СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ КАПЕЛЬ В ПЕЧАТАЮЩЕЙ ГОЛОВКЕ ЭЛЕКТРОКАПЛЕСТРУЙНОГО МАРКИРАТОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА
METHOD OF CONTROLLING DROP FORMATION IN PRINTING HEAD OF ELECTRIC DRIP JET MARKER AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к устройствам электрокаплеструйной технологии маркировки всевозможных объектов в различных отраслях.
Для обеспечения качественной электрокаплеструйной маркировки и надежной работы электрокаплеструйных маркираторов с постоянной капельной струей необходим оперативный контроль за параметрами капель и оперативное управление этими параметрами (момент и точка отрыва капель, соотношение фаз импульсов каплеобразования и электризации капель, скорость полета капель, траектории управляемого полета капель и пр.).
Известен стробоскопический способ визуального наблюдения за параметрами и качеством каплеобразования в печатающей головке маркиратора с помощью светодиода и стационарной или съемной линзы, которые расположены по разные стороны от капельной струи в зоне каплеообразования (1, стр.140).
Способ позволяет наблюдать и оценивать только общую картину каплеобразования (на глазок) и не позволяет с высокой точностью замерить основные параметры капель (момент и точку отрыва (координату) капель, скорость полета капель и др.).
Для наблюдения и контроля параметров капель требуется извлекать печатающую головку из зоны маркировки, т.е. прерывать маркировку изделий, или обеспечить доступ оператора в эту зону, что во многих случаях невозможно. Таким образом, известный способ не обладает комплексностью, достаточной точностью, оперативностью, возможностью автоматизации контроля основных параметров капель.
Известен также способ контроля и управления соотношением фаз импульсов каплеобразования и импульсов электризации капель за счет подачи на заряжающий электрод печатающей головки тестового заряжающего импульса для тестовой капли, снятия отклика на сенсорном электроде и проверки правильности фазирования импульсов каплеобразования и импульсов электризации (1, стр.137).
Поиск нужной фазы осуществляется за несколько шагов (периодов каплеобразования) путем пошагового сдвига фаз импульсов каплеобразования и электризации.
К недостаткам этого способа относится сложность изготовления сенсорного электрода для контроля тестовых зарядов (фаз), недостаточная точность определения фазы, длительность времени тестирования.
Целью предложенного технического решения является повышение точности и быстродействия измерения основных параметров капель, автоматизация этих процессов, дистанционность, комплексность и непрерывность измерений без вмешательства оператора, что позволит повысить качество маркировки, надежность работы печатающей головки и маркиратора.
Сущность предложенного технического решения заключается в следующем.
Способ контроля процесса формирования капель в печатающей головке электрокаплеструйного маркиратора включает стробирование капельной струи в печатающей головке импульсным источником света с частотой каплеобразования или кратной ей, увеличение и проецирование микростробограммы капельной струи на оптический приемник. В качестве оптического приемника используют приемник типа ПЗС-приемника или миниатюрную видеокамеру, при этом пошагово смещают фазу стробирующих импульсов относительно каплеобразования вдоль периода каплеобразования, фиксируют момент каплеобразования по моменту разрыва перешейка между сплошной струей и первой каплей и по нему определяют оптимальное соотношение фаз импульсов каплеобразования и импульсов электризации капель, при котором импульс электризации заканчивается после отрыва капли.
Дополнительно определяют точку дробления струи на капли по координате точки разрыва перешейка между сплошной струей и первой каплей в момент его разрыва.
к
к
к
к
к
к
Дополнительно определяют скорость полета капель V путем определения пространственного периода каплеобразования (длины волны каплеобразования) λ с использованием соотношения λ=V×Т, где Т - период каплеобразования.
к
к
Дополнительно определяют вязкость краски η через скорость полета капель V (скорость истечения струи из сопла) с использованием экспериментально снятых характеристик η=η(V).
Дополнительно определяют величины отклонения координат, скорости и ускорение (замедление) каждой капли из группы или уединенной капли по микростробограмме в контрольных точках траектории полета капель и находят величину сигнала коррекции для заряжающих импульсов каждой капли.
По увеличенной импульсной микростробограмме капельной струи, отображенной на экране электрокаплеструйного маркиратора, дополнительно осуществляют дистанционный непрерывный визуальный контроль в реальном времени за качеством каплеобразования и за состоянием среза сопла и электродов.
Устройство для формирования капель в печатающей головке электрокаплеструйного маркиратора содержит генератор капель с ультразвуковой синхронизацией дробления струи на капли, щелевой заряжающий электрод в зоне каплеобразования, стробоскоп для формирования импульсных микростробограмм, отклоняющие пластины. Непосредственно в печатающей головке располагают источник света стробирующих импульсов и фотоприемник в виде ПЗС-линейки или миниатюрной видеокамеры с оптикой или торец световода, при этом фотоприемник располагают в зоне нахождения капельной струи.
Источник света стробирующих импульсов располагают на заданном расстоянии от капельной струи, и его световые лучи поворачивают, например, на 90° с помощью наклоненного зеркала, например, под 45° к оси светового пучка.
Для визуального дистанционного контроля и диагностики на расстоянии фотоприемник соединен с экраном (видеотерминалом) маркиратора для отображения импульсной микростробограммы капельной струи.
На фиг.1 показана структурная схема типовой печатающей головки электрокаплеструйного маркиратора с постоянной струей.
На фиг.2, 3, 4 представлены экспериментально снятые в соответствии с заявленным способом импульсные микростробограммы каплеобразования.
На фиг.5 представлена схема устройства, реализующего предложенный способ определения параметров капель в печатающей головке электрокаплеструйного маркиратора как во время каплеобразования, так и на дальних участках траектории полета.
На фиг.6, 7 приведены зависимости вязкости от времени и скорости полета капель.
На фиг.8, 9, 10 приведены экспериментально снятые зависимости отрыва капли от струи.
c
з
c
з
o
Как показано на фиг.1, в известном устройстве печатающая головка включает генератор капель 1 с ультразвуковым пьезокерамическим возбуждением от периодического напряжения синхронизации U с калиброванным соплом для выхода струи 2, заряжающего электрода 3 в зоне каплеобразования, на который подаются заряжающие импульсы U для каждой капли 4 в момент формирования капли, сенсорный электрод 5 для контроля наличия заряда на тестовых каплях при проверке правильности фазирования импульсов каплеобразования U и импульсов зарядки U, отклоняющих пластин 6 с высоким постоянным отклоняющим напряжением U, образующих отклоняющую систему, в которой каждая капля получает индивидуальную траекторию 7, с отклонением, пропорциональным полученному заряду, и ловушка капель 8 для неиспользуемых (незаряженных) капель, которые возвращаются в гидросистему маркиратора.
В известном устройстве печатающая головка работает следующим образом.
c
Краска под постоянным давлением (100-300 кПа) выбрасывается через сопло диаметром 50-100 мкм со скоростью 10-15 м/сек. С помощью пьезокерамического преобразователя, возбужденного переменным сигналом U (синусоида или прямоугольные сигналы) на струю накладывается возмущающая капиллярная волна с частотой 20-120 кГц, которая синхронизирует дробление струи на монодисперсные капли. В зоне каплеобразования находится заряжающий индуктор 3, который наводит электростатическим методом индивидуальный для каждой капли заряд от 0 до максимального. В отклоняющем поле капли разлетаются по своим траекториям с образованием вертикального (поперечного) столбца - растра на движущемся по другой координате маркируемом объекте, где и наносится двумерная буквенная или символьная мозаично-матричная марка.
з
c
з
Момент отрыва и точка отрыва первой капли 4 от струи 2 флуктуируют (т.е. переменны), так как зависят от многих факторов (вязкость, давление, напряжение синхронизации, параметры среды и др.). Информационный переменный заряд для каждой капли нужно навести на них за время формирования капли импульсом U и снять этот импульс сразу после момента отрыва каждой капли, т.е. сразу после нарушения гальванической связи капли со струей. Таким образом для обеспечения качества маркировки, особенно на высоких частотах каплеобразования нужно оперативно постоянно контролировать момент отрыва капель и строго соотносить фазы импульсов синхронизации каплеобразования U и импульсов зарядки капель U, т.е. осуществлять процесс фазирования.
т
Известные способы фазирования реализуются с использованием прецизионного электрода 5 (сенсора) для контроля заряда капли. Во время тестового цикла на каплю наводят заряд посредством заряжающего электрода 3 и тестового импульса зарядки (много меньшей амплитуды и длительности, равной около периода каплеобразования). Фазу тестового заряжающего импульса U пошагово сдвигают относительно периода сигнала каплеобразования и отслеживают, наводится ли на сенсорный электрод 5 сигнал-отклик. Тестовая капля получит полноценный заряд и дает отклик только в том случае, если момент окончания заряжающего импульса наступит сразу после отрыва капли от струи, когда на капле наводится заряд во время ее формирования и отрыва, т.е. пока существует гальваническая связь между каплей (обкладка конденсатора) и струей (цепь индукционной зарядки капли). В этом случае выполняется правильное соотношение фаз сигнала зарядки и сигнала каплеобразования.
Для осуществления известного способа фазирования требуется наличие достаточно сложного аппаратурно-программного автомата фазирования. Требуется также вводить в печатающую головку прецизионный сенсорный электрод 5, выполненный, как правило, по толстопленочной или другой технологии. Кроме того, из-за сверхнизкого уровня наведенного сигнала на сенсоре требуются специальные меры защиты от помех и сложный предварительный усилитель, который нужно расположить и загерметизировать (защитить от влаги) в непосредственной близости от сенсора 5, что усложняет конструкцию печатающей головки и снижает ее надежность. Процесс поиска фазы растягивается на несколько периодов каплеобразования с учетом их времени пролета из заряжающего электрода до сенсора 5. Известный способ фазирования имеет погрешность, так как не позволяет точно найти момент отрыва капли, так как длительность тестового импульса нельзя сильно уменьшить из-за фиксированных постоянных времени цепей зарядки и разрядки капель.
На фиг.2, 3, 4 представлены экспериментально снятые в соответствии с заявленным способом импульсные микростробограммы каплеобразования.
c
На фиг.2 показаны микростробограммы для различных форм импульсов напряжения синхронизации U на фоне окулярной шкалы (в мм) и срез соплового элемента для водных чернил (диаметр сопла 100 мкм, диаметр капель 200 мкм). Как показано, за счет смещения узкого стробирующего импульса относительно сигнала синхронизации можно точно определить момент и координату точки дробления струи на капли.
др
к
На фиг.3 стробограммы каплеобразования размещены в координатах зависимости точки дробления струи L от частоты каплеобразования f (частоты сигнала синхронизации каплеобразования с ультразвуковым возмущением). Способ позволил с высокой точностью зафиксировать момент и точку дробления. На всех режимах удается точно зафиксировать момент разрыва перешейка, т.е. отрыва первой капли от сплошной возмущенной струи.
На фиг.4 с помощью предложенного способа удалось зафиксировать микростробограммы капельной струи от среза сопла и по всей траектории полета заряженных и незаряженных капель, в частности при полете группы, состоящей из 5 капель. На первой стробограмме показан процесс каплеобразования и фрагменты сопла и заряжающего электрода. Заряжающий электрод выполнен щелевым, что позволило увидеть струю внутри электрода (светодиод расположен с одной стороны, а линза для наблюдения и фотокамера - с другой стороны). Как показано на дальних участках траектории (фиг.4), линейный закон отклонения нарушается, проявляются аэродинамические и электростатические помехи, для устранения которых нужно определять и вводить корректирующий сигнал. Способ позволяет это осуществить, так как стробограммы позволяют с высокой точностью определить все реальные параметры каждой капли (координаты, скорость, ускорение, отклонение, величину помех и др.).
На фиг.5 представлена схема устройства, реализующего предложенный способ контроля формирования параметров капель в печатающей головке электрокаплеструйного маркиратора как во время каплеобразования, так и на дальних участках траектории полета.
Фрагмент печатающей головки 9 включает генератор капель 10, в который подается высокое постоянное давление, включающий сопло и пьезоэлектрический преобразователь (возбудитель), из которого выбрасывается постоянная струя 11, источник света 12 стробоскопа (светодиод, лазерный источник, световод или др.), отражательно-поворотное зеркало 13, которое проецирует увеличенную оптикой 14 микростробограмму через щелевой заряжающий электрод 15, или через щель отклоняющих электродов (не показаны) на фотоприемник 16 (ПЗС-приемник, мини-телекамера или торец световой), блок управления 17, соединенный с пьезоэлектрическим преобразователем (синхронизатором) генератора капель 10, источником света 12, фотоприемником 16, а также с экраном маркиратора 18 (на корпусе маркиратора или на переносном терминале).
Устройство работает следующим образом.
На выходе генератора капель 10 формируется струя краски 11, на которую накладывают периодическую нарастающую капиллярную волну с помощью пьезоэлектрического преобразователя (частота ультразвука совпадает с частотой каплеобразования). На каждую каплю в период ее формирования методом электростатической индукции наводят индивидуальный заряд, пропорциональный требуемой величине ее отклонения на маркируемом объекте. Чтобы капля получила полный заряд, пропорциональный амплитуде заряжающего импульса, нужно, чтобы заряжающий импульс действовал на каплю в период ее формирования и чтобы заряжающий импульс заканчивался сразу в момент отрыва капли от сплошной струи, т.е. когда прервется гальваническая связь капли (как второго электрода конденсатора) со сплошной струей. Таким образом фазы импульса зарядки и периодического импульса синхронизации каплеобразования должны быть четко связаны. Предложено задачу решать путем оптического поиска момента отрыва струи, т.е. разрыва перешейка первой капли по импульсной микростробограмме, пошагово или плавно смещая короткий импульс стробирования (≈1 мкс) вдоль периода каплеобразования и поиска микростробограммы, соответствующей моменту разрыва перешейка.
Одновременно фиксируется координата точки дробления, которая должна быть в определенном месте средней зоны заряжающего электрода для оптимальной электризации капли.
Стробограмма формируется с помощью источника света 12 (светодиод, лазер, световод и др.), поворотного зеркала 13 и оптики 14 и фотоприемника 16 (ПЗС-линейка, ПЗС-матрица, миниатюрная видеокамера или световод). Например, в случае ПЗС-линейки фирмы SONI типа ILX751B ось капельной струи проецируется на чувствительную зону и ищется момент и координата отрыва капли, которые соответствуют крайнему положению точки разрыва перешейка. При этом блоком управления автоматически устанавливается оптимальная фаза заряжающего импульса, а по точке дробления происходит автоматическая стабилизация ее положения, например, управляя амплитудой напряжения синхронизации.
При использовании в качестве фотоприемника 16 миниатюрной видеокамеры с усиливающей оптикой импульсная микростробограмма в реальном времени выводится на экран маркиратора 18 для оперативного дистанционного визуального контроля качества каплеобразования (состояние перешейка, вид сателлитов, форма капли), а также состояния сопла и электродов (например, для устранения аварийного забрызгивания сопла и электродов) без остановки процесса маркировки и без вмешательства оператора.
Устройство позволяет стробировать, наблюдать, измерять и корректировать также по микростробограмме одиночных капель или групп капель на дальних участках траектории полета отклоненных капель (19 на фиг.5).
Для этого система зеркал и оптики (13, 14 на фиг.5) должна быть установлена в окрестности контрольной точки дальнего участка траектории полета так, чтобы лучи при формировании стробограммы проходили параллельно плоскости отклонения капель. Для этого можно или смещать систему зеркал или вводить дополнительную систему двух зеркал, источника света и фотоприемника, например, в другой плоскости или удалив от оси струи все элементы оптической группы.
В качестве теоретического обоснования предложенного способа измерения вязкости краски через скорость полета капель используется модифицированное соотношение Свита для давления через компоненты потерь давления на входе в сопло, придания капле скорости полета, преодоления вязкости в сопловом канале и преодоления сил поверхностного натяжения с использованием формул Бернулли, Пуазейля и Лапласа (1, стр.44):
,
эф
в том числе за счет введения двух экспериментальных коэффициентов (К - коэффициент потерь на входе в сопло, l - эффективная длина сопла).
Разработана методика определения этих коэффициентов (1, стр. 49).
На фиг.6 приведены результаты табулирования этого соотношения после его упрощения до вида (зависимость вязкости от времени пролета базового расстояния 1,7 мм)
6
-3
к
к
η=р/(0,8×10V)-0,56×10V,
3
c
причем график получен для кетоновой краски (ρ=0,9 кг/м при t=20,5°C, d=70 мкм, ρ=120 кПа).
На фиг.7 приведено семейство экспериментально полученных зависимостей вязкости от скорости полета капель при варьировании давления.
Перечисленное иллюстрирует возможность измерения вязкости краски по скорости полета капель, т.е. по скорости истечения краски из сопла.
отр
и.тест.
На фиг.8, 9, 10 приведены экспериментально снятые зависимости отрыва капли (t) от струи при измерении давления в генераторе капель р, например при пульсациях давления на выходе насоса. При этом использовался предложенный способ стробирования капельной струи импульсами стробирования длительностью t
к
и
к
c
Фиг.8 снята при условиях f=29 кГц, Т=34 мкс, t=2 мкс, а фиг.9 - f=48,17 кГц, Т=20,760 мкс, d=60 мкм. Например, в последнем случае чувствительность точки дробления к пульсациям давления составляет более 30 мкс/атм. Это обосновывает актуальность введения автоматического контроля за моментом и координатой дробления струи на капли. Координата дробления рассчитывается с учетом соотношения:
.
На фиг.10 показан периодический синусоидальный сигнал (возможен прямоугольный сигнал) для синхронизации дробления струи на капли и тестовый сигнал (стробирования, электризации) со смещением фаз друг относительно друга. Момент отрыва капли находился с помощью микроскопа с окулярной сеткой по микростробограмме каплеобразования.
Предложенный способ и алгоритм управления позволяют с высокой точностью определить момент отрыва капли (разрыва перешейка между сплошной струей и первой каплей). Поэтому появилась возможность обеспечить ранее недостижимую точность фазирования процесса каплеобразования и электризации, а также определить точку дробления струи и затем автоматически управлять (стабилизировать) ее положение при многих влияющих факторах и обеспечить высокое качество маркировки.
Введение, в частности, в одном из вариантов непосредственно в печатающую головку прецизионного приемника для определения момента и координаты отрыва капель (например, ПЗС-линейка, встраиваемая в печатную головку, имеет чувствительные элементы размером 10×10 мкм) обеспечивает высокую точность измерений.
Таким образом, предложенный способ контроля процесса формирования капель в печатающей головке электрокаплеструйного маркиратора и устройство, его реализующее, по сравнению с известными способами (метод электростатической индукции с электродом контроля зарядки и стробоскопическим методом визуального наблюдения каплеобразования) имеют ряд преимуществ: комплексность (определяются момент, точка дробления, скорость полета капель, вязкость жидкости, качество каплеобразования, помехи при отклонении капель и др.), высокая точность, упрощение за счет исключения сенсорного электрода и предусилителя с высокими требованиями по помехозащите, коэффициенту усиления и герметизации, дистанционность и непрерывность (быстродействие) измерений и наблюдений без вмешательства оператора в процесс работы печатающей головки, автоматизация управления процессом определения перечисленных параметров капель, что, в свою очередь, позволяет повысить качество маркировки и надежность работы маркиратора.
Источники информации
1. Безруков В.И. Основы электрокаплеструйных технологий. СПб, Судостроение, 2001 г.
2. Безруков В.И. Научно-технические основы и аппаратное обеспечение автоматизированной электрокаплеструйной маркировки изделий. Автореф… дис. докт. техн. наук. СПб, 2003 г.