一、引  言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(jià)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。而氣動(dòng)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(duì)標(biāo)記速度有嚴(yán)格要求的流水線作業(yè)場合。

二、氣動(dòng)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(dòng)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(dòng)打印頭在x-y平面內(nèi)按一定軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)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(dòng)打標(biāo)機(jī)系統(tǒng)，硬件平臺(tái)采用arm9+fpga架構(gòu)，將打標(biāo)機(jī)的控制部分與驅(qū)動(dòng)部分集成在一起，這樣體積小，抗干擾性強(qiáng)，同時(shí)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(shí)在控制板卡上面集成驅(qū)動(dòng)。硬件設(shè)計(jì)方面主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模塊：運(yùn)動(dòng)控制模塊和人機(jī)交互模塊。運(yùn)動(dòng)控制模塊主要實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的功能，fpga通過總線從arm端得到運(yùn)動(dòng)微指令，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的頻率和個(gè)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。

三、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(duì)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(shí)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(duì)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(shí)間管理模塊完成對(duì)系統(tǒng)時(shí)間的管理，它是加工日志記錄以及時(shí)間類型加工任務(wù)有意義的前提。刻印控制模塊是整個(gè)應(yīng)用軟件的核心部分，下面作重點(diǎn)介紹。

（一）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(gè)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(dòng)加工命令，控制電機(jī)按照指定的軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，同時(shí)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(dòng)控制部分主要由6個(gè)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(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹。

（二）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(hào)、vin、圖形文件等，其中vin碼與流水號(hào)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(hào)都會(huì)自加一個(gè)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，在設(shè)定完這些參數(shù)后，用戶就可以創(chuàng)建一個(gè)有效的刻印任務(wù)。

（三）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(duì)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(chǔ)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。

（四）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地知道刻印任務(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：
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(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；
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(duì)針跟隨功能，當(dāng)刻印任務(wù)的位置發(fā)生變化時(shí)，打標(biāo)機(jī)的針頭會(huì)“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(gè)任務(wù)對(duì)齊功能，如左對(duì)齊、上對(duì)齊等；
⑥修改刻印任務(wù)的加工順序。

（五）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(shí)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(shí)參數(shù)與反向間隙，抬落筆延時(shí)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。

（六）日志記錄模塊

在加工完畢以后，對(duì)于vin碼、流水號(hào)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(shí)間、編碼方式。
 

圖1 氣動(dòng)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

四、結(jié)束語

本研究將嵌入式技術(shù)應(yīng)用到氣動(dòng)打標(biāo)機(jī)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，并將控制器與驅(qū)動(dòng)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(jì)，提供了良好的人機(jī)交互界面，使用方便。