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1、立体彩色喷绘系统的设计与实现 南开大学硕士学位论文立体彩色喷绘系统的设计与实现姓名:刘征申请学位级别:硕士专业:控制理论与控制工程指导教师:刘景泰20080501摘要摘要自从世纪年代开始,大型喷墨打印机被广泛应用于各种平面彩色喷绘作业中。然而,现有喷墨打印设备仅能对平面材质进行打印。为此,在军事沙盘、风景区景点演示、城市规划等诸多需要制作立体地形模型的领域,在模型的制作上目前普遍采用人工着色的方法。该方法存在加工时间长、色彩真实度低、产品一致性差、成本昂贵等缺点,很难满足更高精度应用的需求。为此,本文设计并实现了一套针对立体材质的彩色喷绘系统,该系统提高了对立体材质表面着色的速度、精度、色彩还
2、原度,降低了加工费用。本文针对立体喷绘系统中的控制部分进行了细致研究,着重介绍了喷墨控制系统的设计,依据系统需求把整个喷墨控制系统细分为中央主控模块、喷头时序控制模块、喷头位置检测模块和喷头运动控制模块四大部分,对各大模块的硬件结构设计和软件功能设计都做了详细介绍。在硬件设计方面上提出了删的多处理器混合硬件构架,发挥了在系统控制及外围接口方面,在处理复杂算法方面,在并行处理方面各自的优势,满足了比较苛刻的系统性能要求;在软件设计上采用了分层架构,引入板级支持包的概念,把与硬件相关的软件开发工作限制在中,并且在中央控制模块中移植了操作系统,提高了软件的可移植性。为了在短时间内完成喷墨控制系统的研
3、发工作,本文提出了一种全新的嵌入式系统开发模型一模式,通过模式开发流程成功构建了喷墨控制系统的原型系统,从而验证了喷墨控制系统软硬件设计的可行性, 同时验证了模式开发模型的可行性。模式的成功应用可以缩短嵌入式系统的开发周期,节省开发经费,对企业及研究院所的嵌入式系统开发工作都有一定的借鉴价值。关键字:立体彩色喷墨打印运动控制喷墨控制嵌入式系统开发流程模式 、析 .,. ,., , .? ?, ?, ., , ,. ?,. , , , .,. , ,., ,、析、析. ,”, ,“.,“ ”.“ ” ,.?:? ;.; ;南开大学学位论文版权使用授权书本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位
4、论文的规定,同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本:学校有权保存学位论文的印刷本和电子版,并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文;学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务;学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版;在不以赢利为目的的前提下,学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。学位论文作者签名:判乏够俨罗年月口 经指导教师同意,本学位论文属于保密,在 年解密后适用本授权书。指导教师签名: 学位论文作者签名;解密时间: 年 月 日各密级的最长保密年限及书写格式规定如下:内部年最长年,可少于年秘密年最长年,可少
5、于年机密年最长年,可少于年南开大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位沦文作糍签名弓舀年 月 日留 诎第一章绪论第一章绪论第一节彩色喷绘系统概述.喷墨技术发展的历史与现状喷墨打印技术的发展大致可分为三个阶段【】:第一阶段:世纪年代以前,理论准备期,主要是对液滴形成和充电等机理进行试验和理论研刭。早在 年,就
6、对非粘性液体的均匀颗粒化过程进行了详细严密的数据分析【】,然后提出了液滴形成的理论,并确定了液滴在电场中充电的极限,为后来研究连续喷墨打印技术原理奠定了基础,促进了其他喷墨打印方式原理的研究。年对粘性流进行了研究,并得到了粘性射流开始分解成滴的长度。第二阶段:世纪年代到年代,主要针对喷墨打印技术的各种可能实现方案进行了大量的研究。年,在美国申请了第一个实用的喷墨装置专利【】。年.:提出了电荷控制型喷墨技术【】,证明通过对小孔施加一个压力,可以把墨流打碎成大小和间距一定的墨滴。当墨滴破碎机理可控时,再由连续墨流形成墨滴的同时对墨滴选择性施加电荷。通过电场时带电墨滴折射进入回收槽,不带电的墨滴则直
7、线飞溅到介质表面形成图像。年.和在研究基础上首次开发了连续喷墨打印技术。年提出了强度调制型喷墨技术。年代、等人先后提出了按需喷墨型喷墨技术。按需打印的设备只在被用于介质成像时才喷出墨滴。这种方法摆脱了连续喷墨打印技术复杂的墨滴带电装置、折射硬件和墨回收循环系统的固有不可靠性。第三阶段:世纪年代以后,根据各种喷墨技术的原理,先后研制出了各种产品,并开始作为商品投入市场。喷墨打印机成为非击打式打印机中令人瞩目的新型、高速、低噪音输出设备。年,公司的和发明了一种按需打印的喷墨方法【】,通过喷口附近的热器产生的水蒸气泡的长大和破裂将墨滴喷出喷口。年公司发明了带电树脂棒放电 技术。公司也发明了热熔式的喷
8、墨技术,开始解决喷墨方式的实用问题。年商业化生产了打印机,它是首台基于气泡喷墨原理的成功第一章绪论的低成本打印机。打印机通过扔掉已到使用寿命的打印头【,解决了喷墨技术可靠性的问题。从那之后,和公司持续改进这项技术,使得喷墨打印机具有更高的打印分辨率和色彩打印能力。从世纪年代后期起,在家庭和小型商业领域,喷墨打印机由于有成本、体积、安静性、彩色输出性能等方面的巨大优势,已经成为撞击式点阵打印机的替代者。此后日立的微粒子方式与的方式以及佳能的方式的发明,进一步促进了喷墨打印技术的产业化。年自电脑公司发明的台式出版打印机被采用之后,喷墨打印技术确立了其在打印领域中不可动摇的地位。年初,美国公司的个人
9、电脑内藏式打印系统采用了日本公司的气泡喷墨打印机并大量推向市场,进一步加速了喷墨打印技术的普及。特别是近年来随着家庭和办公室办公自动化机器的快速增长,为适应彩印的要求,彩色喷墨打印机的产量逐年成倍增加。在年第三季度,喷墨打印机的销售量首次以.%的市场份额,超过针式打印机,成为打印设备中的领头羊。.大幅面平面喷绘系统发展大幅面平面喷绘是采用数字化压电技术在特制的基材上打印彩色图片,广泛应用于广告领域。平面喷绘具有使广告页面效果生动、画面逼真,操作控制简单,制作时间快捷,安装、携带方便等优势。随着电脑喷绘技术在国内的普及,电脑喷绘制作已完全替代过去的人工绘制,使广告画面形象逼真,色彩艳丽,并极大的
10、增强了户外广告的视觉冲击效果和价值,为近年来户外广告的高速发展创造了有利条件【。世纪年代初,喷绘技术从美国传入我国,先进的喷绘技术对户外广告的兴起起到了强劲的推动作用。户外广告市场的高速发展,也给喷绘行业带来了巨大的市场需求,从而带动了喷绘市场的高速增长。由于市场规模的限制和技术的差距,年以前,国内喷绘设备市场完全被进口设备占据主要是美国威特、桑太克及以色列赛天使三大品牌。年以后,随着喷绘行业市场规模的扩大和技术的发展,国产设备逐步以价格优势扩大了其市场份额,占据了喷绘设备低端市场的较大份额。第一章绪论.立体彩色喷绘系统近年来,二维平面喷绘由于市场的推动得到了长足的发展,喷绘技术也随之提高。但
11、喷绘技术的发展主要集中在提高喷绘速度和提高喷墨头上,例如采用多喷嘴喷墨头以及喷墨头阵列以达到更快速的喷绘打印和更好的图像质量的目的,而在立体喷绘技术发展上并没有标志性的成果出现,主要的技术瓶颈在于三维喷绘机械结构复杂。喷墨头向多喷嘴,大体积发展也不利于喷绘技术的发展。但也有一些公司进行了立体打印机的研制,其中以公司【】的 三维成型系统和美国公司四的地形模型加工系统最具代表性。第二节选题背景及本文主要内容现有喷墨打印技术仅能在平面上进行作业,而对于大量诸如军事沙盘、风景区景点演示、城市规划等领域,目前仍普遍采用人工着色的方法。该方法存在加工时间长、色彩真实度低、产品一致性差、成本昂贵等缺点,很难
12、满足高精度的应用需求。为此,南开大学机器人与信息自动化研究所在平面喷绘技术的基础上,设计并实现了一套针对立体材质的彩色喷绘系统,该系统提高了对立体材质表面着色的速度、精度、色彩还原度,降低了加工费用。立体彩色喷绘系统属于全真地形模型加工系统的一部分,全真地形模型加工系统体系结构如图.所示,可以分为数据处理系统和模型加工系统两大部分。全真地形模型加工系统通过对卫星或航拍图片进行处理,得到地形的数据及地表信息颜色数据,再通过高精度全真地形模型加工彩喷一体化平台完成地形模型的加工工作。第章绪论钨肮女侦察系统数据表颜色数据蔫”信息齄理%统真地彩罐型移自加平台地面接收系统?珂彩丑地衰信惠疆高精度真地梗型
13、句口工牟峨一体化平台系统磊司互髂姜暖数据处系统 ;制皂。地表颤色信息处。,。一:、筮圈 全真地形模型加工系统结构高精度全真地形模型加工彩喷一体化平台包括三维地形雕刻系统与立体喷绘系统两大部分,两者的本质上是同平台,只是加工工具不同,雕刻系统安装的是铣刀,而立体喷绘系统使用的是彩色喷墨模块。本文的工作就是立体彩色喷绘系统的设计与实现。奉人结合南开大学机器人所内的删络机器人研究小组已有的实验条件【”,在国产工业机器人半台上成功完成了原理机的开发,实现了单色喷绘,多色叠加的立体彩色喷绘系统。利用具有一定硬度的泡沫作为基材.成功地制作出高精度,低失真率的二维彩色地形模型,在围内率先实现立体喷绘技术,为
14、喷绘技术的发展和地形模型制作工艺的改进提供了新的思路。但是原理机还存在许多问题及不足,例如原理机一次只能喷绘一种颜色,在进行彩色喷绘时,就需要重复四遍喷绘过程,这样夸仪耗时长,而且容易出现因套色不准导致的图像重影问题。为了解决原理机中存在的喷绘速度缓慢,套色精度低,工作平台过于狭窄等问题,项目组在前期工作的基础上,设计了一套基于高精度龙门结构的专用立体彩色喷绘系统。龙门系统属于直角坐标机器人,相比原理机中使用的.工业机器人具有如下几个优点:第一章绪论加工范围大。的最大加工范围是,龙门的价格范围可以达到数米甚至数十米,本文工作基于的的龙门系统最大加工范围可以达到。加工精度高。的绝对定位精度在.左
15、右,而龙门系统的绝对定位精度一般可以达到.。使用龙门系统可以减少喷绘前的重定位工作量。结构钢性强,负重大。的负载最大是公斤,龙门系统的最大负载可以达到上百公斤,并且龙门系统结构的刚性较强,可以加工更高硬度的材料。本文就是针对基于高精度龙门结构的专用立体彩色喷绘系统中控制部分的设计与实现进行研究。结合本人的工作内容和研究重点,本文的结构安排如下:首先对国内外喷墨技术的发展现状和现有技术进行了简要介绍,接下来在第二章详细地介绍了整个立体彩色喷墨系统的体系结构设计,并就其中的各个模块的功能及相互关系做了简要介绍;然后,在第三章和第四章中分别就喷墨控制系统和喷墨控制系统中的四色喷头协同运动控制模块的设计与实现进行了详
