根據上述的設計要求，提出了總體設計方案，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，方案設計圖如下所示。 一、光源系統(tǒng)設計
根據 LED-UV芯片不同的排列方式,可把光源系統(tǒng)分為點、線和面光源。點光源是單個芯片形成的光源,線光源是多個芯片排列成一行形成的光源,而面光源是多個芯片排列成多行多列形成的光源。點光源和線光源構成的光源系統(tǒng)功率很小,無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,當某個光源基板上的 LED-UV芯片損壞時,只更換此塊基板即可,這樣就節(jié)約了維護成本。在設計要求中已經提出任意 LED-UV芯片的短路或斷路不能影響整個系統(tǒng)的工作,因此要進行串并聯方式的設計。
為了方便調節(jié),把光源系統(tǒng)分為多個區(qū)域,每個區(qū)域由單個獨立驅動電源進行供電,稱為固化區(qū)域。每個固化區(qū)域的工作電壓遠小于電網供電電壓,所以不能直接對固化區(qū)域進行供電,就要設計驅動電源,通過驅動電源把220V交流電轉換為穩(wěn)壓電源或者恒流電源。由于LED-UV對溫度的變化很敏感,因而在工作時要對其保護,并穩(wěn)定其工作狀態(tài)。因此,設計其驅動電源為恒流工作模式,驅動電源可由外部控制器進行在線控制,方便輸出功率調節(jié)。
二、散熱系統(tǒng)設計
LED-UV結溫上升時,其性能會有較大變化,主要體現在以下幾個方面。
1.發(fā)光效率會降低,表現為LED-UV發(fā)光量減小
2.光源使用壽命縮短,使用壽命和工作結溫直接相關,如果能夠把工作結溫控制在50℃以下,則使用壽命可以達到20000小時以上
3.主峰波長發(fā)生偏移,LED-UV是光譜分布很窄的單色光,溫度上升時會出現光譜紅移現象。在設計散熱系統(tǒng)時,首先要根據印刷固化系統(tǒng)的輸出熱功率、工作空間來確定所用散熱方式;然后計算傳熱路徑中各部分的熱阻,并分析產生熱阻的因素;然后進行散熱器的設計,通過軟件建立不同結構散熱器的三維模型,使用 FLUENT熱仿真軟件模擬不同狀態(tài)下散熱器的溫度場分布,綜合對比各影響因素,完成散熱系統(tǒng)的設計。
三、控制系統(tǒng)設計
本設計中使用了具有抗工業(yè)干擾能力的STM32單片機作為主控制器。根據設計要求,控制系統(tǒng)的設計包括傳感器選型、硬件電路設計、觸摸屏界面設計、觸摸屏與STM32單片機的通信設計和控制程序設計等部分。
控制系統(tǒng)的工作流程如下:當有承印物通過時,電壓、電流、光電、速度和溫度傳感器分別檢測印刷固化系統(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,單片機會通過相應的程序處理這些相關輸入信號,然后單片機把處理后的信號通過串口發(fā)送到觸摸屏,觸摸屏會實時顯示印刷固化系統(tǒng)工作電壓電流、功率、承印物幅寬、印刷速度,還可以提示高溫報警信息。當承印物幅寬發(fā)生變化時,單片機可控制驅動電源調整光源系統(tǒng)的固化區(qū)域;當印刷速度發(fā)生變化時,單片機可調節(jié)驅動電源輸出功率,調節(jié)光源系統(tǒng)的紫外輻照度。
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