自學習熱轉印機控制系統設計
文/陸瑤成
摘要：基于提高熱轉印熱轉印質量和效率的目的，對熱轉印機工作原理進行探討，并分析影響熱轉印效果的因素，設計了可變參數的自學習熱轉印機控制系統。通過對比實驗，驗證該控制系統能使轉印成功率達到98%，轉印效率是手工轉印的2.94倍，是固定參數熱轉印機的1.76倍。
關鍵詞：熱轉印機；自學習；最優參數；控制系統
熱轉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移印刷到被轉印體。由兩部分配合完成印刷，一部分是預先印有圖案的標紙，即轉印紙，另一部分是有一定溫度的壓頭。通過壓頭把轉印紙壓緊在被印刷物體的表面來完成轉印工作。該技術成像好，防水防刮，制作速率快。隨著熱轉印機的普及和質量好、形式多的轉印紙的批量生產，轉印成本大大降低。由于操作者對于與轉印效果直接相關的轉印溫度、壓緊時間、壓緊力等因素很難把握，轉印質量不高。筆者正是基于對影響因素的討論，設計自學習的最優參數熱轉印控制系統。
1 熱轉印機工作原理
工作流程：將印刷物3放在靜壓頭2上，根據田字光標指示完成定位；氣缸9推動動壓頭6前進，轉印紙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驅動主動輪1旋轉拖動轉印紙帶到達新的轉印工位。
由于不同廠商生產的轉印紙性能參數各異，每更換一種轉印紙都需要轉印工藝跟著改變。文獻和實驗證明，對于給定的轉印紙，轉印溫度T，壓緊時間t，壓緊力F是影響熱轉印質量的三大工藝因素。轉印溫度過低，轉印材料與載體不易分離，造成印刷圖案不完整。轉印溫度過高，轉印材料部分融化，轉印圖案模糊、變形。壓緊時間不夠，轉印材料導熱不充分，同樣造成印刷圖案不完整。轉印時間過長，一方面造成過分加熱，使圖案模糊，另一方面降低了生產效率。壓緊力過小，有時會造成轉印不充分。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。以往的手工轉印是靠工人手持熨斗式壓頭把轉印紙壓在物體表面一段時間，揭開載體薄膜完成一次轉印任務，三大工藝因素全靠工人的經驗，印刷質量顯然難以控制。后來出現的轉印機能夠替代工人完成自動轉印工作，因為三大因素固定不變而只能轉印專用的轉印紙。因此需要設計一款控制系統能夠隨著轉印紙的改變而輸出相應的最優控制參數。
圖1 系統原理圖
2 自學習控制方法
通過自學習的方法可以獲得各種轉印紙的最優工藝參數（轉印溫度T，壓緊時間t，壓緊力F）。按下自學習鍵進入系統的“自學習”狀態，此時數碼管顯示當前紙號i，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節模式，通過清零鍵和進紙鍵來設定當前溫度Ti；按光標鍵進入時間調節模式，通過運行鍵，進紙一個工位，壓頭壓下，啟動內部計時器ti，按自學習鍵，壓頭抬起。微控制器保存當前的電機步數、壓頭溫度、內部計時器數據和轉印紙號。若得到滿意的轉印效果，則自學習完成，若不滿意，則重復上述過程。上述自學習過程可以把n組數據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印紙的種類，自動查表獲得最佳的轉印參數，驅動執行器即可達到最優控制。當某種轉印紙被淘汰或者有更多的新品轉印紙出現時，亦可以通過“自學習”功能修改相應組的參數。
當目標參數（Ti，ti，Fi）確定之后，就是如何實現目標參數的要求。Ti的實現是本設計的關鍵，為了使溫度達到設定值，必須采取閉環控制的方法。本控制系統采取經典PID控制算法，以設定值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（此系數一經確定不再改變），來進行閉環控制。ti的實現可以通過軟件延時或者定時器中斷的方式，為了降低系統負擔，設計采用定時器中斷的方式。Fi的實現是通過步進電機驅動調壓螺母到達指定位置處，給調壓彈簧確定的預緊力。為了簡化機械部件的復雜度，步進電機采用開環控制方式。
3 電路設計
電路設計需要完成如下的功能，直流電機驅動，紙帶位置檢測，步進電機驅動，氣缸電磁閥驅動，熱電阻驅動，印刷物定位光標驅動，氣缸0位檢測，溫度采集，鍵盤，數碼管顯示，通訊。其中直流電機驅動、步進電機驅動、氣缸電磁閥驅動、印刷件定位光標驅動合稱為驅動模塊，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、數碼管顯示合稱為人機交互模塊。系統硬件框圖如圖2所示。
圖2 系統硬件框圖
3.1 微控制器（MCU）
根據控制要求，微處理器的控制任務量不大，用8位單片機可以達到處理速度與使用經濟性的綜合要求。本控制系統采用美國新華龍公司的8位單片機C8051F340。該單片機采用51內核，外設一路10位模數轉換器，兩路UART串口，內部集成128字節的RAM和64k的flash程序存儲器，2個8位和3個16位定時器。程序存儲區可以在線讀寫和擦除，便于“自學習”參數的自動存儲。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
熱敏電阻RS與電阻R1形成分壓，當位于靜壓頭內部的熱敏電阻RS的阻值隨著內膽溫度變化而變化時，則傳輸給微處理器的電壓值也相應地變化。因此，轉印溫度與傳輸給MCU的電壓值一一對應，MCU通過A/D采樣端口采集信號，根據不同的A/D轉換得到當前溫度值，與目標值比較作為PID控制的差值。
3.3 步進電機驅動
步進電機工作需要一定頻率和電壓的脈沖。本設計采用美國SGS-THOMSON公司的L297芯片來進行脈沖分配。步進電機驅動電路如圖4所示。L297是一種硬件環分集成芯片，它可以產生4相驅動信號。采用意法公司的L6203芯片來進行功率放大，額定驅動電流可以達到5A。本系統采用兩相步進電機，驅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。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速。細分控制可以使得步進電機驅動更平滑，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。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。
圖4 步進電機驅動電路
3.4 人機交互模塊
人機交互面極如圖5所示。采用數碼管顯示，簡約可靠。顯示內容包括轉印件數和當前溫度。自學習時顯示已存儲的參數值以及當前操作狀態。按鍵共5個，置零鍵，走紙鍵，光標鍵，運行鍵和自學習鍵。自學習狀態時置零鍵實現參數增，進紙鍵實現參數減，光標實現模式切換，運行鍵實現運行。非自學習狀態時清零鍵用來清除記錄的轉印件數，重新計數。光標鍵用于開關滅光標。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印。運行鍵自學習鍵位于面板側面。
圖5 人機交互面板
4 軟件設計
軟件采用模塊化設計，有以下功能模塊，溫度控制、壓緊力控制、時間控制、按鍵響應、數碼顯示、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、按鍵響應模塊、數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中完成，通訊在串口中斷中完成。主程序流程圖如圖6所示。
圖6 主程序流程圖
5 實驗驗證
本系統實驗前已經通過“自學習”獲得了最優控制參數。對照組是手工轉印組，固定參數轉印組。使用相同面料的襪子，轉印紙是手工組經常使用而固定參數組未使用過的。每組實驗100件。
從表1可以看出，自學習熱轉印機轉印成功率達到了98%，效率是手工方式的2.94倍，是固定參數的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，固定參數熱轉印機印刷效果也不理想，圖9是固定參數熱轉印機使用專用轉印紙的效果。圖10可以看到自學習轉印的效果比較好。
表1 生產對照表
| 實驗組別 |
合格率/件 |
不合格數/件 |
用時/min |
手工組 |
91 |
9 |
50 |
固定參數組 |
70 |
30 |
30 |
自學習組 |
98 |
2 |
17 |
圖7 手工轉印結果
圖8 固定參數熱轉印結果
圖9 固定參數熱轉移結果2
圖10 自學習轉印結果
6 結論
通過設計自學習的熱轉印機控制系統，較好的實現不同轉印紙的自由更換，轉印效果明顯提高。同時，合理的軟硬件設計使得系統工作更加流暢，穩定，生產效率大大提高。簡約的人際交互，簡化了操作。實踐證明，本系統較好的滿足了生產的要求。
