潘艷橋，陳新元，曾良才

(1．武漢科技大學(xué)冶金裝備及控制教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，湖北 武漢 430081；2．武漢科技大學(xué)機(jī)械傳動與制造工程湖北省重點(diǎn)試驗(yàn)室，湖北 武漢 430081)

0　引言

電流體噴印(electrohydrodynamic printing,EHDP)[1]具有打印精度高(微納米級)、材料適用范圍廣(1～10 000 mPa·s)等特點(diǎn)，在印刷電子[2-3]、生物醫(yī)藥[4]以及傳感器[5-8]等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。由于自動化程度不高、打印效率低以及適應(yīng)性不強(qiáng)等問題，電流體噴印未能得到工業(yè)應(yīng)用。自動化程度不高主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。首先，平臺各模塊之間缺少交互和反饋。其次，圖案的適應(yīng)性不足，只能打印一些簡單圖案，比如點(diǎn)陣、線陣和薄膜[9]。為提高電流體噴印平臺圖案打印的兼容性和多樣性，實(shí)現(xiàn)從位圖輸入到基底圖案的自動化打印，本文提出了一種以圖像解析為基礎(chǔ)，基于控制卡調(diào)控工作電壓、氣壓和運(yùn)動參數(shù)的自動化按需噴印方法，設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了面向該自動化電流體噴印平臺的控制系統(tǒng)。

1　自動化按需電流體噴印控制方法

自動化按需噴印控制方法是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的前提。本節(jié)從工藝原理和自動化電流體噴印的控制策略這兩個(gè)方面進(jìn)行介紹。

1.1　電流體噴印工藝原理

電流體噴印利用高壓電場誘導(dǎo)噴嘴處的懸滴發(fā)生流變，形成泰勒錐后產(chǎn)生射流噴射，在基底上沉積后形成圖案，具有分辨率高、材料適應(yīng)性廣、噴嘴不易堵等優(yōu)點(diǎn)。電流體噴印平臺通常包括高壓電源、噴嘴和基板等組件，其工藝原理如圖1所示。

圖1　電流體噴印工藝原理圖

溶液供給噴嘴末端，形成初始懸滴。向噴嘴與基板之間施加高壓電場，此時(shí)懸滴的形狀由重力、表面張力和電場力共同確定[10]。當(dāng)電壓較小時(shí)，懸滴在場致流變作用下會逐漸形成彎月面；當(dāng)電壓達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí)，彎月面頂端液體所受的電場力與表面張力的平衡被打破，液滴從泰勒錐尖端射出，形成射流[11]。受溶液參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)的影響，電流體噴印射流具有多種形態(tài)[12]，可實(shí)現(xiàn)電噴印[13-14]、電紡絲[15-16]和電噴霧[17-18]這三種打印形式。當(dāng)前，這三種打印形式可分別制備出直徑為200 nm的液滴[13]、直徑為50 nm的纖維[13]和厚度為20 nm的薄膜[19]。

1.2　自動化按需電流體噴印的控制策略

從工藝原理可知，電流體噴印開啟的條件是有足夠的流量和電場強(qiáng)度的輸入[20]。而要實(shí)現(xiàn)自動化噴印，需先建立輸入圖案與基板上待噴射液滴之間的映射，然后通過控制基板移動到每一個(gè)待打印點(diǎn)以及噴嘴進(jìn)行噴印。本文以圖案解析為基礎(chǔ)，基于數(shù)字運(yùn)動控制卡協(xié)調(diào)控制運(yùn)動、氣壓和電壓參數(shù)的自動化電流體噴印控制策略，實(shí)現(xiàn)了從位圖輸入到基底圖案成形的全自動化。自動化電流體噴印原理如圖2所示。

圖2　自動化電流體噴印原理圖

為實(shí)現(xiàn)從“位圖輸入”到“圖案成形”，首先，通過計(jì)算機(jī)將所輸入的圖案解析出待打印點(diǎn)的位置坐標(biāo)序列，并傳遞給運(yùn)動控制卡，進(jìn)而分解成各電機(jī)軸的路徑文件；然后，借助運(yùn)動控制卡進(jìn)行參數(shù)調(diào)控，使噴嘴能在要求的時(shí)間和位置打印目標(biāo)液滴。 控制策略具體說明如下。

①圖像解析對輸入的位圖進(jìn)行圖像處理，得到圖案中待打印點(diǎn)的位置坐標(biāo)信息。圖像解析通常包括灰度變換、圖像二值化、圖像插值、圖像光柵化處理等過程?；叶茸儞Q指的是將彩色的圖片變成黑白的、帶有不同灰度的圖。圖像二值化是對一幅灰度圖像進(jìn)行閾值處理，將高于某一灰階閾值的像素點(diǎn)顯示為白色，其余顯示為黑色。其目的是進(jìn)一步提取重要特征信息。利用圖像插值算法，將低分辨率的位圖加密成高分辨率的位圖。實(shí)際上，圖像插值就是利用已知鄰近像素點(diǎn)的灰度值來產(chǎn)生未知像素點(diǎn)的灰度值，以便原始圖像生成更高分辨率的圖像。

②基于運(yùn)動控制卡的參數(shù)協(xié)調(diào)控制，是指在打印的過程中，對平臺的實(shí)時(shí)運(yùn)動狀態(tài)、氣壓輸入狀態(tài)、電壓的供給參數(shù)按特定時(shí)序進(jìn)行控制。打印開始時(shí)，初始化并設(shè)定合適的工藝參數(shù)來控制噴嘴處彎月面。然后，運(yùn)動平臺根據(jù)圖形解析所得的位置信息，運(yùn)動到第一個(gè)待打印點(diǎn)處。接著，控制噴嘴端的輸出電壓使噴嘴打印第一個(gè)點(diǎn)。在該點(diǎn)打印完成后，切斷噴嘴端的電壓輸出信號，平臺運(yùn)動到第二個(gè)待打印點(diǎn)處。運(yùn)動停止后，重新施加電壓輸出信號，使噴嘴打印第二點(diǎn)。依次類推，直至打印結(jié)束。

噴印平臺打印圖案時(shí)，工藝過程分為圖案輸入/解析、圖案打印和工位移動三個(gè)階段，可簡化為噴嘴相對目標(biāo)襯底的移動、噴印、再相對移動、再打印的循環(huán)過程。自動化電流體噴印控制流程如圖3所示。

圖3　自動化電流體噴印流程圖

2　控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

上一節(jié)提出了自動化電流體按需噴印控制策略。本節(jié)面向電流體噴印平臺，設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了能使噴嘴進(jìn)行自動化電流體噴印的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)的硬件部分用于執(zhí)行軟件部分所要求的各種操作指令，為整個(gè)控制系統(tǒng)提供了良好的保障；軟件部分作為控制系統(tǒng)的靈魂，需要將控制策略轉(zhuǎn)變成一系列控制指令序列，使整個(gè)平臺有序工作。

2.1　控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)電流體噴印平臺的自動化按需噴印，所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)采用“計(jì)算機(jī)嵌入網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)(network computer,NC)”型開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即工控機(jī)(工業(yè)計(jì)算機(jī))結(jié)合數(shù)字運(yùn)動控制卡的方式。

工控機(jī)作為上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、各模塊管控協(xié)調(diào)、視覺圖像處理以及運(yùn)動指令發(fā)送。運(yùn)動控制卡作為下位機(jī)，接收上位機(jī)的調(diào)度指令，實(shí)現(xiàn)各個(gè)運(yùn)動軸按照設(shè)定的軌跡運(yùn)動。通過I/O端口的電壓/電流信號輸出，運(yùn)動控制卡協(xié)助上位機(jī)控制能被觸發(fā)信號控制的部件，如典型的函數(shù)信號發(fā)生器、精密流量泵、電氣比例閥等。工控機(jī)與運(yùn)動控制卡通過外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn)(perpheral component interconnect,PCI)總線通信，通過以太網(wǎng)與工業(yè)相機(jī)通信。工控機(jī)采用研華的工控機(jī)，運(yùn)動控制卡采用Turbo I型可編程多軸運(yùn)動控制器(programmable multi-axes controller,PMAC)[21]，基板運(yùn)動平臺采用Parker公司的無鐵芯直線410系列直線電機(jī)和驅(qū)動器，噴嘴運(yùn)動平臺采用安川第五代SGMJV伺服電機(jī)和驅(qū)動器。具體的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2　控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為使電流體噴印平臺穩(wěn)定、可靠且易于擴(kuò)展，控制系統(tǒng)軟件采用VC++的編譯環(huán)境，可保證功能性以及美觀性。根據(jù)自動化噴印控制策略所需要完成的流程，軟件系統(tǒng)主要包括三個(gè)模塊：①上位機(jī)，建立人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)參數(shù)輸入、系統(tǒng)設(shè)置等功能；②驅(qū)動程序，在上位機(jī)和下位機(jī)之間建立通信；③運(yùn)動控制程序，通過對PMAC運(yùn)動控制卡編程，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的伺服控制和順序控制，以及機(jī)械平臺的運(yùn)動和邏輯控制等功能。通過對控制系統(tǒng)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與底層控制程序、各工藝參數(shù)控制模塊之間的快速數(shù)據(jù)傳遞。

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)通過控制電氣比例閥的狀態(tài)來控制氣壓的輸入；通過對函數(shù)信號發(fā)生器的輸出狀態(tài)進(jìn)行通斷控制，以實(shí)現(xiàn)對噴嘴電壓輸入狀態(tài)的調(diào)控。具體實(shí)現(xiàn)過程如下。

首先，PMAC卡將目標(biāo)點(diǎn)位坐標(biāo)序列編譯成位置坐標(biāo)指令，并向直線電機(jī)發(fā)送位置坐標(biāo)指令，以實(shí)現(xiàn)平臺的運(yùn)動路徑控制。然后，通過PMAC主卡上的控制時(shí)鐘以及通道、I/O等模擬和開關(guān)量控制，調(diào)控氣壓、電壓參數(shù)?？刂茪鈮耗軌?qū)崿F(xiàn)噴嘴末端彎月面形狀的精確調(diào)控。本系統(tǒng)中，借助控制卡通道來控制ITV0010系列電氣比例閥的氣壓輸出，并能實(shí)現(xiàn)0.2～1 kPa范圍內(nèi)(精度0.1 kPa)的恒定氣壓輸出。控制噴嘴的電壓主要是為了實(shí)現(xiàn)噴嘴打印狀態(tài)的切換，即控制其在特定的時(shí)刻進(jìn)行噴印。高電壓的生成通過函數(shù)信號發(fā)生器組合高壓放大器實(shí)現(xiàn)。高壓放大器將函數(shù)信號發(fā)生器生成的波形信號放大1 000倍后，輸出至噴嘴。因此，通過PMAC卡的I/O信號接通或屏蔽函數(shù)信號發(fā)生器向脈沖放大器的輸出，即可實(shí)現(xiàn)噴嘴高電壓的通斷控制。通過O口輸出電平信號至信號發(fā)生器的外部觸發(fā)口。若輸出信號大于3.5 V，能屏蔽函數(shù)發(fā)生器信號的輸出。若輸出電壓小于3.5 V，函數(shù)發(fā)生器能正常輸出脈沖信號。

2.3　試驗(yàn)驗(yàn)證

本文通過噴印試驗(yàn)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的可行性，試驗(yàn)步驟如下。

①平臺初始化，設(shè)置溶液參數(shù)和工藝參數(shù)，向墨盒中注入標(biāo)準(zhǔn)的電流體噴印測試溶液乙二醇水溶液(體積比1∶1)，并且設(shè)置墨盒末端的氣壓(約為0.8 kPa)以及噴嘴能夠進(jìn)行噴印的電壓工藝參數(shù)(偏置1.2 kV、幅值0.2 kV、噴嘴距離基板1 mm、占空比5%、頻率1 Hz)。

②向平臺的工控機(jī)輸入字母“H”的BMP位圖文件，工控機(jī)通過解析算法將圖案解析成各電機(jī)軸的運(yùn)動坐標(biāo)序列。

③點(diǎn)擊開始打印按鈕，使平臺開始按照設(shè)定進(jìn)行工作。試驗(yàn)中，設(shè)備初始運(yùn)行到原點(diǎn)，然后移動到第一個(gè)待打印點(diǎn)處，開始自動地逐行掃描并打印，直至最后一個(gè)待打印點(diǎn)打印結(jié)束。在打印的過程中，平臺能夠?qū)崿F(xiàn)輸入圖案的自動打印。這表明所搭建的自動化按需電流體噴印的控制系統(tǒng)是可行的。

3　結(jié)束語

本文針對電流體噴印平臺打印兼容性和效率不足的問題，提出了一種基于圖像解析和運(yùn)動控制卡調(diào)控的控制策略，設(shè)計(jì)了一套能實(shí)現(xiàn)自動化按需電流體噴印的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)以PMAC數(shù)字運(yùn)動控制卡為控制核心，以工控機(jī)為上位機(jī)，并選擇VC++作為用戶界面軟件的開發(fā)環(huán)境。試驗(yàn)證明，所提出的自動化噴印方法能穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)自動化噴印。本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了圖案的自動化打印成形，有效提高了電流體噴印平臺的應(yīng)用拓展性，具有實(shí)用價(jià)值，為印刷電子、大規(guī)模傳感器制備、生物醫(yī)藥領(lǐng)域的研究發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

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