适用于喷绘机的高精度负压控制装置的制作方法

本发明涉及数码喷绘技术领域，尤其涉及一种适用于喷绘机的高精度负压控制装置。

背景技术：

在数码喷绘机领域，市面上通常采用的负压装置在负压控制上，泵和电磁阀频繁启停造成了明显的波动，在精度低只能达到0.1kpa，而在产生负压的过程中有负压上升缓慢，过冲，在设定值附近震荡的现象，控制不平滑。对打印效果产生了一定的影响，也产生了比较大的噪音。

中国专利公开号：cn101695883a公开了一种喷墨打印机喷头负压系统及其负压控制方法，所述负压系统包括负压腔、真空泵、副墨盒和控制系统，负压腔通过若干二位三通阀分别与真空泵、空气源和副墨盒相连，负压腔还连接一负压传感器用来检测负压腔中的负压，控制系统根据负压传感器反馈的信号控制各二位三通阀的打开或闭合及真空泵的通电或断电，以精确控制负压腔内负压值大小；负压系统还通过二位三通阀串接一压墨系统，包括压力泵和限流阀，喷头堵塞时，通过控制二位三通阀使喷头与压墨系统接通，压墨疏通喷头，压墨完毕后放气，以避免其他喷头滴墨。由此可见，所述负压系统存在以下问题：

第一，所述负压系统仅使用多个阀门对负压腔内的气压进行控制，无法对负压腔内部的气压进行精确控制。

第二，所述负压系统通过操纵各阀门开闭以调整负压腔内负压大小，会导致系统中各装置不稳定，从而使负压腔内的气压值产生震荡，稳定性差。

技术实现要素：

为此，本发明提供一种适用于喷绘机的高精度负压控制装置，用以克服现有技术中由于负压稳定性差而导致精度低的问题。

一方面，本发明提供一种适用于喷绘机的高精度负压控制装置,其通过使用pid算法输出pwm波形调节真空泵的电压值，以实现对气压的平滑控制，包括：

用以设置数值并将数值显示的设定机构；

设置在所述设定机构下方，用以检测和控制气压的控制板卡，所述控制板卡通过对储气罐中气压进行实时监控，调节真空泵的电压以将储气罐内的气压维持在稳定值；

设置在所述控制板卡右侧的负压机构。

进一步地，所述控制板卡包括：

设置在所述设定机构下方并与其相连的mcu单元；

设置在所述mcu单元左侧，用以与其他装置互联的rs422接口；

设置在所述mcu单元左侧并位于所述rs422接口下方，用以发出警报的蜂鸣器；

设置在所述mcu单元下方，用以对信号和数据进行编制的编码器；

设置在所述mcu单元下方并位于所述编码器接口下方，用以调节所述真空泵电压的pwm调压电路；

设置在所述mcu单元右侧，用以采集所述储气罐中气压的气压采样电路。

进一步地，所述负压机构包括：

设置在所述控制板卡右侧并与所述气压采样电路相连的储气罐；

设置在所述储气罐上方并与所述储气罐入口处，用以调节所述储气罐内部气压的补气泵，所述补气泵与所述mcu单元相连，mcu单元通过分析所述气压采样电路采集到的储气罐内气压控制补气泵运作以调节储气罐中的气压；

设置在所述储气罐出口处，用以抽取所述储气罐内空气并使储气罐内部形成负压的真空泵，所述真空泵与所述pwm调压电路相连，所述mcu单元通过分析所述气压采样电路采集到的储气罐内气压控制pwm调压电路对真空泵的电压进行调节，以控制储气罐中的气压。

进一步地，所述真空泵还与所述编码器连接，用以通过编码器将真空泵中的具体情况转换成具体数据并将数据输送至mcu单元中。

进一步地，所述气压采样电路与所述储气罐相连，用以检测储气罐内部的气压。

进一步地，所述使用pid算法输出pwm波形的具体步骤包括：

步骤1：根据现有系统中的具体数值对系数进行设定，并在系统运行后根据运行时间和待测参量绘制曲线图；

步骤2：根据曲线的波动情况确定比例系数kp，确定比例系数kp后，重新运行系统并绘制曲线，根据曲线的波动情况对积分系数ki和微分系数kd；

步骤3：系数确定完成后，使用所述设定机构对预设气压p0和气压采样电路的采样周期t进行设定；

步骤4：运行系统，并使用所述气压采样电路对所述储气罐中的气压进行周期性测定，得到多个气压的采样值p1,p2,...,pn；

步骤5：通过分别将气压采样值p1,p2,...,pn与预设气压p0相减，得出各气压采样值与预设气压p0的偏差值e1,e2,...,en；

步骤6：根据偏差值e1,e2,...,en的正负和大小，将上述数据带入式(1)计算得出与输出电压δun一致的占空比：

δun＝kp[(en-en-1)+(t/ki)en+(kd/t)(en-2en-1+en-2)](1)

步骤7：得出与输出电压δun一致的占空比后，将pid调节程序直接写入所述pwm调压电路，从而改变输出脉冲的占空比，并完成对pwm波形的调节。

另一方面，本发明提供了一种适用于喷绘机的高精度负压控制装置的工作过程，包括：

步骤1：使用所述设定机构对负压机构中储气罐的预设负压进行设定，设定完成后启动装置，使控制板卡和负压机构开始运作；

步骤2：在装置运作时，所述气压采样电路会对储气罐中的气压进行实时测量，将检测到的气压值输送至所述mcu单元，并将检测气压值与预设气压值进行对比，当检测气压值高于预设气压值时，mcu单元会操控所述pwm调压电路调节所述真空泵的电压，通过改变真空泵的电压以改变其功率，从而调节储气罐中的气压；

步骤3：在对所述真空泵电压进行调节时，所述编码器会对真空泵中的电压进行编码，将其转换成数据并输送至mcu单元，此时mcu单元会将数据带入pid算法中进行计算，得出与输出电压δun一致的占空比后，将pid调节程序直接写入所述pwm调压电路，并通过pwm调压电路对真空泵的电压进行调节；

步骤4：真空泵的工作电压改变后，其功率也随之改变，储气罐中的气压也根据真空泵功率的改变而降低；此时重复步骤2-步骤3，对储气罐中的气压进行多次采集和对比，并利用pid算法不断操控pwm调压电路对真空泵电压进行调节直到储气罐中气压与预设气压相同；

步骤5：当所述气压采样电路测得的气压值小于预设气压值时，所述mcu单元会控制补气泵对储气罐进行补气以提高储气罐内的气压，补气后，使用气压采样电路再次对储气罐中气压进行检测，并控制补气泵改变补气量，重复补气直至储气罐中气压等于预设气压。

进一步地，在所述负压控制装置工作时，可以使用rs422接口将其与其他装置相连，通过与不同的装置联动，以实现更多功能。

进一步地，当所述负压控制装置中出现控制板卡无法调节的状况或发生故障时，编码器会对mcu单元发送信号并使mcu单元控制蜂鸣器发出警报以提醒操作人员。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明所所述负压控制装置通过使用pid算法控制pwm调压电路对储气罐内气压进行控制，降低了负压的上升时间，减小了负压产生时的超调量，缩短了调节时间。使负压的控制响应更加灵敏，负压的控制更加平滑。也不会在设定值附近频繁波动，基本消除了稳态误差。

尤其，所述负压控制装置通过使用高精度采样和高精度调压，能使负压控制精度达到0.02kpa，提高了所述负压控制装置的负压控制精度。

尤其，本发明中通过调节真空泵的电压以对储气罐中气压进行调整，这样，在运行过程中真空泵和补气泵无需进行频繁启停，减少了噪音的产生。

尤其，所述控制板卡中设有编码器和蜂鸣器，通过编码器与蜂鸣器的配合使用，能够快速的针对故障发出警报，并直观的提醒操作人员。

进一步地，所述设定装置与控制板卡采用分离式设计，这样，在安装时对位置的选择能够更加灵活。

进一步地，所述控制板卡中还设有rs422接口，能够以此把负压控制装置加入到整个喷绘打印的控制系统中，使其能与其他装置联动，实现更多的功能。

进一步地，所述控制板卡中设有气压采样电路，通过气压采样电路对储气罐内气压的实时采样，并通过mcu单元对储气罐内气压进行实时控制，以实现储气罐内气压的平滑改变，提高了所述负压控制装置的稳定性。

尤其，在负压机构中，通过使用真空泵和补气泵一同对储气罐内气压进行调节，使其能够更加快速和准确的达到预设气压值。

附图说明

图1为本发明适用于喷绘机的高精度负压控制装置的功能框图；

图2为本发明适用于喷绘机的高精度负压控制装置在实验时的负压变化曲线。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1所示，其为本发明所述适用于喷绘机的高精度负压控制装置的功能框图，包括设定机构、控制板卡和负压机构；其中，控制板卡设置在所述设定机构下方并与其通过电线连接，用以调节负压机构中的负压；所述负压机构设置在所述控制板卡右侧，用以为喷绘机喷头提供负压。

在使用所述负压控制装置时，先使用所述设定机构对负压机构中的预设气压值进行设定，设定完成后所述负压控制装置开始工作，负压机构开始产生负压，此时控制板卡会对负压机构中的气压进行检测并将检测值与预设值进行对比，若对比后二者数值并不一致，所述控制板卡会对负压机构的电压进行调节，并使其产生负压的气压值向预设值靠拢；通过多次的检测、对比和调整以达到对负压机构中气压的平滑控制。本领域的技术人员可以理解的是，所述负压控制装置不仅可用于喷绘机，还可用于其他需要产生负压的场所，只要满足所述负压控制装置能够产生负压并对负压机构中的气压进行平滑控制即可。

请继续参阅图1所示，本发明所述设定机构设置在所述控制板卡上方并与其通过电线连接，用以设定负压机构的预设压力值，在使用所述负压控制装置前，使用设定机构对预设压力值进行设定，设定完成后，负压机构开始运作，控制板卡会对对负压机构中的气压进行检测，并对负压机构进行调节直至负压机构中气压与预设气压值相同。可以理解的是，所述设定机构与控制板卡的连接方式可以为电线连接、无线连接或其他种类的连接方式，只要满足所述设定机构能够设定预设气压值，并使所述控制板卡能够以此为基准对所述负压机构进行检测和调节即可。

请继续参阅图1所示，本发明所述控制板卡设置在所述设定机构下方，用以检测和调整所述负压机构中的气压值，包括mcu单元、气压采样电路、pwm调压电路、编码器、rs422接口和蜂鸣器；其中所述mcu单元设置在控制板卡正中处并与所述设定机构相连，用以接收和计算数据并控制其余部件工作；所述气压采样电路设置在所述mcu单元右侧，用以对所述负压机构中的气压进行采样，并将测得的气压值输送至所述mcu单元；所述pwm调压电路设置在所述气压采样电路下方，用以对负压机构中的电压进行调节以改变负压机构中的气压值；所述编码器设置在所述pwm调压电路下方，用以将测得的气压转换成数据的形式并将其输送至所述mcu单元；所述rs422接口设置在所述mcu单元左侧并与其连接，用以与其他装置互联以实现联动；所述蜂鸣器设置在所述rs422接口下方并与所述mcu单元相连，用以在负压控制装置出现故障时发出警报。

当所述控制板卡工作时，气压采样电路会对负压机构中的气压进行采样，采样完成后通过编码器将其转换成数据并输送至mcu单元，所述mcu单元会将检测值与预设值进行对比，根据对比结果进行计算，并控制所述pwm调压电路调节所述负压机构的电压，通过多次检测、对比和调节后使负压机构中的气压值与预设值相等；当控制板卡中出现故障时，所述mcu单元会控制所述蜂鸣器发出警报以警示操作人员。可以理解的是，所述控制板卡不仅可用于对喷绘机的平稳负压控制，也可用于对其他负压装置的平稳控制或对其他电路中电压的平稳控制，只要满足所述控制板卡能够达到其指定的工作状态即可。

具体而言，所述mcu单元为一单片微型计算机，其设置在控制板卡中央位置，用以接收数据、针对数据进行运算以及控制其余部件运作；所述mcu单元中设有pid算法，当所述编码器将气压采样电路测得的气压值转换成数据并输送至mcu单元中时，mcu单元会将检测值与预设值分别带入pid算法中，经过计算求得最佳pwm波形，并将其输出至pwm调压电路以使其调节负压机构中的电压。

具体而言，所述气压采样电路设置在所述mcu单元右侧并分别与mcu单元和负压机构相连，用以检测负压机构中的气压。当所述负压机构运作时，所述气压采样电路会对负压机构中的气压进行多次采样，并将其输送至mcu单元，通过mcu单元的多次计算以及pwm调压电路的多次调整使负压机构中气压值与预设气压值相等。

具体而言，所述编蜂鸣器设置在所述mcu单元左侧并位于所述rs422接口下方，用以在负压控制系统出现故障时发出警报；当所述控制板卡中出现故障时，mcu单元会检测到故障，并控制所述蜂鸣器发出警报以提醒操作人员。可以理解的是，所述蜂鸣器发出警报的方式可以为声音警报、灯光警报或其他种类的警报方式，只要满足所述蜂鸣器在发出警报时能够提醒操作人员即可。

请继续参阅图1所示，本发明所述负压机构设置在所述控制板卡右侧，用以产生负压，包括补气泵、储气罐和真空泵；其中所述补气泵设置在所述负压机构上端，用以通过补气的方式调节负压机构内气压；所述储气罐设置在所述补气泵下方，用以装载负压；所述真空泵设置在所述储气罐下方，用以产生负压。当所述负压机构开始工作时，所述真空泵开始运作并生成负压，所述储气罐中气体被真空泵抽走，形成负压，当所述储气罐中气压低于预设气压时，所述补气泵会开始运作并对储气罐进行补气。

具体而言，所述补气泵设置在所述储气罐上方并与所述mcu单元相连，用以调节储气罐内的气压，当所述气压采样电路采集储气罐内的气压，将其输送至mcu单元并与预设气压对比后，如果所述检测气压值低于预设气压值，则mcu单元会控制补气泵对储气罐内部进行补气，使其内部气压值升高。可以理解的是，所述补气泵的具体类型本实施例不作具体限制，只要满足所述补气泵能够使所述储气罐中的气压升高即可。

具体而言，所述储气罐设置在所述补气泵下方，用以与所述喷头连接并利用负压将喷墨输送至指定方向。所述储气罐中设有气压检测器，其与所述气压采样电路相连，在负压控制装置运行时，所述气压采样电路会对储气罐内的气压进行多次采样，并通过mcu的多次计算以及pwm调压电路对电压的多次调解以完成对储气罐中气压的平滑控制。可以理解的是，所述储气罐的材料本实施例不作具体限制，只要满足所述储气罐具有能够承受指定负压的强度即可。

具体而言，所述真空泵设置在所述储气罐下方，用以抽取所述储气罐内气体并降低其内部的气压；当所述负压机构开始工作时，所述真空泵开始运作并抽取所述储气罐中的气体以降低其内部的气压，此时所述气压采样电路对储气罐中气压进行检测后将测得的气压值输送到所述mcu单元中，经mcu单元对比和计算后，控制pwm调压电路调整所述真空泵的电压，当电压发生变化时，所述真空泵的功率也会发生变化，并以此调节储气罐中的气压；调节完成后，mcu单元会进行多次的对比和调整，通过对真空泵的多次调节以完成对储气罐内部气压的平滑调节。可以理解的是，所述真空泵的具体类型本实施例不作具体限制，只要满足所述真空泵能够使所述储气罐中的气压降低即可。

为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

选择一款容积为1l以上的储气罐，所述储气罐设有有3个连接口，包括进气口、出气口和负载口；其中选用蠕动泵作为补气泵并将其与进气口连接，选用抽气泵作为真空泵并将其与所述出气口连接，将气压传感器和负载设置在所述负载口；连接完成后将气压传感器与所述控制板卡中的气压采样电路相连接。安装完成后将气压传感器的精度定为0.01kpa，并使用设定机构对预设气压值进行设定，其中预设气压值为-4.0kpa，设定完成后使所述负压控制装置开始运行。

在所述负压控制装置运行过程中对储气罐中的气压进行实时检测并绘制气压曲线，绘制结果如图2所示，其中，x轴为时间，单位为ms，y轴为负压值，单位为kpa。

根据图2可得，所述储气罐中气压从0kpa到-4.0kpa所用时间为7.908s，超量为0，储气罐内气压稳定至-4.0kpa所用时间为7.908s；在稳定后稳态精度为-0.015kpa到+0.011kpa；在运行过程中，使储气罐内部瞬间加压至-4.43kpa后，重新回复至-4.0kpa的时间为0.51s，超调量为0，储气罐内气压稳定至-4.0kpa所用时间为0.51s；在运行过程中，使储气罐内部瞬间泄压至-3.55kpa，重新回复至-4.0kpa的时间为0.79s，超调量为0.07，储气罐内气压稳定至-4.0kpa所用时间为0.39s。

由此可见，本发明所述适用于喷绘机的高精度负压控制装置对负压的控制变化十分平滑，当过压或欠压时，响度速度也非常快，稳态误差很小。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。