彩色圖繪路面自動打印系統的開發(fā)與應用

趙 云，岳曉文

(重慶市智翔鋪道技術工程有限公司，重慶 400067)

近年來，彩色慢行功能性路面發(fā)展迅速，許多彩色功能性路面鋪裝工程涉及到路面的多彩圖案繪制[1]。目前，現有的路面彩色圖案繪制大多采用人工繪制的方式，一種是先制作好圖案模板，施工時將模板固定在待噴繪路面上，并將模板上同顏色的圖案摳除，然后由人工在鏤空部位刷涂對應顏色涂料，如圖1(a)所示。 這種繪制方式由于彩色圖繪路面結構復雜、面積較小，且通常由多種顏色組成，一般需分多次人工作業(yè)，施工效率低，且圖案精度與美觀度偏低[2-3]。工程應用中采用此種方式進行工程施工效率低下，且一個模板僅能繪制一個圖案，模板制造成本較高。另一種為人工手繪，如圖1(b)所示，即先用粉筆在地面上勾勒出圖案邊界，再刷涂各種顏色，此種方式對繪制人員的繪畫水平要求較高，施工效率低，且人工成本高。

這2種圖案繪制方式僅適用于圖案線條簡單、色彩單一的情況，且施工效率僅為2 m2/h，難以滿足高精度圖案繪制以及多彩融合圖案繪制。

基于以上2種方式對工程施工的制約，結合現代油墨噴涂技術與自動打印機技術，開發(fā)了彩繪路面自動化打印設備，圖案繪制的施工效率提高至5 m2/h，最高施工精度可達2 880 dpi，將彩色圖繪路面施工由純人工作業(yè)轉變?yōu)樽詣踊┕ぃ?jié)約了人工成本，避免了人工噴涂的原材料浪費[4]，并成功將該設備應用于彩色路面鋪裝工程，為彩繪路面的機械化施工與智能化施工奠定了堅實的基礎。

1 設備關鍵技術研發(fā)

課題組基于多年路面鋪裝設備研發(fā)經驗，結合油墨噴涂技術，開發(fā)出多彩圖案打印設備，設備模型如圖2所示。打印設備整機的主要部件包括：主機架、控制面板、行走裝置、橫向導軌、噴頭機組、噴頭墨站等[5]。

設備軟件包含了控制系統及圖像處理系統，其保障了設備各個部件的協同、有序工作，設備的軟件系統構成如圖3所示。

圖3 打印設備軟件系統結構

1.1 控制系統

噴繪控制系統和運動控制系統是整個控制系統的核心，其邏輯控制、數據處理及傳輸帶寬的優(yōu)劣都影響噴繪圖案的效果[6-7]。為此，將核心的控制部分設計成一塊PCI插卡，其一端是PCI總線，與計算機連接；另一端是與端子轉接板相連的混合信號接口，里面包括有噴繪頭需要的控制數據總線，電機控制需要的電機控制信號線，還有用于反饋和狀態(tài)指示的傳感器信號線等，利用PCI總線的帶寬保證數據的傳輸帶寬問題。同時選定用FPGA可編程器件產生噴繪頭所需要的時序及相關的邏輯控制；選擇專用的DSP來控制電機[8]?？刂葡到y的框架如圖4所示。

圖4 路面打印設備控制系統模型

整個控制系統的穩(wěn)定性是靠線性編碼條的位置反饋閉環(huán)保證的。直流伺服電機是位置閉環(huán)系統，通過調節(jié)閉環(huán)的控制參數，保證其控制性能[9]。噴繪控制系統的速度由線性編碼條的反饋信號控制，直接影響噴繪數據的控制。為滿足噴繪速度的要求，上游數據傳輸的流量控制設計了一個隨動系統，自適應調節(jié)數據傳輸流量[10]。

1.2 圖像數據處理實現

圖像數據處理的實現涉及到整個圖像數據從文件輸入到噴繪頭裝載數據時序形成的整個過程，實現方法如圖5所示。

整個圖像數據處理的實現由系統應用層軟件、設備驅動程序和PCI噴繪控制卡實現。系統的應用層軟件實現了圖像數據的轉換；系統的設備驅動程序實現了圖像數據的傳輸控制；PCI噴繪控制卡上的PCI橋實現了與計算機的接口控制，FPGA實現了數據的流量配合以及數據的進一步轉換處理，直至形成噴繪頭的噴繪和數據加載時序，通過信號的驅動提供給傳輸接口，從而完成了整個圖像數據處理的實現[11-12]。

圖5 圖像數據處理實現流程

1.3 電機控制實現

電機的控制流程貫穿著整個電機的運動控制過程，在電機不同的運動階段和狀態(tài)由不同的運動算法控制其運動[13]。整個流程包括3個步驟：1) 將包含在控制命令中的電機控制命令提取出來，根據當前的控制系統狀態(tài)和傳感器信號來決定當前的控制指令；2) 根據當前的控制指令來調度相應的控制算法；3) 由控制算法來形成具體的電機控制信號[14]，經過電機驅動形成相應的電機信號，在指令的控制下電機進行工作。

電機控制實現是針對路面彩色噴繪機的橫向噴繪電機和縱向的行走拖動電機，控制的實現流程如圖6所示。

電機控制的指令由計算機控制面板下達，為了保證設計進度和方便電機控制模塊單獨調試，同時設計了2套控制命令下傳的通道：PCI總線和計算機的 RS232串口，待PCI總線的命令傳輸方式調試成功后直接替代RS232串口。下傳的電機控制命令直接到達電機專用的數字信號處理器(DSP)，通過該專用DSP直接完成電機的運動控制合成，設計簡單方便[15]。部分傳感器信號和控制系統狀態(tài)直接送到該DSP內，參與電機控制指令的形成。通過傳感器信號和系統運行的中間過程狀態(tài)信號的反饋，噴繪控制系統知道具體的噴繪位置，電機控制系

圖6 電機控制實現流程

統知道電機的運行狀態(tài)，輔助的供墨系統知道墨盒的墨水量，以及系統各模塊之間協調狀況等。部分傳感器信號和中間過程狀態(tài)直接參與噴繪和電機控制指令合成，在整個系統內部形成多個閉環(huán)控制，增強了系統的穩(wěn)定性。

2 工作原理

彩色圖繪路面打印系統集成了計算機、數字控制、微粒爆發(fā)噴墨、高速通信接口和圖形圖像處理等高新技術與原件。

主機架作為機械主體框架支撐著整個噴繪工作，其內置了電機、電源、機械傳動裝置以及其他相關設備?？刂泼姘遄鳛榭刂浦行目刂普麄€噴繪作業(yè)，下達各種噴繪、控制命令。其下面是主控計算機，接受和處理控制面板下達的各種噴繪、控制命令。行走裝置在控制電機的驅動下進行縱向運動，其前端有橫向導軌和噴頭機組，噴頭機組內置噴繪頭和墨站，噴繪模組在橫向導軌上橫向移動的同時噴繪頭連續(xù)噴墨，從而完成噴繪作業(yè)。

設備在工作時需要輸入打印的圖片，并將之解析成控制系統可識別的代碼傳輸給工控機，工控機根據代碼信息驅動軸運動，把噴嘴移動至所需位置，傳感器自動檢測噴頭離地面高度，形成閉環(huán)反饋自動控制，調整噴頭高度至地面設置高度，系統開始讀取打印圖案，并通過噴繪頭噴繪彩色圖案。

3 噴繪材料及性能研究

目前，幾乎沒有路面圖案打印設備成功應用于彩色路面鋪裝工程的實例報道，應用最多的圖案打印設備為墻面圖案打印機。相較于墻面圖案打印，路面圖案打印有著更高的要求，如路面材料的抗滑性、噴墨材料的層間粘結強度等。

基于路面抗滑性能要求，初選圖案繪制噴墨選用混合有石英砂的彩色水性環(huán)氧，對于慢行路面而言，水性環(huán)氧固化后具有足夠的BPN值。但是，摻了石英砂的噴墨要求擁有孔徑更大的噴嘴才能保證噴墨的通過性而不至于堵塞噴嘴[13]。大孔徑噴嘴會導致噴墨的流量更大，打印出來的圖案邊界極其不清晰，呈鋸齒狀，圖案還原能力低[14]。

針對此問題，打印設備噴墨選用紫外光固化油墨，簡稱UV油墨，它是不含揮發(fā)性的有機化合物(VOC)，具有環(huán)境污染小、固化速度快、節(jié)省能源、固化產物性能好等優(yōu)點。UV油墨通過打印機噴頭噴出后，經過安裝在噴頭旁的UV燈箱紫外光照射產生交聯反應，使油墨在極短時間內固化，且油墨固化后成膜厚度僅有0.2 mm，在原有路面抗滑性能滿足要求的情況下，噴繪油墨后不會對抗滑性能有影響[15-16]。通過對噴繪圖案樣塊隨機抽取2塊進行抗滑性檢測發(fā)現，打印圖案的抗滑系數均在50以上，滿足路用性能要求，如圖7所示。

(a) 樣塊1 (b) 樣塊2

UV油墨在紫外光照射下發(fā)生交聯反應而固化，使其能夠緊密粘結在瀝青路面上，試驗如圖8所示，試驗結果表明其層間粘結強度大于0.5 MPa。鑒于路面圖案多應用于慢行道路中，由于沒有機動車輛的碾壓及剪切作用，其層間粘結強度完全滿足人行及非機動車通行的需求。

圖8 UV油墨打印圖案粘結強度檢測

4 工程應用

按照結構設計完成樣機試制，并在云南怒江美麗公路綠道瀝青路面進行測試，如圖9所示。路面打印精度受路面平整度及構造深度的影響，水泥路面上打印能保持很好的打印精度及圖片還原度，瀝青路面具有較大的構造深度會影響圖片的打印精度。因此，在瀝青路面上進行圖片打印時，先對原路面進行一次水性環(huán)氧底涂層噴涂，降低其構造深度，提高圖片的打印精度。

現場測試完成后，對圖案抗滑性能進行了檢測，檢測結果如表1所示。

由表1可知，打印設備可打印復雜多樣化圖案，且圖案清晰度和施工精度較高，打印效率可達5 m2/h。

圖9 自動化打印測試

表1 抗滑性能檢測

盡管打印精度隨著打印速度的提升略有下降，但仍能滿足彩繪路面噴繪精度要求。

5 結束語

1) 針對彩繪路面施工現狀，開發(fā)了彩繪路面自動打印設備，將圖案彩繪施工由純人工作業(yè)變?yōu)樽詣踊┕?，設備可自動讀取需要打印的圖案，自動解析顏色和邊界軌跡，自動計算顏色區(qū)域面積和顏料使用量，減少了浪費且便于管理。

2) 打印噴頭通過傳感器實時監(jiān)測反饋，自動適應凹凸路面，保證打印噴頭在凹凸不平的路面上能打印出圖像，且不失真，這大大提高了作業(yè)效率和圖案質量。

3) 自主研發(fā)的打印機構和控制系統應用于彩色路面噴繪中，其具有打印速度快，圖案精度高、光澤度好、色彩鮮艷、耐磨、耐蝕、耐水、耐候、快速干燥等優(yōu)點，滿足安全環(huán)保、施工高效和高精度噴繪要求，并以云南試驗段形式進行工程應用。

4) 彩繪打印系統路用結果表明，相比傳統的人工繪圖與噴涂形式，自動打印的圖案多樣化，精度高，工程化施工效率高，路用性能優(yōu)異。這一結果使得彩色路面噴繪的智能化施工有了重大突破，有望成為未來自動化、智能化路面圖案彩繪發(fā)展的趨勢。