【工业控制】如何优化波形
00. 目录
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01. 概述
首先，我们简要回顾一下其他打印头和波形文章中讨论的内容。在下面的示意图中，我们显示了电压脉冲如何导致致动器变形，在喷嘴腔中产生压力并导致液滴喷射。我们正在优化的是脉冲的大小，形状和间隔，以确保喷射符合我们的目标要求。
02. 目标
尝试产生波形的第一步是明确定义目标。通常，最重要的目标是要确定所需的墨滴大小，墨滴速度和喷射频率。如果您已经知道目标规格，则可以立即开始。如果没有，那么您将必须进行一些调查。
如果您是油墨公司，并且要开发特定的机器，请与您的客户核对油墨的使用条件。如果您的客户是设备制造商，则他们应该能够告诉您所有您需要了解的信息。如果直接卖给用户，那么也许这些信息不是那么容易获得，您将不得不更加努力地找出合理的方法。您可以从笔架速度和打印分辨率中了解工作频率，请记住，如果打印是多次打印，则可能与最终分辨率有所不同。
03. 起点
波形优化的第一步是为我们的喷射建立一个合理的基线，以便我们可以使用Dropwatcher查看它。如果可能，一种简单的方法是从制造商推荐的打印头或默认的单脉冲波形开始。除了典型的脉冲时序外，通常还会有某种校准电压（有时称为“标记”电压）。首先使用它，因为它会产生合理的喷射。对于我们的Dimatix Samba示例，我们将从打印头用户手册中的波形开始：26V振幅脉冲，脉冲宽度为2.18us（包括40V / us的上升时间）。
下一步是使液滴在液滴观察器的视野中可见。如果可能的话，看面板很重要；如果您了解失败，它将对理解失败大有帮助。下图为Dimatix Samba打印头提供了理想的视图。
如果您只是使用注射器注油进行初步测试，则在测试期间最大程度地减少墨水消耗非常有用。以中等频率（例如8kHz）沿着同一打印头行喷射约10-20个喷嘴，这使您可以进行一段时间的测试，而无需重新注入液体。
快速测量跌落速度以确保它是合理的，可能为5-6 m / s。即使最终目标更高，此设置通常也可以轻松进行测量而无需过多的卫星。如果发现速度太低，则需要稍微增加脉冲电压，反之亦然。我们的速度恰好可以接受，而不必修改波形，因此26V是合适的设置。
04. 优化脉冲宽度
波形优化的第一步是获得基本的脉冲形状，以匹配压头和流体组合的声学特性。在波形术语中，我们将从确定适当的脉冲宽度开始。
因为喷嘴的大小和流体性质都是固定的，所以我们正在寻找保持喷嘴腔膨胀的时间，以使墨水在喷嘴腔内以良好的节奏来回移动。
通常，脉冲宽度与液滴体积和速度之间存在近似二次关系。最佳脉冲宽度是将产生最大液滴量和速度的脉冲宽度，因此找到峰值是我们的首要目标。确定用于起始波形的当前脉冲宽度，并计划将脉冲宽度从低于建议设置的50％调整为高于建议设置的50％。在每个脉冲宽度处，在距打印头一致的距离处测量墨滴量和速度。选择步长大小以提供一些数据点，以便您可以构建曲线。
对于我们的Samba打印头，我们将以0.1us的增量自动扫描从1.1us到3.3us的脉冲宽度。通过在每个值处捕获图像（使用双脉冲），我们能够快速直观地判断液滴的速度，并在需要时补充测量值。下图是使用XSweep和Stitch的组合生成的。
速度曲线的顶部是脉冲的定时，可为您的墨水，打印头和电子设备的组合提供最有效的墨滴喷射。有时希望使用比峰值高一点的脉冲宽度，因为它可以帮助卫星。获得一些经验将有助于您做出此决定。选择脉冲宽度后，将该值编程到波形中，让我们继续前进。
根据我们的图像，我们可以看到2.1-2.2us的脉冲宽度似乎产生了最高的下降速度。我们可以说是因为图像的每个切片是在同一时间拍摄的，并且液滴在这些切片中距离打印头最远。如果您还记得，Dimatix Samba手册中的起始脉冲宽度为2.18us，实际上这似乎是最佳选择。干得好Dimatix！
节约时间
与喷墨中的大多数事物一样，由用户来决定采用该方法的精度水平。对于波形优化，选择较小的步长来测试每个参数将能够为您提供更精确的结果。但是，手动进行此分析时，较小的步长意味着进行此测试所需的时间会增加。为了使过程更快，ImageXpert有一个名为XSweep的工具，它将自动调整波形设置并为您执行测量。
05. 优化电压
现在我们知道正确的时序，我们可以探索电压与液滴体积和速度之间的关系。通常，电压与墨滴量和速度之间存在线性关系，直至达到极限。通常的权衡是，增加的电压还会产生增加的韧带，因此目标是获得尽可能高的速度，以产生良好的干净液滴，而不会导致尾巴破裂成卫星。
正如我们之前对脉冲宽度所做的那样，让我们尝试一系列电压并测量每个电压的下降速度。同样重要的是，还要注意液滴的数量和卫星的形成，因为这会影响我们的决策。我们目前的目标是确定电压设置，以使我们在没有太多卫星的情况下达到我们的目标体积和速度。使用我们的Samba，我们将以0.5V的增量自动扫描21V-31V的电压。输出如下所示。
再次，结果似乎与理论相符。下降速度随电压线性增加，直到引入卫星为止。让我们选择一个比产生卫星的电压低一点的电压，然后进行测量。
现在，我们知道使用这些设置的波形将产生的液滴量和速度，并将其与我们的目标进行比较。但是，我们的工作尚未完成。
06. 将头顶到位
既然您已经改善了脉搏，并且可以产生您一直在寻找的速度，那么现在该是将头部更用力地推动并提高频率的时候了。这将测试我们到目前为止构建的波形在目标频率下是否表现良好，以及是否有任何需要避免的斑点。如果您已经知道关键的目标频率是多少，那么只需查看那里的喷射就可以节省一些时间，但不要忘记也包括次谐波。这样可以确保，如果在渲染和打印图像期间调整墨滴间距，则波形仍将表现良好。
我们认为通常最好是尽可能多地了解整个频率空间。您已经设置了系统，并且您永远不知道客户何时会要求以其他频率使用该墨水。除了XSweep，Imagexpert还提供了“频率扫描附件”，以帮助加快处理速度。这将自动扫描一定范围的频率并收集数据，这对于较高频率的打印头特别有用。下图是我们的Samba波形以1 kHz的步进在1 – 30kHz处喷射。
幸运的是，在这个范围内，我们的液滴形成看起来相当不错。这是另一个讲述不同故事的例子。
请注意，直到大约19 kHz时，喷射是一个恒定的速度，然后速度达到峰值吗？除了增加速度，我们还看到韧带长度增加和卫星形成。如果您从我们之前的波形文章中回想起，这就是共振。在19 – 24 kHz时，波形脉冲之间的时间间隔是这样的：通过从喷嘴前的脉冲中残留的动量，将脉冲放大。有了这些知识，您就可以修改系统的设计，以避免该频率或对该范围使用不同的波形。
如果结果不理想怎么办？
如果您创建的波形在目标频率下表现不佳，请选择较低的电压，然后重试。这是一个反复的过程，您可能需要对脉冲宽度和电压进行细微更改，然后重复进行操作才能获得所需的结果。这是自动化派上用场的地方。如果您似乎无法使液滴的体积或速度足够高，则多脉冲可能会有所帮助。
07. 多脉冲
当在波形中使用多个脉冲来产生墨滴时，我们将其称为多脉冲。不要将其与灰度相混淆。我们仍然只产生一个液滴大小，我们只是使用多个波形脉冲来实现。如果单个脉冲不能喷射足够的墨水，则多脉冲可用于增加喷射液滴的体积。
如果要使用多个脉冲来产生较大的墨滴，则必须先了解墨水在打印头中移动的基本时机。为此，我们创建了两个相同的脉冲，并希望根据它们之间的间隙来观察喷射过程，如下所示。在正确的时机，第二个脉冲将增加喷嘴中墨水的动量，一旦喷射，我们将看到更快的下降。
让我们复制之前创建的优化脉冲，并调整这两个脉冲之间的间隔，并分析每个步骤的喷射。一个好的起点是将间距从最小允许值更改为每个脉冲的脉冲宽度的两倍。最好的测量方法是查看第二个液滴的速度（如果有的话），因为第二个液滴的速度对由第一个脉冲引起的压力波动非常敏感。在某些喷头/墨水组合中，如果脉冲间隙较小，则液滴很可能在您有机会对其进行测量之前就已经融合了，而在其他情况下，第二次喷出可能是沿着第一个韧带的隆起。重要的是找到可以测量的液滴以最快的间距。行为的峰值就是头部共振所在。
当我们复制优化的Samba脉冲并以0.1us的步长将脉冲间隔从1.4us扫描到3.2us时，我们产生了以下图像。很明显，第二次下降的速度最高，这就是我们的共振周期。
现在我们知道了谐振周期，我们可以建立一个使用它的波形。唯一要记住的是，如果您要一个接一个地堆叠脉冲，那么考虑电压幅度很重要，否则您将最终的喷射速度推得很高。正如我们之前讨论的那样，这对于喷嘴润湿和人造卫星通常是一件坏事。因此，考虑到这一点，您可以从类似这样的步骤开始以获取目标墨滴大小。
进行多脉冲做灰度
正如我们已经提到的，灰度级的主要区别在于能够改变打印图像上每个像素处的墨滴大小。这意味着您需要选择用于每个灰度级的波形脉冲，以获得所需的墨滴大小。实现此目的的第一步是将波形分成可以由打印控制器选择的段。然后，您必须将正确的段关联到灰度级。
就像脉冲形状本身一样，该部分也非常取决于您的系统，尤其是允许您编辑波形“形状”的软件。使其可视化的最简单方法（因此经常在该主题的专利中使用）是使用分隔符对波形进行成像，然后有一张表格告诉您在每个级别中使用了哪种波形。我们在下面针对单个5脉冲示例进行了绘制。
之所以选择5个脉冲作为3个级别，是因为它很好地展示了可能的高度灵活性，其中包括脉冲不必相同或振幅呈线性的事实（就像我们的第一个示例一样）。要记住的一件事是，无论选择哪种灰度，可以使用的最大频率将是完成整个波形所需时间的倒数。
通常，存在与脉冲之间的闭合程度相关的规则，以使电子板有时间在波形段之间切换。大多数优秀的波形编辑器都会告诉您是否会出现问题。
现在，您可以调整波形段的单个脉冲宽度，电压和脉冲间隔，以得到与目标相匹配的墨滴量和速度。具有在同一视场中将不同大小的液滴彼此相邻放置的图像非常有用，因此您可以研究更改对所有灰度级的影响。此图像在一个视场中显示三种不同的灰度级。
先进的波形设计
例如，多脉冲方法还可用于控制喷嘴板润湿或影响韧带折断。如下所示，多余的脉冲可以在主喷射脉冲之前或之后出现。实施更高级的波形技巧的技巧很难系统化，但是我们希望确保您知道这些事情是可能的。
一些磁头制造商将另一种标准方法称为双极性脉冲。该术语来自使用正负放大器同时在两个方向上驱动PZT的磁头。这样的系统的优点是可以从较低的总电压获得更有效的液滴喷射，但是它还允许在任何方向上对脉冲进行编程，以控制喷射后的压力变化。由于双极性功能使电子设备更加复杂，因此可以使用单极电路（仅正电压或负电压）使用非零的静止电压来重新产生效果。我们尝试用下图说明差异，该图取自两家主要磁头制造商的最新专利。左侧的图像是双极性波形，
在这两种情况下，波形都比我们前面所述的一系列简单梯形更多。生成更多任意形状所需的方法不同于脉冲的高度和宽度。通常，现在波形是由段在给定时间内从一个电压变为另一个电压来定义的。需要一些特定的电子设备，并且这可能是特定于供应商的。在以后的文章中可能会详细介绍使用这些技术优化波形。
