专利名称：一种阵列式精密喷印设备的喷印控制方法与系统的制作方法
一种阵列式精密喷印设备的喷印控制方法与系统本发明专利涉及适用于PCB高速喷印、陶瓷印花、EL冷光板印制等领域的多喷头阵列式喷印设备，是属于エ业高速喷墨打印的印制制造技木。
PCB制造业是我国珠三角地区的优势制造业，印制电路板常规制造エ艺是铜箔蚀刻法，也称减成法，它是用覆铜箔层压板为基板，经网版印刷或光致成像形成抗蚀线路图形，由化学蚀刻得到电路。PCB制造过程复杂、エ序多，耗用大量的水与电，耗用许多铜与化学品材料，产生大量的废水和污染物。喷墨印制电子(Printed Elec-tronic)技术是正在兴起ー项PCB技术革命，，它采用数字喷墨打印技术，把功能性油墨直接在绝缘基材上进行喷墨印制，直接形成抗蚀/抗镀、导电层电路、标注的图形。新技术可以减少传统エ艺的60%以上的生产过程，节省60%以上的抗蚀/抗镀的油墨/干膜等材料，減少90%以上有机废水的处理与排放，并可提高产品的合格率和缩短生产周期，降低“图形转移”的成本。喷墨打印替代传统的丝印是技术发展的趋势，高速喷墨打印要求采用多个喷头组成喷头阵列，并行工作，设计ー种能协调多喷头同步精准喷印、分发与调度喷印任务的系统是本发明专利设计的主要内容。本发明专利技术也可以应用到陶瓷印花、EL冷光板印制等领域。[发明专利内容]本发明专利涉及ー种阵列式精密喷印设备的喷印控制方法，设计ー套阵列式精密喷印设备的数据传输及控制协议及采用所述协议的喷印控制系统，解决2-120个喷头组成的喷头阵列的喷印作业生成、数据快速传输、任务分发与协同、精准同步喷印的问题，适用于PCB高速喷印、陶瓷印花、EL冷光板印制等领域。基于三层硬件架构上位机、NUSB中控系统、喷头控制板卡阵列，设计喷印数据结构、通信及控制协议，喷印作业调度算法，喷印作业由喷印点火数据、计划方案指令、临时方案指令组成，系统按计划方案或临时方案调度喷印作业；上位机生成作业数据与指令，NUSB进行解析指令、管理作业、分发任务、控制执行并统计，喷头控制板卡执行喷印任务。各部分的具体结构及工作原理如下I.本发明专利涉及多喷头阵列式喷墨印制设备本发明专利所述的多喷头阵列式喷墨印制设备具有2-120个喷头组成的喷头阵列，喷头阵列固定安装在设备基台上，喷头阵列处于静止状态，喷印物件则处于运动状态，喷印物件被传送经过喷头阵列下方吋，喷头进行精准的对位喷印，喷印过程示意如图2所
/Jn ο多喷头阵列式喷印设备的多喷头排布成纵横阵列，各喷头的平台位置坐标不同，各喷头喷印的内容及点火喷印的时刻也不一致，为了能进行精准的对位喷印，需要有ー个精确的喷印时间基准，在喷头阵列前方20cm处设置有光电传感器及影像采集装置，采用装置发出的脉冲信号为计时复位基准，并对采集的影像进行定位分析，采用其结果来补偿偏移误差(具体方法在后面描述)。设备机械平台及喷头布局结构如图3所示。2.本发明专利所述的阵列式喷印设备喷印控制系统(I)所述嗔印控制系统由上位机、NUSB中控系统、噴·头控制板卡阵列组成，在上位机与喷头控制板卡阵列之间设置有NUSB中控系统，喷印控制系统的硬件特征上表现为三层结构。上位机通过千兆网与NUSB中控系统进行通信，具有基于共享密码的安全认证机制；NUSB中控系统与喷头控制板卡间通过USB2. O进行通信，ー个NUSB中控系统带有10-30个USB ロ，可以连接10-30个喷头控制板卡；喷头控制板卡与喷头之间通过喷头配套排线进行通信，一个喷头控制板卡可以驱动连接1-4个喷头，设备最多可具有120个喷头，喷印控制系统的结构示意如图I所示。(2)所述喷印控制系统上位机一方面，上位机根据准备喷印的图形、生产批次任务、每个喷头的位置坐标、设置 的喷印时间基准、喷印物件速度、喷头孔位參数，按后面描述的帧生成算法进行运算处理，为每个喷头生成喷印作业指令及数据，封装为喷印点火数据帧、计划方案指令帧、临时方案指令巾贞(各类巾贞结构在后面定乂说明)，发送给NUSB中控系统；另ー方面，上位机根据用户的设备操作、墨路定时自动维护动作，生成机构运动指令帧，墨路操作指令帧，发送给NUSB中控系统。上位机通过主动询问或被动接收NUSB中控系统的设备状态管理帧，分析、确认设备的状态。(3)所述嗔印控制系的NUSB中控系统NUSB中控系统工作在上位机与喷头控制板卡阵列之间，负责传输数据、解析指令，进行作业调度与任务分发。所述喷印控制系统的NUSB中控系统，其硬件系统特征是主板上有ー个千兆网ロ，通过千兆网ロ与上位机进行连接通信，有10-30个USB ロ，通过USB ロ与喷头控制板卡进行连接通信，安装有一个运动控制卡，通过运动控制卡向设备的运动伺服系统发脉冲，控制设备的各运动轴的运动。本发明专利所述的阵列式喷印设备有6个运动轴，采用ー个6轴运动控制卡进行控制。NUSB中控系统分析从上位机接收来的运动控制操作帧，从帧数据中取出运动控制卡的控制參数，送到运动控制卡，由运动控制卡按參数要求发出脉冲，控制设备的运动。NUSB中控系统接收上位机传送来的帧有喷印点火数据帧、计划方案指令帧、临时方案指令帧、机构运动指令帧、墨路操作指令帧。NUSB中控系统分析收到的各帧帧头，如果巾贞头(Cmd_XPacket_Header结构)中的PacketType的值为“X-USB”，则从巾贞(Cmd_NUSBPacket结构)中USBNo取出USB ロ编号，按指明的USB ロ编号分发帧(喷印点火数据帧、计划方案指令帧、临时方案指令帧)到与USB相连的喷头控制板卡；如果帧头(Cmd_XPacket_Header 结构)中的 PacketType 的值为 “Xnove”，则从巾贞(Cmd_XMovePacket 结构)中分析取出运动控制卡的运动控制參数，按运动控制卡的指令格式要求生成运动控制指令，发给运动控制卡执行，生成运动伺服系统的脉冲，控制设备的运动动作。如果帧头(Cmd_XPacket_Header 结构)中的 PacketType 的值为 “X_com”，则从巾贞(Cmd_XComPacket结构)中ComNo取出串口号，并把帧中CmdContent的值发送到ComNo指明串口号的串ロ，即把墨路操作指令帧去掉帧头后的数据通过串ロ送到墨路维护的PLC系统。所述喷印控制系统的NUSB中控系统，其具有设备状态管理协议，通过与上位机、喷头控制板卡进行状态管理数据帧的交換通信，进行设备状态的一致性管理，状态管理数据帧具有说明书中所定义的状态管理数据帧协议格式。NUSB中控系统通过USB2. O接ロ直连各个喷头控制板卡、通过PCI总线直连运动控制卡、通过COM串ロ直连控制墨路的PLC系统，NUSB中控系统保存有设备各部分的工作状态，并维持与管理状态。用户操作上位机，上位机生成喷印作业指令及数据，下发到USB系统处理后，上位机可以脱离设备或关机，不会影响设备对喷印作业的执行。分发到各喷头控制板卡中的喷印作业，其喷印点火数据部分存入在数据区内存中，其喷印任务指令部分存入在指令区内存中，各喷头控制板卡在外部的喷印基准脉冲触发下，自动执行喷印作业。当上位机重新开机或重新连接设备时，向NUSB中控系统发送状态请求帧，NUSB中控系统收到请求后，把设备的状态数据封装成状态管理数据巾贞(Cmd_GetStatusPacket结构)，发送给上位机。(4)所述喷印控制系统的喷头控制板卡喷头控制板卡由FPGA主控部分与DSP定位部分组成，FPGA主控部分与DSP定位部分通过共享缓存进行数据交換。在FPGA主控部分的DRAM中创建存放喷印点火数据的内 存片段(下称数据内存区)、存放计划方案指令的内存片段(下称计划指令内存区)、存放临时方案指令的内存片段(下称临时指令内存区)，采用查找表机制进行访问。FPGA主控部分接收从NUSB传入的数据帧、指令帧，数据帧依次逐行存到数据内存区，计划方案指令帧存到计划指令内存区，临时方案指令帧存到临时指令内存区。任务指令在喷头控制板卡中执行一次，完成一个喷印物件的喷印作业，按任务指令中贞中的任务量(任务指令巾贞结构Jet_ScheduleFrame中的TotalPassCount项值)重复执行多次，完成多个喷印物件的喷印作业。各喷头控制板卡中任务指令帧的一次执行，需要一个同时的外部触发脉冲(下称喷印触发脉冲)为喷印时间起始基准。在设备喷印工作状态下，喷印物件依次进行设备，匀速向前运动，当喷印物件的前缘到达光电传感器时，触发光电传感器输出的脉冲，光电传感器输出的脉冲通过直连进入相机I/o接ロ的输入端，触发影像采集装置的相机进行定位拍照，在相机拍照快门关闭时亥IJ，相机的I/o接ロ的输出端输出ー个拍照完成脉冲信号，所述的拍照完成脉冲信号作为喷印开始的基准信号，通过硬件直连分发到所有的喷头控制板卡的喷印触发脉冲输入端，这样，所有的喷头控制板卡具有一致的喷印基准信号。当外部的喷印触发脉冲达到喷头控制板卡，计时器清0，并从临时指令内存区中读取任务指令，如果临时指令内存区为空，则再从计划指令内存区中读取任务指令，分析指令參数，按指令參数(任务子项结构Jet_SectionTask中的StaRt_X、Start_Y、RowCount项值)指示到数据内存区依次逐行取到帧数据,帧中点火数据送喷头内部的点火数据区,帧中点火时间戳项值加上从共享缓存中取到的喷印物件偏移补偿的时间换算值，作为该帧的喷印点火时间；DSP定位部分与外部相机相连，接收定位园的影像数据，由DSP进行影像处理，计算出喷印件上的定位圆的圆心坐标，把喷印件在运动方向的偏离值按速度換算成喷印延时的时间值，放入共享缓存中，供FPGA主控部分纠偏补偿使用。喷印控制板卡的控制电路系统主要包括基于FPGA的主控部分、基于DSP的定位圆图像采集及參数提取部分。FPGA主控部分主要包括USB接ロ模块、喷印数据处理模块、喷头驱动模块、温度控制模块、驱动电压调整模块、喷印图像存储及纠偏模块、与DSP接ロ模块部分，其中，USB接ロ模块在每批次喷印开始前用于接收上位机经NUSB系统发送下来喷印作业数据，喷头驱动模块用于将喷印数据信息转化为适合喷头喷印的时序，以时序控制喷头的喷印动作；温度控制模块用于实时监控喷头温度；驱动电压调整模块用于实时调整喷头驱动电压的幅值及幅宽，电路原理结构图如图6所示。3.多喷头阵列式喷印设备的数据传输及控制方法在上位机与喷头控制板卡阵列之间增加NUSB中控系统，由上位机、NUSB中控系统、喷头控制板卡阵列组成硬件架构上的三层结构，具有基于三层硬件结构定义的数据通信及控制协议，按协议进行互相间的数据交换与控制，上位机根据喷印图形与生产任务，生成喷印作业指令及数据，封装为帧，传给NUSB中控系统，NUSB中控系统传输数据、解析指令，进行作业调度与任务分发，喷头控制板卡按规则执行喷印任务。所述的ー种多喷头阵列式喷印设备的数据传输及控制方法，采用的数据通信及控
制协议定义了喷印点火数据帧、计划方案指令帧、临时方案指令帧、墨路操作指令帧、设备状态管理帧、运动控制指令帧。采用C++语言定义的数据通信及控制协议如下#define JET_PIXELS 1024 //每个喷头的喷孔数(像素点数)，采用Kcmic1024 define PIXEL_BITS3 //每像素点的位数，3位表达8级灰度
//I.定义喷印作业执行系统的基本数据结构// (I)喷印点火数据的基本结构(遂行点火数据)
typedef struct Jet_DataStruct //一条点火数据喷印一行图像，即ー倾对应一行
{
unsigned long JetTime; //预计喷印点火时间，由上位机按参数计算并填写unsigned char 0neJetData[4*PIXEL_BITS*JET_PIXELS/8]; //喷头一次点火喷印的数据}JET一DATASTRUCT;
//区域图案喷印---从ー个较大的图像中取ー个区域点阵，喷印到物件上。
//批次喷印方案一-据ー个图像，设计不同的区域点阵及喷印数的组合，形成一个批次喷印方案。
// (2)区域图案喷印的任务项(例如喷印ー种区域图案)的数据结构typedef struct Jet_SectionTask
{
unsigned short Start_X; //本次任务喷印在图像中的开始点X坐标(从左起第几点开始) unsigned short Start_Y; //本次任务喷印在图像中的开始点Y坐标(从上起第几行开始) unsigned short RowCount; //本次任务要喷印的总行数(例如喷印ー块物件的行数) unsigned short PassCount; //重复喷印的物件数(例如连继喷印几块物件)
}JET_SECTIONTASK, *JET一SECTIONTASK;
// (2)方案指令(计划方案指令、临时方案指令)的基本结构(方案指令数据)
typedef struct Jet_ScheduleStruct //定义批次喷印的方案(例如按方案喷印1000块物件)
//作业基本信息
unsigned short TaskNo;//本次方案的批次号，所有驱动板卡的任务批次要一致
unsigned short TotalPassCount;//本批次方案要喷印的物件的总数量(例如喷印物件数) //喷印数据信息
unsigned short DataAddr; //喷印图形数据的开始地址 unsigned short PicWidth; //图像的宽，单位为像素点 //喷印方案信息
unsigned char ItemCount; //重复执行的打印任务项的数目 JET_SECTIONTASK Printltem[100];//重复执行的打印任务项数据
/*使用約定
执行任务时，由“DataAddr+数据内存起点物理地址”算本次任务图像数据存放物理地址，
按ItemCount，依次执行PrintItem中定中定义的项数义的“打印任务”，并统计打印次数， 重复进行，直到统计打印次数达到TotalPassCount,本批次方案结束。
权利要求
1.一种多喷头阵列式喷印设备的数据传输及控制方法，其特征在于在上位机与喷头控制板卡阵列之间设有NUSB中控系统，由上位机、NUSB中控系统、喷头控制板卡阵列组成硬件架构上的三层结构，具有基于三层硬件结构定义的数据通信及控制协议，按协议进行互相间的数据交换与控制，上位机根据喷印图形与生产任务，生成喷印作业指令及数据，封装为帧，传给NUSB中控系统，NUSB中控系统传输数据、解析指令，进行作业调度与任务分发，喷头控制板卡按规则执行喷印任务。
2.权利要求I所述的ー种多喷头阵列式喷印设备的数据传输及控制方法，其定义的数据通信及控制协议特征是有喷印点火数据帧、计划方案指令帧、临时方案指令帧、墨路操作指令帧、设备状态管理帧、运动控制指令帧，帧结构具有说明书中所定义的字节格式特点。
3.权利要求I所述的ー种多喷头阵列式喷印设备的数据传输及控制方法，其特征之一是其喷印作业生成与调度算法，喷印作业由喷印点火数据与任务指令数据组成，喷印作业生成与调度的步骤是 (1)上位机程序将准备喷印的图形转换格式为每像素占I字节的256色BMP位图，按喷头的孔位间距、喷印行距要求对所述BMP位图进行逐行采样，每行采样数据按喷印点火数据帧格式进行封装，成为ー帧喷印点火数据帧，根据喷印件触发喷印点的位置坐标、喷印件传送速度、喷印点火数据帧描述的喷印行的坐标、各喷头的安装位置坐标，计算各喷印点火数据帧的喷印点火时间t，并填入喷印点火数据帧中的点火时间戳项,把喷印点火数据帧发送给NUSB中控系统；根据用户输入的喷印批次工作任务的喷印数量、喷印图形区域、喷印区域的重复度及轮换次序，按计划方案指令帧或临时方案指令帧的格式进行封装，形成计划或临时的方案指令帧，发送给NUSB中控系统。
(2)NUSB中控系统接收上位机发送来的喷印点火数据帧、计划方案指令帧、临时方案指令帧，按帧头中指定的USB号，分发给连接到USB的喷头控制板卡，把喷印点火数据帧的数据依先后顺序送到喷头控制板卡内存中的数据区缓存，把计划方案指令帧的数据送到喷头控制板卡内存中的计划方案区缓存，把临时方案指令帧的数据送到喷头控制板卡内存中的临时方案区缓存。
(3)当喷头控制板卡收到一次喷印开始的脉冲信息吋，计时器开始计吋，并首先从临时方案区取任务指令数据，如果临时方案区为空，再从计划方案区取任务指令数据，然后解析执行任务指令根据指令中指明的图形区域开始坐标，到喷头控制板卡内存中的数据区中依次逐行(帧)取喷印点火数据帧,把帧中的点火数据送入喷头内部的点火数据区,等待点火，并取出喷印点火数据帧的点火时间戳项值加上从定位园影像处理电路取到喷印件偏移的时间换算值，作为喷印点火时间t，循环比较点火时间t与计时器计时时间，如果计时器计时时间> =喷印点火时间，立刻进行点火，完成一行喷印，接着把下一行送入喷头内部的点火数据区，重复上述过程，直到所有行喷印完成。
4.权利要求I所述的ー种多喷头阵列式喷印设备的数据传输及控制方法，其特征之一是采用点火时间戳+硬件影像定位纠偏的方式进行精准喷印控制，点火喷印计时的O时间基准是相机拍照快门关闭时刻，以相机I/O接ロ输出端输出的拍照完成脉冲信号作为喷印开始的基准信号，通过硬件直连分发到所有的喷头控制板卡的喷印触发脉冲输入端，喷头控制板卡收到触发脉冲，进行计时归零，一帧喷印点火数据帧含有一行的点火数据，喷印点火数据帧具有点火时间戳项，点火时间戳项指明此行数据的点火喷印的标准时刻，一方面，喷头控制板卡把喷印点火数据帧的点火数据送入喷头内部的点火数据区等待；另一方面，从同一喷印点火数据帧取到点火时间戳项值，加上从DSP定位圆影像处理电路与FPGA主控电路部分的共享内存区中取到喷印件偏移的时间换算值，作为喷印点火时间t，点火喷印时间到达，立刻点火喷印。
5.ー种采用权利要求1-4所述的ー种多喷头阵列式喷印设备的数据传输及控制方法的喷印控制系统，其特征是所述喷印控制系统由上位机、NUSB中控系统、喷头控制板卡阵列组成，NUSB中控系统工作在上位机与喷头控制板卡阵列之间，接收上位机传送来的喷印点火数据帧、计划方案指令帧、临时方案指令帧、墨路操作指令帧、设备状态管理帧，井分析帧头，按帧头协议执行，将喷印点火数据帧、计划方案指令帧、临时方案指令帧，分发到帧头指明的USB ロ，送到与USB连接的喷头控制板卡，将墨路操作指令帧去掉帧头后的数据通过串ロ送到墨路维护的PLC系统。
6.权利要求5所述喷印控制系统的NUSB中控系统，其硬件系统特征是主板上有ー个千兆网ロ，通过千兆网ロ与上位机进行连接通信，有10-30个USB ロ，通过USB ロ与喷头控 制板卡进行连接通信，安装有ー个运动控制卡，NUSB中控系统从上位机接收运动控制操作帧，从帧数据中取出运动控制卡的控制參数，送到运动控制卡，由运动控制卡按參数要求发出脉冲，控制设备的运动。
7.权利要求5所述喷印控制系统的NUSB中控系统，其具有设备状态管理协议，通过与上位机、喷头控制板卡进行状态管理数据帧的交換通信，进行设备状态的一致性管理，状态管理数据帧具有说明书中所定义的状态管理数据帧协议格式。
8.权利要求5所述喷印控制系统的喷头控制板卡，其特征是喷头控制板卡由FPGA主控部分与DSP定位部分组成，FPGA主控部分与DSP定位部分通过共享缓存进行数据交換，FPGA主控部分接收从NUSB传入的数据帧、指令帧，数据帧依次存到数据内存区，指令帧存到指令内存区，当外部的喷印触发脉冲达到喷头控制板卡，计时器清0，从指令内存区中取到任务指令，分析执行，按指令參数指示到数据内存区依次逐行取到帧数据，帧中点火数据送喷头内部的点火数据区，帧中点火时间戳项值加上从共享缓存中取到的喷印件偏移的时间换算值，作为该帧的喷印点火时间；DSP定位部分与外部相机相连，接收定位园的影像数据，由DSP进行影像处理，计算出喷印件上的定位园的园心坐标，把喷印件在运动方向的偏离值按速度換算成喷印延时的时间值，放入共享缓存中，供FPGA主控部分纠偏使用。
全文摘要
本发明涉及一种阵列式精密喷印设备的喷印控制方法，设计喷印的数据传输及控制协议、采用所述协议的喷印控制系统，解决2-120个喷头组成的喷头阵列的喷印作业生成、数据快速传输、任务分发与协同、精准同步喷印的问题，适用于PCB高速喷印、陶瓷印花、EL冷光板印制等领域。基于三层硬件架构上位机、NUSB中控系统、喷头控制板卡阵列，设计喷印数据结构、通信及控制协议，喷印作业调度算法，喷印作业由喷印点火数据、计划方案指令、临时方案指令组成，系统按计划方案或临时方案调度喷印作业；上位机生成作业数据与指令，NUSB进行解析指令、管理作业、分发任务、控制执行并统计，喷头控制板卡执行喷印任务。
文档编号B41J29/38GK102862402SQ2012103951
公开日2013年1月9日 申请日期2012年10月17日 优先权日2012年10月17日
发明者廖永红, 刘华珠, 宋瑞, 胡振华 申请人:东莞凯佳智芯电子科技有限公司