根據(jù)上述的設(shè)計(jì)要求，提出了總體設(shè)計(jì)方案，確定了LED-UV印刷固化系統(tǒng)主要由光源系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成，方案設(shè)計(jì)圖如下所示。
一、光源系統(tǒng)設(shè)計(jì)
根據(jù) LED-UV芯片不同的排列方式,可把光源系統(tǒng)分為點(diǎn)、線和面光源。點(diǎn)光源是單個(gè)芯片形成的光源,線光源是多個(gè)芯片排列成一行形成的光源,而面光源是多個(gè)芯片排列成多行多列形成的光源。點(diǎn)光源和線光源構(gòu)成的光源系統(tǒng)功率很小,無(wú)法滿足印刷固化的要求,因此光源系統(tǒng)選用面光源形式排列。
整塊光源面板由很多小光源基板組成,當(dāng)某個(gè)光源基板上的 LED-UV芯片損壞時(shí),只更換此塊基板即可,這樣就節(jié)約了維護(hù)成本。在設(shè)計(jì)要求中已經(jīng)提出任意 LED-UV芯片的短路或斷路不能影響整個(gè)系統(tǒng)的工作,因此要進(jìn)行串并聯(lián)方式的設(shè)計(jì)。
為了方便調(diào)節(jié),把光源系統(tǒng)分為多個(gè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域由單個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行供電,稱為固化區(qū)域。每個(gè)固化區(qū)域的工作電壓遠(yuǎn)小于電網(wǎng)供電電壓,所以不能直接對(duì)固化區(qū)域進(jìn)行供電,就要設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電源,通過(guò)驅(qū)動(dòng)電源把220V交流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓電源或者恒流電源。由于LED-UV對(duì)溫度的變化很敏感,因而在工作時(shí)要對(duì)其保護(hù),并穩(wěn)定其工作狀態(tài)。因此,設(shè)計(jì)其驅(qū)動(dòng)電源為恒流工作模式,驅(qū)動(dòng)電源可由外部控制器進(jìn)行在線控制,方便輸出功率調(diào)節(jié)。
二、散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)
LED-UV結(jié)溫上升時(shí),其性能會(huì)有較大變化,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
1.發(fā)光效率會(huì)降低,表現(xiàn)為L(zhǎng)ED-UV發(fā)光量減小
2.光源使用壽命縮短,使用壽命和工作結(jié)溫直接相關(guān),如果能夠把工作結(jié)溫控制在50℃以下,則使用壽命可以達(dá)到20000小時(shí)以上
3.主峰波長(zhǎng)發(fā)生偏移,LED-UV是光譜分布很窄的單色光,溫度上升時(shí)會(huì)出現(xiàn)光譜紅移現(xiàn)象。在設(shè)計(jì)散熱系統(tǒng)時(shí),首先要根據(jù)印刷固化系統(tǒng)的輸出熱功率、工作空間來(lái)確定所用散熱方式;然后計(jì)算傳熱路徑中各部分的熱阻,并分析產(chǎn)生熱阻的因素;然后進(jìn)行散熱器的設(shè)計(jì),通過(guò)軟件建立不同結(jié)構(gòu)散熱器的三維模型,使用 FLUENT熱仿真軟件模擬不同狀態(tài)下散熱器的溫度場(chǎng)分布,綜合對(duì)比各影響因素,完成散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
三、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)中使用了具有抗工業(yè)干擾能力的STM32單片機(jī)作為主控制器。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括傳感器選型、硬件電路設(shè)計(jì)、觸摸屏界面設(shè)計(jì)、觸摸屏與STM32單片機(jī)的通信設(shè)計(jì)和控制程序設(shè)計(jì)等部分。
控制系統(tǒng)的工作流程如下:當(dāng)有承印物通過(guò)時(shí),電壓、電流、光電、速度和溫度傳感器分別檢測(cè)印刷固化系統(tǒng)的工作電壓、電流、承印物幅寬、印刷速度和散熱系統(tǒng)溫度,單片機(jī)會(huì)通過(guò)相應(yīng)的程序處理這些相關(guān)輸入信號(hào),然后單片機(jī)把處理后的信號(hào)通過(guò)串口發(fā)送到觸摸屏,觸摸屏?xí)?shí)時(shí)顯示印刷固化系統(tǒng)工作電壓電流、功率、承印物幅寬、印刷速度,還可以提示高溫報(bào)警信息。當(dāng)承印物幅寬發(fā)生變化時(shí),單片機(jī)可控制驅(qū)動(dòng)電源調(diào)整光源系統(tǒng)的固化區(qū)域;當(dāng)印刷速度發(fā)生變化時(shí),單片機(jī)可調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電源輸出功率,調(diào)節(jié)光源系統(tǒng)的紫外輻照度。
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