引言

隨著計算機技術、自動控制技術的發展，在成批、大量的現代化生產過程中，標記設備采用自動控制方式已成為主流。工業零部件的標記方式主要有字模沖壓，電化學腐蝕，激光打標與氣動打標。字模沖壓速度快，工作過程簡單，但是它靈活性差，刻印深度不夠。電化學腐蝕精度高，不破壞工作的平整度，但是它對工件表面的平整度要求比較高，刻印深度較淺，并且需要使用模板，打標液等耗材。激光振鏡打標精度高，速度快，美觀，但價格昂貴，刻印深度淺，維護不方便，在某些場合不滿足生產的實際要求。氣動打標機成本低，加工速度快，精度較高，維護方便，抗干擾能力強以及打標的內容與深度均可以調節等優點得到了廣泛使用，特別是在對標記速度有嚴格要求的流水線作業場合。

氣動打標機控制系統硬件構成

打標機系統一般是兩軸運動控制系統，它根據用戶輸入的打標內容，控制步進電機帶動打印頭在x-y平面內按一定軌跡運動，同時控制打印針在壓縮空氣作用下作300hz左右的高頻沖擊工件表面，從而在工件表面上形成由密集點構成的字符或圖案，完成任務的加工。

本文中所開發的氣動打標機系統，硬件平臺采用arm9" title="arm9">arm9+fpga架構，將打標機的控制部分與驅動部分集成在一起，這樣體積小，抗干擾性強，同時外接3.5寸觸摸液晶屏與矩陣鍵盤，使用戶能夠與打標機控制系統友好交互。

硬件采用arm+fpga的構架，同時在控制板卡上面集成驅動。硬件設計方面主要實現兩個模塊：運動控制模塊和人機交互模塊。運動控制模塊主要實現運動控制的功能，fpga通過總線從arm端得到運動微指令，轉化成相應的頻率和個數的脈沖發出，或者控制數字io。人機交互模塊以arm為中心擴展了串口、usb接口、lcd接口、觸摸屏等接口。該系統的結構圖如圖1所示。

控制系統軟件設計

應用軟件是實現人機交互的重要組成部分，通過打標應用軟件，用戶輸入加工內容，系統對加工內容進行解析，將字形或者圖形信息轉換為點陣信息，從而控制電機依照設定的軌跡進行加工。

打標機控制系統由刻印控制模塊，文件管理模塊，機械參數設置模塊，硬件測試模塊以及時間管理模塊組成，如圖2所示。

文件管理模塊通過usb使系統與外部進行文件交互，如加工日志，字庫，用戶logo文件等，它使系統使用起來更加靈活，方便。機械參數設置模塊用于對外圍機械的硬件參數進行設置管理，如加工幅面，脈沖當量等。硬件測試模塊用來測試外圍設備與系統連接是否正常，如限位開關，氣泵電磁閥，電機等。時間管理模塊完成對系統時間的管理，它是加工日志記錄以及時間類型加工任務有意義的前提。刻印控制模塊是整個應用軟件的核心部分，下面作重點介紹。

刻印控制模塊

刻印控制模塊實現的功能為：用戶輸入刻印的內容，設定完各個任務參數后，模塊根據用戶選定的字庫文件以及參數，將刻印任務的字符從字庫文件中提取出字形信息，經過變換處理后在用戶工作區中將字形軌跡顯示預覽。用戶可以通過鼠標來調整刻印任務在工件上的加工位置。在調整完畢后，用戶就可以啟動加工命令，控制電機按照指定的軌跡進行運動，

同時控制氣泵電磁閥使打標針頭做高頻沖擊。這樣，在工件上就加工出用戶設定的內容刻印控制模塊的結構如圖3所示。

運動控制部分主要由6個模塊組成，刻印任務輸入模塊，字庫解析模塊，圖形文件解析模塊，圖形交互模塊，加工控制模塊，日志記錄模塊。下面就各個模塊進行詳細介紹。

刻印任務輸入模塊

負責刻印任務的創建。創建的任務類型有普通字符串，流水號，vin，圖形文件等，其中vin碼與流水號是具有特殊編碼的字符串，他們都有自己的編碼規則，在每一次任務加工完畢之后，根據參數設定，任務的編號都會自加一個增量。在該模塊中，它還包含了打印任務的參數設置，包括中英文字庫選擇，字高，字寬，扇形半徑等等，在設定完這些參數后，用戶就可以創建一個有效的刻印任務。

解析模塊

接收刻印任務輸入模塊輸入的數據后，如果是字符類任務，則調用字庫解析模塊，對刻印任務的內容進行解析處理；如果是圖形文件，則調用圖形文件解析模塊進行圖形點陣信息提取。

在字庫解析模塊中，支持的字庫為autocad的shx字庫，shx字庫文件由文件頭部信息，字體索引表，字形描述表三部分組成。模塊根據用戶選擇的字庫，建立字庫文件的字符信息索引表，然后根據刻印內容的字符，從索引表中找出該字符的字形描述信息，根據功能碼的意義進行解析，這樣就得到了字符的點陣信息，按照特定的格式存儲起來。最后將字形軌跡進行優化處理后輸出。

系統支持的圖形文件有dxf，ai，plt三種格式。通過圖形解析模塊，將圖形信息轉換為指定格式的點陣信息輸出。

圖形交互模塊

圖形交互模塊負責將解析得到的數據，顯示到視窗中，使用戶在加工前就能夠清楚的知道刻印任務將在工件的什么位置進行加工，即所見即所得。該模塊實現的主要操作有：

①視窗的縮小與放大，使用戶能夠方便的觀察刻印任務的軌跡；

②刻印任務的位置改變，使用鼠標或者鍵盤的方向鍵，都可以調整刻印任務在工件表面的加工位置；

③加工任務的參數于屬性修改，如字高，字寬，中英文字庫修改，圖形文件尺寸的縮放，鏡像變形，禁止刻印等；

④對針跟隨功能，當刻印任務的位置發生變化時，打標機的針頭會“跟隨”任務到新的位置，這樣用戶可以很清楚的知道該刻印任務在工件上的加工位置，該功能提供了9種模式，如任務的左上角，中心等；

⑤多個任務對齊功能，如左對齊，上對齊等；

⑥修改刻印任務的加工順序。

加工控制模塊

在刻印任務建立及修改后，加工數據就準備就緒。用戶設定好加工速度，空走速度，抬落筆延時等參數后，通過加工控制模塊，控制x，y軸的電機以及氣泵電磁閥，就可以在工件上進行加工。模塊中引入了抬落筆延時參數與反向間隙，抬落筆延時參數可以避免在加工過程中的拖尾與缺筆的現象，而反向間隙參數可以補償設備在反向過程中帶來的誤差，以保證加工效果。

日志記錄模塊

在加工完畢以后，對于vin碼，流水號這兩種重要編碼的加工信息進行保存，以便用戶以后查看加工記錄。保存的信息包含加工內容，時間，編碼方式。


圖1 氣動打標系統結構圖


圖2 控制系統軟件結構圖



圖3 刻印控制軟件結構圖

結束語

本研究將嵌入式" title="嵌入式">嵌入式技術應用到氣動打標機的設計當中，并將控制器與驅動器集成到一起，充分的利用了軟硬件資源。這使得系統的結構簡單，體積小，可靠性高，易于攜帶。在此基礎上，完成了應用軟件的設計，提供了良好的人機交互界面，使用方便。

作者簡介

夏光明(1985-) 男 碩士，研究方向為機械制造、自動化、自動控制等。

參考文獻(略)