高速點陣式大字符噴碼系統研究

摘 要： 對高速點陣式大字符噴碼系統進行了研究，根據鋼管生產中噴碼機的控制要求，重點研究了直徑大小控制方法及噴印點陣字符大小連續可調的實現方法，噴嘴開關閥頻率響應，閥口開啟量的確定等幾個設計噴碼系統的關鍵問題，為高速點陣式噴碼系統的研發制造提供了理論基礎。試驗證明，以此設計的高速點陣式噴碼系統，性能穩定、速度快、精度高，很好的滿足了工業現場鋼管在線標識的要求。

關鍵字： 高速點陣式噴碼系統； 脈沖； 噴碼機； 鋼管標識

中圖分類號： TN710?34； TP2 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）13?0112?03

Research on high?speed dot?matrix ink?jet system for big characters

ZHANG Zong?lu1， QI Xiao?chun1， ZHANG yang2， SHENG Wen?ping2， MOU Zhao?xia2

（1. Yantai Vocational College， Yantai 264670， China； 2. Naval Aeronautical Engineering Institute， Yantai 264001， China）

Abstract： High?speed dot?matrix ink?jet system is studied. According to the control requirements of ink?jet printer in steel production， the key problems are discussed in detail such as the diameter size control method and jet print dot matrix characters size method， nozzle switching valve frequency response and the confirmation valve port opening size. It provided the theoretical basis for researching and producing the high?speed dot?matrix ink?jet system. Tests show that the high?speed dot?matrix printing system could meet the requirements of steel pipe identification online in industrial site， for its stable performance， high speed and high precision.

Keywords： high?speed dot?matrix ink?jet system； pulse； ink?jet printer； steel pipe identification

0 引 言

在鋼管的生產過程中，為了便于廠家跟蹤產品質量以及用戶了解產品的相關信息，需要在每根鋼管注上相應的標識符。標識符應清楚明顯，不脫落。噴碼技術的應用滿足了這些要求，它不僅促進發展了生產、物流管理，同時增加了產品的附加值，對樹立品牌，提高產品的競爭力，都具有很重要的意義。而目前國內的中小企業主要采用手寫或人工字模噴印的方法對產品進行標識[1]。這兩種操作方法不僅勞動強度大，效率低下，而且容易發生錯誤，質量也難以保證，嚴重影響了鋼管的自動化生產，是企業鋼管生產效率的瓶頸，更直接影響了企業的經濟效益。而目前國內使用的自動噴碼機基本依靠進口，價格高昂，只有少數幾家鋼鐵企業（如包鋼、寶鋼等）配備了進口標碼機[2]。標碼機的關鍵部件是高速點陣式脈沖噴射器，它的好壞直接影響著設備性能，甚至整條鋼管生產線的生產節拍也會受到影響，因而研究高速點陣式大字符噴碼系統具有重要意義。

當前鋼管生產線的自動化程度很高，生產節奏也非常快，每個工序要求過管速度大約在每小時300根。噴碼是生產線的最后一道工序，所以噴碼系統要具有相當高的噴射頻率和穩定性，否則會影響到整條生產線的生產效率。

1 高速點陣式大字符噴碼系統工作原理

高速點陣式大字符噴碼系統（簡稱噴碼系統）是由人機交互系統、噴碼控制器、同步控制系統、涂料供應系統、清洗系統及噴頭六部分組成，輔以故障報警輔助信號來處理工作中意外情況。各部分聯系如圖1所示，噴碼系統工作原理是在噴頭與工件的相互運動中，噴碼控制器控制噴頭以設定的間距間隔噴出圓點，在工件表層形成點陣字符或圖標。

在鋼管自動化生產線中，噴碼系統采集企業生產管理系統的信息，當鋼管到達噴碼位置時，在線完成噴碼任務。其工作結構如圖2所示，上位工控機主要負責人機交互，通過與企業網絡及噴碼控制器進行數據交換，確定每根鋼管要噴印的內容；鋼管到達噴碼位置時，噴碼控制器靠光電編碼器發送的脈沖信號來確定起噴位置及噴印速度，控制噴頭在不影響鋼管正常輸送的前提下完成在線標識。

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圖1 噴碼機系統組成關系圖

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圖2 噴碼系統工作示意圖

2 噴碼系統設計的幾個關鍵問題

2.1 點陣字符大小控制

噴碼字符大小調整包括字符高度調整和寬度調整，具體要根據用戶的要求及相關行業標準。點陣字符的高度調整要通過選擇不同噴嘴個數的噴頭或調整噴頭轉角的方式實現。如圖3所示，[θ]是噴頭各噴嘴連線與噴頭運動方向[V]的夾角，稱為噴頭轉角，[Φ]是噴嘴直徑，[S]是兩相鄰噴嘴的中心距，[D]是噴印點的直徑，[L]是相鄰噴印點的中心距。在調整噴頭轉角[θ]后，兩相鄰噴射點的垂直中心距也隨之發生改變，其間距[L]的計算公式為：

[L=Ssinθ] （1）

噴頭轉角[θ]調整后要保證噴頭所噴出的兩相鄰噴點邊緣距離大于等于最小允許的間距Δ，即L-D≥Δ，那么噴頭轉角的調整范圍應為：

[θarcsinΔ+DS] （2）

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圖3 噴嘴端面示意圖

噴點直徑及兩噴點的間距是由噴頭端面距離鋼管表面的距離[h]確定的。如圖4所示，射流極角[α]由公式[α=arctan（βκ）]求得，公式中[β]是出流斷面系數，[κ]是射流特性系數。對圓斷面射流[3]可取[β=]3.4，[κ=]0.078，計算得到[α=]14.85°。噴點直徑[D]、噴嘴直徑[Φ]及噴頭與鋼管表面距離[h]之間的相互關系如圖3所示。

[D=2htgα+Φ] （3）

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圖4 噴點直徑與噴嘴直徑關系圖

設選擇的噴頭點數為[m]，即噴頭由[m]個一字排開的噴嘴組成，那么噴碼所獲得的點陣字符高度[H]應為：

[H=（m-1）?Ssinθ+D] （4）

點陣字符寬度與鋼管的相對速度[V]與噴頭成正比，與噴嘴開關頻率[f]成反比，因此可通過調節噴頭與鋼管的相對速度[V]和高速噴嘴開關頻率[f]來調整點陣字符的寬度。若設噴頭點數為[m]，則點陣字符的寬度[W]按式（4）計算：

[W=（m-1）?Vf+D] （5）

2.2 噴嘴開關閥的頻率

噴嘴開關頻率的高低直接影響到噴碼系統的工作效率，噴嘴開關閥的工作頻率[f]高低與噴頭運動速度[V]及噴印點的水平間距[B]有關。如果噴點水平間距[B]保持不變，噴頭速度[V]越大所需要的工作頻率[f]就越高；如果噴頭運動速度[V]保持不變，要求得到的水平噴點間距[B]越小則需要的工作頻率就越高。[f]與[V]及[B]的關系為：

[f=VB] （6）

理想的噴嘴開關閥，應在一個調制周期[T]內，電壓波形和閥芯位移波形完全相同。但是由于高速開關閥受到磁滯及閥芯相應滯后的影響，實際閥芯響應不可能準確地跟蹤脈寬信號的變化。圖5是開關閥的階躍響應曲線，開啟時間[ton]是指從線圈得電時間開始直到閥全部開啟所需的時間；[toff]是指從線圈斷電到噴嘴完全關閉所需的時間。其中[ton=t1+t2]，[toff=t3+t4]。

[t1]為線圈電流增長滯后時間和閥芯響應滯后時間；[t2]為閥芯開啟動作時間；[t3]為線圈電流衰減滯后時間；[t4]為閥芯復位和噴嘴關閉動作時間。

噴嘴開關閥的總開啟時間[ton]和總關閉時間[toff]代表著閥的正、負階躍響應的過渡時間，它反映了閥的快速性。若要獲得完全的開啟響應，脈寬[Tp]至少需要保持[ton]時間，若要得到完全的關閉響應，負脈沖寬度至少需要保持[toff]時間。因此要得到完全的開關響應，脈沖周期最小為[Tc=ton+toff，]最高頻率則為[fc=1Tc]。

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圖5 開關閥的階躍響應曲線

2.3 閥芯開啟量的確定

噴頭若采用錐閥作為開關閥可以克服滑閥的行程較長及泄漏問題，也可以克服球閥的壓力不平衡的問題，能方便快速地控制流體的微小流量[4]。錐閥閥口關閉時，閥芯與閥座孔之間是線密封，因此不僅密封性好，而且動作靈敏、閥口開啟時沒有死區。

閥每次開啟時涂料的噴射量應嚴格控制，如果噴射量太大會導致噴點直徑過大，噴點交叉會造成字跡模糊不清；若噴射量太小會導致字符顏色太淺，影響到噴碼效果?？刂崎y芯與閥座的開啟位移[δ]是調節噴射量的簡單有效方法。

設閥芯向上位移為[δ]，則閥口的通流截面為母線等于[δsinα1]的圓錐的側面積[（α1]為錐閥的圓錐角），當閥座孔徑為[D1]時，通流面積[Az]為：

[Az=πδsinα1D1-12δsin2α1] （7）

因為錐閥閥口為薄壁小孔型，所以通過閥口的流量方程應為：

[Q=CdAz2ΔPρ] （8）

式中：[ΔP]是閥口內外壓力差；[Cd]是閥口流量系數，與雷諾數有關，可選取[5][Cd=]0.77～0.82。因為閥芯位移[δ]遠小于閥座直徑[D1，]所以通流面積[Az]可近似的取為[Az=πD1δsinα1]，因此由式（7），式（8）可得到閥芯的位移公式：

[δ=QCdπD1sinα1ρ2ΔP] （9）

圖6是閥芯位移量和涂料流量的關系圖。

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圖6 閥芯位移與流量關系

3 系統應用

在本文的理論指導下開發的噴碼系統應用于山東煙臺魯寶鋼管有限責任公司的鋼管生產線上，根據行業標準和廠家要求進行了調試，實驗結果表面，噴嘴開關閥響應頻率高，工作穩定，該系統很好地完成數字、字母及特殊字符的噴印，噴點大小在2～3 mm之間，字符高度和寬度可連續可調。圖7是試驗中32點噴碼系統在60 m/min的噴印速度下的實際效果圖。由圖7可見點陣字符字跡清晰，附著性好，能夠很好地滿足工業現場的實際需要。

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圖7 噴碼系統實際噴印效果

4 結 論

本文以鋼管生產線作為應用對象，對高速點陣式大字符噴碼系統進行了深入研究，在分析工作原理的基礎上，重點研究了噴碼系統的點陣式字符調整方法，噴嘴開關閥頻率響應及閥芯開啟量確定等幾個關鍵問題，為高速點陣式大字符噴碼系統的設計制造提供了理論基礎。

參考文獻

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