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(廣東正業(yè)科技股份有限公司，東莞 523808)

引 言

絲網(wǎng)印刷在印制電路板行業(yè)是一個傳統(tǒng)工藝，在進行絲印前需要制作網(wǎng)版，一般需要經(jīng)歷如下步驟：絲網(wǎng)選擇、網(wǎng)框選擇、拉網(wǎng)、洗網(wǎng)、涂布、干燥、曝光、顯影。絲網(wǎng)印刷雖在大批量生產(chǎn)上效率比較高，但也存在很多不足：對于精細化圖案印刷層次效果較差；不同圖案需要重新制作網(wǎng)版或更換網(wǎng)版，對于小批量或個性化印刷生產(chǎn)成本高，周期長；油墨消耗量大且存在污染；對線路板存在脹縮的情況適應(yīng)能力差，網(wǎng)版本身無法根據(jù)線路板脹縮情況進行調(diào)整，會導(dǎo)致圖案局部偏位，嚴重時油墨會印刷到焊盤上導(dǎo)致產(chǎn)品不良；智能化程度較低，不能實現(xiàn)個性化打印，如可變的序列號、二維碼等。

本文設(shè)計了一種基于ZYNQ-7000的數(shù)字化噴墨打印系統(tǒng)，用于解決絲網(wǎng)印刷的不足。系統(tǒng)采用ZYNQ-7000為核心控制平臺，相對于傳統(tǒng)的以單片機、FPGA、DSP為核心的平臺，提高了系統(tǒng)的集成度，大大節(jié)約了系統(tǒng)面積，降低了成本，增強了系統(tǒng)穩(wěn)定性，外加ZYNQ-7000配備了雙核ARM Cortex-A9處理器，其噴墨速度快，易于維護。

1 系統(tǒng)總體方案

設(shè)計采用Xilinx公司推出的ZYNQ-7000微處理器作為主控制器負責整個數(shù)控系統(tǒng)的任務(wù)管理與調(diào)度。PC首先將設(shè)計圖紙轉(zhuǎn)換為二進制位圖數(shù)據(jù)，然后通過千兆以太網(wǎng)傳送到ZYNQ-7000控制器，控制器將接收的數(shù)據(jù)進行解析和變換，其中噴印數(shù)據(jù)發(fā)送到噴頭驅(qū)動模塊進行噴墨控制，運動控制信息發(fā)送到MCX314進行運動控制。噴印數(shù)據(jù)與運動控制通過光柵尺信號進行同步，即將坐標與數(shù)據(jù)進行同步，噴印啟動后開啟UV燈，將噴出的油墨進行快速固化，最終將圖像打印到印制電路板上。系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案

2 系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計

字符噴印系統(tǒng)應(yīng)用于印制電路板加工現(xiàn)場，使用環(huán)境比較復(fù)雜，需要充分考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。其中，可靠的硬件系統(tǒng)是軟件系統(tǒng)運行的物理基礎(chǔ)，關(guān)系著整個噴印控制系統(tǒng)性能的好壞，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，ZYNQ-7020集成了1路千兆網(wǎng)口、DDR控制器、FPGA邏輯單元、NEON高性能媒體引擎，非常適合工業(yè)應(yīng)用。

2.1 ZYNQ-7020控制模塊

Xilinx Zynq-7020 集成兩個主頻高達1 GHz的ARM Cortex-A9內(nèi)核和FPGA，即內(nèi)部包含兩大功能模塊：處理系統(tǒng)(Processing System，PS) 和可編程邏輯(Progarmmable Logic，PL)。每個內(nèi)核都配有NEON高性能媒體引擎進行浮點運算，可用于數(shù)學運算或者視頻編碼或解碼。PS配有AMBA開放總線互聯(lián)端口，可以通過 AXI 片內(nèi)高速總線互聯(lián)與PL 通信，帶寬速度高達100 Gbps。PS帶有DDR內(nèi)存控制器硬核，支持最大1 GB地址空間，支持DDR3、DDR3L、DDR2 等多種內(nèi)存，適合用作系統(tǒng)的高速存儲。ZYNQ通過網(wǎng)絡(luò)接口接收PC的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)分類解析為配置參數(shù)、噴印數(shù)據(jù)、噴印坐標信息。

(1)配置參數(shù)

噴頭初始化：PS通過AXI-GPIO總線將配置參數(shù)發(fā)送到噴頭控制器，設(shè)定噴頭各通道工作電壓、工作溫度。

運動控制器初始化：PS通過AXI總線控制MCX314，將X軸、Y軸、Z軸電機歸零，設(shè)定電機運行速度、加速度、插補方式。

UV燈初始化：PS通過EMIO總線配置UV燈控制器，設(shè)定工作電壓。

(2)噴印數(shù)據(jù)

ZYNQ的PS部分根據(jù)實際印制電路板Mark點坐標對圖像數(shù)據(jù)進行處理，處理完成后的數(shù)據(jù)發(fā)送到噴頭驅(qū)動模塊，數(shù)據(jù)流程圖如圖3所示。

(3)噴印坐標信息

ZYNQ的PS部分根據(jù)位圖坐標信息和Mark點坐標計算出圖元的絕對坐標，將坐標信息發(fā)送到MCX314，完成定位。

2.2 MCX314運動控制模塊

MCX314是一個基于DSP的4軸運動控制的集成電路。通過這個集成電路可以控制由步進電機驅(qū)動器或由脈沖型伺服電機驅(qū)動4軸的位置、速度和插補。MCX314所有功能都是由特定的寄存器控制的，例如命令寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器和配置寄存器等。PS通過AXI總線控制與訪問PL內(nèi)部的運動控制器模塊，PL與MCX314接口電路圖如圖4所示。

圖4 PL與MCX314接口電路

圖3 數(shù)據(jù)流程圖

在實際應(yīng)用中用到了其中的3軸(X軸、Y軸、Z軸)，X軸用于驅(qū)動噴頭橫向移動，Y軸用于驅(qū)動平臺縱向移動，Z軸用于驅(qū)動噴頭上下移動。因控制精度要求在0.02 mm以內(nèi)，選用恒速控制，該功能允許在不同插補進行轉(zhuǎn)換時保持運動速度不變，另外對X軸和Y軸進行直線插補，直線插補流程如圖5所示。電機選用三菱HG-MR13B,對應(yīng)的驅(qū)動器選三菱MR-J4系列。

圖5 直線插補流程

2.3 噴頭驅(qū)動模塊

噴頭驅(qū)動模塊由PL部分的噴頭控制器和硬件電路兩部分組成，本設(shè)計采用日本柯尼卡公司生產(chǎn)的壓電式按需供墨KM1024噴頭，單個噴頭打印寬度為72 mm，分辨率為360 dpi，噴嘴數(shù)量為1024個，發(fā)射頻率最大為12.8 kHz。本設(shè)計使用4個噴頭，增加了一次打印幅面寬度，提升了打印效率，其噴頭排列結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 噴頭排列結(jié)構(gòu)

(1)噴頭控制器設(shè)計

噴頭控制器由PL部分采用邏輯門實現(xiàn)，產(chǎn)生驅(qū)動噴頭的時序和將噴印數(shù)據(jù)發(fā)送到噴頭。噴頭驅(qū)動時序如圖7所示，數(shù)據(jù)傳輸時序如圖8所示。

圖7 噴頭驅(qū)動時序

圖8 數(shù)據(jù)傳輸時序

(2)噴頭驅(qū)動電路設(shè)計

噴頭驅(qū)動電路用于給噴頭提供電源啟動順序，調(diào)節(jié)工作電壓，采集噴頭溫度、電壓，接口示意圖如圖9所示。

圖9 噴頭驅(qū)動電路接口示意圖

柯尼卡KM1024噴頭對上電時序有嚴格要求，其電壓有5種類型，分別為控制模塊電壓Vdd、邏輯接口電壓Logic、墨路工作電壓VDDA、加熱電壓VH1、加熱電壓VH2，電壓幅值要求如表1所列。對應(yīng)上電時序如圖10所示。

圖10 上電時序

序 號電壓類型要求/V1控制模塊電壓Vdd+3.32邏輯接口電壓Logic+3.33墨路工作電壓VDDA+244加熱電壓VH1

2.4 位置速度模塊

本設(shè)計X軸使用光柵尺進行閉環(huán)控制，提高了定位精度和運行速度的平穩(wěn)以及圖像打印的均勻性和精度。位置速度模塊采用ZYNQ的PL部分實現(xiàn)，主要任務(wù)包括對光柵尺的脈沖信號進行采集、處理和分析，得到噴頭的位置、速度和運動方向信號，然后將這些信號反饋給運動控制器和數(shù)據(jù)處理模塊，使噴頭運動與噴墨協(xié)同工作，組成一個高速、高精的噴墨控制系統(tǒng)。位置速度模塊結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 位置速度模塊

4倍頻及辨向模塊采集光柵尺信號A和信號B，產(chǎn)生4倍頻脈沖信號Q，根據(jù)A/B兩路信號的相位差，計算噴頭的移動方向dir。位置計算模塊計算噴頭的實時位移。速度計算模塊計算噴頭的運動速度。倍頻辨向模塊直接處理光柵尺信號，其性能直接影響到整個系統(tǒng)的精度。光柵尺發(fā)出A/B脈沖信號，相位差為π/ 2 ，為了提高精度，通常將A/B信號4倍頻處理，本設(shè)計將4倍頻信號命名為Q，每個完整A/B 脈沖信號對應(yīng)1 μm，每個4倍頻脈沖信號對應(yīng)0.25 μm。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)設(shè)計的硬件結(jié)構(gòu)，在Vivado上搭建系統(tǒng)，ZYNQ的PS核通過AXI總線和I2C總線訪問PL部分的IP核，進行數(shù)據(jù)傳輸和控制交互。

ZYNQ的PS部分運行Ubuntu Linux操作系統(tǒng)，整個DDR3作為Linux系統(tǒng)的內(nèi)存。ZYNQ的PL部分采用Verilog編寫，兩者通過AXI總線進行數(shù)據(jù)交互。上電后，PS核加載Flash文件到DDR3并啟動應(yīng)用程序，自檢外設(shè)是否正常，自檢完成后啟動網(wǎng)絡(luò)連接，數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送到ZYNQ控制系統(tǒng)并進行數(shù)據(jù)校驗。數(shù)據(jù)分為配置參數(shù)和噴印數(shù)據(jù)，配置參數(shù)用于外設(shè)初始化，在噴頭運動到相應(yīng)坐標處后，噴印數(shù)據(jù)發(fā)送給噴頭進行噴墨，直至整個圖像噴墨完成，軟件運行流程如圖12所示。

圖12 軟件運行流程

4 測試及分析

測試選用印制電路板gbr文件中的絲印層，通過PC機的人機交互軟件將gbr文件轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)據(jù)，油墨選用日本太陽的UV固化油墨，設(shè)定打印速度為400 mm/min、噴頭溫度為50 ℃、噴頭電壓為13.5 V、噴頭高度為1.5 mm。參數(shù)設(shè)定完成后將打印的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給ZYNQ噴墨系統(tǒng)，由噴墨系統(tǒng)完成圖像打印，絲印層文件如圖13所示，噴印效果如圖14所示，對比打印圖像與原文件，兩者在大小和內(nèi)容上完全一致，且打印圖像清晰。

圖13 絲印文件

圖14 噴印效果圖

結(jié) 語