孫海明，馮平波

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

基于NIOSⅡ的寬幅打印機多載體控制系統(tǒng)設(shè)計

孫海明1，馮平波2

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

針對寬幅打印機單一載體軸無法滿足高效率打印的問題，設(shè)計了基于NIOSⅡ軟核處理器的多載體自動控制系統(tǒng)，結(jié)合東芝TB6560AHQ步進電機驅(qū)動芯片，實現(xiàn)了3種載體的自動加卸載控制，給出了載體箱的原理圖和控制流程圖，提高了寫真機的印前效率。

寬幅打印機；載體；TB6560AHQ；自動控制

寬幅噴墨式彩色打印機已在全球廣告、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。與寫真機的高精度和高速度相比，其印前和印后環(huán)節(jié)卻相對落后。目前國內(nèi)外寫真機和噴繪機都只在機架上配置一根載體卷軸，不能同時存放和識別多種規(guī)格的載體，無法實現(xiàn)裝載自動控制。

針對該問題，筆者設(shè)計了基于NIOSⅡ嵌入式軟核處理器的多載體控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了一次同時安裝5種不同寬度的打印載體，并結(jié)合東芝公司的TB6560AHQ步進電機驅(qū)動芯片實現(xiàn)了下箱3根載體軸自動識別、加載和卸載。該自動控制載體箱獨立于打印機單獨工作，通用性強。

1 寬幅打印機工作原理

1.1 工作原理簡介

寬幅打印機的工作原理與普通小型噴墨打印機類似，但打印載體的連續(xù)性和大幅面要求其控制系統(tǒng)的時序和穩(wěn)定性更高，國產(chǎn)750型和1200型寫真機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示［1］。

寫真機噴頭橫向運動由伺服電機帶動打印小車并由光柵定位來實現(xiàn)，主要完成PC機既定圖像的打印任務(wù)。小車橫向移動速度和噴頭固有點火頻率決定著打印速度和精度?？v向運動依據(jù)噴墨打印時序由步進電機帶動進紙輪來實現(xiàn)載體的步進供給，主要完成打印圖像的有序排列，還原既定圖像。用戶通過操作面板上的載體進退按鍵使載體快進或快退，實現(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，寫真機使用的國產(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。實際打印過程中，為了節(jié)約成本，要依據(jù)畫面寬度選擇最為經(jīng)濟的載體，但由于國產(chǎn)和進口寫真機在機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點不利：1）載體軸在上下機架時，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；3）更換載體需要1～2人配合完成，且需要移動打印機，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的高效生產(chǎn)。

圖1 寫真機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 控制系統(tǒng)組成與功能

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

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

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個通用寄存器，指令集簡單完整，尋址模式較強，可擴展性和硬件加速性能良好。［1］本系統(tǒng)采用Cyclone II開發(fā)板，板載芯片為EP2C20F672C6，該芯片提供了4608～33216個邏輯單元，有475個管腳，能夠滿足系統(tǒng)需求和升級。

圖2 載體自動控制系統(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)及與打印機位置關(guān)系示意圖

載體箱上下箱均采用折疊式箱門，箱門向后或向上開啟后，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由獨立的步進電機控制，并配有獨立的自動加載卸載送紙輪，上箱載體軸4和5應(yīng)用較少，為手動控制。5根載體軸按照逆時針順序編號，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

載體軸步進電機和載體自動輸送主動輪步進電機都選擇北京斯達微步控制技術(shù)有限公司生產(chǎn)的57系列2相混合式直流步進電機，型號為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，機身直徑為Φ57 mm，重量0.6 kg［2］。

3.2 載體軸步進電機驅(qū)動器

步進電機將電脈沖信號轉(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自動輸送主動輪分別由3個步進電機控制，要求與寫真機進紙電機同步控制。經(jīng)比較，選用東芝公司的TB6560AHQ驅(qū)動芯片，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，最大輸出電流達到3.5 A［3］，配合三選一互鎖電路實現(xiàn)3個步進電機的分時控制，其電路圖如4所示。

圖4中，引腳3控制步進電機脈沖數(shù)量，引腳21控制旋轉(zhuǎn)方向，二者共同控制步進電機的運動姿態(tài)。由自動加載過程可知，當(dāng)載體從引導(dǎo)板達到寫真機進紙輪后的短暫時間內(nèi)，是由輸送輪和寫真機進紙輪同時輸送的，2個步進電機的同步運動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的控制信號與寫真機進紙步進電機控制信號相同。3根載體軸任何時候最多只有一根是被選擇的，配合三選一互鎖電路可以實現(xiàn)一個驅(qū)動器控制3臺步進電機，使得控制系統(tǒng)經(jīng)濟實用。

圖4 TB6560AHQ驅(qū)動步進電機電路圖

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)載體的寬度識別、自動加載、卸載、預(yù)放、收卷等控制，用7個變量來表示、控制或反饋當(dāng)前狀態(tài)，系統(tǒng)斷電后該信息清零。載體軸存在有無載體、被選擇和沒有被選擇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個變量表示其當(dāng)前位置。DG為1表示打印機送紙步進電機正向旋轉(zhuǎn)，自動輸送輪步進電機依據(jù)該信號實現(xiàn)正向選轉(zhuǎn)，即圖4中引腳21的信號，系統(tǒng)狀態(tài)量符號如表2所示。

表2 載體軸和打印介質(zhì)變量表

4.1 載體自動更換或人工選擇的控制

載體自動更換是指用戶通過控制面板選擇了新載體，系統(tǒng)自動卸載當(dāng)前載體并自動加載新載體的過程。這個過程系統(tǒng)需要知道打印平臺上當(dāng)前有無舊載體，以及新載體是否成功安放到載體軸上。如果當(dāng)前打印平臺沒有載體，就是人工選擇載體的過程。以圖5為例說明選擇載體1的過程。

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或沒有載體。無論是載體2或載體3，系統(tǒng)先執(zhí)行自動卸載當(dāng)前載體，然后自動加載載體1。如果當(dāng)前沒有載體，系統(tǒng)將直接加載載體1。如果載體軸2~3上沒有安放載體（Z2=0），系統(tǒng)則不執(zhí)行該載體的卸載動作，將直接自動加載載體1。

圖5 人工選擇或更換載體控制圖

4.2 載體自動選擇控制

載體自動選擇是指依據(jù)打印平臺當(dāng)前載體的實際寬度，自動選擇相應(yīng)的載體軸，并考慮載體的寬度尺寸誤差±4 mm。例如，當(dāng)檢測到載體實際寬度JD為913 mm時，程序判斷后自動選擇理論寬度為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 載體自動加載和卸載控制

載體自動加載是指載體從打印機進紙輪后方50 mm處的導(dǎo)引板上由輸送電機送入打印平臺的過程，其控制流程如圖7所示。

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

圖6 載體自動選擇控制圖

圖7 載體自動加載和卸載控制圖

4.4 載體自動預(yù)放和收縮的控制

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

圖8 載體自動預(yù)收放和收縮控制圖

5 結(jié)束語

針對國產(chǎn)樂彩LC750型寫真機的NIOSⅡ多載體控制系統(tǒng)樣品已調(diào)試成功，實現(xiàn)了下載體箱載體1～3的自動識別、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。對于不同品牌的寬幅打印機，需要調(diào)整多載體箱的高度，使引導(dǎo)板與打印平臺等高，且自動送紙輪與打印機進紙輪直徑相同。

［1］侯育萌.基于NIOSII的大幅面彩色噴墨寫真機運動控制器設(shè)計［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2008.

［2］北京斯達微步控制技術(shù)有限公司.57BYG096步進電機產(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