面向压电喷墨打印的供墨控制技术研究
摘要
喷墨打印作为提升产品质量的加工服务行业，其产品被广泛用于经济文化生活的众
多领域而受到人们的广泛关注。在压电喷墨打印机中，采用的静态供墨方法容易堵塞喷
头，存在负压控制效果差，墨水受热不均匀等问题，而且墨水温度和压力控制系统具有
非线性和滞后性的特点，传统PID控制方法存在超调量大、调节时间长和抗干扰能力差
等问题。针对以上不足，本文设计了基于双墨盒的动态供墨方案，设计了循环供墨系统，
提出了基于模糊PID的墨水温度和压力控制方法，实验表明取得了良好的喷墨打印效
果。
首先，介绍了压电喷头的结构组成和工作原理，给出了压电喷头技术参数表，并分
析了压电喷墨的墨滴形成过程。在此基础上，得出了墨水粘度、表面张力、弯月面压力
和流速对墨滴形成过程产生重要影响的结论，通过理论计算分析得到了压电喷头正常工
作时所要的墨水粘度、弯月面压力和墨水流速等参数值，得到了压电喷墨打印系统的控
制指标，为循环供墨系统的设计提供了理论支持。
然后，从流体力学角度分析压电喷墨过程并建立其数学模型，在忽略喷嘴结构和压
电特性对墨滴喷射过程影响的条件下，对喷嘴模型作出合理简化并建立二维物理模型，
利用COMSOL软件搭建喷嘴的层流两相流模型，使用水平集方法追踪墨滴的喷射形成
过程，仿真结果表明只有在控制好的墨水粘度、表面张力和弯月面压力的条件下，才能
获得较好的墨滴喷射形态，得到没有卫星墨滴、没有拖尾、形状圆润且稳定飞行的墨滴，
从而提高打印质量，仿真结果同时也验证了第二章数据计算的正确性。
接着，提出了一种基于双墨盒的动态供墨方案，并设计了压电喷墨打印机的墨路结
构和循环供墨系统。根据对供墨系统功能需求分析，使用AltiumDesigner软件对供墨系
统控制电路进行设计。针对供墨系统控制问题，设计了针对墨水温度和压力的模糊PID
控制方法，对实验测试方法建立数学模型分别仿真分析，仿真结果表明采用模糊PID控
制方法的供墨控制系统具有更小的超调量，更快的响应速度，抗干扰性和稳定性更好。
采用控制双墨盒压力差的方式提高了喷头负压控制精度，循环流动的墨水防止了喷头堵
塞并使墨水均匀受热，更符合压电喷墨打印机对恒温恒压的控制要求。
最后，搭建设计的循环供墨系统，分别采用普通PID和模糊PID控制方法，完成压
哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文
电喷墨打印系统的喷墨实验测试。实验结果表明，与普通PID相比，采用模糊PID控制
方法的打印系统得到了更好的墨滴喷射效果，控制系统有更好的动态性能和稳态性能。
实验结果还表明，本文设计的动态供墨方案和循环供墨系统可以提高温度和压力的控制
精度，并将误差控制在一定范围内，提高了喷墨打印效果，符合设计要求。
关键词：压电喷墨；动态供墨方案；循环供墨系统；恒温恒压控制；模糊PID控制
面向压电喷墨打印的供墨控制技研究
Abstract
Inkjetprintingasaprocessingserviceindustrytoimproveproductquality,itsproductsare
widelyusedinmanyfieldsofeconomicandculturallifeandattractedwideattention.Inthe
piezoelectricinkjetprinter,thestaticinksupplymethodiseasytoplugthenozzle,thereare
problemssuchaspoornegativepressurecontroleffect,uneveninkheating,andinktemperature
andpressurecontrolsystemhasthecharacteristicsofnonlinearandhysteresis,thetraditional
PIDcontrolmethodhaslargeovershoot,longregulationtim