气动打标机的原理及打标系统的设计的研究.docx

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气动打标机的原理及打标系统的设计的研究

气动打标机的原理及打标系统的设计的研究

摘要

为适应全自动生产线上对产品打标记的要求，设计了一种可由计算机控制的自动打标机。

其中气动打标机是广泛应用于汽车、摩托车、机械、航空等领域中的重要辅助工具，能够对产品的生产、使用等过程进行有效的管理和识别。

目前，国外自动打标技术较为成熟，但价格昂贵，国内气动打标系统抗干扰性不强，精度容易丢失，操作不便。

因此，研制一种经济适用、运行可靠、操作方便的气动打标机控制系统，该机具有选字灵活、体积小、安装方便、性能价格比高等优点。

既具有一定的理论意义，又具有较大的实用价值。

本文主要介绍了一套基于USB接口的气动打标机控制系统。

这些自动打标机在实际生产中都取得较好的良好的打标效果，拥有广阔的发展前景。

关键词：

自动打标系统;自动打标机的原理;气动打标机;基于USB接口气动打标

Abstract

Basedontherequirementsofautomatedproductlinesformarkingonworkpieces，anautomaticmarkingsystemwithcomputercontrolhasbeendesigned.Numaticmarkerisanimportantassistanttoolwidelyusedinthefieldsofauto，motor，achineandaeroindustry，anditcanmakeproductsbeeffectivelymanagedandidentifiedinmanufacturingandutilization.Atpresent，foreignpneumaticmarkertechnologyismorematurebutveryexpensive，whilethedomesticpneumaticmarkersystemisnotstrong，easytoloseaccuracyandoperationinconvenience。

Therefore，developingapneumaticmarkercontrolsystemthatisaffordable，reliableandeasytooperatehassometheoreticalsignificanceandmoreracticalvalue.hemarkingdevicefeaturesagilecharacterselection，compactvolume，easyinstallationandexcellentcostperformanceratio.ThisstudyalsoshownthedevelopingofapneumaticmarkerwithUSBnterfacebasedonWindowsplatform.Theseautomaticmarkershaveobtainedgoodmarkingeffectinproductivity,whichhaveabroaderperspective.

Keywords:

automaticmarkingsystemthetenetsofautomaticmarkerpneumaticmarkerapneumaticmarkerwithUSBnterface

1绪论

1.1引言：

打标又称为标记，是通过一定的技术手段在相关材料上标记出图案或文字.打标技术可以追溯到远古时期，传统的手工纂刻及早期的字模冲印，都是一些典型的标记手段.近年来，随着自动控制技术及计算机技术的飞速发展，涌现出来了多种新型的打标技术。

这些新兴的打标技术以其速度快，图案精美、清晰，使用便捷等特点在市场上得到了广泛的应用.随着国际上产品质量认证体系的推广和普及，各类制造企业通过对打标技术的应用，提高了产品档次，树立了产品品牌形象，增强了产品的防伪作用，同时还为企业提供了产品的可追溯性，因此产品的包装也面临更大的挑战.目前，在以制造业为主的中国，随着经济的高速增长，打标产业市场已成为一项朝阳产业。

1.2.气动打标机概述

1.2.1气动打标技术

气动打标是电磁阀控制压缩空气（0.2-0.7Mpa）驱动高硬度（>HRC92）标记针以较高频率（300次/秒左右）上下震动，同时，由计算机操作系统控制、驱动器控制步进电机带动标记针做二维运动，从而实现在工件上的标记.其标记的内容是由无数个标记针在工件上冲击的小点构成.这一点，与针式打印机的打印过程有部分类似。

气动打标具有成本低（目前单机价格1万元左右）、操作维护简单、应用领域广泛，标记深度深、便于计算机系统或网络控制的特点.是目前应用较为广泛的一种标记技术。

1.2.2气动打标系统的普遍工作原理

自动打标机的核心是自动打标系统，其主要由计算机控制系统、步进电机电源、定位步进电机、选字步进电机、气缸、字模及工件组成，其结构组成如图1所示[1]。

各运动控制部分都装有光电传感器，预置了初始位置。

一通电，系统重新校正各部分的定位，计算机控制系统发出初始化信号，控制定位步进电机、选字步进电机和气缸到起始位置.为下一步工作作准备。

开始工作时，计算机控制系统接受信息并发出指令（脉冲数及电机运转方向），接通步进电机电源，控制定位步进电机实现打标头的横向定位，从而将打标头移动到打字位置.控制选字步进电机把所要求的字模转到规定位置，完成后，计算机控制系统控制气缸动作，气缸冲击字模，把字符打到工件上，从而完成一个标记的打印，气缸退回。

循环进行，直到一个工件的标记全部打完后，选字步进电机和定位步进电机回到初始位置.重新定位，以消除系统间断运转所引起的累计误差。

气动打标机工作时，气动打标机可固定在需要打标标记产品的流水线或专用夹具上，然后连通压缩空气源.通过专用打标软件预先编辑打标内容，并与控制机箱相连.气动打标机连通来自计算机控制信号，当计算机接到来自Y原点控制开关和X原点控制开关的信号后，即输出信号控制安装在步距细分拖动机构上的Y行程步进电机、X行程步进电机.首先将所有工位复位到原始位置，然后上料系统将工件送入打标工位，同时夹紧气缸将工件夹紧，X，Y轴向需要打印的第一点位置运动，运动到位后，Z轴向下运动并且打标头向下冲击，打上一个点，打完一个点后，打标头缩回，此时X，Y轴再向需要打印的第二点位置运动，到位后打标头打上第二个点，如此重复循环工作，带动标记头在驱动气源的配合工作下，采用高速冲击方式，形成字符，或图形点阵，直到打标完毕，从而完成在金属、塑料、玻璃、陶瓷等硬质材料上所需要的各种文字、号码、图形的标记打标.

1.2.3气动打标机的系统组成及分析

气动打标系统主要由：

标记软件、标记头行走机构、控制机构、气动机构构成[2]。

一是标记软件。

目前气动打标系统与计算机的连接通常采用并口和USB接口两种连接方式。

用户可通过标记软件制作出所需输出的文字或图案，一个完善的气动标记软件通常包含以下功能：

（1）自动记忆功能：

系统自动记忆设定的标记状态、打标格式、打标数据等各种信息，在下次开机时自动恢复上次关机时的状态，不需要初始化可立即工作。

（2）工件存储功能：

系统可以将建立好的不同格式工件以不同的文件名保存起来，方便的进行各种格式的标记。

（3）模拟显示功能：

工件的打标内容与打标位置在系统的主操作窗口中以1：

1的比例显示出来，所见即所打，对于三轴的标记系统，系统可以三维的方式来显示所打标的内容。

此外，还包括流水号自动递增、多种标记速度选择、自动日期等功能。

二是标记头行走机构。

标记头的行走包含垂直Z方向行走和水平X-Y方向行走。

其中垂直Z方向行走调节的主要目的是根据工件尺寸大小来保持标记头与工件之间有合适的打标距离。

距离过近或者过远都会对打印效果造成很大的影响。

目前采用的多是通过旋转丝杆来带动固定在丝杆上的标记机构在垂直方向移动，旋转丝杆有手动和电动两种方式。

目前采用较多的是手动方式。

而电动调节方式以操作简单，定位精度高等特点，已开始被部分企业所采用。

三是控制机构。

控制机构由开关电源、控制板、驱动器、步进电机等部分组成，这一部分统称为控制箱。

气动打标机机头通过多芯电缆及航插接头与控制箱相连。

控制箱通过接口电路与计算机相连。

控制箱接收计算机指令控制步进电机动作。

当计算机接到来自Y原点控制开关和X原点控制开关的信号后，即输出信号控制安装在步距细分拖动机构上的Y行程步进电机、X行程步进电机，在驱动气源和气动打标头等部件的配合工作下，采用高速冲击方式,形成字符,或图形点阵。

其中，驱动器的细分数，电压及控制板的相关参数均可根据打印要求做相关调节。

四是气动机构。

气动机构包含空气过滤器、电磁阀、标记针腔、标记针头等几部分组成。

其中，空气过滤器对压缩空气进行净化，实现油水分离。

控制箱控制电磁阀实现对压缩空气的控制，高质量的电磁阀可以确保标记字迹连续不缺笔。

标记针腔有多种方式，它决定了标记针的运动方式。

其中活塞式气动标记针腔，根除了传统气动标记头耗气量大、出针行程短、冲击频率低的设计缺陷，0.1Mpa的工作气压即可在玻璃上标记，使气动打标机的使用拓展到一个更广泛的应用领域。

标记针采用高硬度合金材料磨制而成，其硬度一般大于HRC92。

一个高品质的标记针对提高打印应用范围、提高打印质量起着重要的作用，早期的气动打标机多采用进口标记针头，近几年。

国产化的标记针头的质量也的得到了显著的提高。

但仍存在成本较高等问题。

目前国际上正在开展通过离子表面注入技术实现对普通材料的变性研究如能实现，则可大幅度提高标记针的性能及成本，届时，气动打标记的应用将跨上一个新的台阶。

1.2.4气动打标机的发展方问

气动打标机是计算机技术、自动控制技术、机械设计技术、气动技术等多项报术综合交义的技术密集型产品.由于近年来这些相关的技术都得到了很大的发展，因此气动打标机技术也日趋完善.当前，国内外气动打标技术的发展主要有以下三个方向[3]

①数字化、自动化

20世纪so年代以来，气动打标机的数字化、自动化成为这一领域的研究热点，近年来，随着传感技术、电子技术、自动控制技术、计算机技术的发展，现代的打标机己经进入了计算机控制为主的时代.

数字化自动化的具体表现有：

打标过程实时监控和打标工件运行过程的监控（如对钢管在生产线上的监控）；自动扫描、自动定位和跟踪检测技术在打标机系统中的应用；能够实时地、自动地修改和处理仟意复杂的图形和字符.

②多功能、集成化

在现代生产环境下，打标机不仅要能够进行单一形式的打标，还要实现功能多样化.比如：

打标机既要能够打印标准字库中的字符，还要能够打印用户自行设计的字符图样，并且还能够在一定程度上对点阵字符的打印轨迹进行优化.传统的点阵打印是按照逐行或逐列扫描的顺序进行的，这样做电机的无效行程就较多，效率很低.如果能够将点阵字符轨迹进行优化，那么将获得较高的打印效率.这是打标机发展的一个重要方向.

③结构简单化、操作界面人性化

随着打标机集成化的提高，很多功能将集中在少数儿个模块中实现，气动打标机的结构也就相对变得越来越简单.简单化不仅仅体现在硬件的结构方面，同时也体现在软件方面，窗口式的操作程序、触摸屏等技术使打标机的各种操作更清楚、更容易掌握，这也是当前气动打标机技术发展的一个方向.而且，针对当前中国庞大的市场，各大打标机生产企业也紧紧抓住操作界面中文化这一课题，致力于开发符合国人操作习惯的操作界面.

2基于USB接口的气动打标机

传统的工业标记打印效率低、不美观、稳定性差、废品率高。

气动、电动相结合的方式结构简单、成本低、速度快、可控性好.随着USB外设的普及，目前围绕在计算机周围的各式各样的连接线将有所改观，取而代之的是各种USB接口外设。

同时，通过集线器或交换机扩展总线功能使普通用户能够非常方便地添加更多外设，无传统接口的计算机目前己成为现实[4]。

针对不同的打印对象可以选择不同类型的气动打标机，且各种打标机的控制原理和方法各不相同，为此本文提出了一种基于USB接口的气动打标机控制系统方案其体系结构，整套控制系统包括硬件控制系统和控制软件。

下面首先对控制器进行总体设计，得出控制器的系统结构，并分别对控制器中的关键部分—单片机和FPGA，进行设计。

对本系统中FPGA所用插补运算和升降频控制两种控制方法进行介绍。

最后对通信模块、核心控制电路、电磁阀驱动电路、步进电机驱动电路和外部信号管理模块电路进行设计。

2.1方案设计与系统工作原理

2.1.1系统工作原理分析

用户输入要打印标记，系统根据所要标记的图形或文字的轮廓，经过主机中的打标控制软件处理，生成操作与画线指令，由主机的USB接口传输至由单片机和FPGA组成的控制器，并经过FPGA处理，形成步进电机的控制脉冲信号。

发送控制信号到步进电机驱动器和高压气源电磁阀，受指令控制的步进电机驱动器驱动步进电机带动打印头在平面上按所标记的轮廓运动，驱动电磁阀标记轮廓的过程中作高频开关动作，从而实现了打印头在压缩空气作用下的高频冲击运动，在工件上打印出标记。

另外，步进电机反过来将其位置及状态信息传给FPGA，由FPGA形成状态指令，并通过单片机反馈回打印控制系统，由打标控制系统进行综合，进而形成新的标记指令。

2.1.2系统方案的确定

通过对系统各个部分的分析，最后，我们确定了一个整体的设计方案，即：

该系统由打标机控制器、打标机控制软件构成。

打标机控制器，采用单片机与FPGA组合的控制方式，主要负责将上位机的指令转化为步进电机的控制脉冲以驱动电机和电磁阀，并将步进电机的状态信息反馈给上位机，选择CP2102接口芯片实现打标机的即插即用功能。

打标机控制软件，主要实现打印机的系统设置，各种标记处理，打印显示，数据保存、通信，误差补偿、校正，外部数据接口等功能，在VC++6。

0环境下开发。

下图是系统设计的总体框图。

图2.1.2总框图

Fig2.1.2temstructure

2.1.3打标机控制器设计

打标机的控制器的性能的优劣直接影响打印质量，口前控制器核心主要由单片机实现，通过单片机收发打印指令、指令运算、生成步进脉冲，单片机的工作是相当繁重的，这样如果需要使打印速度与精度达到较高的水平，则需要一个性能较高的单片机芯片，并且单片机的程序的复杂度也同样需要提高，这将使系统的开发成本大大增加。

近几年，FPGA得到了快速的发展，许多领域的电子设计都采用单片机与FPGA配合来实现.单片机的程序代码是顺序执行的，或者说是串行执行，而FPGA的代码是并行执行的，用FPGA执行指令运算和生成脉冲，将使单片机的处理仟务变得简单，选择低端产品就可以满足仟务要求，这样既提高了系统的运行速度，又降低了系统的设计成本，所以控制器选用单片机与FPGA的组合设计[5]。

2.1.4USB接口的气动打标机的系统功能

根据总体方案设计，对待开发的气动打标机归纳出如下功能：

①参数管理功能

实现系统参数的设置、保存、调用等。

管理的参数有图形显示参数、刻印参数、打印方式等参数。

②加工控制功能

具有自动加工、手动连续或暂停/继续加工、手动设置刻印针头的参考点、急停等功能。

系统根据加工控制指令和所设置的参数，进行插补计算，发送控制信号到步进电机驱动器和高压气源电磁阀，控制打印标记。

③USB通信功能

通过USB接口，实现上位机和单片机和FPGA的数据通讯。

一方面将插补量和控制信息传递给单片机和FPGA；另一方面打标机状态信息和加工信息传至上位机。

④打印演示功能

图形化可视界面，显示和打印具有相同效果，在打印的同时演示打印路线。

⑤图形管理功能

按照用户要求，对所打印的气动打标机运动轨迹图形进行编辑操作，如字体变换等。

此外可进行放大、缩小、旋转、移动和还原等图形变换操作。

3打标机控制器及硬件设计

3.1控制器总体设计

控制器是标记打印机系统的硬件核心部分。

它的主要功能是处理主机通过USB接口发送来的数据，传向步进电机，控制打印针在X、Y平面内运动，同时，控制器控制电磁阀，使打印针头作高频微冲击运动；将步进电机的位置和状态信息形成指令，再通过USB接口实时反馈到上位机。

上位机的数据通过USB接口发送到控制器后，经过CP2102，将其转换为RS232信息流格式发送给单片机，如果该数据是画线指令或操作指令，发送该指令给FPGA；如果该数据是复位、停止的中断信号，则直接处理中断，并将处理的结果反馈给上位机。

按钮指令包括复位和急停，由单片机直接处理。

总结得出，CP2102完成USB/RS232数据转换工作；单片机主要完成与PC机通信、中断处理和FPGA控制的工作；FPGA主要完成指令处理及步进脉冲、步进方向和电磁阀控制等工作，其系统结构如图3.1。

图3.1控制器系统结构图

Fig3.1Pturefigureofcontrollersystem

3.2接口芯片

通用串行总线USB，它具有即插即用、传输速度快、通用性强、易扩展等优点。

USB接口代替传统串行口已经成为整个行业的发展趋势。

一般USB开发需要了解USB协议、固件编程、驱动程序开发等，这对很多开发者来说是既烦琐又不是必须掌握的。

采用CP2102桥接器，可以无需改变现存系统固件，也无需编写驱动程序，只要具备一定的计算机应用程序的知识，就可以轻松开发出USB接口的产品。

CP2102内部主要由USB收发器、电源管理器、48MHZ晶体振荡器等构成。

USB收发器可以提供USB2。

0规范下的全速物理接口。

内含两个双数据缓冲区，一个是576字节接收缓冲区，另一个是640字节发送缓冲区，它们均用于USB数据与RS232数据的交换缓冲区。

USB功能控制器包括串行接口引擎、USB协议引擎和收发缓冲控制器等的功能。

提供六个控制脚（RTS发送请求、CTS线路畅通、DTR数据终端准备好、DSR数据准备好、DCD数据载波检测、RI响铃指示器[6]

与同类产品相比，CP2102具有以下优点[7]：

①具有较小的封装。

CP2102为28脚SmmxSmmMLP封装。

这在PCB上的尺寸就比竞争对手小30%左右。

②高集成度。

片内集成512字节EEPROM（用于存储厂家ID等数据），片内集成收发器、无需外部电阻；片内集成时钟，无需外部晶体。

③低成本，可实现USB转串口的解决方案。

CP2102的USB功能无需外部元件，而大多数竞争者的USB器件则需要额外的终端晶体管、上拉电阻、晶振和EEPROM。

具有竞争力的器件价格，简化的外围电路，无成本驱动支持使得CP2102在成本上的优势远超过竞争者的解决方案。

④具有低功耗、高速度的特性，符合USB2。

0规范，适合于所有的DART接口（波特率为300bps～921。

6kbps）。

工业级温度范围为-40℃～85℃。

使用Cygnal免费提供的器件驱动程序，可以很容易地将CP2102实现一个有效的串口。

电路板接到上位机的USB端口时，系统会提示发现新硬件，并要求安装驱动程序。

双击从Silicon公司的官方网站上下载的CP2102的驱动程序CP210x_VCP_Win2K_XP文件，按照提示完成安装。

安装完成以后，在系统设备管理器的“端口”里看见了“CP210xUSBtoDARTBridgeController（COM3）"，即CP2102虚拟的那个COM口，即可以对这个串口进行操作。

采用CP2102的最大优势在于开发者不必设计固件及驱动程序，总线枚举、数据收发与转换等全部由芯片自动完成。

3.3单片机设计

由于本系统的主要指令处理及步进脉冲形成由FPGA实现，所以单片机的处理能力要求不高，故我们选择美国ATMEL公司生产的AT89LV51单片机[7]。

AT89LV51单片机是一种低电压、高性能的CMOS8位单片机，兼容标准MCS-51指令系统，提供许多高性价比的应用场合。

每片AT89LV51提供一个全双工串行通信口，能够满足系统的串行通信要求。

AT89LV51单片机内部有4K字节的Flash闪速存储器，它在出厂时已处于擦除状态，用户随时可对其进行编程，编程接口可接收高电压（（+12V）或低电压（Vcc）的允许编程信号。

低电压编程模式给用户提供在线编程的条件，方便用户编程和调试；高电压编程模式可以与通用的EPROM编程器兼容。

本系统中，单片机所实现的功能较简单。

程序首先进行单片机的初始化工作，接着程序进入到查询接口的循环中，当有数据到达时，程序对数据进行判断，如果该数据是画线指令或操作指令，发送该指令给FPGA；如果该数据是复位、停止的中断信号，则直接处理中断，并将处理的结果反馈给上位机。

本系统单片机的程序设计流程图3.3

图3.3单片机程序流程图

Fig3.3AfdgSCMprogram

该单片机ISP功能可方便厂家对产品的升级，通过ISP的下载线即可完成软件升级，而无需拆开设备。

其次W78E516B的指令集同标准8052指令集完全兼容，它包含64k字节的主ROM<4k字节的辅助ROM},512字节片内RAM.足够用户用。

3.4FPGA控制器设计

FPGA的数据处理部分是控制器的关键环节，数据传输和整个控制器单元都集成在FPGA内部，它决定了系统的最终输出。

FPGA是英文Field-ProgrammableGateArray的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL，GAL，CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。

它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（LogicCellArray）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（ConfigurableLogicBlock）、输出输入模块IOB（InputOutputB10Ck）和内部连线（Interconnect）三个部分。

FPGA的基本特点主要有：

①随着超大规模集成电路VLSI工艺的不断提高，单一芯片内部可以容纳上百万个晶体管，FPGA芯片的规模也越来越大，其单片逻辑门数已达到上百万门，它所能实现的功能也越来越强。

②FPGA芯片在出厂前全部都做过测试，不需要设计人员承担投片风险和费用，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境来完成芯片的最终功能设计。

所以，FPGA的资金投入小，节省了许多潜在的花费。

③用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同软件实现不同的功能。

电路设计人员在很短的时间内就可以完成电路的输入、编译、优化、仿真，直至最后芯片的制作。

当电路有较多改动时，更能显示出FPGA的优势。

④电路设计人员使用FPGA进行电路设计时，不需要具备专门的集成电路IC深层次的知识，FPGA软件易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设计，快速将产品推向市场。

可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。

本系统的FPGA设计采用了ALTERA公司的Cyclone系列产品EP1C3和QuartusII集成开发环境。

Cyclone系列是ALTERA中等规模FPGA，EP1C3有2910个逻辑单元，支持接近5万门的设计，内嵌RAM共59904bits（约7。

5Kbyte），可配置为用户程序RAM，也可以配置为双口RAM或FIFＯ全满足系统的设计要求[9]。

FPGA功能总体设计框图如图3.4

图3.4FPGA功能图框

Afunctionblockdiagram