賴昌華 蔡吉飛 張陽

摘要：上光機噴墨定位系統(tǒng)殘余振動對定位精度有較大影響。為了研究殘余振動與定位精度之間的相互關(guān)系，以一種兩自由度噴墨單元定位系統(tǒng)為研究對象，進(jìn)行該噴墨頭定位系統(tǒng)啟/停定位過程中的殘余振動實驗研究。首先通過臺達(dá)高性能影像視覺檢測系統(tǒng)得出紙張側(cè)定位偏差量。然后將偏差量轉(zhuǎn)化為伺服電機脈沖數(shù)進(jìn)行噴墨單元的定位。實驗結(jié)果表明輸紙速度越大，殘余振動振幅越大，為0.1mm～0.3mm，會影響噴墨單元定位精度。

關(guān)鍵詞：上光機；振動測試；殘余振動

中圖分類號：TS8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1400 （2020） 01-0052-06

基金項目：北京市教委科研計劃一般項目-噴碼印刷動態(tài)定位關(guān)鍵技術(shù)的研究（KM2019100150005）。

Discussion on The Relationship Between The Residual Vibration and The Positioning Accuracy of The Inkjet System Based on The Experimental Data

LAI Chang-hua， CAI Ji-fei， ZHANG Yang

（Beijing Institute of Graphic Communication， Beijing 102600， China）

Abstract： The residual vibration of the inkjet positioning system has a great influence on the positioning accuracy. In order to study the relationship between the residual vibration and the positioning accuracy， an experimental study of the residual vibration in the start / stop positioning process of a two degree of freedom ink jet unit positioning system was carried out. First of all， the paper side positioning deviation is obtained through the high-performance image visual detection system of delta. Then the deviation is converted into the number of servo motor pulses to locate the ink-jet unit. The experimental results show that the larger the paper feeding speed is， the larger the residual vibration amplitude is， which is 0.1mm-0.3mm， which will affect the positioning accuracy of the ink-jet unit.

Keywords： glazing machine； vibration test； the residual vibration

引言

目前，隨著人們對精美包裝禮品和高質(zhì)量印刷工藝品的需求越來越大，使得印刷包裝行業(yè)得到了迅速發(fā)展，同時也對印刷和印后設(shè)備的印刷質(zhì)量提出了更高的要求。上光機作為重要印后設(shè)備之一，其噴印的上光油墨與印刷品圖像的位置精度為0.2mm以上，還達(dá)不到高質(zhì)量印刷品的精度要求。上光機的噴印誤差主要來源于側(cè)規(guī)的拉紙定位誤差，目前使用的國產(chǎn)側(cè)規(guī)的拉紙定位誤差為0.2mm以上。為了解決減小紙張側(cè)定位的定位誤差，提高上光油墨噴印與印品圖像位置精度，設(shè)計了噴墨頭定位系統(tǒng)。該噴墨單元定位系統(tǒng)由工業(yè)照相機、圖像處理系統(tǒng)、移動裝置、噴墨單元等組成。

噴墨單元定位系統(tǒng)的主要作用是實現(xiàn)噴墨頭的快速定位和精準(zhǔn)噴印。噴墨頭定位系統(tǒng)由于質(zhì)量慣性較大和其構(gòu)件固有柔性的存在，其在短時間內(nèi)啟/停和高速移動過程中從一種運動狀態(tài)過渡到另一種運動狀態(tài)時加速度突變不可避免地會產(chǎn)生殘余振動。殘余振動的存在會導(dǎo)致圖像邊緣線條產(chǎn)生鋸齒形狀等嚴(yán)重影響噴印精度和質(zhì)量的問題，因此對噴墨頭定位系統(tǒng)殘余振動的研究和控制，提高定位精度是有必要進(jìn)行研究的難題。

對于殘余振動的研究大多都集中在機械手和機床等設(shè)備上，并且提出了機械機構(gòu)優(yōu)化等被動抑制方法和軟件算法上的軌跡規(guī)劃以及輸入整形等主動抑制方法，都取得了一定的效果和應(yīng)用，但目前針對殘余振動對噴墨印刷設(shè)備產(chǎn)生的影響還少有實驗研究。

本研究以一種基于上光機的兩自由度噴墨單元定位系統(tǒng)為研究對象，通過實驗研究、分析殘余振動對上光機噴墨系統(tǒng)定位精度的影響。

1 機構(gòu)描述

研究對象是一種兩自由度可往復(fù)直線運動的噴墨單元定位裝置。噴墨單元定位裝置樣機如圖1所示，噴墨頭定位裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

機構(gòu)采用如圖2所示的坐標(biāo)系，Y軸為螺旋副（H1）的運動軸線，Z軸為螺旋副（H2）的運動軸線，沿Y軸方向的運動為噴墨頭定位裝置的主要運動。在運動過程中，伺服電機通過螺旋副（H1）驅(qū)動噴墨單元固定架沿Y軸運動，移動副（P1）為虛約束，增加了噴墨單元固定架在運動過程中的穩(wěn)定性。步進(jìn)電機通過螺旋副（H2）驅(qū)動噴墨單元固定架沿Z軸移動，主要作用是調(diào)節(jié)噴墨單元與輸紙板臺的高度，調(diào)節(jié)過程是在設(shè)備運行前完成。氣彈簧安裝在噴墨單元固定架兩邊，對固定架起到了支撐作用，減小了步進(jìn)電機絲杠的負(fù)載。該裝置不但擁有高速度、高精度、高剛度及動態(tài)響應(yīng)特性好的特點，而且由于螺旋副（H1）和螺旋副（H2）形成的并聯(lián)嵌套結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使得裝置更加緊湊，減小了裝置的占用空間，避免了與設(shè)備上其他機構(gòu)的干涉。

2 殘余振動實驗

噴墨單元定位系統(tǒng)由兩自由度并聯(lián)機構(gòu)、交流伺服電動機、步進(jìn)電機和臺達(dá)PLC控制器組成。運動控制器采用的是臺達(dá)ES系列控制器，電動機為臺達(dá)伺服電動機和信捷步進(jìn)電機，控制系統(tǒng)基于WPLSoft V2.47版本PLC編程軟件進(jìn)行開發(fā)。噴墨單元定位系統(tǒng)運動過程中使用的是交流伺服電動機，其運動控制模式采用的是通過伺服驅(qū)動器來控制電動機的開放式運動控制，控制流程如圖3所示。

信號采集與分析系統(tǒng)由丹麥B&K公司PULSE測試系統(tǒng)、10通道3560-B型PULSE移動式數(shù)據(jù)信號采集系統(tǒng)和丹麥B&K公司4506型三向加速度傳感器組成，測試系統(tǒng)如圖4所示。加速度傳感器分別布置于噴墨單元上，參數(shù)見表1。

由于影響噴墨單元定位精度的運動是由伺服電機驅(qū)動的繞Y軸的旋轉(zhuǎn)運動，所以加速度傳感器主要布置在與Y軸方向平行的噴墨單元上，信號采集系統(tǒng)采集的是噴墨單元的振動信號。傳感器分布如圖5、圖6所示。

在測試之前，將上光機啟動，待走紙穩(wěn)定后，將上光機輸紙速度分別設(shè)置為25m/min、30m/min、35m/min、40m/min，在不同速度下進(jìn)行振動測試。圖7～圖10分別為不同速度下噴墨單元振幅隨時間的變化曲線。橫坐標(biāo)表示時間的變化，單位為s?？v坐標(biāo)表示振幅變化，單位為m/s2。

對振動圖樣進(jìn)行統(tǒng)計得出如表2所示的數(shù)據(jù)。

表3中，Ap為運行過程中的最大振幅，Aq為噴墨頭單元振動的最大殘余振幅，ts為殘余加速度降至0.06m/s2以下所需時間，用來表示殘余振動的衰減時間。

3 實驗數(shù)據(jù)分析

在速度提高的情況下，最大振幅Ap與速度的關(guān)系如圖11所示。

最大殘余振幅Aq與速度的關(guān)系如圖12所示。

殘余振動與其衰減時間的關(guān)系如圖13所示。

分析圖11可知，隨著上光機輸紙速度增加，噴墨單元最大振幅幅值增加。給紙速度增加會導(dǎo)致遞紙誤差和側(cè)定位誤差變大，使得紙張側(cè)定位誤差增加，噴墨單元的位移變大。

分析圖12可知，隨著上光機輸紙速度增加，噴墨單元最大殘余振動幅值增加。走紙速度增加，噴墨頭單元位移變大，定位時間縮短，形成更大的沖擊，造成殘余振動振幅變大。

分析圖13可知，隨著殘余振動振幅的增加，殘余振動衰減時間變長。在噴墨單元噴印上光油墨之前需要考慮噴墨單元定位時間。

分別對不同速度下最大振動振幅的時域圖進(jìn)行二重積分，得出最大殘余振動振幅為0.1mm～0.3mm。

4 殘余振動討論

表3為不同輸紙速度下噴墨單元的最大殘余振幅，為了得到輸紙速度-最大殘余振幅最佳函數(shù)匹配，將通過最小二乘法進(jìn)行函數(shù)曲線擬合。

根據(jù)圖12，輸紙速度為自變量，殘余振動為應(yīng)變量，假設(shè)輸紙速度-最大殘余振幅函數(shù)關(guān)系式為：

從表3中的四組數(shù)據(jù)選擇三組數(shù)據(jù)代入式（1）中，則有四組不同的a、b、c組合，如表4所示：

為了得到最佳函數(shù)匹配，應(yīng)將不同輸紙速度下測點1、2、3所測得的最大殘余振幅代入式（2）：

使得自變量x不同系數(shù)下的Jθ最小。表5為不同輸紙速度下測點1、2、3所測得的最大殘余振幅。

通過matlab編程求解自變量x不同系數(shù)下的Jθ，結(jié)果如表6所示。

通過表6可知，J1最小，輸紙速度-最大殘余振幅函數(shù)關(guān)系式為：

輸紙速度-最大殘余振幅擬合曲線如圖14所示。

5 結(jié)語

以一種基于上光機的兩自由度噴墨單元定位系統(tǒng)為研究對象，針對上光機輸紙過程中噴墨單元定位系統(tǒng)產(chǎn)生的振動進(jìn)行實驗研究，具體結(jié)論如下：