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 Based on the requirements of automated product lines for marking on work pieces an automatic marking system with computer control has been designed Numatic marker is an important assistant tool widely used in the fields of auto motor achine and aero industry and it can make products be effectively managed an didentified in manufacturing and utilization At present foreign pneumatic marker technology is more maturebut very expensive while the domestic pneumatic marker system is not strong easy to lose accuracy and operation inconvenience Therefore developing a pneumatic marker control system that is affordable reliable and easy to operate has some theoretical significance and more ractical value he marking device features agile character selection compact volume easy installation and excellent cost performance ratio This study also shown the developing of a pneumatic marker with USB nterface based on Windows platform These automatic markers have obtained good marking effect in productivity which have a broader perspective Key words automatic marking system the tenets of automatic marker pneumatic marker a pneumatic marker with USB nterface 目 录 摘 要 3 ABSTRACT 3 1 绪 论 3 1 1 引言 3 1 2 气动打标机概述 4 1 2 1 气动打技术 4 1 2 2 气动打标系统的普遍工作原理 4 1 2 3 气动打标机的系统组成及分析 5 1 2 4 气动打标机的发展方问 7 2 基于 USB 接口的气动打标机 8 2 1 方案设计与系统工作原理 8 2 1 1 系统工作原理分析 8 2 1 2 系统方案的确定 9 2 1 3 打标机控制器设计 9 2 1 4 USB 接口的气动打标机的系统功能 10 3 打标机控制器及硬件设计 10 3 1 控制器总体设计 10 3 2 接口芯片 11 3 3 单片机设计 12 3 4 FPGA 控制器设计 13 3 5 运动控制方法 15 3 5 1 插补运算 15 3 5 2 升降频控制 18 4 硬件电路设计 18 4 1 通信电路 18 4 2 核心控制电路 19 4 3 电磁阀驱动电路 20 4 4 步进电机驱动电路 20 4 5 外部信号管理电路 21 5 打标机控制软件设计 22 5 1 软件总体设计 22 5 1 1 软件功能需求分析 22 5 1 2 总体设计 22 5 2 VC 开发平台 23 5 2 1 WINDOWS 编程模型 23 5 2 2 VC 应用程序创建过程 24 5 3 打标机控制软件主程序设计 25 5 3 1 显示编辑 25 5 3 2 记录查询 30 5 3 3 数据通信 31 6 打标机控制系统抗干扰设计 33 6 1 硬件抗干扰设计 33 6 1 1 抑制干扰源 33 6 1 2 切断干扰传播路径 34 6 1 3 提高敏感元件的抗干扰性能 34 6 2 软件抗干扰设计 34 6 3 通信抗干扰设计 35 7 研究总结与前景展望 36 7 1 研究总结 36 7 2 前景展望 37 致 谢 38 参考文献 38 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