基于实验数据探讨喷墨系统残余振动与定位精度之间的相互关系

赖昌华 蔡吉飞 张阳

摘要：上光机喷墨定位系统残余振动对定位精度有较大影响。为了研究残余振动与定位精度之间的相互关系，以一种两自由度喷墨单元定位系统为研究对象，进行该喷墨头定位系统启/停定位过程中的残余振动实验研究。首先通过台达高性能影像视觉检测系统得出纸张侧定位偏差量。然后将偏差量转化为伺服电机脉冲数进行喷墨单元的定位。实验结果表明输纸速度越大，残余振动振幅越大，为0.1mm～0.3mm，会影响喷墨单元定位精度。

关键词：上光机；振动测试；残余振动

中图分类号：TS8 文献标识码：A 文章编号：1400 （2020） 01-0052-06

基金项目：北京市教委科研计划一般项目-喷码印刷动态定位关键技术的研究（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，隨着人们对精美包装礼品和高质量印刷工艺品的需求越来越大，使得印刷包装行业得到了迅速发展，同时也对印刷和印后设备的印刷质量提出了更高的要求。上光机作为重要印后设备之一，其喷印的上光油墨与印刷品图像的位置精度为0.2mm以上，还达不到高质量印刷品的精度要求。上光机的喷印误差主要来源于侧规的拉纸定位误差，目前使用的国产侧规的拉纸定位误差为0.2mm以上。为了解决减小纸张侧定位的定位误差，提高上光油墨喷印与印品图像位置精度，设计了喷墨头定位系统。该喷墨单元定位系统由工业照相机、图像处理系统、移动装置、喷墨单元等组成。

喷墨单元定位系统的主要作用是实现喷墨头的快速定位和精准喷印。喷墨头定位系统由于质量惯性较大和其构件固有柔性的存在，其在短时间内启/停和高速移动过程中从一种运动状态过渡到另一种运动状态时加速度突变不可避免地会产生残余振动。残余振动的存在会导致图像边缘线条产生锯齿形状等严重影响喷印精度和质量的问题，因此对喷墨头定位系统残余振动的研究和控制，提高定位精度是有必要进行研究的难题。

对于残余振动的研究大多都集中在机械手和机床等设备上，并且提出了机械机构优化等被动抑制方法和软件算法上的轨迹规划以及输入整形等主动抑制方法，都取得了一定的效果和应用，但目前针对残余振动对喷墨印刷设备产生的影响还少有实验研究。

本研究以一种基于上光机的两自由度喷墨单元定位系统为研究对象，通过实验研究、分析残余振动对上光机喷墨系统定位精度的影响。

1 机构描述

研究对象是一种两自由度可往复直线运动的喷墨单元定位装置。喷墨单元定位装置样机如图1所示，喷墨头定位装置结构示意图如图2所示。

机构采用如图2所示的坐标系，Y轴为螺旋副（H1）的运动轴线，Z轴为螺旋副（H2）的运动轴线，沿Y轴方向的运动为喷墨头定位装置的主要运动。在运动过程中，伺服电机通过螺旋副（H1）驱动喷墨单元固定架沿Y轴运动，移动副（P1）为虚约束，增加了喷墨单元固定架在运动过程中的稳定性。步进电机通过螺旋副（H2）驱动喷墨单元固定架沿Z轴移动，主要作用是调节喷墨单元与输纸板台的高度，调节过程是在设备运行前完成。气弹簧安装在喷墨单元固定架两边，对固定架起到了支撑作用，减小了步进电机丝杠的负载。该装置不但拥有高速度、高精度、高刚度及动态响应特性好的特点，而且由于螺旋副（H1）和螺旋副（H2）形成的并联嵌套结构，进而使得装置更加紧凑，减小了装置的占用空间，避免了与设备上其他机构的干涉。

2 残余振动实验

喷墨单元定位系统由两自由度并联机构、交流伺服电动机、步进电机和台达PLC控制器组成。运动控制器采用的是台达ES系列控制器，电动机为台达伺服电动机和信捷步进电机，控制系统基于WPLSoft V2.47版本PLC编程软件进行开发。喷墨单元定位系统运动过程中使用的是交流伺服电动机，其运动控制模式采用的是通过伺服驱动器来控制电动机的开放式运动控制，控制流程如图3所示。

信号采集与分析系统由丹麦B&K公司PULSE测试系统、10通道3560-B型PULSE移动式数据信号采集系统和丹麦B&K公司4506型三向加速度传感器组成，测试系统如图4所示。加速度传感器分别布置于喷墨单元上，参数见表1。

由于影响喷墨单元定位精度的运动是由伺服电机驱动的绕Y轴的旋转运动，所以加速度传感器主要布置在与Y轴方向平行的喷墨单元上，信号采集系统采集的是喷墨单元的振动信号。传感器分布如图5、图6所示。

在测试之前，将上光机启动，待走纸稳定后，将上光机输纸速度分别设置为25m/min、30m/min、35m/min、40m/min，在不同速度下进行振动测试。图7～图10分别为不同速度下喷墨单元振幅随时间的变化曲线。横坐标表示时间的变化，单位为s。纵坐标表示振幅变化，单位为m/s2。

对振动图样进行统计得出如表2所示的数据。

表3中，Ap为运行过程中的最大振幅，Aq为喷墨头单元振动的最大残余振幅，ts为残余加速度降至0.06m/s2以下所需时间，用来表示残余振动的衰减时间。

3 实验数据分析

在速度提高的情况下，最大振幅Ap与速度的關系如图11所示。

最大残余振幅Aq与速度的关系如图12所示。

残余振动与其衰减时间的关系如图13所示。

分析图11可知，随着上光机输纸速度增加，喷墨单元最大振幅幅值增加。给纸速度增加会导致递纸误差和侧定位误差变大，使得纸张侧定位误差增加，喷墨单元的位移变大。

分析图12可知，随着上光机输纸速度增加，喷墨单元最大残余振动幅值增加。走纸速度增加，喷墨头单元位移变大，定位时间缩短，形成更大的冲击，造成残余振动振幅变大。

分析图13可知，随着残余振动振幅的增加，残余振动衰减时间变长。在喷墨单元喷印上光油墨之前需要考虑喷墨单元定位时间。

分别对不同速度下最大振动振幅的时域图进行二重积分，得出最大残余振动振幅为0.1mm～0.3mm。

4 残余振动讨论

表3为不同输纸速度下喷墨单元的最大残余振幅，为了得到输纸速度-最大残余振幅最佳函数匹配，将通过最小二乘法进行函数曲线拟合。

根据图12，输纸速度为自变量，残余振动为应变量，假设输纸速度-最大残余振幅函数关系式为：

从表3中的四组数据选择三组数据代入式（1）中，则有四组不同的a、b、c组合，如表4所示：

为了得到最佳函数匹配，应将不同输纸速度下测点1、2、3所测得的最大残余振幅代入式（2）：

使得自变量x不同系数下的Jθ最小。表5为不同输纸速度下测点1、2、3所测得的最大残余振幅。

通过matlab编程求解自变量x不同系数下的Jθ，结果如表6所示。

通过表6可知，J1最小，输纸速度-最大残余振幅函数关系式为：

输纸速度-最大残余振幅拟合曲线如图14所示。

5 结语

以一种基于上光机的两自由度喷墨单元定位系统为研究对象，针对上光机输纸过程中喷墨单元定位系统产生的振动进行实验研究，具体结论如下：