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（二）项目技术可行性分析1. 项目目标、主要内容、及总体技术方案。 *** 项目目标 本项目主要以解决实际需要的油墨固化的辐射能量要求，以现有的油墨固化所需的紫外辐射能量方案为主要依据来开发产品，而此辐射能量的大小则逍遥通过焦耳计仪器来测量而得的，并通过各种智能控制和防护的集成来提高设备稳定性和可靠性。本项目目标为开发出一套智能复合冷却UV固化系统，解决传统UV固化系统存在的以下问题：1）现有的UV固化设备由于UVLED的性能严重受到温度的影响，性能不佳的散热设计不能及时带走LED光源的热量，会导致LED光源性能降低甚至损坏。2）现有的UV固化设备在以风扇为冷却装置散热时，冷风由于没有导流，会以不规则的方式在UV固化设备内的各个部分流动以带走热量，但通常最热或最需要散热的地方未必能得到足够的风量散热，这大大妨碍了UV固化设备的散热效率。3）现有的UV固化设备旨在于解决光源后端的散热问题，而忽略了光源前段的反光辐射产生的热量的散热问题。 *** 研究范围 项目研究范围确定依据为达成项目目标，研究范围涵盖光源系统、通风系统、控制系统、传送系统和箱体等五个部分的设计，项目重点研究复合冷却技术、控制电路以及通信总线研究等内容。 *** 主要内容 本项目主要研究内容包括：（1）根据紫外固化的技术特征，结合所在企业的生产特点，提出一种适用于光波导阵列产品生产封装工序的 UVLED 紫外固化系统，确定相应的设计方案及方案验证。（2）固化系统总体设计：本项目旨在于解决光源后端的散热问题和光源前段的反光辐射产生的热量的散热问题，大大提高了冷却、散热的效率。项目开发了一种智能化复合冷却UV紫外线装置，包括壳体、引风扇、排风扇、蓄水箱、冷却装置和LED光源板，其中，引风扇和排风扇分别安装于壳体上，蓄水箱固定在壳体的外侧，冷却装置和LED光源板位于壳体内侧且相互固定连接，冷却装置上设有一挡板，挡板与冷却装置固定连接，且引风扇和排风扇位于挡板的相对两侧。项目设计 UVLED 固化光笔，通过对辐照距离、紫外光辐照度及光强分布的实际要求，用光学设计仿真软件 ZEMAX 确定会聚光学系统中透镜的类型及具体参数，并优化进行，得到符合要求的会聚光学系统，最后对 UVLED 固化光源进行拓展。（3）散热设计：1）聚焦反光抛光散热：紫外的反光能产生巨大的热量，如不处理加叠加在UV芯片上使结温升高而使其辐射能量降低，因此本项目进行了创新设计：a.设计一定弧度后把返回光将聚焦后增强一定面积的辐射强度；b.同时把反光处理后产生的热量以热管技术连接至机壳从而散热出去，节约能源。2）复合冷却：把水冷与热光风冷相结合起来，使散热能力达到最佳，设计理念：a.水冷水道中采用螺旋式水道以打断水流中产生的影响热交换的水膜，提升热交换能力35%；b.风冷散热，采用热管连接发光芯片底部通过热管传热至机箱，而此设备多用于往复式运动，机壳能起到散热作用，突显充分利用节能优势，同时也以一定风道通过风扇把翅片以及内部空间中的热量带走至此设备之外，从而实现最低温度。3）采用设计有排气作用的缓冲箱设计，能把水冷内部的所有附着在内部管道水道影响热交换的气泡排除系统之外。 （4）控制电路以及通信总线接口设计：根据产品总体设计要求重点进行湿度预警反馈并处理控制系统、感温调节控制系统、光通量及波长维持率调节控制系统等设计。在分析国内外UVLED 固化系统和仪器接口总线的发展现状，根据固化系统的工作原理和主要功能制定了总体设计方案，该方案不仅为固化系统配置了丰富的控制按键和液晶显示界面，而且引入了测控领域应用广泛的 GPIB 总线接口和新一代模块化仪器平台标准接口 LXI。然后在总体方案的基础上，设计了以 DSP+PPGA 架构为核心的控制电路。最后对 GPIB 接口和 LXI 接口的硬件电路和软件控制程序进行了设计。主要包括以下三方面：1）系统控制电路设计，制定控制电路实现方案，进行芯片选型，在 Altium Designer 下完成硬件电路的绘制，在 VDSP++以及ISE 集成开发环境下进行各模块驱动代码的编写并调试。2）分析并熟悉 GPIB接口总线协议，根据 GPIB 接口需要实现的功能制定出接口设计方案，完成芯片选型，进行硬件电路设计，然后在 MPLAB 开发环境进行 GPIB 总线监控程序、数据传输程序、SCPI 命令解释程序等的编写并对接口板进行调试。3）分析 LXI技术，确定 LXI C 类仪器接口方案，并完成硬件电路设计，并在 Keil 开发环境下进行 LXI 接口通信程序设计并完成 LWIP 协议栈的移植。本项研究的创新点在于从仪器操作的便捷性以及功能的多样性进行了改进，UVLED 固化系统配置了 GPIB 和 LXI 两种总线接口，使固化系统能方便的接入自动测试系统，接受远程控者的控制。（5）对搭建完成的固化系统进行实验测试，通过数据处理和分析，得出该固化系统的性能特征。主要实验测试任务包括 UVLED 恒流源驱动电路的精度和稳定性，会聚光学系统对 UVLED 芯片发出光的会聚能力、光辐照度可调性以及不同辐照高度下的光强分布，最后对测试结果进行分析，找出影响系统性能的原因及其解决方法，并由此提出改进意见。 *** 项目技术原理 现有的UV固化设备由于UVLED的性能严重受到温度的影响，性能不佳的散热设计不能及时带走LED光源的热量，会导致LED光源性能降低甚至损坏。在以风扇为冷却装置散热时，冷风由于没有导流，会以不规则的方式在UV固化设备内的各个部分流动以带走热量，但通常最热或最需要散热的地方未必能得到足够的风量散热，这大大妨碍了UV固化设备的散热效率。现有设备旨在于解决光源后端的散热问题，而忽略了光源前段的反光辐射产生的热量的散热问题。 针对上述技术问题，本项目开发了一套智能复合冷却UV固化系统（已获得实用新型专利：智能化复合冷却UV紫外线装置，***），旨在于解决光源后端的散热问题和光源前段的反光辐射产生的热量的散热问题，大大提高了冷却、散热的效率。其原理框架图如下图所示： UVLED 固化系统的总体结构如图所示，系统主要由 UVLED 光源、控制电路和通信接口三部分构成。 UVLED 光源部分包括 UVLED 驱动电源和 UVLED，该部分接收来自控制电路的数字控制信号，并通过 AD 转化生成相应的模拟信号，驱动 UVLED 进行紫外光照射。控制电路主要包括数据处理及系统控制单元、图形操作界面单元和存储单元。图形操作界面配备了各种的控制及功能按键、彩色 LCD 和 LED 指示灯。通过图形操作界面，用户可以完成紫外光照射设置、用户数据存储与调用等操作，实现对固化系统的控制。数据处理和系统控制单元是控制电路的核心单元，该单元采用了 DSP+FPGA 结构，完成对系统各模块的综合控制以及图像数据的处理。存储单元包括 SDRAM、并行 FLASH 和串行 FLASH。外挂的 SDRAM 主要为了增强 DSP 的数据处理能力，保证 LCD 屏上显示的彩色图像的稳定性。并行FLASH 用于存储主程序代码、图文数据库、开机画面等信息，而串行 FLASH 则用于用户设置和数据的保存。通信接口包括 GPIB 接口和 LXI 接口两部分。GPIB接口用于方便固化系统接入 GPIB 总线系统，LXI 接口方便固化系统接入 LXI 总线测试系统。2. 项目拟解决的关键技术问题及技术创新性。 *** 项目拟解决的关键问题（1）在现有的LEDUV装置上提高节能效率。（2）实时监控光源芯片的光电热参数，并在有效的范围内作出调整保证整机的稳定性。（3）提高UVLED辐照度以得到足够的光辐射照度保证固化在较短的时间内完成。（4）驱动电路的设计开发，采用降压转换器来设计恒流源驱动电路,在UVLED和开关的路径上串联一个感应电阻，用于感应驱动UVLED的电流变化，并把变化值实时传送给控制电路，由控制电路来调节电流变化，实现恒流。 （5）光学仿真软件ZEMAX进行设计，通过光学系统软件优化得到了合理的UVLED会聚光学系统，成像可以得到一定尺寸和形状的辐射光斑进行紫外固化。 （6）智能集成控制，在每条管道集中部分和与光源芯片有直接接近的部位安装集中传感控制器，通过反馈装置内部的湿度和温度进行数据整理并作出处理指令，以达到设备的可靠性和稳定性。 *** 项目技术创新性1、技术创新：（1）本项目设计的驱动电路为恒流源驱动电路，采用降压转换器来设计恒流源驱动电路,设计中将采用的最基本的降压开关转换器电路，在UVLED和开关的路径上串联一个感应电阻，用于感应驱动UVLED的电流变化，并把变化值实时传送给控制电路，由控制电路来调节电流变化，实现恒流。 （2）采用了两种方法，一种是对UVLED发光芯片前端添加具有会聚效果的光学系统，将UVLED发光芯片发出的发散光辐射能量集中；另一种是增加UVLED数量，采用阵列结构，使光源的辐照度达到固化需要。提高UVLED辐照度以得到足够的光辐射照度保证固化在较短的时间内完成。（3）采用光学仿真软件ZEMAX进行设计，通过光学系统软件优化得到了合理的UVLED会聚光学系统，整个光斑直径比单个薄双凸透镜光斑尺寸小，比单个厚双凸透镜光斑尺寸大。光源成像在靠近平凸透镜的位置，成像之前或之后的每个辐照高度都可以得到一定尺寸和形状的辐射光斑进行紫外固化。 2、结构创新：（1）本项目设计了复合散热冷却装置，合理布局水道和热管的间隙，保证相互不影响散热；水道内部的螺旋结构，每条牙距之间和水道直径按照一定比例设计，使其能打断水膜的同时还能提升热交换系数；内部整体的风道结构设计，以一定弧度来降低风流损耗，设计三角结构把风流量引入鳍片把整体内部的有流动的空气交换，同时在机箱外部设计的鳍片是使整个部件在往复运动之中能够通过交换充分利用能源来提高散热效果；（2）智能集成控制，在每条管道集中部分和与光源芯片有直接接近的部位安装集中传感控制器，通过反馈装置内部的湿度和温度进行数据整理并作出处理指令，以达到设备的可靠性和稳定性。采用设计有排气作用的缓冲箱设计，能把水冷内部的所有附着在内部管道水道影响热交换的气泡排除系统之外。 3、应用创新：（1）固化系统配置了丰富的控制按键和液晶显示界面，引入了测控领域应用广泛的 GPIB 总线接口和新一代模块化仪器平台标准接口 LXI。并设计了以 DSP+PPGA 架构为核心的控制电路，同时对 GPIB 接口和 LXI 接口的硬件电路和软件控制程序进行了设计。（2）采用图形操作界面，配备了各种的控制及功能按键、彩色 LCD 和 LED 指示灯，用户可以完成紫外光照射设置、用户数据存储与调用等操作，实现对固化系统的控制。 *** 项目主要技术指标（1）与传统的光源节能达到50%；（2）智能控制和自我处理功能使工作效率和监测指令得到很好的提高；（3）充分利用能源，在现有同类设备的基础上节约2030%能源；（4）根据被固化产品的形状及材料特点选择或调整光源辐照度、光斑形状及大小达到彻底固化的目的；（5）固化产品不变形，不脱胶；（6）固化设备操作维护方便。3. 产品实现技术路线，以及需要新购置的研究、开发设备。 ***项目技术路线 1、UVLED驱动电路的设计 由于在紫外固化时，光强分布最好是恒定的，所以在任何情况下（例如输入电压、温度、正向电压等出现变化）都可输出恒定的电流，另外为提高UVLED的使用寿命，以上两点均要求电流出现纹波要使其控制在可以接受的波动水平。由于UVLED的工作电压会随着UVLED温度的上升而降低，如果外部的驱动电路是恒压源，则通过UVLED的工作电流会随着温度的上升而增大，很有可能损坏UVLED，所以即便驱动UVLED的电路属于电源转换电路，但输出的是恒定电流而非恒定电压。本项目设计的驱动电路为恒流源驱动电路而非恒压源驱动电路。 （1）选择电路拓扑结构 本项目采用降压转换器来设计恒流源驱动电路,设计中将采用的最基本的降压开关转换器电路如图31所示。由于需要设计的驱动电路是恒流源驱动，本项目设计时需在UVLED和开关的路径上串联一个感应电阻，用于感应驱动UVLED的电流变化，并把变化值实时传送给控制电路，由控制电路来调节电流变化，实现恒流，这个电阻的阻值应尽可能小，如果该电阻阻值过大会降低整个UVLED驱动电路工作效率。 图31中，当电感L进行充电并向单个LED（或阵列）提供能量时，输出电容C在此期间提供电流。 （2）选择电流控制器 由于紫外固化时，光强要求是恒定的，这就要求驱动UVLED的电流恒定不变，所以选择合适的恒流控制调节器来实现电流恒定很重要。本项目选择的控制器是集成芯片，该芯片框图结构如图32 所示，该芯片利用电压滞回比较器和外部电流感应电阻来控制调节使输出电流值恒定，并且由于电压滞回比较器可以在高频的情况下保持精度，这使得芯片可以在高开关频率下运行，其工作频率范围的设置主要是选择合适的电感器，同时允许使用小型电感器和电容器，可以最大限度的减少整个控制系统的空间和成本。由于在实际生产中紫外胶粘剂的性能不同，需要的光辐照度也不同，所以要求UVLED的光辐照度可调，通过调节UVLED工作电流来实现光辐照度可调的，采用模拟信号调光，此方法调光频率的实现是通过外加一个电容器来实现的。 （3）选择时间控制器 由于实际生产中进行紫外固化需要设定UVLED的点亮和熄灭时间，所以该驱动电路需要时间控制器。研究芯片的各控制端口功能，发现端口DIM输入的电压大小可以控制GATE端口输出的高低电平来控制图31中的MOSFET的开和关。本项目采用的方法是外加一个定时继电器，实现该恒流源驱动电路UVLED点亮和熄灭时间可控的功能，来满足实际需要。 在主要的三部分包括供电电源、定时继电器控制电路以及UVLED降压开关转换驱动电路完成后，再根据控制芯片的滤波要求加上滤波电容以及在DIM端接击穿二极管，完成整个恒流源驱动电路的设计，最后的完整驱动电路如图33所示。 2、光学系统设计 紫外固化光源需要在瞬间提供均匀的高强度紫外光, 在相同紫外光剂量的固化条件下, 高辐照度的紫外固化光源可增加固化速度和深度。同时对不同的应用现场, 需要光源系统具备辐照面光功率密度灵活可调的能力。对本项目研究的UVLED型固化光源而言，提高UVLED辐照度以得到足够的光辐射照度保证固化在较短的时间内完成，采用了两种方法，一种是对UVLED发光芯片前端添加具有会聚效果的光学系统，将UVLED发光芯片发出的发散光辐射能量集中；另一种是增加UVLED数量，采用阵列结构，使光源的辐照度达到固化需要。 在使用UVLED时，采用会聚光学系统可以使得UVLED在固化平面成一定尺寸、会聚且具有一定光强度分布的光斑。会聚光学系统示意图如34所示。 图34中的光学系统是由光具组组成。由于UVLED发光芯片发出的是散射光且发散角度较大，而设计要求是使最终会聚成的光斑较小，一个单透镜很难达到要求。 由图35，图36可知， UVLED芯片发出的光通过单个薄透镜时会聚成的整个光斑尺寸太大，通过单个厚双凸透镜时会聚成的整个光斑直径太小。 本项目采用一个厚双凸透镜和一个厚平凸透镜组成，由于单个厚双凸透镜会聚成的光斑直径太小，外加一个厚平凸透镜，可以延迟一下光斑的会聚，得到的光斑直径将会比薄双凸透镜小，比单个厚双凸透镜的大。 另外，对于透镜材料的选择，由于绝大多数光学玻璃对紫外波段具有较强的吸收，所以组成光学系统的透镜组合采用紫外通用的高透过率石英玻璃。同时为了减少菲涅尔反射损耗，光学系统透镜端面镀一层光学增透膜，保证光学系统的整体透过率在90%以上。 3、UVLED会聚光学系统设计和仿真 本项目采用光学仿真软件ZEMAX进行设计，采用的UVLED发光芯片，发散角为30°，光学系统的初始参数，光斑尺寸设为x，发光芯片直径，由此可知放大率为β=x/r，数值孔径 ***=n*sin30°，可以得出UVLED芯片距离透镜d≈x/2tan30°，所以成像的位置为z =dβ。通过光学系统软件优化得到了合理的UVLED会聚光学系统，如图37所示。 由光学设计软件仿真结果可知，整个光斑直径比单个薄双凸透镜光斑尺寸小，比单个厚双凸透镜光斑尺寸大。由图37可以看出光源成像在靠近平凸透镜的位置，成像之前或之后的每个辐照高度都可以得到一定尺寸和形状的辐射光斑进行紫外固化。 4、UVLED散热系统设计 （1）大功率UVLED 散热系统工作原理 紫外光在进行固化时，UV 油墨经过照射发生光化学反应，若紫外光功率密度越大，则固化深度和速度也会增加，随之提高印刷工作效率。所以为保证光功率密度，本项目采用的大功率UVLED 芯片采用阵列式排布，大功率LED 在工作中，约有80%的电转化成了热能，光功率密度=总功率×热能转换率/出光口面积，经计算，光功率密度可以满足UV油墨的固化要求。如此高密度的排布，会导致单位面积散发的热量很大而且集中，若不采取有效地散热措施，LED的节温将迅速升高，严重影响工作性能。 由于自然对流散热结构简单、成本低、可靠性高，比较适合于像LED 筒灯这种功率不太高的灯具，但单纯的自然对流传热效率低、扩散热阻大，LED 阵列产生的热量极易在局部聚集形成热点，且可用于此功率基板的热沉其体积较大，较为笨重，用于移动喷头上会对印刷机的移动装置产生负担。而半导体制冷片结构紧凑，热惯性非常小，制冷时间短，可有效消除热点，使散热面温度均匀。虽然单个制冷元件的功率很小，但可以通过串、并联的方法将其组合成制冷系统，因此制冷功率范围区间比较大。本项目采用的大功率UVLED，将传统热沉散热器替换为半导体制冷模块。 半导体制冷系统包括方形铜热沉、半导体制冷模块、绝热材料及翅片，如图38所示。半导体模块在通电后会形成冷端与热端，热沉一面连接热源，另一面连接半导体制冷模块的冷端，铜热沉具有贮冷作用，使冷端温度均匀，冷端吸收热源热量传至热端，热端与阵列式散热翅片相连，热量通过翅片对流和辐射散发至空气中，如此及时将热源上的热量散发。在半导体制冷模块与空气接触的位置填充绝热材料，防止由于冷端温度过低导致空气中的水蒸气冷凝形成水，影响灯具绝缘性能以及油墨的喷印。由此半导体制冷模块及翅片组成的散热系统传热效率高、结构紧凑轻便，有利于大功率UVLED的散热、安装和工作。 （2）UVLED 散热系统计算模型 由于半导体制冷的散热量等于其制冷量和输入功率之和，因此半导体制冷热端散热效果是影响半导体制冷性能的重要因素，所以需要强化翅片散热，本项目采用空气强制对流散热方式。在进行强制散热系统的设计时，应保证风扇风力出口或入口始终朝向散热片间隙。此散热器安置在一方形外壳中，如图39 所示。前面是出光面，灯具工作时此面朝向地面，由于芯片排列在此面，则无多余空间排布风扇，若在上、下面排布风扇，则不满足风扇风力方向始终朝向散热片，风向及流向截面积的急剧变化会削弱冷却效果，气流明显不能顺利通过翅片的间隙，翅片热量不能及时散发，造成热量集中。因此，左、右、后面是排布风扇的理想面。由于空间限制，其中左面及右面可安装一个风扇，后面可安装两个风扇，如图39所示。 一般风速越大、风量越大、接触时间越长，则换热效果最佳，但是风速和接触时间是一个矛盾值，因此需要选择一个合适的换热速度。同时，离风扇出风口越远，风速越小，为充分利用风速，应选择风速合适的风扇，且排布时尽量紧靠散热器，满足高效、节能的目标。按照此散热器的尺寸，为使强制对流效果最佳，本项目采用与其相匹配的轴流风扇对翅片进行强制对流散热，并选择合适的风量及风口直径参数，经计算，其出口风速为合理的风速。通过Solidworks建立模型，对不同结构的强制散热系统的模拟，以芯片的最高节点温度、翅片平均温度、基板表面芯片温度分布的均匀性等参数为基准，确定本项目最终采用的强制散热系统。 a、聚焦反光抛光散热：紫外的反光能产生巨大的热量，如不处理加叠加在UV芯片上使结温升高而使其辐射能量降低，因此此创新点的设计理念： 1.设计一定弧度后把返回光将聚焦后增强一定面积的辐射强度； 2.同时把反光处理后产生的热量以热管技术连接至机壳从而散热出去，节约能源。 b、复合冷却：把水冷与热光风冷相结合起来，使散热能力达到最佳，设计理念： 1.水冷水道中采用螺旋式水道以打断水流中产生的影响热交换的水膜，提升热交换能力35%； 2.风冷散热，采用热管连接发光芯片底部通过热管传热至机箱，而此设备多用于往复式运动，机壳能起到散热作用，突显充分利用节能优势，同时也以一定风道通过风扇把翅片以及内部空间中的热量带走至此设备之外，从而实现最低温度。 c、采用设计有排气作用的缓冲箱设计，能把水冷内部的所有附着在内部管道水道影响热交换的气泡排除系统之外。 5、控制电路以及通信总线接口设计 根据产品总体设计要求重点进行湿度预警反馈并处理控制系统、感温调节控制系统、光通量及波长维持率调节控制系统等设计。 1）感温系统：通过对紫外线发光芯片的温度感应并反馈回感温控制系统，通过信号放大进而对水泵一冷液的温度和流量进行控制，以实现芯片的最好工作状态。 2）辐射波长及强度维持率系统：通过对紫外线发光的前端探头测试其紫外线发光的波长和辐射强度的数据收集并返回系统处理，从而来调节驱动电源的输出电压电流，以减少波长的漂移和维持辐射强度。 3）温度警报及反馈自动处理系统：当达到一定温度后，系统自动提出警报的冷液全部收回存储箱，当超过一定温度时系统会自动通过调节水泵二把水冷系统的冷液全部收回存储箱，同时控制水泵一停止工作；然后由湿度处理中心启动大功率风扇对UV固化设备内部进行排湿以及烘干。 本项目产品热反馈电路设计原理图为： 本项目在分析国内外UVLED 固化系统和仪器接口总线的发展现状，根据固化系统的工作原理和主要功能制定了总体设计方案，该方案不仅为固化系统配置了丰富的控制按键和液晶显示界面，而且引入了测控领域应用广泛的 GPIB 总线接口和新一代模块化仪器平台标准接口 LXI。然后在总体方案的基础上，设计了以 DSP+PPGA 架构为核心的控制电路。最后对 GPIB 接口和 LXI 接口的硬件电路和软件控制程序进行了设计。 1）系统控制电路设计，制定控制电路实现方案，进行芯片选型，在 Altium Designer 下完成硬件电路的绘制，在 VDSP++以及ISE 集成开发环境下进行各模块驱动代码的编写并调试。 2）分析并熟悉 GPIB接口总线协议，根据 GPIB 接口需要实现的功能制定出接口设计方案，完成芯片选型，进行硬件电路设计，然后在 MPLAB 开发环境进行 GPIB 总线监控程序、数据传输程序、SCPI 命令解释程序等的编写并对接口板进行调试。 3）分析 LXI技术，确定 LXI C 类仪器接口方案，并完成硬件电路设计，并在 Keil 开发环境下进行 LXI 接口通信程序设计并完成 LWIP 协议栈的移植。 本项研究的创新点在于从仪器操作的便捷性以及功能的多样性进行了改进，UVLED 固化系统配置了 GPIB 和 LXI 两种总线接口，使固化系统能方便的接入自动测试系统，接受远程控者的控制。