CN102173200A - 喷墨打印机双向打印中的墨滴落点偏差的补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于喷墨打印技术领域，具体是在宽幅面喷喷墨打印机双向打印中的墨滴落点偏差的补偿方法，其特征是：它分七个步骤实现了自适应补偿的方法，不仅可以使墨滴在字车匀速区域的偏差得到更精确的补偿，大大提高打印速度，改善打印质量，而且也可以解决在字车加减速区域不能进行打印的问题，在节约成本的同时，提高了打印效率；本发明为高速高精度打印提供了技术保障。

Description

喷墨打印机双向打印中的墨滴落点偏差的补偿方法

技术领域

本发明属于喷墨打印技术领域，具体是在宽幅面喷喷墨打印机双向打印中的墨滴落点偏差的补偿方法，用于补偿打印过程中因字车的横向运动以及字车速度的抖动而导致的墨滴落点的偏差，以提高打印速度，改善打印质量。

背景技术

喷墨打印机通过将墨滴喷射到打印介质上来形成文字或图像。串式喷墨打印机技术广泛应用于喷墨打印机以及绘图仪中，它是通过控制喷墨头的横向扫描和打印介质的纵向进给而实现的。在喷墨打印机的整个打印过程中，喷头沿着平行于打印介质的方向做扫描运动，而墨滴沿着垂直于打印介质的方向被喷出来。

在串式喷墨打印机中，墨滴在离开喷嘴后由于受到惯性作用，在平行于打印介质的方向仍保持与喷头相同的速度，即墨滴喷出时有一个初始的水平速度，结合墨滴自身的垂直于打印介质的速度，最终墨滴是沿抛物线曲线下落到打印介质上面的，并不是一条理想的直线，这样就造成墨滴的实际落点与期望落点在水平方向有一段偏移量。如图2所示，喷墨在A点喷出的墨滴，在打印机向右打印时会落在A1点，在打印机向左打印时会落在A2点。此两点的间距即为喷墨打印机双向打印过程中的墨滴落点的偏差。打印机的字车做扫描运动的速度越大，此位置偏移量也就越大。此外，在实际过程中，受伺服控制和机械设备加工工艺等影响，字车在做扫描运动时速度会有抖动，而导致墨滴落点有新的偏差。如图3所示，字车在运动过程中并不能保证严格按规划的速度曲线运行，其真实运行速度中会存在一定的抖动量。在双向打印中，受上述两方面的偏差的影响，打印机喷头喷出的同一位置的墨滴并不能落在打印介质的同一栅格上，这样就导致了打印失真。

当前提出的用于补偿墨滴落点偏差的方法主要分两大类，分别是固定补偿和自适应补偿。如果在字车匀速段，字车速度能保持恒定，那么可以采用固定补偿的方法来解决此偏差问题，即在每一个喷墨点均采用提前某一固定距离喷墨的方法。固定补偿主要存在两个问题，一是要求字车在打印区内保持稳定的扫描速度，这就给字车伺服控制和机械设备加工工艺提出了相当高的要求，增加了喷墨打印机的设计制造成本；二是要求在字车加减速阶段不能进行喷墨打印，增加了打印机尺寸，降低了全局打印速度。另外一种常用方法是自适应补偿，即采用某种算法对字车在每一喷墨点的速度进行预测，结合墨滴的实际运行时间，计算墨滴的位移偏移量，最后采用提前一段距离喷墨的方法进行补偿。目前，已存在的算法是基于LMS的神经网络算法。此算法在进行字车速度预测的过程中耗费大量计算时间，严重影响了字车速度的提高，导致打印速度难以继续提升。这显然与追求高速打印的趋势不符。

发明内容

本发明的目的是提供一种喷喷墨打印机双向打印中的墨滴落点偏差的补偿方法，以顺应高速高精度打印趋势。

本发明的技术方案是设计一种喷喷墨打印机双向打印中的墨滴落点偏差的补偿方法，其方法是：包括如下步骤：

101步，依据打印机结构参数及喷墨头参数，给出如下墨滴运动学方程计算公式：

根据101步推导出墨滴的飞行时间

的计算公式：

102步，根据如下公式，计算处理一次打印需要提前的光栅数，

式中，

是打印机字车在匀速段的规划速度，

是相邻两喷墨点间的距离，

是墨滴的飞行时间，为上取整函数；

103步，根据扩张状态观测器建立速度预测模型，导入字车的位移量

，依据计算公式

估算出字车的速度

；

104步，根据开始处理补偿的位置至墨滴落点的期望位置之间的距离，估算出的字车水平速度

，以及需要对墨滴落点进行补偿的位移量

；根据计算公式：

计算定时器需要设定的理论值

；

105步，根据如下计算公式，修正和优化定时时间

，得到实际定时时间为

：

式中，是处理完成一次补偿运算所消耗的时间；

106步，光栅值增加1时，装载并启动定时器，装载值为

；

107步，定时器定时终止，发出一次喷墨指令；

完成107步后，跳转至103步，按照以上的计算公式并遵循图1所示的流程图循环进行执行。

本发明的特点是：采用了自适应补偿的方法，不仅可以使墨滴在字车匀速区域的偏差得到更精确的补偿，大大提高打印速度，改善打印质量，而且也可以解决在字车加减速区域不能进行打印的问题，在节约成本的同时，提高了打印效率。本发明为高速高精度打印提供了技术保障。

附图说明

下面结合附图具体说明本发明：

图1为本发明实现过程的流程图；

图2是打印机双向打印时墨滴的实际飞行轨迹图；

图3为打印机字车运行的实际速度示意图；

图4为本补偿方法原理的示意图；

图5为本补偿方法验证的硬件装置示意框图。

具体实施方式

在宽幅面喷墨打印机的双向打印过程中，每当墨滴自喷墨头沿垂直于打印介质的方向喷出后，由于喷墨头与打印介质之间有一定距离，因此墨滴落至打印介质需要一定时间；又由于惯性作用，墨滴喷出时具有与字车相同的水平速度，因此墨滴实际运行轨迹如图2所示。由图2可知，在双向打印过程中由于字车的往复运动将导致在同一栅格点喷出的墨滴的实际落点与期望落点出现

的偏差，降低了高速高精度喷墨打印机的打印质量。与此同时，字车的实际运行曲线也如图3所示，即字车实际速度曲线中存在着不期望的抖动，给墨滴落点带来了新的偏差，在一定程度上也影响着喷墨打印机打印质量的提高。综上所述，

受以下因素影响：喷嘴与打印介质的间距

，墨滴垂直喷射速度，字车水平速度

。

本发明通过打印机控制单元对字车位移进行采样，采用基于扩张状态观测器的速度预测模型在线预测字车的速度，计算并优化相应的补偿时间，控制打印机提前喷墨以实现墨滴落点的补偿，提高打印速度，改善打印质量。

具体过程如下：

参照图1，本发明从100步开始，主要分为如下几个步骤：

101步，参照图2，根据打印机结构参数及喷墨头参数写出墨滴的运动学方程，具体如下：

其中，为喷嘴与打印介质之间的距离，

为墨滴自喷头沿垂直于打印介质喷出时的速度，两者均为已知量，

为墨滴喷出后的飞行时间。根据上式便可以推导出墨滴的飞行时间

为：

102步，根据字车在匀速段规划的水平运行速度

，以及每两个相邻的喷墨点间的距离

（由打印分辨率决定），确定墨滴在水平方向飞行的距离对

的倍数

，具体如下：

式中，

为上取整函数。

需要解释的是，实际打印中一般用光栅信号来确定打印机横向打印分辨率，比如横向打印分辨率为600dpi，那么也就需要有一个600dpi的光栅信号，每当一个新的光栅信号产生时就发出一次喷墨命令，进而打印一个或一列点。因此相邻的喷墨点间距也即是相邻的光栅的间距。例如喷出后的墨滴在水平方向需要飞行大于3且小于4个光栅长度（如3.5个）才能落至打印介质，则至少需要提前4个光栅开始处理一次打印，因此此处N代表着需要提前多少个光栅信号开始处理一次打印。

103步，根据扩张状态观测器建立速度预测模型，导入字车的位移量，估算出字车的速度

。扩张状态观测器是一种新型的状态观测器，除了可以跟踪系统各阶状态变量，还可以估计出系统未建模部分和外界干扰的实时作用值。具体可见国防工业出版社2008年出版的《自抗扰控制技术—估计补偿不确定因素的控制技术》，作者韩京清。

基于扩张状态观测器建立的速度预测模型的离散形式为：

其中，

为计数变量，取值为，

为字车的位移量，

、

和

分别跟踪字车的位移、速度以及加速度，

表示对字车位移量的跟踪值与实际值的偏差，

为模型采样步长，

为滤波因子，

、

及

为速度估计模型的可调参数，函数可以取如下函数：

由此速度预测模型，根据公式：

估算出字车速度

。

104步，如图4所示，可以计算出需要补偿的位移量为C1点到G点的距离，即为

。G点为墨滴期望落点，C1点为墨滴应该提前喷射的位置。选择在图中C点位置启动一个定时器，使喷嘴在定时器定时结束时处于图中C1点，此时将墨滴喷出墨滴便会落至期望落点G，即可完成对墨滴落点偏差的补偿。

C点到C1点的距离为

。由于C点到C1点的距离非常短，字车的水平速度在这段距离上变化微小，默认字车在这段距离的平均速度亦为

，因此定时器理论定时的时长

可由如下算式计算：

需要解释图4中的C（D、E等）点，光栅传感器在C（D、E等）处会产生新的光栅信号，同时这些点理论上也对应着墨滴在打印介质上的期望落点。如果这些点中的某一点（如G点）位于打印区内，则需要在相应的点（C1点）处发出一次打印命令。按图4中所示，补偿过程是在提前N=4个光栅长度处的C1（D1等）点开始处理的。

105步，获取优化的定时时间

。

在实际硬件实现中，在计算出应该提前喷墨的时间

后，还应考虑到所采用的处理器的运算能力。由于处理器在估算字车速度以及启动、关闭定时器等细节上会消耗时间，因此需要对处理器运算过程中所消耗的时间进行合理评估，然后给予定时器的理论定时时间一定的修正和优化，得到定时器的实际定时时间

。

例如处理器在估算字车速度以及启动、关闭定时器等细节上总的消耗时间为

，则可以根据公式：

计算定时器的实际定时时间

。

值的大小，与所选用的处理器的运算能力相关，处理运行速度越快，则

值越小，反之则

越大。例如在使用一种基于Cortex-M3的ARM运算时，

约为12

。

106步，光栅值增加1时，装载并启动定时器。

光栅值增加1，表明喷嘴到达图4中所示的C（D、E等）点，此时装载并启动定时器，定时器的装载值为修正和优化后的时间

。

107步，当定时器定时终止时，发出一次喷墨指令。

定时器定时终止，表明喷嘴已到达C1（D1等）点位置，此时可发出一次喷墨指令，喷墨头喷出墨滴，墨滴即可落在期望落点G（H等），即完成了墨滴落点偏差的补偿。

至此已经完成一次经补偿后的打印，然后继续跳转至103步，进行下一喷墨点的字车水平速度预测，并计算出定时器需要定时时间，待喷嘴到达如图4中D点时启动一次定时器，待定时结束时发出一次喷墨指令，墨滴即可落至期望的下一个落点。如此反复进进行，完成整个打印过程。

需要说明的是：对喷墨打印机墨滴喷出后的运动行为建立运动学方程，并计算出墨滴自喷出至落到打印介质的飞行时间，这其中忽略空气阻力的影响。

以下内容对字车定位到C、D、E等位置的方法进行介绍。整个打印系统的硬件框图如图5所示。固定在字车上的光栅编码器输出两路相位差为数字信号

、

，且每路信号均为150dpi。为了提高分辨率，通过定时器自带的正交信号计数功能对两路信号进行四倍频，得到细分的位移信号，此信号为600dpi，且物理上的间距为

，可以用来指示横向打印分辨率以及计算字车位移量。计数过程中，计数器每增加1，则表明字车向前行进一个光栅距离，计数器每减少1，则表明字车向后行进一个光栅距离。如喷嘴在光栅C点时计算器为

（为自然数，例如字车运行长度为30000光栅，则取值范围为1~30000），则当计数器变为

的时刻，喷嘴到达光栅D点。可以设定一个硬件中断装置，当计数器增加1时，产生一个硬件中断，表明喷嘴运行到下一点。

Claims (1)

1.喷喷墨打印机双向打印中的墨滴落点偏差的补偿方法，其方法是：包括如下步骤：

101步，依据打印机结构参数及喷墨头参数，给出如下墨滴的运动学方程计算公式为，

式中

为喷嘴与打印介质之间的距离，

为墨滴自喷头沿垂直于打印介质喷出时的速度，两者均为已知量，

为墨滴喷出后的飞行时间

根据101步推导出墨滴的飞行时间

的计算公式：

102步，根据如下公式，计算处理一次打印需要提前的光栅数， 

式中，

是字车按规划在匀速段的运行速度，

相邻的喷墨点间的距离（也是相邻的光栅间的距离），

墨滴的飞行时间，

为上取整函数，N代表处理一次打印需要提前的光栅数；

103步，基于扩张状态观测器建立速度预测模型，导入字车的位移量，依据计算公式：

估算出字车的速度

；

基于扩张状态观测器的预测模型离散型式为：

式中，

为计数变量，取值为

，

为字车的位移量，

、

和

分别跟踪字车的位移、速度以及加速度，

表示对字车位移量的跟踪值与实际值的偏差，

为模型采样步长，

为滤波因子，

、

及

为速度估计模型的可调参数，

可以取如下函数：

104步，依据喷嘴墨滴位置至墨滴落点的位置之间的距离

和102步计算处理一次打印需要提前的光栅数N，和101步推导出墨滴的飞行时间

，103步得到水平速度，根据计算公式：

计算定时器需要设定的理论值；

105步，根据计算公式：

，

进行修正和优化定时时间

，得到实际定时时间为

，式中，

是处理完成一次补偿运算所消耗的时间，与处理器的运算速度有关；

106步，光栅值增加1时，装载并启动定时器，装载值为

；

107步，定时器定时终止时，发出一次喷墨指令；

完成107步后，跳转至103步循环进行执行，直至一次喷墨任务结束。

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