液滴喷射发生器理论及其在大字符喷码中的应用研究

摘要

液滴喷射技术的应用始于喷墨打印领域，随后扩展到包装、化工等工业领域，甚至延伸到快速成型、微机械、光电器件制造以及材料科学领域。但对应用于大字符喷码这种大流量、高频响的液滴喷射发生器的研究还不系统。本文正是在浙江大学精益机电技术工程有限公司“大字符高速点阵式喷码系统研发”项目的支持下，结合天津钢管集团有限公司的实际需求对液滴喷射发生器的理论、设计方法以及在大字符喷码中的应用进行研究。主要内容如下:
　　第1章，以钢铁行业为主要应用背景结合喷码技术的发展和不足阐述了课题研究的意义;通过对液滴喷射发生器分类及研究现状分析，证明了研发该类产品的重要性和必要性，提出了研发适用于大字符喷码系统的液滴喷射发生器的思路，并简介相关理论;陈述了课题来源和主要研究内容。
　　第2章，在研究液滴喷射发生器的结构和工作原理的基础上，对液滴冲击固体表面形成喷点的过程进行了系统分析;建立了液滴喷射控制阀的数学模型，并对液滴喷射控制阀的特性进行了研究;通过建立液滴喷射控制阀的热力学模型，分析线圈表面温度的变化规律，为液滴喷射发生器的设计和控制提供理论支持。
　　第3章，以大字符喷码系统的性能要求为依据，对其系统构成以及工作原理进行分析，系统论述了点阵式字符成形的原理和过程，设计了字库编码方案，提出了字型调整以及误差补偿的方法;以钢管自动化生产线为应用背景，对液滴喷射控制阀进行参数计算和结构设计。
　　第4章，在分析滑模变结构控制原理的基础上，设计了液滴喷射控制阀的滑模观测器，对液滴喷射控制阀系统中的位移以及速度等参数进行观测;并以此为基础，进一步提出了基于滑模观测器的无传感器控制策略，在不增加传感器的前提下，使阀芯位移跟踪预先设计的理想曲线，达到减少碰撞，消除振动的目的;以仿真结果验证控制策略的有效性。
　　第5章，在阐述滑模控制中抖振产生的原因及其对系统危害的基础上，分析了饱和函数法、光滑函数法、趋近率法等抖振消除方法的原理，并进一步对跟踪系统的抖振抑制策略进行了讨论，通过仿真证明所用抖振抑制策略可以有效抑制阀芯跟踪控制过程的抖振。
　　第6章，通过液滴喷射控制阀测试实验，验证系统模型的正确性、无传感器滑模观测器的有效性;同时通过实验对比证明了基于滑模观测器的无传感器控制策略可以有效消除阀芯动作的噪音与震动，提升喷印效果;实验分析了系统压力、阀芯行程等参数对脉冲喷射流量的影响，为提高喷印效果提供了调整方法;实际生产的检验证明本文所设计的液滴喷射发生器完全满足钢管生产线的大字符喷码要求。
　　第7章，总结论文的主要研究内容和创新点，并对后续研究工作进行展望。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．1．1 我国钢管行业发展状况

1．1．2 喷码技术的发展及中国喷码机市场现状

1．1．3 课题的研究意义

1．2 大字符喷码的现状及存在问题

1．2．1 产品喷码的必要性

1．2．2 大字符喷码的应用现状

1．2．3 大字符喷码存在的不足

1．3 液滴喷射发生器的分类及研究现状

1．3．1 液滴喷射发生器分类

1．3．2 液滴喷射发生器研究现状

1．4 滑模变结构控制理论简介

1．5 课题来源与论文主要研究内容

第2章 液滴喷射发生器基础理论研究

2．1 液滴喷射发生器结构及工作原理

2．2 液漓冲击动力学分析

2．2．1 液滴脱落过程分析

2．2．2 液滴对固体表面的冲击分析

2．3 液滴喷射控制阀动态模型建立

2．3．1 “机”子系统

2．3．2 “电”子系统

2．3．3 “磁”子系统

2．3．4 液滴喷射控制阀状态方程

2．4 液滴喷射控制阀特性分析

2．4．1 流量特性分析

2．4．2 射流速度特性分析

2．4．3 响应特性分析

2．5 液滴喷射控制阀热力学分析

2．6 本章小结

第3章 用于大字符喷码的液滴喷射发生器设计

3．1 大字符喷码系统工作原理

3．1．1 大字符喷码系统性能要求

3．1．2 大字符喷码系统组成

3．1．3 大字符喷码系统工作方式

3．1．4 大字符喷码系统喷印误差分析

3．2 液滴喷射控制阀阀体设计

3．2．1 阀芯结构选择

3．2．2 液滴喷射控制阀主要参数确定

3．3 液滴喷射控制阀驱动器设计

3．3．1 电磁铁设计

3．3．2 电磁力特性

3．4 液滴喷射控制阀结构分析

3．5 本章小结

第4章 基于滑模观测器的阀芯位移控制

4．1 滑模控制理论基本原理

4．1．1 滑模变结构控制基本概念

4．1．2 滑模观测器

4．1．3 系统的能观测性

4．1．4 跟踪系统的滑模控制

4．2 液滴喷射控制阀滑模观测器设计

4．3 基于滑模观测器的无传感器控制

4．4 阀芯位移控制仿真研究

4．5 本章小结

第5章 阀芯位移控制中抖振抑制策略研究

5．1 抖振产生原因分析

5．2 实际变结构控制的抖振消除

5．2．1 饱和函数抖振消除法

5．2．2 光滑函数抖振消除法

5．2．3 趋近率抖振消除法

5．3 跟踪系统的抖振消除

5．3．1 跟踪系统滑模函数设计

5．3．2 时变边界层抖振消除

5．3．3 常值边界层抖振消除

5．3．4 边界层内系统稳定性分析

5．4 阀芯位移控制中抖振抑制仿真研究

5．5 本章小结

第6章 液滴喷射发生器综合实验研究

6．1 液滴喷射控制阀测试实验

6．1．1 液滴喷射控制阀测试方案

6．1．2 液滴喷射控制阀系统方程验证

6．1．3 无传感器滑模观测器验证

6．1．4 阀芯无传感器滑模控制结果

6．2 脉冲喷射流量实验

6．2．1 液体压力与流量的关系

6．2．2 阀芯开启量与流量的关系

6．3 大字符喷码系统现场应用

6．3．1 大字符喷码系统的功能与构成

6．3．2 现场实际喷印效果

6．4 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 研究工作总结

7．1．1 论文主要研究内容

7．1．2 论文主要创新点

7．2 工作展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

其他主要科研成果