馮彩銀，朱龍彪，沈祖軍，陳小林

基于STM32的遙控墨斗系統設計

馮彩銀1，朱龍彪1，沈祖軍2，陳小林2

（1.南通大學機械工程學院，江蘇 南通 226019；2.如皋中羅印刷機械有限公司，江蘇 如皋 226553）

針對國內膠印機數字化供墨系統墨量精確調節(jié)不足的問題，分析現有供墨系統的優(yōu)缺點，提出一種基于STM32的遙控墨斗系統設計方案。采用分區(qū)獨立控制墨鍵開度的墨斗機械結構，以STM32F103單片機為主控制器構建墨鍵電機驅動硬件系統，采用6位撥碼開關選址區(qū)分不同的驅動板，對磁編碼器輸出脈沖反饋計數實現墨鍵位置控制；設計操作臺面板按鍵及顯示單元，將墨鍵位置調節(jié)分為0～99分位，系統間采用CAN總線通訊方式，操作臺面板和上位機監(jiān)控界面實時顯示墨鍵位置及狀態(tài)信息。實驗結果表明，遙控墨斗系統調節(jié)墨鍵開度范圍為0.05～0.6 mm，墨鍵定位精度為5 μm，且重復定位精度良好?；赟TM32的遙控墨斗系統實現了膠印機印刷過程中墨量的精確調節(jié)，且運行穩(wěn)定，滿足當前膠印機數字化供墨要求，具有較大的應用價值。

遙控墨斗；STM32；磁編碼器；CAN總線；位置控制

膠印機是目前市場上用于印刷高品質印刷品的主要印刷機型，在印刷過程中，膠印機供墨量的精確程度直接影響著印刷的質量和效率[1-3]。近年來，人們對印刷品質要求的不斷提高，促使人們對膠印機供墨系統展開了大量的研究。目前膠印機供墨系統控制方式分為3種：手動調節(jié)、無墨鍵供墨、數字化供墨[4]。德國海德堡、高寶針對膠印機供墨系統分別設計了Anicolor、Gravuflow無墨鍵供墨系統；海德堡的CP Tronic和曼羅蘭的RCI控制系統實現了數字化的供墨方式。國內北京莫尼公司與國外印刷企業(yè)合作生產遙控墨斗，但核心技術未掌握，價格高難以普及；江蘇科思KICS墨色遙控系統和上海華太HDC墨色遙控系統采用PLC控制，成本較高，與國外先進墨斗技術存在差距，對墨量的精細調節(jié)和油墨預置技術的研究相對較少[5-8]。針對以上分析，為彌補我國數字化供墨系統方面的不足，提出一種基于STM32的遙控墨斗系統設計方案，對墨斗分區(qū)獨立控制，搭建墨斗操作臺，并編寫下位機與上位機監(jiān)控軟件程序，結合相應實驗測試系統的精度和可靠性。

1 遙控墨斗實驗平臺搭建

墨斗是膠印機供墨系統的重要部分之一。以四色膠印機為研究對象，分為4個色組，即4個墨斗，每個墨斗可印刷最大寬度為1040 mm，將墨斗分為26個墨區(qū)，每塊墨區(qū)墨鍵寬度設計為40 mm，驅動由直流電機提供，因安裝空間限制，選擇小直流電機配合減速齒輪來輸出較大的轉矩。齒輪減速機構減速比為1∶90，螺桿選用導程為0.5 mm的精密定制螺桿，直流電機經齒輪減速后帶動螺桿轉換為墨鍵的直線往復運動，從而控制墨鍵與墨斗輥間的距離，即調節(jié)墨鍵開度來控制輸出墨量大小[9]。遙控墨斗見圖1。

圖1 遙控墨斗

2 遙控墨斗控制系統方案

遙控墨斗控制系統由電機控制系統、操作臺控制系統和上位機控制系統組成[10]。電機控制系統根據操作臺或上位機指令信息控制各色組分區(qū)電機動作，并將墨鍵位置信息和狀態(tài)反饋回操作臺和上位機系統；操作人員通過操作臺按鍵實時調節(jié)墨鍵位置，同時將墨鍵信息發(fā)送給上位機和電機控制系統；上位機從印刷數據中讀取所需信息發(fā)送給操作臺和電機控制系統，并實時監(jiān)控各色組墨鍵位置和印刷機狀態(tài)。遙控墨斗控制系統采用CAN總線通訊方式，易開發(fā)且可靠性強[11]。在設計遙控墨斗電機控制系統時，因每個色組除油墨色彩外參數均相同，研究單個色組26個墨區(qū)便可實現全部墨斗控制功能，即控制26組直流電機運動狀態(tài)。操作臺控制系統將墨鍵位置調節(jié)分為0～99分位，最小調節(jié)分位為0.5，墨鍵調節(jié)范圍為0.05～0.6 mm，最小控制精度為2.75 μm。因墨鍵位置精度要求高以及電機響應速度快等特點，根據墨斗體的安裝尺寸設計每塊電機驅動板最多控制4臺直流電機，單個墨斗則需要7塊電機驅動板，并通過一個6位撥碼開關選址區(qū)分不同的電機驅動板，電機位置信息采用STM32對磁編碼器計數反饋獲取，進而實現墨鍵位置精確控制[12-13]。遙控墨斗控制系統設計方案見圖2。

圖2 遙控墨斗控制系統方案

3 遙控墨斗系統硬件設計

3.1 電機驅動硬件設計

3.1.1 主控制模塊及基本外圍電路設計

電機主控制模塊采用基于ARM的32位微控制器STM32F103C8T6，該芯片供電電壓為2.0～3.6 V，功耗低，速度快，可完成指令接收和響應控制等功能[14]。同時其內置1個高級定時器和3個通用定時器，可滿足4個直流電機正反轉、停止以及其位置控制。在通訊方面，該芯片設有一個CAN通信接口，與專用CAN總線芯片連接，能實現遙控墨斗實時通訊功能。主控制及基本外圍電路見圖3。

3.1.2 電源模塊設計

在電機控制系統中，電源大小需求分為3種：STM32主控模塊、選址模塊、CAN總線通訊模塊及SWD程序下載部分均為直流3.3 V；電機驅動模塊、磁編碼器輸出信號供電為直流5 V；直流電機采用24 V電壓供電。設計時外部供電采用直流24 V和5 V2種電壓形式，直流5 V電壓經穩(wěn)壓芯片SPX1117M3-L-3-3/TR輸出穩(wěn)定的直流3.3 V，滿足系統供電要求。穩(wěn)壓電路見圖4。

圖3 主控制及基本外圍電路

圖4 穩(wěn)壓電路

3.1.3 電機驅動模塊及反饋電路設計

因該系統直流電機正常工作時電流約為180 mA，主控制模塊輸出信號無法直接驅動電機動作，因此選用專用直流電機驅動芯片TB6559FG，具有過流保護功能，采用恒流PWM驅動模式，在控制信號端加入光耦，提高系統的穩(wěn)定性，電機驅動電路見圖5。電機驅動芯片TB6559FG輸出端OUT1、OUT2加入RC電路減少雜波，ALERT輸出端作警報輸出保護電路。磁編碼器MT3411-EN輸出形式為開漏輸出，因其內置10 kΩ上拉電阻，在輸出脈沖信號時，串接電阻以限制輸入電流大小，同時采用RC電路來提高抗干擾能力。

在恒流PWM模式下，電機的運動模式通過控制IN1、IN2端口來改變，具體輸入/輸出功能見表1。

為實現電機的位置控制，利用STM32定時器編碼器模式對磁編碼器反饋脈沖進行計數，采用編碼器四倍頻模式，同時輸入TI1和TI2計數，實現最小細分步距[15]。磁編碼器輸出信號90脈沖/轉，四倍頻后編碼器分辨率可達到360脈沖/轉，設置電機初始位置計數值為36，每變化一個分位，目標計數值變化4，這樣電機位置在0～99分位內變化時，則目標計數值在36～432變化。具體位置分位和移動距離計算式為：

(1)

(2)

式中：為位置分位；為自動重裝載值；為移動距離；目標為目標計數值；當前為當前計數值；為螺桿導程。

3.1.4 選址模塊設計

遙控墨斗系統中單個墨斗電機控制部分分為7塊電機驅動板，26個直流電機，4個色組總共分為28塊電機驅動板，104個直流電機。為區(qū)別不同的驅動板，方便CAN總線通訊設置，采用6位撥碼開關定義地址，輸入端上拉3.3 V直流電源，撥碼開關電路見圖6。

圖5 電機驅動及反饋電路

表1 恒流PWM輸入/輸出功能

Tab.1 Constant current PWM input/output function

注：H代表高電平；L代表低電平；X代表無信號；CCW代表逆時針旋轉；CW代表順時針旋轉

圖6 撥碼開關電路

3.1.5 CAN通訊模塊設計

遙控墨斗各個系統間均通過CAN總線進行通訊，在電機控制系統中，STM32內部集成了CAN總線接口，兼容規(guī)范2.0A和2.0B(主動)，配合CAN總線芯片MAX3051，將STM32邏輯電平與總線差分電壓信號互相變換，實現指令接收和發(fā)送的功能[16]。CAN總線通訊電路見圖7，圖7中CAN_TXD和CAN_RXD分別與STM32單片機的CAN_TXD和CAN_RXD引腳連接，CAN_H和CAN_L兩端加入120 Ω的終端電阻接入總線網絡中，使阻抗連續(xù)，消除信號反射，提高系統的抗干擾性。

圖7 CAN總線通訊電路

3.2 墨斗操作臺搭建

墨斗操作臺是整個遙控墨斗系統中重要組成部分之一，操作人員通過操作臺按鍵和顯示界面直接控制各色組26組墨鍵位置和狀態(tài)信息，墨斗操作臺面板設計見圖8。每組按鍵和顯示光柱上標號1～26與各色組墨鍵標號相對應，當墨斗調整狀態(tài)不在自動調整和預置狀態(tài)時，通過加減按鍵可直接控制印刷機墨區(qū)油墨膜厚度，墨鍵位置信息可由光柱和數碼管同時實時顯示；當墨區(qū)鎖定時，鎖定指示燈亮，此時按鍵命令無法執(zhí)行，用以保護印刷機當前狀態(tài)不被破壞。當墨斗整體墨量要求變化時，在操作臺面板右側可選擇調節(jié)模式，調節(jié)模式分為百分比模式、統一模式和

同值模式。在百分比模式下，對所有未鎖定的墨鍵當前位置百分比調節(jié)；同理，統一模式則是在原先墨鍵位置基礎上統一調節(jié)；當系統對各分區(qū)墨鍵墨量控制要求一致時，選擇同值模式，對選定色組所有未鎖定狀態(tài)的墨鍵同值設定墨鍵開度。

4 遙控墨斗系統軟件設計

遙控墨斗系統軟件主要包含：電機驅動及位置控制程序、CAN總線協議指令、操作臺按鍵及顯示模塊程序、上位機監(jiān)控界面等。應用Keil 5、Visual Studio 2015軟件編寫下位機和上位機程序。上位機監(jiān)控界面見圖9。圖9中墨鍵位置信息由代表各色組油墨顏色的柱形圖顯示，界面中“+”、“?”、“=”分別表示各色組墨量整體加、整體減和整體設值，上位機界面設計簡潔，方便操作人員觀察調試。

程序流程見圖10。遙控墨斗操作過程：系統上電初始化，通訊正常后讀取當前墨鍵信息，同時在操作臺和上位機監(jiān)控界面上顯示；操作人員在調整墨鍵開度時，先選擇相應的色組并解鎖色組狀態(tài)；根據墨量調節(jié)要求，解鎖相應的墨鍵狀態(tài)，通過上下按鍵對墨鍵位置進行調節(jié)，數碼管和光柱實時顯示位置信息；當需要對整個色組操作時，按下總鎖定鍵解鎖，鎖定指示燈滅，當前色組所有墨區(qū)解除鎖定狀態(tài)；按下總調節(jié)按鍵并執(zhí)行可以對當前色組所有墨鍵位置百分比加減、同值加減和統一加減，實現整個色組墨量控制；切換色組，循環(huán)操作完成所有色組的墨鍵開度設置，隨后按下總鎖定按鍵，所有墨鍵鎖定指示燈亮，色組鎖定，印刷機進入正常工作狀態(tài)。

圖8 墨斗操作臺面板

圖9 上位機監(jiān)控界面

圖10 程序流程

5 實驗與結果分析

在實際印刷過程中，膠印機供墨量的大小直接影響產品的色彩、質量和墨層厚度，遙控墨斗系統通過控制墨鍵位置來調節(jié)墨鍵與墨輥間出墨量的大小，因此墨鍵位置精度和系統穩(wěn)定性尤為重要。為了驗證遙控墨斗墨鍵位置精度和系統穩(wěn)定性，針對墨鍵的定位精度和重復定位精度進行測試和分析，墨鍵定位精度測試是為了測試墨鍵在各個分位上到達目標位置的精確程度，而墨鍵重復定位精度是為了測試墨鍵在某個分位上重復到達目標位置的精確程度。具體實驗方法：隨機選取4組墨鍵，文中選取色組一中的5、12、19、24號墨鍵，選用日本三豐0～12.7 mm數顯千分表，分別對10、20、30…90、99墨鍵分位測試實際的墨鍵位置，同時對4個墨鍵重復測量10次40、80分位的墨鍵實際位置，具體操作為將千分表表頭頂在所選墨鍵的前端，壓入一定數值后固定，待示值穩(wěn)定后進行墨鍵位置調節(jié)，墨鍵到達指定分位后，讀出示值，得到前后示值差，即墨鍵實際移動距離，將實際位置與理論位置進行比較，驗證墨鍵的位置精度。實驗數據曲線見圖11。

圖11中墨鍵定位誤差曲線呈現出正誤差變?yōu)樨撜`差的趨勢，最大誤差出現在墨鍵19的99分位上，誤差為4.8 μm，且所測墨鍵定位誤差范圍在5 μm以內，40分位以及90分位處各個墨鍵重復定位誤差相對平緩，精度較高。實際印刷過程中墨輥上墨層厚度均勻，供墨量大小控制精確，提高了產品的印刷質量，系統測試運行穩(wěn)定，振動噪聲較小，基本滿足設計要求。

圖11 墨鍵實驗誤差曲線

6 結語

研究分析了國內數字化供墨系統的不足，提出了一種基于STM32分區(qū)遙控墨斗系統，搭建墨斗操作臺及上位機監(jiān)控界面，操作人員通過操作臺按鍵及面板信息對墨鍵位置精確控制，實現了對膠印機出墨量大小的精準調控，操作簡便。所設計的墨斗分區(qū)墨鍵位置精度可達到5 μm，有良好的重復定位精度，且印刷油墨厚度均勻，墨量控制精確，滿足了當前印刷機數字化墨色調節(jié)的要求，具有較大的應用價值。

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Design of Remote Control Ink Fountain System Based on STM32

FENG Cai-yin1,ZHU Long-biao1,SHEN Zu-jun2,CHEN Xiao-lin2

(1.School of Mechanical Engineering, Nantong University, Nantong 226019, China;2.Rugao Zhong Luo Printing Machinery Co., Ltd., Rugao 226553, China)

The work aims to analyze the advantages and disadvantages of the existing ink supply system, and propose a design scheme of remote ink fountain system based on STM32 to solve the problem of insufficient ink volume in the digital ink supply system of domestic offset printing presses. The mechanical structure of the zoning ink fountain was adopted to control the opening degree of the ink key independently. The ink key motor drive hardware system based on STM32F103 MCU was constructed. The 6-bit DIP switch was used to distinguish different drive boards. The feedback pulses from magnetic encoder were counted to control the position of the ink key. The panel buttons and display unit of the console were designed and the ink key position adjustment was divided into 0～99 positions. CAN bus was adopted for communication between systems. The ink key position and status information were displayed on the console panel and the host computer monitoring interface in real time. The experimental results indicated that the remote control ink fountain system adjusted the ink key opening range from 0.05 mm to 0.6 mm. The ink key positioning accuracy was about 5 μm and the repeated positioning accuracy was well. The remote ink fountain system based on STM32 realizes the precise adjustment of the ink volume during the printing of the offset press. The system runs stably, meets the current digital ink supply requirements for offset presses, and has great application value.

remote control ink fountain; STM32; magnetic encoder; CAN bus; position control

TS803.6；TP273

A

1001-3563(2022)03-0244-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.03.030

2021-06-20

江蘇省產學研聯合創(chuàng)新資金項目（BY2014081-07）；南通市應用基礎研究-工業(yè)創(chuàng)新項目（GY12016006）

馮彩銀（1996—），男，南通大學碩士生，主攻機電系統的智能控制與信息處理。

朱龍彪（1964—），男，碩士，南通大學教授，主要研究方向為機電傳動控制和故障診斷等。