(guān)信號(hào)Z1脈沖，其余采集編碼器信號(hào)。AM26LS32是差分信號(hào)的四線接收器，8路差分信號(hào)輸入，四路獨(dú)立的輸出。主要作用就是將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成單端的TTL電平信號(hào)。最后信號(hào)采用光電耦合器6N137[6]對(duì)四路電平信號(hào)進(jìn)行隔離抗干擾處理。

4.3 系統(tǒng)信號(hào)分析及處理

由接近開(kāi)關(guān)采集來(lái)的信號(hào)傳輸給FPGA，芯片內(nèi)部根據(jù)零位Z信號(hào)，設(shè)置每個(gè)色組單元的位置數(shù)據(jù)，經(jīng)由SPI傳輸給DSP。DSP和FPGA之間依靠SPI進(jìn)行通訊的，DSP在SPI通訊中作為主機(jī)，F(xiàn)PGA作為從機(jī)。DSP根據(jù)我們輸入的程序?qū)π盘?hào)進(jìn)行處理控制各個(gè)伺服電機(jī)作出相應(yīng)的反應(yīng)。

圖6 信號(hào)分析處理Fig.6 Signal analyzing and processing

如圖6所示，假設(shè)圓網(wǎng)的周長(zhǎng)為S（mm），兩個(gè)圓網(wǎng)之間的紙路長(zhǎng)度為L(zhǎng)（mm），那么當(dāng)預(yù)套準(zhǔn)按鍵按下時(shí)，圓網(wǎng)1的零點(diǎn)轉(zhuǎn)到正上方時(shí)，接近開(kāi)關(guān)觸發(fā)脈沖，脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)DSP和FPGA處理，控制伺服電機(jī)使網(wǎng)1停止轉(zhuǎn)動(dòng)，網(wǎng)2的零點(diǎn)轉(zhuǎn)到正上方時(shí)控制伺服電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的距離為式（1）所示：

那么網(wǎng)3的零點(diǎn)轉(zhuǎn)到正上方時(shí)控制伺服電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的距離如式2所示：

依次類(lèi)推，網(wǎng)n的零點(diǎn)轉(zhuǎn)到正上方時(shí)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的距離如式（3）所示：

5 結(jié)束語(yǔ)

圖7 預(yù)套準(zhǔn)過(guò)程示意圖Fig.7 Schematic diagram of the pre registration process

通過(guò)以上的分析，可以運(yùn)用預(yù)套準(zhǔn)技術(shù)，通過(guò)DSP和FPGA對(duì)各個(gè)伺服電機(jī)的控制，使它們達(dá)到自己相應(yīng)的位置，具有一定的精確度，為下一步的套準(zhǔn)提供了一個(gè)很好地基礎(chǔ)。 整個(gè)預(yù)套準(zhǔn)過(guò)程不需要人工直接介入，具有很好地自動(dòng)性。

[1]殷玲玲，尚群里.磁阻傳感器在接近開(kāi)關(guān)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表，2006，27（6）：51-56.YIN Ling-ling，SHANG Qun-li.The application of magneticresistive sensor in proximity switch[J].Automation Instrument，2006，27（6）：51-56.

[2]周晴，李文旭.接近開(kāi)關(guān)的原理及應(yīng)用[J].電子器件應(yīng)用，2007，9（6），18-20.ZHOU Qing，LI Wen-xu.The principle of near-switch and applications[J].The Application of Electronic Components，2007，9（6）：18-20.

[3]董晶晶.基于DSP的TCR型SVC裝置控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].沈陽(yáng)：東北大學(xué)，碩士論文，2009；

[4]張慶玲.FPGA原理與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[5]蔣晶，蔣東方.高可靠性增量式光電編碼器接口電路設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù)，2009，28（2）：1-4.JIANG Jing，JIANG Dong-fang.A high accuracy interface circuitdesign forincremenalphotoelectric encoder[J].Measurement&Control Technology，2009，28（2）：1-4.

[6]楊繼廳.基于LonWorks的隧道LED無(wú)級(jí)調(diào)光照明控制系統(tǒng)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2010：42-50.