魏茂春，魏惠琴

(1．厦门海洋职业技术学院 机电工程系，福建 厦门 361012； 2．福建柏狼服装科技有限公司，福建 泉州 362000)

服装喷墨绘图仪是超宽幅面的喷墨打印机，幅宽一般为1.6～2.4 m，能将服装CAD设计的图样按1∶1的比例输出纸样，减少设计人员的手工绘图量，是服装CAD软件常用的输出设备.前几年,中国国内市场上笔式绘图仪占据主导地位.笔式绘图仪结构简单、价格低廉、使用方便、耗材成本(绘图笔)低，但绘图速度慢、噪音大、对纸张的厚度和柔韧度要求高(要求往复走纸).喷墨绘图仪具有速度快(双喷头可达到100 m2/h)、噪音低(小于60 dB)、打印图像精美、对绘图介质要求低(只要求单方向走纸)等优点.随着喷墨绘图仪制造技术的不断成熟，造价和耗材费用不断下降，它已经逐渐开始取代笔式绘图仪，成为服装CAD图样的主要输出设备.

1 服装喷墨绘图仪主要结构及工作原理

图1为服装喷墨绘图仪示意图,主要结构及工作原理如下.

1.1 主要结构

该款服装喷墨绘图仪主要组成结构如下:

(1)控制系统;

(2)X轴(墨盒总成小车)传动系统;

(3)Y轴(绘图介质)传动系统;

(4)卷纸轴收放纸系统;

(5)底座.

图1 服装喷墨绘图仪示意图Fig.1 The structure sketch map of apparel ink-jet plotter

1.2 工作原理

上位机将绘制好的服装平面二维图形矢量文件传送至主控制器，主控制器将接收到的文件处理成喷绘的点阵文件，而后发送至喷绘控制器，喷绘控制器控制X轴伺服电机驱动墨盒总成小车左右运动，并控制喷头喷印.Y轴电机通过主传动轴驱动钢刺滚轮转动，绘图介质在钢刺滚轮和压纸轮的夹紧力作用下向前运动，从而喷印生成二维平面图形.

2 控制系统设计

2.1 控制系统总体框架设计

控制系统总体框架设计如图2所示.整个系统的基本工作流程如下：

图2 控制系统流程Fig.2 The flow chart of control system

通过操作面板输出此次打印的具体参数，上位机将Plot图形矢量文件传送至主控制器，主控制器接收到一定大小的文件后开始处理数据，将矢量文件转换为下次需要喷绘的点阵文件，在确定此次点阵中所有填充点都已填充后，此点阵文件即可打印.

主控制器将点阵文件按照一定格式进行数据压缩，在接收到喷绘控制器准备就绪的指令后发送至喷绘控制器，发送结束后，主控制器继续接收上位机发送的Plot文件，继续进行点阵转换和数据压缩.

喷绘控制器接收到主控制器的压缩文件后进行解压缩，存储至固定的输出缓冲区，即可开始打印，它在驱动墨盒小车移动时，根据光栅反馈回的位置信号与此次打印的点阵文件确定此位置需要工作的喷嘴数量.当小车移动到X方向末端时，也即此次打印结束时，喷绘控制器向主控制器发送指令，申请接收下次打印数据.主控制器接收到申请指令后，将刚才喷绘控制器驱动打印时接收处理的数据发送至喷绘控制器,喷绘控制器接收数据后即可实现循环不间断打印.

当主控制器不再接收到上位机数据时，说明已将现有接收到的数据全部处理完成并发送至喷绘控制器，此次打印完成[1].

2.2 主控制器处理图形矢量的数学计算过程

主控制器对于Plot图形矢量文件的处理过程是一个复杂的数学计算过程，以下以一条矢量线段为例说明该计算过程,如图3所示.

设接收到上位机矢量线段(X0,Y0)(X1,Y1).此线段起始点位于点阵A中，终点在点阵A和点阵B以外.线段的起始点(X0,Y0)与点阵A的边界交点(X,Y)组成的线段(X0,Y0)(X,Y)在点阵A中，交点(X,Y)的X坐标为已知，故可以根据X算出Y：

图3 主控制器矢量线段处理原理图Fig.3 The principle chart of the main controller deal with vector

(1)

计算出(X,Y)坐标后将点阵A以外的线段(X,Y)(X1,Y1)存储在缓冲区，即可填充线段(X0,Y0)(X,Y)在点阵A中的对应点.因为线段坐标与点阵坐标一一对应，所以要考虑线段的斜率.斜率的绝对值以1为分界点，如图3所示，如果绝对值小于1，Y方向填充点数要多于X方向填充点数，此时需要以Y坐标作为基准计算出点阵中打印点对应的X坐标，即:

(x0,y0)=(X0,Y0)

(2)

(x1,y1)=(x1,(y0+1))

(3)

(x2,y2)=(x2,(y0+2))

(4)

(5)

(6)

公式(6)中计算出的xn未必是整数，需要对其进行判断，舍弃小数部分，取与其接近的整数，这样就可以确定线段对应点阵中具体点.确定后在内存中根据点坐标，计算出对应的存储位置，对该位写1，其他线段处理过程同理.当所有在点阵A内的线段都处理结束时，点阵A就可以进行数据压缩发送至喷绘控制器进行打印了.点阵A处理结束，再从数据缓冲区取出刚才被截去点阵A中的剩余线段如图3中的线段(X,Y)(X1,Y1)，继续进行点阵B的填充.

2.3 主控制器对点阵文件数据压缩方法

主控制器传输的点阵文件数据量较大，必须进行数据压缩以提高传输效率.根据对服装行业图纸的研究，发现图形基本填充率很低，实际上发送的点阵文件中，绝大部分都是空白的，不需要打印，此时对数据进行压缩就显得很有必要.例如：150 dpi双喷头幅宽2 m的绘图仪，每帧数据

如此大的数据量，通过串口SPI 传输，时间太长，喷绘控制器将浪费时间等待接收数据，直接导致喷头打印过程中左右两端的等待时间过长，影响打印速度.

鉴于点阵文件的特殊性，采用一种简单高效的压缩方法：点阵文件在内存中存储时，按照纵向由上到下以字节形式存储，如图4所示.假设此点阵只有最左端与最右端一列都是1，其他都是0，那么在内存中存储时，根据内存地址递增数据为： 0xFF、0xFF、 0xFF、 0x00、 0x00……0x00、 0xFF、 0xFF、 0xFF,其中很多都是0x00，进行数据压缩时仍然从内存中按地址递增的顺序以字节为单位读取数据.如果数据不是0x00，那么不做任何改变;如果是0x00，则在0x00的后面跟上 0xYY， 0xXY表示 0x00 的个数，例如 0x00、 0x01 表示只有1个 0x00.这样,图4中假设0x00共255*100=25 500个，压缩后变成了： 0xFF、 0xFF、 0xFF、 0x00、 0xFF……0x00、 0xFF、 0xFF、 0xFF、 0xFF,中间只有100个 “0x00、 0xFF”，数据大小几乎压缩为原来的2/255,这样大大提高了传输速度，间接提升了绘图仪的打印速度.

图4 点阵文件压缩前格式Fig.4 The format of uncompressed datum of lattice files

3 执行机构设计

3.1 X轴(墨盒总成小车)传动系统设计

主要组成：墨盒、墨盒架、喷绘控制器、墨盒信号控制线、X轴伺服电机、同步轮、传动同步带、同步带松紧调节机构、光栅条、绘图边界限位光电传感器.

3.1.1 X轴传动系统机械误差校正系统设计[2-3]

X轴传动系统由于传动同步轮、同步带等机械传动的误差，会出现喷印图像重叠、分段连接处脱线等现象.为减小误差，设计采用300 dpi光栅条及光电传感器为X方向提供位置伺服，实现精确闭环控制.当传动同步带松弛时，可通过调节张紧机构的张紧力来调节同步带的松弛程度.

3.1.2 墨盒固定架设计

墨盒固定架是执行机构的关键零部件之一.喷头嵌在墨盒架中，喷头的定位安装精度要求非常高，主要指标是喷头与纸面的垂直度和多喷头之间的平行度，如果精度达不到要求，就会影响喷印图像的质量.墨盒架与导轨小车要联结牢固，安装完成后喷头面要与纸面平行、距离适中，因为距离过小容易刮纸，距离过大，喷印图像质量会下降.

3.2 Y轴(绘图介质)传动系统设计[4]

主要组成：Y轴步进电机、传动同步轮、钢刺滚轮、压纸轮、压纸轮松紧调节机构.由于Y轴传动系统没有提供误差反馈装置，传动准确性完全依靠机械传动机构的精确度.

服装喷墨绘图仪最长绘图介质长度达到 30 m以上，而且要求很高的走纸精度和偏斜度误差.因此,服装喷墨绘图仪主传动轴上的送纸器要采用高精度钢刺滚轮，以提高对绘图介质的附着力，提高耐磨性，减少误差.

3.3 卷纸轴收放纸系统设计

因为服装CAD输出的图纸很长，一般为 5～30 m，所以要设计收放纸系统.卷纸轴收放纸系统采用发射接收式光电开关检测绘图介质，当绘图介质不够时，控制放纸电机放纸.当已绘完的图纸超过一定距离时，控制收纸电机收纸.

4 服装喷墨绘图仪整机技术参数

喷头数量: 1～4;

控制系统: 伺服+步进;

最大进纸宽度: 1.9 m, 2.1 m, 2.3 m;

最大绘图宽度: 1.8 m, 2.0 m, 2.2 m;

最高绘图速度: 42～160 m2/h;

分辨率: 150～600 dpi;

能否加墨: 能重复加墨;

语言格式: 兼容HPGL、DXF、DWG 格式;

接口类型: COM标准接口;

液晶显示: 中文(英文);

坐标原点: 任意可调;

定位方式: 光栅;

适用绘图介质: 40～100 g;

电 源: 220 V;

功 耗: <250 W;

工作环境温度: 0～40 ℃;

工作环境湿度: 5%～95%(无凝水).

5 结束语

服装喷墨绘图仪研制经过两年多的生产实践，整机性能稳定，走纸精度高，故障少；能兼容目前中国主流的服装CAD软件；光电收放纸系统构造简单、可靠实用，主要技术指标接近国外先进水平，已逐步替代进口同类产品.它的应用,能加快中国服装CAD/CAM的推广普及速度，提高服装行业整体的生产技术水平和效率，进一步增强服装行业在国际市场中的竞争力，使中国由服装大国向服装强国迈进.此外,随着接口技术的改进，绘图仪能兼容国际标准的DXF、DWG、AAMA等格式的图形，可广泛应用于机械、建筑、汽车、航天、船舶、家具家饰、箱包、皮革制品、制鞋等行业，市场前景广阔.

参考文献:

[1] 李笑非，李小京.基于PowerPC Fsc823 的大型绘图仪控制系统的设计[J]．仪器仪表用户，2004(6)：27-28.

[2] 机械设计手册编委会.机械设计手册[M]．北京：机械工业出版社，2007:220-325.

[3] 戴彤焱.绘图仪传动精度分析与结构改进[J]．黑龙江工程学院学报(自然科学版)，2005(4)：51-53.

[4] 魏茂春，杨永金，黄榕熙.服装绘图仪走纸系统设计[J]. 湖南工程学院学报，2009,19(4)：27-29.