陸瑤成，李 唐，尤麗華

（江南大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122）

熱轉(zhuǎn)印刷是近年來新興的一種印刷工藝，該工藝是將加熱到適宜溫度的標紙（載體）上的印刷好的圖案通過轉(zhuǎn)移印刷到被轉(zhuǎn)印體[1]。由兩部分配合完成印刷，一部分是預(yù)先印有圖案的標紙，即轉(zhuǎn)印紙，另一部分是有一定溫度的壓頭。通過壓頭把轉(zhuǎn)印紙壓緊在被印刷物體的表面來完成轉(zhuǎn)印工作。該技術(shù)成像好，防水防刮，制作速率快。隨著熱轉(zhuǎn)印機的普及和質(zhì)量好、形式多的轉(zhuǎn)印紙的批量生產(chǎn)，轉(zhuǎn)印成本大大降低。由于操作者對于與轉(zhuǎn)印效果直接相關(guān)的轉(zhuǎn)印溫度、壓緊時間、壓緊力等因素很難把握，轉(zhuǎn)印質(zhì)量不高。筆者正是基于對影響因素的討論，設(shè)計自學(xué)習(xí)的最優(yōu)參數(shù)熱轉(zhuǎn)印控制系統(tǒng)。

1 熱轉(zhuǎn)印機工作原理

工作流程：將印刷物3放在靜壓頭2上，根據(jù)田字光標指示完成定位；氣缸9推動動壓頭6前進，轉(zhuǎn)印紙5與印刷物3一同被壓向溫度為T的靜壓頭2，壓緊力為F，延時t時間后動壓頭隨氣缸退回，直流電機M驅(qū)動主動輪1旋轉(zhuǎn)拖動轉(zhuǎn)印紙帶到達新的轉(zhuǎn)印工位。

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle of system

由于不同廠商生產(chǎn)的轉(zhuǎn)印紙性能參數(shù)各異，每更換一種轉(zhuǎn)印紙都需要轉(zhuǎn)印工藝跟著改變。文獻[2]和實驗證明，對于給定的轉(zhuǎn)印紙，轉(zhuǎn)印溫度T，壓緊時間t，壓緊力F是影響熱轉(zhuǎn)印質(zhì)量的三大工藝因素。轉(zhuǎn)印溫度過低，轉(zhuǎn)印材料與載體不易分離，造成印刷圖案不完整。轉(zhuǎn)印溫度過高，轉(zhuǎn)印材料部分融化，轉(zhuǎn)印圖案模糊、變形。壓緊時間不夠，轉(zhuǎn)印材料導(dǎo)熱不充分，同樣造成印刷圖案不完整。轉(zhuǎn)印時間過長，一方面造成過分加熱，使圖案模糊，另一方面降低了生產(chǎn)效率。壓緊力過小，有時會造成轉(zhuǎn)印不充分。壓緊力過大，會造成被印刷物體彈性過度變形，印刷表面收縮造成圖案折皺成虎皮狀。以往的手工轉(zhuǎn)印是靠工人手持熨斗式壓頭把轉(zhuǎn)印紙壓在物體表面一段時間，揭開載體薄膜完成一次轉(zhuǎn)印任務(wù)，三大工藝因素全靠工人的經(jīng)驗，印刷質(zhì)量顯然難以控制。后來出現(xiàn)的轉(zhuǎn)印機能夠替代工人完成自動轉(zhuǎn)印工作，因為三大因素固定不變而只能轉(zhuǎn)印專用的轉(zhuǎn)印紙。因此需要設(shè)計一款控制系統(tǒng)能夠隨著轉(zhuǎn)印紙的改變而輸出相應(yīng)的最優(yōu)控制參數(shù)。

2 自學(xué)習(xí)控制方法

通過自學(xué)習(xí)的方法可以獲得各種轉(zhuǎn)印紙的最優(yōu)工藝參數(shù)（轉(zhuǎn)印溫度T，壓緊時間t，壓緊力F）。按下自學(xué)習(xí)鍵進入系統(tǒng)的“自學(xué)習(xí)”狀態(tài)，此時數(shù)碼管顯示當前紙?zhí)杋，可以通過清零鍵和進紙鍵控制步進電機前進和后退，帶動調(diào)壓螺母上升或下降，以此來控制動壓頭的壓緊力Fi；按光標鍵進入溫度調(diào)節(jié)模式，通過清零鍵和進紙鍵來設(shè)定當前溫度Ti；按光標鍵進入時間調(diào)節(jié)模式，通過運行鍵，進紙一個工位，壓頭壓下，啟動內(nèi)部計時器ti，按自學(xué)習(xí)鍵，壓頭抬起。微控制器保存當前的電機步數(shù)、壓頭溫度、內(nèi)部計時器數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)印紙?zhí)?。若得到滿意的轉(zhuǎn)印效果，則自學(xué)習(xí)完成，若不滿意，則重復(fù)上述過程。上述自學(xué)習(xí)過程可以把n組數(shù)據(jù)輸入并保存在微控制器的存儲器，程序運行時通過判斷當前轉(zhuǎn)印紙的種類，自動查表獲得最佳的轉(zhuǎn)印參數(shù)，驅(qū)動執(zhí)行器即可達到最優(yōu)控制。當某種轉(zhuǎn)印紙被淘汰或者有更多的新品轉(zhuǎn)印紙出現(xiàn)時，亦可以通過“自學(xué)習(xí)”功能修改相應(yīng)組的參數(shù)。

當目標參數(shù)（Ti， ti， Fi）確定之后，就是如何實 現(xiàn)目標參數(shù)的要求。Ti的實現(xiàn)是本設(shè)計的關(guān)鍵，為了使溫度達到設(shè)定值，必須采取閉環(huán)控制的方法。本控制系統(tǒng)采取經(jīng)典PID控制算法，以設(shè)定值Ti作為目標值，以熱電偶采集值Tc作為當前值，用Matlab模擬得到PID控制系數(shù)（此系數(shù)一經(jīng)確定不再改變），來進行閉環(huán)控制。ti的實現(xiàn)可以通過軟件延時或者定時器中斷的方式，為了降低系統(tǒng)負擔(dān)，設(shè)計采用定時器中斷的方式。Fi的實現(xiàn)是通過步進電機驅(qū)動調(diào)壓螺母到達指定位置處，給調(diào)壓彈簧確定的預(yù)緊力。為了簡化機械部件的復(fù)雜度，步進電機采用開環(huán)控制方式。

3 電路設(shè)計

電路設(shè)計需要完成如下的功能，直流電機驅(qū)動，紙帶位置檢測，步進電機驅(qū)動，氣缸電磁閥驅(qū)動，熱電阻驅(qū)動，印刷物定位光標驅(qū)動，氣缸0位檢測，溫度采集，鍵盤，數(shù)碼管顯示，通訊。其中直流電機驅(qū)動、步進電機驅(qū)動、氣缸電磁閥驅(qū)動、印刷件定位光標驅(qū)動合稱為驅(qū)動模塊，紙帶位置檢測、氣缸0位檢測、溫度采集合稱為采集模塊，鍵盤、數(shù)碼管顯示合稱為人機交互模塊。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖Fig.2 Hardware block of system

3.1 微控制器（MCU）

根據(jù)控制要求，微處理器的控制任務(wù)量不大，用8位單片機可以達到處理速度與使用經(jīng)濟性的綜合要求。本控制系統(tǒng)采用美國新華龍公司的8位單片機C8051F340。該單片機采用51內(nèi)核，外設(shè)一路10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，兩路UART串口，內(nèi)部集成128字節(jié)的RAM和64 k的flash程序存儲器，2個8位和3個16位定時器[3]。程序存儲區(qū)可以在線讀寫和擦除，便于“自學(xué)習(xí)”參數(shù)的自動存儲。通用I/O口為32個。封裝為TQFP－48。

3.2 溫度采集

溫度采集使用北京華夏日新公司的HX－RS系列鉑電阻溫度傳感器，測溫范圍－50℃～350℃，A等級精度為±（0.15+0.002t），電路如圖 3所示。

圖3 溫度采集電路Fig.3 Circuit of temperature acquisition

熱敏電阻RS與電阻R1形成分壓，當位于靜壓頭內(nèi)部的熱敏電阻RS的阻值隨著內(nèi)膽溫度變化而變化時，則傳輸給微處理器的電壓值也相應(yīng)地變化。因此，轉(zhuǎn)印溫度與傳輸給MCU的電壓值一一對應(yīng)，MCU通過A/D采樣端口采集信號，根據(jù)不同的A/D轉(zhuǎn)換得到當前溫度值，與目標值比較作為PID控制的差值。

3.3 步進電機驅(qū)動

步進電機工作需要一定頻率和電壓的脈沖。本設(shè)計采用美國SGS－THOMSON公司的L297芯片來進行脈沖分配。步進電機驅(qū)動電路如圖4所示。L297是一種硬件環(huán)分集成芯片，它可以產(chǎn)生4相驅(qū)動信號[4－5]。采用意法公司的L6203芯片來進行功率放大，額定驅(qū)動電流可以達到5 A[6]。本系統(tǒng)采用兩相步進電機，驅(qū)動一個電機需要兩片L6203。L297芯片有4個控制口與單片機相連，分別是方向控制口，脈沖輸入口，細分控制口和使能控制口，兩相步進電機接線為A－A’－B－B’。如果方向控制口高電平，電流方向為A－A’，則電機正傳，反之，電流方向A’－A，電機反轉(zhuǎn)。脈沖輸入口輸入不同頻率的脈沖可以獲得步進電機的不同轉(zhuǎn)速。細分控制可以使得步進電機驅(qū)動更平滑，更精密。當使能控制口為高電平時，L6203正常輸出電流，為低電平時，L6203不再輸出電流[4]。電流控制方法是在電機回路接采樣電阻，輸出采樣電壓Vsense， 與 L297上的比較電壓 Vref進行比較，Vsense＞Vadb時，減小輸出電流，反之增加輸出電流。

3.4 人機交互模塊

人機交互面極如圖5所示。采用數(shù)碼管顯示，簡約可靠。顯示內(nèi)容包括轉(zhuǎn)印件數(shù)和當前溫度。自學(xué)習(xí)時顯示已存儲的參數(shù)值以及當前操作狀態(tài)。按鍵共5個，置零鍵，走紙鍵，光標鍵，運行鍵和自學(xué)習(xí)鍵。自學(xué)習(xí)狀態(tài)時置零鍵實現(xiàn)參數(shù)增，進紙鍵實現(xiàn)參數(shù)減，光標實現(xiàn)模式切換，運行鍵實現(xiàn)運行。非自學(xué)習(xí)狀態(tài)時清零鍵用來清除記錄的轉(zhuǎn)印件數(shù)，重新計數(shù)。光標鍵用于開關(guān)滅光標。走紙鍵用于讓紙帶走到下一工位。運行鍵用于完成一次完整的轉(zhuǎn)印。運行鍵自學(xué)習(xí)鍵位于面板側(cè)面。

圖4 步進電機驅(qū)動電路Fig.4 Drive circuit of stepping motor

圖5 人機交互面板Fig.5 Human-computer interaction panel

4 軟件設(shè)計

軟件采用模塊化設(shè)計，有以下功能模塊，溫度控制、壓緊力控制、時間控制、按鍵響應(yīng)、數(shù)碼顯示、紙帶控制、氣缸運行和通訊等模塊。其中溫控模塊、時間控制模塊、按鍵響應(yīng)模塊、數(shù)碼顯示模塊在定時器中斷中完成，壓緊力控制模塊、紙帶控制模塊、氣缸運行模塊在主循環(huán)中完成，通訊在串口中斷中完成。主程序流程圖如圖6所示。

5 實驗驗證

本系統(tǒng)實驗前已經(jīng)通過“自學(xué)習(xí)”獲得了最優(yōu)控制參數(shù)。對照組是手工轉(zhuǎn)印組，固定參數(shù)轉(zhuǎn)印組。使用相同面料的襪子，轉(zhuǎn)印紙是手工組經(jīng)常使用而固定參數(shù)組未使用過的。每組實驗100件。

從表1可以看出，自學(xué)習(xí)熱轉(zhuǎn)印機轉(zhuǎn)印成功率達到了98%，效率是手工方式的2.94倍，是固定參數(shù)的1.76倍。從圖7可以看出手工印刷效果不好，而且差別較大。從圖8可以看到，固定參數(shù)熱轉(zhuǎn)印機印刷效果也不理想，圖9是固定參數(shù)熱轉(zhuǎn)印機使用專用轉(zhuǎn)印紙的效果。圖10可以看到自學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)印的效果比較好。

圖6 主程序流程圖Fig.6 System flow

6 結(jié) 論

通過設(shè)計自學(xué)習(xí)的熱轉(zhuǎn)印機控制系統(tǒng)，較好的實現(xiàn)不同轉(zhuǎn)印紙的自由更換，轉(zhuǎn)印效果明顯提高。同時，合理的軟硬件設(shè)計使得系統(tǒng)工作更加流暢，穩(wěn)定，生產(chǎn)效率大大提高。簡約的人際交互，簡化了操作。實踐證明，本系統(tǒng)較好的滿足了生產(chǎn)的要求。

表1 生產(chǎn)對照表Tab.1 Production comparison

圖7 手工轉(zhuǎn)印結(jié)果Fig.7 Result of hand operation

圖8 固定參數(shù)熱轉(zhuǎn)印結(jié)果Fig.8 Result of fixed parameter printer

圖9 固定參數(shù)熱轉(zhuǎn)移結(jié)果2Fig.9 Result 2 of fixed parameter printer

圖10 自學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)印結(jié)果Fig.10 Result of self learning printer

[1]張航.PLC在熱轉(zhuǎn)印機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 [J].茂名學(xué)院學(xué)報，2009（2）:49-51.

ZHANG Hang.PLC application in thermal transfer control system[J].January of Maoming University，2009，（2）:49-51.

[2]宋奇.影響熱轉(zhuǎn)印質(zhì)量的因素分析[J].絲網(wǎng)印刷，2007（12）:45-47.

SONG Qi. Analysis on factors affecting the quality of thermal transfer[J].Silk screen printing，2007（12）:45-47.

[3]新華龍有限公司.C8051F340全速USB FLASH微控制器數(shù)據(jù)冊.[EB/OL].（2006-01）.http://www.xhl.com.cn/CN/ProductShow/Search.aspxcont=c8051f340

[4]唐國棟，高云國.基于L297／L298芯片步進電機的單片機控制[J].微計算機信息，2006（12）:134-136.

TANG Guo-dong，GAO Yun-guo.Stepping motorcontrol method based on chip of L297/L298[J].Computer information，2006（12）:134-136.

[5]SGS-Thomsonmicroelectronics.L297datasheet.[EB/OL].（1996-08）.http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/22436/STMICROELECTRONICS/L297.html.

[6]SGS-Thomsonmicroelectronics.L6203datasheet.[EB/OL].（2003-07）.http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/22533/STMICROELECTRONICS/L6203.html.