引言

隨著計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)的發(fā)展，在成批、大量的現(xiàn)代化生產(chǎn)過程中，標記設(shè)備采用自動控制方式已成為主流。工業(yè)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(chǎn)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(nèi)容與深度均可以調(diào)節(jié)等優(yōu)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(yè)場合。

氣動打標機控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

打標機系統(tǒng)一般是兩軸運動控制系統(tǒng)，它根據(jù)用戶輸入的打標內(nèi)容，控制步進電機帶動打印頭在x-y平面內(nèi)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(gòu)成的字符或圖案，完成任務(wù)的加工。

本文中所開發(fā)的氣動打標機系統(tǒng)，硬件平臺采用arm9" title="arm9">arm9+fpga架構(gòu)，將打標機的控制部分與驅(qū)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(tǒng)友好交互。

硬件采用arm+fpga的構(gòu)架，同時在控制板卡上面集成驅(qū)動。硬件設(shè)計方面主要實現(xiàn)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(xiàn)運動控制的功能，fpga通過總線從arm端得到運動微指令，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的頻率和個數(shù)的脈沖發(fā)出，或者控制數(shù)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

應(yīng)用軟件是實現(xiàn)人機交互的重要組成部分，通過打標應(yīng)用軟件，用戶輸入加工內(nèi)容，系統(tǒng)對加工內(nèi)容進行解析，將字形或者圖形信息轉(zhuǎn)換為點陣信息，從而控制電機依照設(shè)定的軌跡進行加工。

打標機控制系統(tǒng)由刻印控制模塊，文件管理模塊，機械參數(shù)設(shè)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(tǒng)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(tǒng)使用起來更加靈活，方便。機械參數(shù)設(shè)置模塊用于對外圍機械的硬件參數(shù)進行設(shè)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(shè)備與系統(tǒng)連接是否正常，如限位開關(guān)，氣泵電磁閥，電機等。時間管理模塊完成對系統(tǒng)時間的管理，它是加工日志記錄以及時間類型加工任務(wù)有意義的前提。刻印控制模塊是整個應(yīng)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(xiàn)的功能為：用戶輸入刻印的內(nèi)容，設(shè)定完各個任務(wù)參數(shù)后，模塊根據(jù)用戶選定的字庫文件以及參數(shù)，將刻印任務(wù)的字符從字庫文件中提取出字形信息，經(jīng)過變換處理后在用戶工作區(qū)中將字形軌跡顯示預(yù)覽。用戶可以通過鼠標來調(diào)整刻印任務(wù)在工件上的加工位置。在調(diào)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(shè)定的內(nèi)容刻印控制模塊的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

運動控制部分主要由6個模塊組成，刻印任務(wù)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(wù)輸入模塊

負責刻印任務(wù)的創(chuàng)建。創(chuàng)建的任務(wù)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(guī)則，在每一次任務(wù)加工完畢之后，根據(jù)參數(shù)設(shè)定，任務(wù)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(wù)的參數(shù)設(shè)置，包括中英文字庫選擇，字高，字寬，扇形半徑等等，在設(shè)定完這些參數(shù)后，用戶就可以創(chuàng)建一個有效的刻印任務(wù)。

解析模塊

接收刻印任務(wù)輸入模塊輸入的數(shù)據(jù)后，如果是字符類任務(wù)，則調(diào)用字庫解析模塊，對刻印任務(wù)的內(nèi)容進行解析處理；如果是圖形文件，則調(diào)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(jù)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(jù)刻印內(nèi)容的字符，從索引表中找出該字符的字形描述信息，根據(jù)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(yōu)化處理后輸出。

系統(tǒng)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)，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(wù)將在工件的什么位置進行加工，即所見即所得。該模塊實現(xiàn)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(wù)的軌跡；

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

③加工任務(wù)的參數(shù)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(wù)的位置發(fā)生變化時，打標機的針頭會“跟隨”任務(wù)到新的位置，這樣用戶可以很清楚的知道該刻印任務(wù)在工件上的加工位置，該功能提供了9種模式，如任務(wù)的左上角，中心等；

⑤多個任務(wù)對齊功能，如左對齊，上對齊等；

⑥修改刻印任務(wù)的加工順序。

加工控制模塊

在刻印任務(wù)建立及修改后，加工數(shù)據(jù)就準備就緒。用戶設(shè)定好加工速度，空走速度，抬落筆延時等參數(shù)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(shù)與反向間隙，抬落筆延時參數(shù)可以避免在加工過程中的拖尾與缺筆的現(xiàn)象，而反向間隙參數(shù)可以補償設(shè)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(nèi)容，時間，編碼方式。


圖1 氣動打標系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖


圖2 控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖



圖3 刻印控制軟件結(jié)構(gòu)圖

結(jié)束語

本研究將嵌入式" title="嵌入式">嵌入式技術(shù)應(yīng)用到氣動打標機的設(shè)計當中，并將控制器與驅(qū)動器集成到一起，充分的利用了軟硬件資源。這使得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可靠性高，易于攜帶。在此基礎(chǔ)上，完成了應(yīng)用軟件的設(shè)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)