引言

　　隨著計算機(jī)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(biāo)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(biāo)記方式主要有字模沖壓，電化學(xué)腐蝕，激光打標(biāo)與氣動打標(biāo)。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(xué)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(biāo)液等耗材。激光振鏡打標(biāo)精度高，速度快，美觀，但價格昂貴，刻印深度淺，維護(hù)不方便，在某些場合不滿足生產(chǎn)的實(shí)際要求。氣動打標(biāo)機(jī)成本低，加工速度快，精度較高，維護(hù)方便，抗干擾能力強(qiáng)以及打標(biāo)的內(nèi)容與深度均可以調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛使用，特別是在對標(biāo)記速度有嚴(yán)格要求的流水線作業(yè)場合。

　　氣動打標(biāo)機(jī)控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

　　打標(biāo)機(jī)系統(tǒng)一般是兩軸運(yùn)動控制系統(tǒng)，它根據(jù)用戶輸入的打標(biāo)內(nèi)容，控制步進(jìn)電機(jī)帶動打印頭在x-y平面內(nèi)按一定軌跡運(yùn)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(diǎn)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(biāo)機(jī)系統(tǒng)，硬件平臺采用arm9+fpga架構(gòu)，將打標(biāo)機(jī)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(qiáng)，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(biāo)機(jī)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(shí)現(xiàn)兩個模塊：運(yùn)動控制模塊和人機(jī)交互模塊。運(yùn)動控制模塊主要實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制的功能，fpga通過總線從arm端得到運(yùn)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(jī)交互模塊以arm為中心擴(kuò)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(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的重要組成部分，通過打標(biāo)應(yīng)用軟件，用戶輸入加工內(nèi)容，系統(tǒng)對加工內(nèi)容進(jìn)行解析，將字形或者圖形信息轉(zhuǎn)換為點(diǎn)陣信息，從而控制電機(jī)依照設(shè)定的軌跡進(jìn)行加工。

　　打標(biāo)機(jī)控制系統(tǒng)由刻印控制模塊，文件管理模塊，機(jī)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(jìn)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(jī)械參數(shù)設(shè)置模塊用于對外圍機(jī)械的硬件參數(shù)進(jìn)行設(shè)置管理，如加工幅面，脈沖當(dāng)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(jī)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(diǎn)介紹。

　　刻印控制模塊

　　刻印控制模塊實(shí)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(biāo)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(jī)按照指定的軌跡進(jìn)行運(yùn)動，

　　同時控制氣泵電磁閥使打標(biāo)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(yùn)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(jìn)行詳細(xì)介紹。

　　刻印任務(wù)輸入模塊

　　負(fù)責(zé)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(jìn)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(jìn)行圖形點(diǎn)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(jìn)行解析，這樣就得到了字符的點(diǎn)陣信息，按照特定的格式存儲起來。最后將字形軌跡進(jìn)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(diǎn)陣信息輸出。

　　圖形交互模塊

　　圖形交互模塊負(fù)責(zé)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(jìn)行加工，即所見即所得。該模塊實(shí)現(xiàn)的主要操作有：

　?、僖暣暗目s小與放大，使用戶能夠方便的觀察刻印任務(wù)的軌跡;

　?、诳逃∪蝿?wù)的位置改變，使用鼠標(biāo)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;

　?、奂庸と蝿?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(dāng)刻印任務(wù)的位置發(fā)生變化時，打標(biāo)機(jī)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;

　?、扌薷目逃∪蝿?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(zhǔn)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(jī)以及氣泵電磁閥，就可以在工件上進(jìn)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(bǔ)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(jìn)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(biāo)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

　　本研究將嵌入式技術(shù)應(yīng)用到氣動打標(biāo)機(jī)的設(shè)計當(dāng)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(jī)交互界面，使用方便。