魏茂春，魏惠琴

(1．廈門(mén)海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，福建 廈門(mén) 361012； 2．福建柏狼服裝科技有限公司，福建 泉州 362000)

服裝噴墨繪圖儀是超寬幅面的噴墨打印機(jī)，幅寬一般為1.6～2.4 m，能將服裝CAD設(shè)計(jì)的圖樣按1∶1的比例輸出紙樣，減少設(shè)計(jì)人員的手工繪圖量，是服裝CAD軟件常用的輸出設(shè)備.前幾年,中國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上筆式繪圖儀占據(jù)主導(dǎo)地位.筆式繪圖儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、使用方便、耗材成本(繪圖筆)低，但繪圖速度慢、噪音大、對(duì)紙張的厚度和柔韌度要求高(要求往復(fù)走紙).噴墨繪圖儀具有速度快(雙噴頭可達(dá)到100 m2/h)、噪音低(小于60 dB)、打印圖像精美、對(duì)繪圖介質(zhì)要求低(只要求單方向走紙)等優(yōu)點(diǎn).隨著噴墨繪圖儀制造技術(shù)的不斷成熟，造價(jià)和耗材費(fèi)用不斷下降，它已經(jīng)逐漸開(kāi)始取代筆式繪圖儀，成為服裝CAD圖樣的主要輸出設(shè)備.

1 服裝噴墨繪圖儀主要結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為服裝噴墨繪圖儀示意圖,主要結(jié)構(gòu)及工作原理如下.

1.1 主要結(jié)構(gòu)

該款服裝噴墨繪圖儀主要組成結(jié)構(gòu)如下:

(1)控制系統(tǒng);

(2)X軸(墨盒總成小車)傳動(dòng)系統(tǒng);

(3)Y軸(繪圖介質(zhì))傳動(dòng)系統(tǒng);

(4)卷紙軸收放紙系統(tǒng);

(5)底座.

圖1 服裝噴墨繪圖儀示意圖Fig.1 The structure sketch map of apparel ink-jet plotter

1.2 工作原理

上位機(jī)將繪制好的服裝平面二維圖形矢量文件傳送至主控制器，主控制器將接收到的文件處理成噴繪的點(diǎn)陣文件，而后發(fā)送至噴繪控制器，噴繪控制器控制X軸伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)墨盒總成小車左右運(yùn)動(dòng)，并控制噴頭噴印.Y軸電機(jī)通過(guò)主傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)鋼刺滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，繪圖介質(zhì)在鋼刺滾輪和壓紙輪的夾緊力作用下向前運(yùn)動(dòng)，從而噴印生成二維平面圖形.

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)如圖2所示.整個(gè)系統(tǒng)的基本工作流程如下：

圖2 控制系統(tǒng)流程Fig.2 The flow chart of control system

通過(guò)操作面板輸出此次打印的具體參數(shù)，上位機(jī)將Plot圖形矢量文件傳送至主控制器，主控制器接收到一定大小的文件后開(kāi)始處理數(shù)據(jù)，將矢量文件轉(zhuǎn)換為下次需要噴繪的點(diǎn)陣文件，在確定此次點(diǎn)陣中所有填充點(diǎn)都已填充后，此點(diǎn)陣文件即可打印.

主控制器將點(diǎn)陣文件按照一定格式進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，在接收到噴繪控制器準(zhǔn)備就緒的指令后發(fā)送至噴繪控制器，發(fā)送結(jié)束后，主控制器繼續(xù)接收上位機(jī)發(fā)送的Plot文件，繼續(xù)進(jìn)行點(diǎn)陣轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)壓縮.

噴繪控制器接收到主控制器的壓縮文件后進(jìn)行解壓縮，存儲(chǔ)至固定的輸出緩沖區(qū)，即可開(kāi)始打印，它在驅(qū)動(dòng)墨盒小車移動(dòng)時(shí)，根據(jù)光柵反饋回的位置信號(hào)與此次打印的點(diǎn)陣文件確定此位置需要工作的噴嘴數(shù)量.當(dāng)小車移動(dòng)到X方向末端時(shí)，也即此次打印結(jié)束時(shí)，噴繪控制器向主控制器發(fā)送指令，申請(qǐng)接收下次打印數(shù)據(jù).主控制器接收到申請(qǐng)指令后，將剛才噴繪控制器驅(qū)動(dòng)打印時(shí)接收處理的數(shù)據(jù)發(fā)送至噴繪控制器,噴繪控制器接收數(shù)據(jù)后即可實(shí)現(xiàn)循環(huán)不間斷打印.

當(dāng)主控制器不再接收到上位機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)，說(shuō)明已將現(xiàn)有接收到的數(shù)據(jù)全部處理完成并發(fā)送至噴繪控制器，此次打印完成[1].

2.2 主控制器處理圖形矢量的數(shù)學(xué)計(jì)算過(guò)程

主控制器對(duì)于Plot圖形矢量文件的處理過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算過(guò)程，以下以一條矢量線段為例說(shuō)明該計(jì)算過(guò)程,如圖3所示.

設(shè)接收到上位機(jī)矢量線段(X0,Y0)(X1,Y1).此線段起始點(diǎn)位于點(diǎn)陣A中，終點(diǎn)在點(diǎn)陣A和點(diǎn)陣B以外.線段的起始點(diǎn)(X0,Y0)與點(diǎn)陣A的邊界交點(diǎn)(X,Y)組成的線段(X0,Y0)(X,Y)在點(diǎn)陣A中，交點(diǎn)(X,Y)的X坐標(biāo)為已知，故可以根據(jù)X算出Y：

圖3 主控制器矢量線段處理原理圖Fig.3 The principle chart of the main controller deal with vector

(1)

計(jì)算出(X,Y)坐標(biāo)后將點(diǎn)陣A以外的線段(X,Y)(X1,Y1)存儲(chǔ)在緩沖區(qū)，即可填充線段(X0,Y0)(X,Y)在點(diǎn)陣A中的對(duì)應(yīng)點(diǎn).因?yàn)榫€段坐標(biāo)與點(diǎn)陣坐標(biāo)一一對(duì)應(yīng)，所以要考慮線段的斜率.斜率的絕對(duì)值以1為分界點(diǎn)，如圖3所示，如果絕對(duì)值小于1，Y方向填充點(diǎn)數(shù)要多于X方向填充點(diǎn)數(shù)，此時(shí)需要以Y坐標(biāo)作為基準(zhǔn)計(jì)算出點(diǎn)陣中打印點(diǎn)對(duì)應(yīng)的X坐標(biāo)，即:

(x0,y0)=(X0,Y0)

(2)

(x1,y1)=(x1,(y0+1))

(3)

(x2,y2)=(x2,(y0+2))

(4)

(5)

(6)

公式(6)中計(jì)算出的xn未必是整數(shù)，需要對(duì)其進(jìn)行判斷，舍棄小數(shù)部分，取與其接近的整數(shù)，這樣就可以確定線段對(duì)應(yīng)點(diǎn)陣中具體點(diǎn).確定后在內(nèi)存中根據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)位置，對(duì)該位寫(xiě)1，其他線段處理過(guò)程同理.當(dāng)所有在點(diǎn)陣A內(nèi)的線段都處理結(jié)束時(shí)，點(diǎn)陣A就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮發(fā)送至噴繪控制器進(jìn)行打印了.點(diǎn)陣A處理結(jié)束，再?gòu)臄?shù)據(jù)緩沖區(qū)取出剛才被截去點(diǎn)陣A中的剩余線段如圖3中的線段(X,Y)(X1,Y1)，繼續(xù)進(jìn)行點(diǎn)陣B的填充.

2.3 主控制器對(duì)點(diǎn)陣文件數(shù)據(jù)壓縮方法

主控制器傳輸?shù)狞c(diǎn)陣文件數(shù)據(jù)量較大，必須進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮以提高傳輸效率.根據(jù)對(duì)服裝行業(yè)圖紙的研究，發(fā)現(xiàn)圖形基本填充率很低，實(shí)際上發(fā)送的點(diǎn)陣文件中，絕大部分都是空白的，不需要打印，此時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮就顯得很有必要.例如：150 dpi雙噴頭幅寬2 m的繪圖儀，每幀數(shù)據(jù)

如此大的數(shù)據(jù)量，通過(guò)串口SPI 傳輸，時(shí)間太長(zhǎng)，噴繪控制器將浪費(fèi)時(shí)間等待接收數(shù)據(jù)，直接導(dǎo)致噴頭打印過(guò)程中左右兩端的等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，影響打印速度.

鑒于點(diǎn)陣文件的特殊性，采用一種簡(jiǎn)單高效的壓縮方法：點(diǎn)陣文件在內(nèi)存中存儲(chǔ)時(shí)，按照縱向由上到下以字節(jié)形式存儲(chǔ)，如圖4所示.假設(shè)此點(diǎn)陣只有最左端與最右端一列都是1，其他都是0，那么在內(nèi)存中存儲(chǔ)時(shí)，根據(jù)內(nèi)存地址遞增數(shù)據(jù)為： 0xFF、0xFF、 0xFF、 0x00、 0x00……0x00、 0xFF、 0xFF、 0xFF,其中很多都是0x00，進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮時(shí)仍然從內(nèi)存中按地址遞增的順序以字節(jié)為單位讀取數(shù)據(jù).如果數(shù)據(jù)不是0x00，那么不做任何改變;如果是0x00，則在0x00的后面跟上 0xYY， 0xXY表示 0x00 的個(gè)數(shù)，例如 0x00、 0x01 表示只有1個(gè) 0x00.這樣,圖4中假設(shè)0x00共255*100=25 500個(gè)，壓縮后變成了： 0xFF、 0xFF、 0xFF、 0x00、 0xFF……0x00、 0xFF、 0xFF、 0xFF、 0xFF,中間只有100個(gè) “0x00、 0xFF”，數(shù)據(jù)大小幾乎壓縮為原來(lái)的2/255,這樣大大提高了傳輸速度，間接提升了繪圖儀的打印速度.

圖4 點(diǎn)陣文件壓縮前格式Fig.4 The format of uncompressed datum of lattice files

3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 X軸(墨盒總成小車)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主要組成：墨盒、墨盒架、噴繪控制器、墨盒信號(hào)控制線、X軸伺服電機(jī)、同步輪、傳動(dòng)同步帶、同步帶松緊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、光柵條、繪圖邊界限位光電傳感器.

3.1.1 X軸傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械誤差校正系統(tǒng)設(shè)計(jì)[2-3]

X軸傳動(dòng)系統(tǒng)由于傳動(dòng)同步輪、同步帶等機(jī)械傳動(dòng)的誤差，會(huì)出現(xiàn)噴印圖像重疊、分段連接處脫線等現(xiàn)象.為減小誤差，設(shè)計(jì)采用300 dpi光柵條及光電傳感器為X方向提供位置伺服，實(shí)現(xiàn)精確閉環(huán)控制.當(dāng)傳動(dòng)同步帶松弛時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)張緊機(jī)構(gòu)的張緊力來(lái)調(diào)節(jié)同步帶的松弛程度.

3.1.2 墨盒固定架設(shè)計(jì)

墨盒固定架是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵零部件之一.噴頭嵌在墨盒架中，噴頭的定位安裝精度要求非常高，主要指標(biāo)是噴頭與紙面的垂直度和多噴頭之間的平行度，如果精度達(dá)不到要求，就會(huì)影響噴印圖像的質(zhì)量.墨盒架與導(dǎo)軌小車要聯(lián)結(jié)牢固，安裝完成后噴頭面要與紙面平行、距離適中，因?yàn)榫嚯x過(guò)小容易刮紙，距離過(guò)大，噴印圖像質(zhì)量會(huì)下降.

3.2 Y軸(繪圖介質(zhì))傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[4]

主要組成：Y軸步進(jìn)電機(jī)、傳動(dòng)同步輪、鋼刺滾輪、壓紙輪、壓紙輪松緊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu).由于Y軸傳動(dòng)系統(tǒng)沒(méi)有提供誤差反饋裝置，傳動(dòng)準(zhǔn)確性完全依靠機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的精確度.

服裝噴墨繪圖儀最長(zhǎng)繪圖介質(zhì)長(zhǎng)度達(dá)到 30 m以上，而且要求很高的走紙精度和偏斜度誤差.因此,服裝噴墨繪圖儀主傳動(dòng)軸上的送紙器要采用高精度鋼刺滾輪，以提高對(duì)繪圖介質(zhì)的附著力，提高耐磨性，減少誤差.

3.3 卷紙軸收放紙系統(tǒng)設(shè)計(jì)

因?yàn)榉bCAD輸出的圖紙很長(zhǎng)，一般為 5～30 m，所以要設(shè)計(jì)收放紙系統(tǒng).卷紙軸收放紙系統(tǒng)采用發(fā)射接收式光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)繪圖介質(zhì)，當(dāng)繪圖介質(zhì)不夠時(shí)，控制放紙電機(jī)放紙.當(dāng)已繪完的圖紙超過(guò)一定距離時(shí)，控制收紙電機(jī)收紙.

4 服裝噴墨繪圖儀整機(jī)技術(shù)參數(shù)

噴頭數(shù)量: 1～4;

控制系統(tǒng): 伺服+步進(jìn);

最大進(jìn)紙寬度: 1.9 m, 2.1 m, 2.3 m;

最大繪圖寬度: 1.8 m, 2.0 m, 2.2 m;

最高繪圖速度: 42～160 m2/h;

分辨率: 150～600 dpi;

能否加墨: 能重復(fù)加墨;

語(yǔ)言格式: 兼容HPGL、DXF、DWG 格式;

接口類型: COM標(biāo)準(zhǔn)接口;

液晶顯示: 中文(英文);

坐標(biāo)原點(diǎn): 任意可調(diào);

定位方式: 光柵;

適用繪圖介質(zhì): 40～100 g;

電 源: 220 V;

功 耗: <250 W;

工作環(huán)境溫度: 0～40 ℃;

工作環(huán)境濕度: 5%～95%(無(wú)凝水).

5 結(jié)束語(yǔ)

服裝噴墨繪圖儀研制經(jīng)過(guò)兩年多的生產(chǎn)實(shí)踐，整機(jī)性能穩(wěn)定，走紙精度高，故障少；能兼容目前中國(guó)主流的服裝CAD軟件；光電收放紙系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)單、可靠實(shí)用，主要技術(shù)指標(biāo)接近國(guó)外先進(jìn)水平，已逐步替代進(jìn)口同類產(chǎn)品.它的應(yīng)用,能加快中國(guó)服裝CAD/CAM的推廣普及速度，提高服裝行業(yè)整體的生產(chǎn)技術(shù)水平和效率，進(jìn)一步增強(qiáng)服裝行業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力，使中國(guó)由服裝大國(guó)向服裝強(qiáng)國(guó)邁進(jìn).此外,隨著接口技術(shù)的改進(jìn)，繪圖儀能兼容國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的DXF、DWG、AAMA等格式的圖形，可廣泛應(yīng)用于機(jī)械、建筑、汽車、航天、船舶、家具家飾、箱包、皮革制品、制鞋等行業(yè)，市場(chǎng)前景廣闊.

參考文獻(xiàn):

[1] 李笑非，李小京.基于PowerPC Fsc823 的大型繪圖儀控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．儀器儀表用戶，2004(6)：27-28.

[2] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007:220-325.

[3] 戴彤焱.繪圖儀傳動(dòng)精度分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J]．黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005(4)：51-53.

[4] 魏茂春，楊永金，黃榕熙.服裝繪圖儀走紙系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2009,19(4)：27-29.