一种用于压电式打印喷头的墨滴喷射状态调整系统及方法与流程

本发明属于喷墨打印技术领域，具体涉及一种用于压电式打印喷头的墨滴喷射状态调整系统及方法。

背景技术：

喷墨打印技术是一种在计算机控制下，通过将皮升量级的液滴喷射在多种打印基材上，实现高速度、高质量的点阵式、图形化的无板印刷工艺。此项技术具有污染小、能耗低、加工工艺简单、无需与基材接触、适宜于加工具有立体结构的产品等加工优势。目前，可供打印的墨水也可具备一定的物理特性，化学特性。不同于传统的文档打印，喷墨打印技术如今已经成为小规模电路精细加工中的一个低成本高精度的技术手段，并被认为是未来电路加工业产业发展的一个重要途径。目前，在工业应用上，对压电式打印喷头的使用最为广泛。由于喷墨打印技术在工艺领域应用情况多样，压电式喷头必须在不同的工作状态下以满足不同的应用需求。为此，工业上最常用的方法是根据所选用的压电式打印喷头参数、所使用的墨水特性以及对喷射墨滴状态要求等调整喷头驱动波形中参数，以满足不同打印分辨率、打印效率和打印质量的要求。

但由于喷头的驱动波形中包含诸多可调整参数，基于人工经验、或基于网格的调整方式不仅费时费力，而且在喷头的使用过程中，随着喷头状态的漂移(主要是压电陶瓷疲劳现象所致)，喷头状态很难长期保持一致，极大地限制了喷墨打印技术的应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种用于压电式打印喷头的墨滴喷射状态调整系统及方法，克服对压电式打印喷头调整费时过长、无法在打印过程中快速跟踪喷头状态漂移情况，实现对压电式打印喷头快速准确调整，同时能够实现对打印喷头实时跟踪调整的功能。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于压电式打印喷头的墨滴喷射状态调整系统，包括计算机计算平台、喷头驱动控制器、压电式打印喷头和CCD摄像机；

所述喷头驱动控制器一端与计算机计算平台连接，另一端与所述压电式打印喷头连接；

所述CCD摄像机与计算机计算平台连接；

所述喷头驱动控制器产生适合于压电式打印喷头所需的驱动信号，同时进行驱动信号的时序控制；

所述压电式打印喷头在喷头驱动控制器给出的驱动信号的作用下在墨腔中产生波动，波动传播到喷孔，形成墨滴；

所述CCD摄像机捕获压电式打印喷头喷射出的墨滴的状态；

所述计算机计算平台对CCD摄像机捕获到的墨滴进行参数提取获得墨滴的表征参数，计算得到优化的墨滴驱动波形表征参数，将该优化的墨滴驱动波形表征参数传递给喷头驱动控制器，通过喷头驱动控制器控制压电式打印喷头挤出墨滴，实现对压电式打印喷头的实时调整。

所述CCD摄像机安装在所述压电式打印喷头的正前方偏下的位置，其与压电式打印喷头的水平距离为0.5-0.6米，与压电式打印喷头的垂直距离为0.3-0.5米处。

所述CCD摄像机采用高速工业CCD摄像机，最短曝光时间在微秒量级或以下；

所述CCD摄像机的前端物镜的放大倍数在120倍以上。

所述计算机计算平台包括墨滴状态参数提取单元、驱动波形表征参数提取单元和具有反馈机制的智能调整单元，具体如下：

所述墨滴状态参数提取单元采用阈值分割算法从所述CCD摄像机获得的灰度图像中提取出墨滴的轮廓，确定每个像素所对应的物理距离，基于墨滴绝对轴对称假设，计算出墨滴尺寸、拖尾长度和卫星墨滴的数量；

所述驱动波形表征参数提取单元根据所述墨滴尺寸、拖尾长度和卫星墨滴的数量以及压电式打印喷头工作原理，记录该墨滴所对应的驱动波形表征参数；

所述具有反馈机制的智能调整单元根据当前墨滴对应的驱动波形表征参数与期望墨滴的驱动波形表征参数的差距，采用人工蜂群算法进行优化，得出一个优化的墨滴驱动波形表征参数，将该优化的墨滴驱动波形表征参数传递给喷头驱动控制器。

所述喷头驱动控制器包括外壳，在所述外壳的上方设有驱动器CAN总线通信凹槽和压电式打印喷头信号线输出凹槽；

在所述外壳内装有驱动器控制模块，该驱动器控制模块包括微控制器电路、CAN总线通信电路、驱动信号发生电路和电源电路；

所述微控制器电路包括STC12C5A单片机及其外围电路，其通过CAN总线接收计算机计算平台发送的驱动波形驱动参数和压电式打印喷头的电压和时序控制；

所述CAN总线通信电路包括TJA1050及其外围电路，实现所述STC12C5A单片机的串行通信接口与CAN总线通信接口的物理转换；

在所述CAN总线通信电路上设有CAN总线通信接口，其通过所述CAN总线与计算机计算平台相连，该CAN总线通信接口位于喷头驱动控制器外壳上方的驱动器CAN总线通信凹槽处；

所述驱动信号发生电路包括双极性串行数模转换芯片AD5752及其外围电路，产生适合于压电式打印喷头的所需的电压信号；

在所述驱动信号发生电路上设有压电式打印喷头信号线输出接口，其通过压电式打印喷头信号线与压电式打印喷头相连，该压电式打印喷头信号线输出接口位于喷头驱动控制器外壳上方的压电式打印喷头信号线输出凹槽处；

所述电源电路包括LM2940及其外围电路，将系统+24V直流电源降压到+5V，为微控制器电路、CAN总线通信电路、驱动信号发生电路及其他+5V系统供电。

当驱动器控制模块接收到由零电压上升到最大正向电压的时间t_rP、最大正向电压V_P、最大正向电压持续的时间t_dP：、由最大正向电压下降到零电压的时间t_fP、零电压持续的时间t_i时，所述数模转换芯片AD5752产生所需的正极性梯形波；

当驱动器控制模块接收到由零电压下降到最大反向电压的时间t_rN、最大反向电压V_N、最大反向电压持续的时间t_dN、由最大反向电压上升到零电压的时间t_fN：时，所述数模转换芯片AD5752产生所需的负极性梯形波。

利用所述系统实现的用于压电式打印喷头的墨滴喷射状态调整方法，包括：

(1)、设定期望墨滴的驱动波形表征参数t_rP,V_P,t_dP,t_fP,t_i,t_rN,V_N,t_dN,t_fN；

(2)、通过CCD摄像机捕获压电式打印喷头喷射出的墨滴；

(3)、提取墨滴状态参数，所述墨滴状态参数包括墨滴尺寸、拖尾长度和卫星墨滴的数量；

(4)、提取当前墨滴的驱动波形表征参数；

(5)、将当前墨滴的驱动波形表征参数与期望墨滴的驱动波形表征参数逐一进行比较，如果每一个驱动波形表征参数的误差均在接受范围内，则将当前墨滴的驱动波形表征参数作为优化的驱动波形表征参数，进入第(7)步；如果差距不在接受范围内，进入第(6)步；

(6)、利用人工蜂群算法对当前墨滴的驱动波形表征参数进行优化，得出优化的墨滴驱动波形表征参数；

(7)、将优化的驱动波形表征参数输出到喷头驱动控制器；

(8)、判断是否需要对期望墨滴的驱动波形表征参数进行更新，如果更新，则进入第(9)步；不更新，则返回第(2)步；

(9)、将当前墨滴的驱动波形表征参数作为期望墨滴的驱动波形表征参数，然后返回第(2)步。

所述步骤(4)中在提取驱动波形表征参数过程中，设定的评价函数如下，

其中，w(1)和w(2)为设定系数，V是当前墨滴尺寸，Vt是期望墨滴体积，Ns是卫星墨滴数量。

所述驱动波形表征参数需要满足下述条件：

t_rP+t_dP+t_fP+t_i+t_rN+t_dN+t_fN≤T_s-20us

t_i≤2(t_rP+t_dP+t_fP)

V_P≥V_N

V_P+V_N≤28V

V_P,V_N≥5V

t_rP,t_dP,t_fP,t_i,t_rN,t_dN,t_fN≥0.1us

t_rP,t_fP,t_rN,t_fN≤0.5us

其中，Ts为压电式打印喷头的工作周期。

所述步骤(5)中的接受范围为正负5％以内。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过高速CCD摄像机并结合墨滴状态参数提取算法、驱动波形表征参数提取算法，实现了对墨滴飞行状态进行快速、实时、准确标定；通过建立具有反馈机制的智能调整算法，实现了对墨滴状态全自动、准确调整，有效地减小了人工操作和无效操作，避免了基于人工经验调整、或基于网格调整不准确性；同时，本发明可以快速跟踪喷头状态漂移情况，并据此针对每个喷头小幅调整驱动波形参数，保证打印质量。

附图说明

图1为本发明系统的结构框图。

图2为本发明喷头驱动控制器配线示意图。

图3为本发明喷头驱动控制器电路结构示意图。

图4为本发明喷头驱动控制器电路示意图。

图5为压电式打印喷头的结构示意图。

图6压电式打印喷头驱动波形的示意图。

图7为本发明墨滴喷射状态调整系统工作流程图。

图中：1为计算机计算平台，2为喷头驱动控制器，3为压电式打印喷头，4为CCD摄像机，5为墨滴，6为CAN总线，7为压电式打印喷头信号线，8为驱动器CAN总线通信凹槽，9为压电式打印喷头信号线输出凹槽，10为喷头驱动控制器外壳。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

见图1，本发明用于压电式打印喷头的墨滴喷射状态调整系统包括CCD摄像机4、计算机计算平台1、喷头驱动控制器2、压电式打印喷头3。

计算机计算平台1通过CCD摄像机捕获压电式打印喷头喷射出的墨滴状态，通过图像处理方法获取墨滴状态参数，根据压电式打印喷头工作原理提取出该墨滴所对应的表征参数。根据当前墨滴表征参数与期望墨滴表征参数的差距，采用人工蜂群算法进行优化，得出一个预期的驱动波形驱动参数，通过喷头驱动控制器控制压电式打印喷头挤出墨滴，实现对压电式打印喷头的快速准确调整。同时，可根据优化后的墨滴形状特性，对期望墨滴驱动波形参数进行修正，实现对打印喷头实时跟踪调整的目的。

CCD摄像机4负责捕获压电式打印喷头喷射出的墨滴状态。计算机计算平台1负责对采集到的墨滴进行参数提取，进而通过具有反馈机制的喷墨参数智能调整算法实现动态实时调整喷墨形状。喷头驱动控制器3负责产生适合于压电式打印喷头所需电压信号，同时进行驱动信号的时序控制。压电式打印喷头3在驱动波形的作用下在墨腔中产生波动，波动传播到喷孔，形成墨滴。

具体来说，所述CCD摄像机4采用高速工业CCD摄像机，最短曝光时间要在微秒量级或以下，以免造成视觉残留，影响墨滴轮廓的辨认。并且前端物镜需满足放大倍数在120倍以上。实际使用时，CCD摄像机应该安装在喷头正前方偏下位置，离喷头水平距离0.5-0.6米，与压电式打印喷头的垂直距离为0.3-0.5米处。

所述计算机计算平台1是墨滴喷射状态调整系统核心部分，其包括墨滴状态参数提取单元、驱动波形表征参数提取单元、具有反馈机制的智能调整单元，具体如下：

所述墨滴状态参数提取单元采用阈值分割算法从灰度图像(直接从CCD摄像机4获得)中提取出墨滴的轮廓，确定每个像素所对应的物理距离(首先在此放大倍率下拍摄标尺(1毫米的标尺、有50等分和100等分的两种)，看一个毫米或半个毫米对应多少图像的像素，相除就可以确定一个像素的物理长度)，基于墨滴绝对轴对称假设，计算出墨滴尺寸，拖尾长度，卫星墨滴(即该墨滴周围的小墨滴)的数量这些状态信息。

所述驱动波形表征参数提取单元根据墨滴状态参数信息(即上述的墨滴尺寸、拖尾长度和卫星墨滴的数量)和压电式打印喷头工作原理，提取出该墨滴所对应的驱动波形表征参数，即9个表征参数，提取就是记录下这9个参数的大小，这9个值是通过人为设定或通过算法搜索到的。压电式打印喷头在驱动波形的作用下会在墨腔中产生波动，波动传播到喷孔，形成墨滴。

所述具有反馈机制的智能调整单元是根据当前墨滴驱动波形表征参数与期望墨滴驱动波形表征参数的差距，采用人工蜂群算法进行优化，得出一个优化的墨滴驱动波形表征参数，通过喷头驱动控制器2控制压电式打印喷头3挤出墨滴5。同时，可根据优化后的墨滴形状特性，对期望墨滴驱动波形表征参数进行修正(即重复上述“根据当前墨滴驱动波形表征参数与期望墨滴驱动波形表征参数的差距，采用人工蜂群算法进行优化，得出一个优化的墨滴驱动波形表征参数，通过喷头驱动控制器2控制压电式打印喷头3挤出墨滴5)，实现对打印喷头实时跟踪调整的目的。

如图2、图3和图4所示，所述喷头驱动控制器2根据计算机计算平台1优化后的墨滴驱动波形表征参数，进行信号转换，产生适合于压电式打印喷头3所需电压信号(即驱动信号，驱动波形表征参数指的是这个电压信号的各个参数。)，同时进行驱动信号的时序控制。喷头驱动控制器2有一个长方形外壳10，在喷头驱动控制器2的外壳10上方设有1个驱动器CAN总线通信凹槽8和1个压电式打印喷头信号线输出凹槽9。在喷头驱动控制器2的外壳10内装有驱动器控制模块，该驱动器控制模块包括微控制器电路、CAN总线通信电路、驱动信号发生电路和电源电路(如图3所示)。所述微控制器电路由STC12C5A单片机及其外围电路组成，负责通过CAN总线6接收计算机计算平台1发送的驱动波形驱动参数和压电式打印喷头的电压和时序控制。所述CAN总线通信电路由TJA1050及其外围电路组成，负责实现STC12C5A单片机的串行通信接口与CAN总线通信接口的物理转换。该驱动器控制模块上的CAN总线通信电路上设有1个CAN总线通信接口(即与图3中的CAN总线连接的接口)，通过CAN总线6与计算机计算平台1相连，该CAN总线通信接口位于喷头驱动控制器外壳10上方的驱动器CAN总线通信凹槽8处。

该驱动器控制模块上的驱动信号发生电路由双极性串行数模转换芯片AD5752及其外围电路组成，负责产生适合于压电式打印喷头3所需电压信号。具体过程如图6所示，当驱动器控制模块接收到由零电压上升到最大正向电压的时间t_rP、最大正向电压V_P、最大正向电压持续的时间t_dP：、由最大正向电压下降到零电压的时间t_fP、零电压持续的时间t_i时，数模转换芯片AD5752产生所需正极性梯形波。

当驱动器控制模块接收到由零电压下降到最大反向电压的时间t_rN、最大反向电压V_N、最大反向电压持续的时间t_dN、由最大反向电压上升到零电压的时间t_fN：时，数模转换芯片AD5752产生所需负极性梯形波。

所述驱动信号发生电路上设有1个压电式打印喷头信号线输出接口，通过压电式打印喷头信号线7与压电式打印喷头3相连，该压电式打印喷头信号线输出接口位于喷头驱动控制器外壳10上方的压电式打印喷头信号线输出凹槽9处。所述电源电路由LM2940及其外围电路组成，负责将系统+24V直流电源降压到+5V，为微控制器电路、CAN总线通信电路、驱动信号发生电路及其他+5V系统供电。

如图5所示，所述压电式打印喷头3在驱动波形电压(即驱动信号发生电路产生的电压信号)的作用下会在墨腔中产生波动，波动传播到喷孔，形成墨滴。当驱动波形上升沿作用在压电陶瓷上时墨腔扩张，当驱动波形下降沿作用在压电陶瓷上时墨腔收缩，如此可达到一个快速挤压效果。利用压力波叠加原理，在其后叠加一个反向作用，达到抑制墨腔的剧烈波动效果。

如图6所示，为了更加准确地控制喷墨墨滴形状，建立了驱动波形9个表征参数。即驱动波形可以表征为九参数矢量[t_rP,V_P,t_dP,t_fP,t_i,t_rN,V_N,t_dN,t_fN]，其含义分别如下：

t_rP：由零电压上升到最大正向电压的时间；

V_P：最大正向电压；

t_dP：最大正向电压持续的时间；

t_fP：由最大正向电压下降到零电压的时间；

t_i：零电压持续的时间

t_rN：由零电压下降到最大反向电压的时间

V_N：最大反向电压

t_dN：最大反向电压持续的时间；

t_fN：由最大反向电压上升到零电压的时间。

在建立特征表征参数过程中，需设定评价函数，建立原则采用归一化表征形式(下式中V与N_S，都是在这个9个参数设定后测量到的)，

其中，w(1)和w(2)为设定系数，V是当前墨滴尺寸，Vt是期望墨滴体积，Ns是卫星墨滴数量。

在具有反馈机制的智能调整单元中，通过人工蜂群优化算法逐步缩小当前墨滴驱动波形表征参数与期望墨滴驱动波形表征参数的差距。在优化过程中需设定好可调参数的变动范围，不能使其超界，否则无法获得打印效果。在本实施例中，表征参数满足下述条件(在满足下述条件的前提下，使用人工蜂群优化算法得到优化的墨滴驱动波形表征参数)：

t_rP+t_dP+t_fP+t_i+t_rN+t_dN+t_fN≤T_s-20us

t_i≤2(t_rP+t_dP+t_fP)

V_P≥V_N

V_P+V_N≤28V

V_P,V_N≥5V

t_rP,t_dP,t_fP,t_i,t_rN,t_dN,t_fN≥0.1us

t_rP,t_fP,t_rN,t_fN≤0.5us

其中，Ts为压电式打印喷头的工作周期。

如图7所示，本发明所述墨滴喷射状态调整系统工作流程如下所示：

(1)、设定期望墨滴驱动波形表征参数(之前验证过的合适的驱动参数(9个参数)，根据这9个参数就能挤出期望形状的墨滴。；

(2)、通过CCD摄像机捕获压电式打印喷头喷射出的墨滴；

(3)、墨滴状态参数提取；

(4)、驱动波形表征参数提取；

(5)、当前墨滴驱动波形表征参数与期望墨滴驱动波形表征参数进行比较(即期望墨滴的9个参数和当前墨滴的9个参数进行逐一做差)，如果差距在接受范围(接受范围是每一个参数的误差在正负5％以内即可)内，进入第(7)步；如果差距不在接受范围内，进入第(6)步；

(6)、人工蜂群算法对当前墨滴驱动波形表征参数进行优化(即启动具有反馈机制的智能调整单元工作)；

(7)、驱动波形表征参数输出到喷头驱动控制器；

(8)、判断是否需要对期望墨滴驱动波形表征参数进行更新，如果更新，则进入第(9)步；不更新，则返回第(2)步，即进行下一轮采集调整；

(9)、更新期望墨滴驱动波形表征参数(之前挤出的墨滴都是在期望墨滴误差允许范围内的墨滴，但有时，根据实际情况不同，有可能当前墨滴更适合，所以此时，就将当前墨滴的9个参数作为期望墨滴参数，后面再挤出的墨滴就以当前墨滴的9个参数为标准。)，返回第(2)步，即进行下一轮采集调整。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。