自动化电流体喷印平台控制系统的设计与实现

潘艳桥，陈新元，曾良才

(1．武汉科技大学冶金装备及控制教育部重点试验室，湖北 武汉 430081；2．武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点试验室，湖北 武汉 430081)

0　引言

电流体喷印(electrohydrodynamic printing,EHDP)[1]具有打印精度高(微纳米级)、材料适用范围广(1～10 000 mPa·s)等特点，在印刷电子[2-3]、生物医药[4]以及传感器[5-8]等领域具有广阔的应用前景。由于自动化程度不高、打印效率低以及适应性不强等问题，电流体喷印未能得到工业应用。自动化程度不高主要表现在两个方面。首先，平台各模块之间缺少交互和反馈。其次，图案的适应性不足，只能打印一些简单图案，比如点阵、线阵和薄膜[9]。为提高电流体喷印平台图案打印的兼容性和多样性，实现从位图输入到基底图案的自动化打印，本文提出了一种以图像解析为基础，基于控制卡调控工作电压、气压和运动参数的自动化按需喷印方法，设计并验证了面向该自动化电流体喷印平台的控制系统。

1　自动化按需电流体喷印控制方法

自动化按需喷印控制方法是设计和实现控制系统的前提。本节从工艺原理和自动化电流体喷印的控制策略这两个方面进行介绍。

1.1　电流体喷印工艺原理

电流体喷印利用高压电场诱导喷嘴处的悬滴发生流变，形成泰勒锥后产生射流喷射，在基底上沉积后形成图案，具有分辨率高、材料适应性广、喷嘴不易堵等优点。电流体喷印平台通常包括高压电源、喷嘴和基板等组件，其工艺原理如图1所示。

图1　电流体喷印工艺原理图

溶液供给喷嘴末端，形成初始悬滴。向喷嘴与基板之间施加高压电场，此时悬滴的形状由重力、表面张力和电场力共同确定[10]。当电压较小时，悬滴在场致流变作用下会逐渐形成弯月面；当电压达到一个临界值时，弯月面顶端液体所受的电场力与表面张力的平衡被打破，液滴从泰勒锥尖端射出，形成射流[11]。受溶液参数、结构参数和工艺参数的影响，电流体喷印射流具有多种形态[12]，可实现电喷印[13-14]、电纺丝[15-16]和电喷雾[17-18]这三种打印形式。当前，这三种打印形式可分别制备出直径为200 nm的液滴[13]、直径为50 nm的纤维[13]和厚度为20 nm的薄膜[19]。

1.2　自动化按需电流体喷印的控制策略

从工艺原理可知，电流体喷印开启的条件是有足够的流量和电场强度的输入[20]。而要实现自动化喷印，需先建立输入图案与基板上待喷射液滴之间的映射，然后通过控制基板移动到每一个待打印点以及喷嘴进行喷印。本文以图案解析为基础，基于数字运动控制卡协调控制运动、气压和电压参数的自动化电流体喷印控制策略，实现了从位图输入到基底图案成形的全自动化。自动化电流体喷印原理如图2所示。

图2　自动化电流体喷印原理图

为实现从“位图输入”到“图案成形”，首先，通过计算机将所输入的图案解析出待打印点的位置坐标序列，并传递给运动控制卡，进而分解成各电机轴的路径文件；然后，借助运动控制卡进行参数调控，使喷嘴能在要求的时间和位置打印目标液滴。 控制策略具体说明如下。

①图像解析对输入的位图进行图像处理，得到图案中待打印点的位置坐标信息。图像解析通常包括灰度变换、图像二值化、图像插值、图像光栅化处理等过程。灰度变换指的是将彩色的图片变成黑白的、带有不同灰度的图。图像二值化是对一幅灰度图像进行阈值处理，将高于某一灰阶阈值的像素点显示为白色，其余显示为黑色。其目的是进一步提取重要特征信息。利用图像插值算法，将低分辨率的位图加密成高分辨率的位图。实际上，图像插值就是利用已知邻近像素点的灰度值来产生未知像素点的灰度值，以便原始图像生成更高分辨率的图像。

②基于运动控制卡的参数协调控制，是指在打印的过程中，对平台的实时运动状态、气压输入状态、电压的供给参数按特定时序进行控制。打印开始时，初始化并设定合适的工艺参数来控制喷嘴处弯月面。然后，运动平台根据图形解析所得的位置信息，运动到第一个待打印点处。接着，控制喷嘴端的输出电压使喷嘴打印第一个点。在该点打印完成后，切断喷嘴端的电压输出信号，平台运动到第二个待打印点处。运动停止后，重新施加电压输出信号，使喷嘴打印第二点。依次类推，直至打印结束。

喷印平台打印图案时，工艺过程分为图案输入/解析、图案打印和工位移动三个阶段，可简化为喷嘴相对目标衬底的移动、喷印、再相对移动、再打印的循环过程。自动化电流体喷印控制流程如图3所示。

图3　自动化电流体喷印流程图

2　控制系统的设计与实现

上一节提出了自动化电流体按需喷印控制策略。本节面向电流体喷印平台，设计并验证了能使喷嘴进行自动化电流体喷印的控制系统。该控制系统的硬件部分用于执行软件部分所要求的各种操作指令，为整个控制系统提供了良好的保障；软件部分作为控制系统的灵魂，需要将控制策略转变成一系列控制指令序列，使整个平台有序工作。

2.1　控制系统硬件设计

为实现电流体喷印平台的自动化按需喷印，所设计的控制系统采用“计算机嵌入网络计算机(network computer,NC)”型开放式系统结构，即工控机(工业计算机)结合数字运动控制卡的方式。

工控机作为上位机，实现人机交互、各模块管控协调、视觉图像处理以及运动指令发送。运动控制卡作为下位机，接收上位机的调度指令，实现各个运动轴按照设定的轨迹运动。通过I/O端口的电压/电流信号输出，运动控制卡协助上位机控制能被触发信号控制的部件，如典型的函数信号发生器、精密流量泵、电气比例阀等。工控机与运动控制卡通过外设部件互连标准(perpheral component interconnect,PCI)总线通信，通过以太网与工业相机通信。工控机采用研华的工控机，运动控制卡采用Turbo I型可编程多轴运动控制器(programmable multi-axes controller,PMAC)[21]，基板运动平台采用Parker公司的无铁芯直线410系列直线电机和驱动器，喷嘴运动平台采用安川第五代SGMJV伺服电机和驱动器。具体的控制系统结构如图4所示。

图4　控制系统结构图

2.2　控制系统软件设计

为使电流体喷印平台稳定、可靠且易于扩展，控制系统软件采用VC++的编译环境，可保证功能性以及美观性。根据自动化喷印控制策略所需要完成的流程，软件系统主要包括三个模块：①上位机，建立人机交互界面，实现参数输入、系统设置等功能；②驱动程序，在上位机和下位机之间建立通信；③运动控制程序，通过对PMAC运动控制卡编程，实现对系统的伺服控制和顺序控制，以及机械平台的运动和逻辑控制等功能。通过对控制系统的软件进行设计，实现了上位机与底层控制程序、各工艺参数控制模块之间的快速数据传递。

控制系统软件设计通过控制电气比例阀的状态来控制气压的输入；通过对函数信号发生器的输出状态进行通断控制，以实现对喷嘴电压输入状态的调控。具体实现过程如下。

首先，PMAC卡将目标点位坐标序列编译成位置坐标指令，并向直线电机发送位置坐标指令，以实现平台的运动路径控制。然后，通过PMAC主卡上的控制时钟以及通道、I/O等模拟和开关量控制，调控气压、电压参数。控制气压能够实现喷嘴末端弯月面形状的精确调控。本系统中，借助控制卡通道来控制ITV0010系列电气比例阀的气压输出，并能实现0.2～1 kPa范围内(精度0.1 kPa)的恒定气压输出。控制喷嘴的电压主要是为了实现喷嘴打印状态的切换，即控制其在特定的时刻进行喷印。高电压的生成通过函数信号发生器组合高压放大器实现。高压放大器将函数信号发生器生成的波形信号放大1 000倍后，输出至喷嘴。因此，通过PMAC卡的I/O信号接通或屏蔽函数信号发生器向脉冲放大器的输出，即可实现喷嘴高电压的通断控制。通过O口输出电平信号至信号发生器的外部触发口。若输出信号大于3.5 V，能屏蔽函数发生器信号的输出。若输出电压小于3.5 V，函数发生器能正常输出脉冲信号。

2.3　试验验证

本文通过喷印试验，验证了所设计控制系统的可行性，试验步骤如下。

①平台初始化，设置溶液参数和工艺参数，向墨盒中注入标准的电流体喷印测试溶液乙二醇水溶液(体积比1∶1)，并且设置墨盒末端的气压(约为0.8 kPa)以及喷嘴能够进行喷印的电压工艺参数(偏置1.2 kV、幅值0.2 kV、喷嘴距离基板1 mm、占空比5%、频率1 Hz)。

②向平台的工控机输入字母“H”的BMP位图文件，工控机通过解析算法将图案解析成各电机轴的运动坐标序列。

③点击开始打印按钮，使平台开始按照设定进行工作。试验中，设备初始运行到原点，然后移动到第一个待打印点处，开始自动地逐行扫描并打印，直至最后一个待打印点打印结束。在打印的过程中，平台能够实现输入图案的自动打印。这表明所搭建的自动化按需电流体喷印的控制系统是可行的。

3　结束语

本文针对电流体喷印平台打印兼容性和效率不足的问题，提出了一种基于图像解析和运动控制卡调控的控制策略，设计了一套能实现自动化按需电流体喷印的控制系统。该控制系统以PMAC数字运动控制卡为控制核心，以工控机为上位机，并选择VC++作为用户界面软件的开发环境。试验证明，所提出的自动化喷印方法能稳定实现自动化喷印。本文设计的控制系统实现了图案的自动化打印成形，有效提高了电流体喷印平台的应用拓展性，具有实用价值，为印刷电子、大规模传感器制备、生物医药领域的研究发展奠定了基础。

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