一種陣列式精密噴印設備的噴印控制系統的製作方法

2023-05-14 10:59:01 1

專利名稱：一種陣列式精密噴印設備的噴印控制系統的製作方法
技術領域：
一種陣列式精密噴印設備的噴印控制系統本實用新型涉及適用於PCB高速噴印、陶瓷印花、EL冷光板印製等領域的多噴頭陣列式噴印設備，是屬於工業高速噴墨列印的印製製造技術。PCB製造業是我國珠三角地區的優勢製造業，印製電路板常規製造工藝是銅箔蝕刻法，也稱減成法，它是用覆銅箔層壓板為基板，經網版印刷或光致成像形成抗蝕線路圖形，由化學蝕刻得到電路。PCB製造過程複雜、工序多，耗用大量的水與電，耗用許多銅與化學品材料，產生大量的廢水和汙染物。噴墨印製電子(Printed Elec-tronic)技術是正在興起一項PCB技術革命，，它採用數字噴墨列印技術，把功能性油墨直接在絕緣基材上進行噴墨印製，直接形成抗蝕/抗鍍、導電層電路、標註的圖形。新技術可以減少傳統工藝的60%以上的生產過程，節省60%以上的抗蝕/抗鍍的油墨/幹膜等材料，減少90%以上有機廢水的處理與排放，並可提高產品的合格率和縮短生產周期，降低「圖形轉移」的成本。噴墨列印替代傳統的絲印是技術發展的趨勢，高速噴墨列印要求採用多個噴頭組成噴頭陣列，並行工作，設計一種能協調多噴頭同步精準噴印、分發與調度噴印任務的系統是本實用新型設計的主要內容。本實用新型技術也可以應用到陶瓷印花、EL冷光板印製等領域。本實用新型涉及一種陣列式精密噴印設備的噴印控制方法，設計一套陣列式精密噴印設備的數據傳輸及控制協議及採用所述協議的噴印控制系統，解決2-120個噴頭組成的噴頭陣列的噴印作業生成、數據快速傳輸、任務分發與協同、精準同步噴印的問題，適用於PCB高速噴印、陶瓷印花、EL冷光板印製等領域。基於三層硬體架構:上位機、NUSB中控系統、噴頭控制板卡陣列，設計噴印數據結構、通信及控制協議，噴印作業調度算法，噴印作業由噴印點火數據、計劃方案指令、臨時方案指令組成，系統按計劃方案或臨時方案調度噴印作業；上位機生成作業數據與指令，NUSB進行解析指令、管理作業、分發任務、控制執行並統計，噴頭控制板卡執行噴印任務。各部分的具體結構及工作原理如下:1.本實用新型涉及多噴頭陣列式噴墨印製設備本實用新型所述的多噴頭陣列式噴墨印製設備具有2-120個噴頭組成的噴頭陣列，噴頭陣列固定安裝在設備基臺上，噴頭陣列處於靜止狀態，噴印物件則處於運動狀態，噴印物件被傳送經過噴頭陣列下方時，噴頭進行精準的對位噴印，噴印過程示意如圖2所
/Jn ο多噴頭陣列式噴印設備的多噴頭排布成縱橫陣列，各噴頭的平臺位置坐標不同，各噴頭噴印的內容及點火噴印的時刻也不一致，為了能進行精準的對位噴印，需要有一個精確的噴印時間基準，在噴頭陣列前方20cm處設置有光電傳感器及影像採集裝置，採用裝置發出的脈衝信號為計時復位基準，並對採集的影像進行定位分析，採用其結果來補償偏 移誤差(具體方法在後面描述)。設備機械平臺及噴頭布局結構如圖3所示。[0009]2.本實用新型所述的陣列式噴印設備噴印控制系統[0010](I)所述嗔印控制系統由上位機、NUSB中控系統、嗔頭控制板卡陣列組成，在上位 機與噴頭控制板卡陣列之間設置有NUSB中控系統，噴印控制系統的硬體特徵上表現為三 層結構。上位機通過千兆網與NUSB中控系統進行通信，具有基於共享密碼的安全認證機 制；NUSB中控系統與噴頭控制板卡間通過USB2.0進行通信，一個NUSB中控系統帶有10-30 個USB 口，可以連接10-30個噴頭控制板卡；噴頭控制板卡與噴頭之間通過噴頭配套排線進 行通信，一個噴頭控制板卡可以驅動連接1-4個噴頭，設備最多可具有120個噴頭，噴印控 制系統的結構示意如


圖1所示。[0011](2)所述噴印控制系統上位機[0012]一方面，上位機根據準備噴印的圖形、生產批次任務、每個噴頭的位置坐標、設置 的噴印時間基準、噴印物件速度、噴頭孔位參數，按後面描述的幀生成算法進行運算處理， 為每個噴頭生成噴印作業指令及數據，封裝為噴印點火數據幀、計劃方案指令幀、臨時方案 指令巾貞(各類巾貞結構在後面定乂說明)，發送給NUSB中控系統；[0013]另一方面，上位機根據用戶的設備操作、墨路定時自動維護動作，生成機構運動指 令幀，墨路操作指令幀，發送給NUSB中控系統。上位機通過主動詢問或被動接收NUSB中控 系統的設備狀態管理幀，分析、確認設備的狀態。[0014](3)所述嗔印控制系的NUSB中控系統[0015]NUSB中控系統工作在上位機與噴頭控制板卡陣列之間，負責傳輸數據、解析指令， 進行作業調度與任務分發。[0016]所述噴印控制系統的NUSB中控系統，其硬體系統特徵是:主板上有一個千兆網 口，通過千兆網口與上位機進行連接通信，有10-30個USB 口，通過USB 口與噴頭控制板卡 進行連接通信，安裝有一個運動控制卡，通過運動控制卡向設備的運動伺服系統發脈衝，控 制設備的各運動軸的運動。[0017]本實用新型所述的陣列式噴印設備有6個運動軸，採用一個6軸運動控制卡進行 控制。NUSB中控系統分析從上位機接收來的運動控制操作幀，從幀數據中取出運動控制卡 的控制參數，送到運動控制卡，由運動控制卡按參數要求發出脈衝，控制設備的運動。[0018]NUSB中控系統接收上位機傳送來的幀有:噴印點火數據幀、計劃方案指令幀、臨 時方案指令幀、機構運動指令幀、墨路操作指令幀。NUSB中控系統分析收到的各幀幀頭， 如果巾貞頭(Cmd_XPacket_Header結構)中的PacketType的值為「X-USB」，則從巾貞(Cmd_ NUSBPacket結構)中USBNo取出USB 口編號，按指明的USB 口編號分發幀(噴印點火數 據幀、計劃方案指令幀、臨時方案指令幀)到與USB相連的噴頭控制板卡；如果幀頭(Cmd_ XPacket_Header 結構)中的 PacketType 的值為 「X-move」，則從巾貞(Cmd_XMovePacket 結 構)中分析取出運動控制卡的運動控制參數，按運動控制卡的指令格式要求生成運動控制 指令，發給運動控制卡執行，生成運動伺服系統的脈衝，控制設備的運動動作。如果幀頭 (Cmd_XPacket_Header 結構)中的 PacketType 的值為 「X-com」，則從巾貞(Cmd_XComPacket 結構)中ComNo取出串口號，並把幀中CmdContent的值發送到ComNo指明串口號的串口， 即把墨路操作指令幀去掉幀頭後的數據通過串口送到墨路維護的PLC系統。[0019]所述噴印控制系統的NUSB中控系統，其具有設備狀態管理協議，通過與上位機、噴頭控制板卡進行狀態管理數據幀的交換通信，進行設備狀態的一致性管理，狀態管理數據幀具有說明書中所定義的狀態管理數據幀協議格式。NUSB中控系統通過USB2.0接口直連各個噴頭控制板卡、通過PCI總線直連運動控制卡、通過COM串口直連控制墨路的PLC系統，NUSB中控系統保存有設備各部分的工作狀態，並維持與管理狀態。用戶操作上位機，上位機生成噴印作業指令及數據，下發到USB系統處理後，上位機可以脫離設備或關機，不會影響設備對噴印作業的執行。分發到各噴頭控制板卡中的噴印作業，其噴印點火數據部分存入在數據區內存中，其噴印任務指令部分存入在指令區內存中，各噴頭控制板卡在外部的噴印基準脈衝觸發下，自動執行噴印作業。當上位機重新開機或重新連接設備時，向NUSB中控系統發送狀態請求幀，NUSB中控系統收到請求後，把設備的狀態數據封裝成狀態管理數據巾貞(Cmd_GetStatusPacket結構)，發送給上位機。(4)所述噴印控制系統的噴頭控制板卡噴頭控制板卡由FPGA主控部分與DSP定位部分組成，FPGA主控部分與DSP定位部分通過共享緩存進行數據交換。在FPGA主控部分的DRAM中創建存放噴印點火數據的內存片段(下稱:數據內存區)、存放計劃方案指令的內存片段(下稱:計劃指令內存區)、存放臨時方案指令的內存片段(下稱:臨時指令內存區)，採用查找表機制進行訪問。FPGA主控部分接收從NUSB傳入的數據幀、指令幀，數據幀依次逐行存到數據內存區,計劃方案指令幀存到計劃指令內存區，臨時方案指令幀存到臨時指令內存區。任務指令在噴頭控制板卡中執行一次，完成一個噴印物件的噴印作業，按任務指令中貞中的任務量(任務指令巾貞結構Jet_ScheduIeFrame中的TotalPassCount項值)重複執行多次，完成多個噴印物件的噴印作業。各噴頭控制板卡中任務指令幀的一次執行，需要一個同時的外部觸發脈衝(下稱:噴印觸發脈衝)為噴印時間起始基準。在設備噴印工作狀態下，噴印物件依次進行設備，勻速向前運動，當噴印物件的前緣到達光電傳感器時，觸發光電傳感器輸出的脈衝，光電傳感器輸出的脈衝通過直連進入相機I/o接口的輸入端，觸發影像採集裝置的相機進行定位拍照，在相機拍照快門關閉時亥IJ，相機的I/o接口的輸出端輸出一個拍照完成脈衝信號，所述的拍照完成脈衝信號作為噴印開始的基準信號，通過硬體直連分發到所有的噴頭控制板卡的噴印觸發脈衝輸入端，這樣，所有的噴頭控制板卡具有一致的噴印基準信號。當外部的噴印觸發脈衝達到噴頭控制板卡，計時器清0，並從臨時指令內存區中讀取任務指令，如果臨時指令內存區為空，則再從計劃指令內存區中讀取任務指令，分析指令參數，按指令參數(任務子項結構Jet_SectionTask中的Start_X、Start_Y、RowCount項值)指示到數據內存區依次逐行取到幀數據,幀中點火數據送噴頭內部的點火數據區,幀中點火時間戳項值加上從共享緩存中取到的噴印物件偏移補償的時間換算值，作為該幀的噴印點火時間；DSP定位部分與外部相機相連，接收定位園的影像數據，由DSP進行影像處理，計算出噴印件上的定位圓的圓心坐標，把噴印件在運動方向的偏離值按速度換算成噴印延時的時間值，放入共享緩存中，供FPGA主控部分糾偏補償使用。噴印控制板卡的控制電路系統主要包括基於FPGA的主控部分、基於DSP的定位圓圖像採集及參數提取部分。FPGA主控部分主要包括USB接口模塊、噴印數據處理模塊、噴頭驅動模塊、溫度控制模塊、驅動電壓調整模塊、噴印圖像存儲及糾偏模塊、與DSP接口模塊部分，其中，USB接口模塊在每批次噴印開始前用於接收上位機經NUSB系統發送下來噴印 作業數據，噴頭驅動模塊用於將噴印數據信息轉化為適合噴頭噴印的時序，以時序控制噴 頭的噴印動作；溫度控制模塊用於實時監控噴頭溫度；驅動電壓調整模塊用於實時調整噴 頭驅動電壓的幅值及幅寬，電路原理結構圖如圖6所示。[0026]3.多噴頭陣列式噴印設備的數據傳輸及控制方法[0027]在上位機與噴頭控制板卡陣列之間增加NUSB中控系統，由上位機、NUSB中控系 統、噴頭控制板卡陣列組成硬體架構上的三層結構，具有基於三層硬體結構定義的數據通 信及控制協議，按協議進行互相間的數據交換與控制，上位機根據噴印圖形與生產任務，生 成噴印作業指令及數據，封裝為幀，傳給NUSB中控系統，NUSB中控系統傳輸數據、解析指 令，進行作業調度與任務分發，噴頭控制板卡按規則執行噴印任務。[0028]所述的一種多噴頭陣列式噴印設備的數據傳輸及控制方法，採用的數據通信及控 制協議定義了噴印點火數據幀、計劃方案指令幀、臨時方案指令幀、墨路操作指令幀、設備 狀態管理幀、運動控制指令幀。採用C++語言定義的數據通信及控制協議如下:[0029]
權利要求1.一種陣列式精密噴印設備的噴印控制系統，其特徵在於:由上位機、NUSB中控系統、 噴頭控制板卡陣列組成，NUSB中控系統工作在上位機與噴頭控制板卡陣列之間。
2.根據權利要求1所述一種陣列式精密噴印設備的噴印控制系統，其特徵在於:主板 上有一個千兆網口，通過千兆網口與上位機進行連接通信，有10-30個USB 口，通過USB 口 與噴頭控制板卡進行連接通信，安裝有一個運動控制卡，NUSB中控系統從上位機接收運動 控制操作幀，從幀數據中取出運動控制卡的控制參數，送到運動控制卡，由運動控制卡按參 數要求發出脈衝，控制設備的運動。
3.根據權利要求1所述一種陣列式精密噴印設備的噴印控制系統，其特徵在於:具有 設備狀態管理協議，通過與上位機、噴頭控制板卡進行狀態管理數據幀的交換通信，進行設 備狀態的一致性管理，狀態管理數據幀具有說明書中所定義的狀態管理數據幀協議格式。
4.根據權利要求1所述一種陣列式精密噴印設備的噴印控制系統，其特徵在於:噴頭 控制板卡由FPGA主控部分與DSP定位部分組成，FPGA主控部分與DSP定位部分通過共享 緩存進行數據交換。
專利摘要本實用新型涉及一種陣列式精密噴印設備的噴印控制系統，設計噴印的數據傳輸及控制協議、採用所述協議的噴印控制系統，解決2-120個噴頭組成的噴頭陣列的噴印作業生成、數據快速傳輸、任務分發與協同、精準同步噴印的問題，適用於PCB高速噴印、陶瓷印花、EL冷光板印製等領域。基於三層硬體架構上位機、NUSB中控系統、噴頭控制板卡陣列，設計噴印數據結構、通信及控制協議，噴印作業調度算法，噴印作業由噴印點火數據、計劃方案指令、臨時方案指令組成，系統按計劃方案或臨時方案調度噴印作業；上位機生成作業數據與指令，NUSB進行解析指令、管理作業、分發任務、控制執行並統計，噴頭控制板卡執行噴印任務。
文檔編號B41J29/393GK203157398SQ201220531989
公開日2013年8月28日 申請日期2012年10月17日 優先權日2012年10月17日
發明者廖永紅, 劉華珠, 宋瑞, 胡振華 申請人:東莞凱佳智芯電子科技有限公司