（机械制造及其自动化专业论文）气动打标机系统及字库优化研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 目前气动打标机技术已经比较多地应用在国内的生产线上，但是大部分打标 机产品都依赖进口，国内虽然也有很多厂家在生产打标机，但是技术上落后于国 外的同类产品。针对国内气动打标机打印效率不高、打印字符单一的缺陷，本文 研制了一种字符图样丰富、可以对打印轨迹进行优化的气动打标机。与其他的打 标机相比，它具有打印效率高、操作方便、响应快、可控性好、适用范围广等优 势。全文分为以下六章。 第一章介绍了气动打标机技术的研究现状，指出了气动打标机中存在的不 足，对比了国外不同产品的特性，提出了从软件方面对打标机的打印效率进行改 进的方案，从而说明了论文选题的意义。 第二章提出了气动打标机应具备的功能，评估了气动打标机要达到的主要性 能指标。并按照这些功能和指标，制定了气动打标机的总体方案，包括执行机构 部分的方案和控制部分的方案，从而为进一步研究其中的字符字模关键技术奠定 了基础。 第三章介绍和对比了字库中常用的点阵字模和矢量字模的特点，从气动打标 机的实际需要出发，定义了适用于本系统的字模格式，并在此基础上设计了字符 生成器，提供给用户友好方便、功能强大的操作界面。 第四章在分析打标机实际打印情况的基础上，提出了打印轨迹优化的问题， 并针对此问题建立了数学模型。然后根据相关的优化理论，提出了求解时间目标 数学模型的最小生成树算法和求解距离目标数学模型的最小矩形斯坦纳树算法。 第五章对打标机系统软件的实现作了介绍，并对其实际工作情况进行了实验 研究，重点对比了不同算法求解轨迹优化问题的结果，从而证明了提出的优化算 法的有效性。 第六章是全文的总结与展望，简要总结了本课题获得的研究成果，并且展望 了今后需要进一步完善的工作。 关键词：气动打标机，字库，字模，点阵，轨迹优化 浙江大擘硕士学往论文 a b s t r a c t a tp r e s e n tt h ea i r - d r i v e dm a r k e rt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ep r o d u c t l i n e ，b u tm o s to ft h e s em a c h i n em a i n l yd e p e n do ni m p o r t t h e r ea 糟a l s om a n y f a c t o r i e sp r o d u c et h i sk i n do fm a r k e r , b u tc o m p a r e dw i t ht h ef o r e i g nc o m p a i l i e st h e t e c h n o l o g yi ss t i l lb e h i n d h a n d 1 1 1 et h e s i sa i m st od e v e l o pa l la i r - d r i v e dm a r k e r m a c h i n e , w h i c hc a l li m p r o v et h ep r i n t i n ge f f i c e n c ya n dm a k et h ep r i n t i n gp a t t e r n d i v e r s i f o r m c o m p a r e dw i t ho t h e rm a r k i n gm a c h i n e ，t h i sm a c h i n eh a sa d v a n t a g e so f g o o de f f i c i e n c y , e a s yo p e r a t i o n , q u i c kr e a c t i o n p e r f e c tc o n t r o lp r o p e r t i e sa n dv “d e a p p l i c a b i l i t y t h et h e s i sh a st h ef o l l o w i n gs i xc h a p t e r s i nt h ef i r s tc h a p t e r , t h ea i r - d r i v e dm a r k i n gt e c h n i ca n ds o m eo f i t sp r o b l e m sw e r e i n t r o d u c e d i nc o m p a r i s o nw i t ht h ef o r e i g nm a c h i n e s , ap r o j e c tt oi m p r o v et h e p r i n t i n ge f f i c i e c yb yo p t i m i z i n g t h es o f t w a r ew a sp r o p o s e d t l l i se x p l a i nt h e s i g n i f i c a n to f t h et h e s i s i i nt h es e c o n dc h a p t e r , t h ef u n c t i o n sa n dt h ec a p a b i l i t i e so f t b ea i r - d r i v e dm a r k i n g m a c h i n ew e r es e td o w n a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n sa n dc a p a b i l i t i e s ，ad e s i g np r o p o s a l o ft h ea i r - d r i v e dm a r k i n gm a c h i n ew a sw o r k e do u t t h i sw o u l db eu s e f u li nt h e f o l l o w i n gs t e p so f d e s i g n i nt h et l l i r dc h a p t e r , t h ec h a r a c t e r so fd o t - m a t r i xf o n ta n dv e c t o rf o n tw e r e c o m p a r e da n di n t r o d u c e d a n dt h e n , af o r m a to fc h a r a c t e rm o d u l ef i l ew h i c hw a s s u i t a b l ef o rt h em a r k i n gs y s t e mw a sd e f i n e d a c c o r d i n gt ot h ed e f i n e df o r m a t , af o n t g e n e r a t o rw a sm a d e ，w h i c ho f f e r st h eu s e r sg o o do p e r a t i n ga n dm u l t i f u n c t i o n i n t e r f a c e i nt h ef o r t hc h a p t e r , b a s e do nt h ea n a l y s i so fp r i n t i n gm o v e m e n t ，ap r o b l e mo f p r i n t i n gt r a c ko p t i m i z a t i o nw a sp r e s e n t e d ，a n dt h e nam a t h e m a t i cm o d e lw a s tu p a c c o r d i n gt ot h er e l a t e do p t i m i z i n gt h e o r y , t h em i n i m u ms p a n n i n gt r e ea r i t h m e t i c a n dt h er e e t i l i n e a rs t e i n e r m i n i m u mt r e ea r i t h m e t i cw e r es e l e c t e da st h es o l u t i o no f t h ep r o b l e mi nt h i st h e s i s i nt h ef i f t hc h a p t e r , t h er e a l i z a t i o no ft h em a r k i n gs y s t e ms o f t w a r ew a s i n t r o d u c e d ，a n da ne x p e r i e n tw a sc a r r i e do u ti no r d e rt oc o m p a r et h ed i f f e r e n tp r i n t i n g t r a c k se f f i c i e n c ya n df u r t h e rm o r et op r o v et h ev a l i d i t yo f t h eo p t i m i z a t i o na r i t h m e t i c t b ec o n c l u s i o n sa n de x p e c t a t i o n st o o ku pt h es i x t hc h a p t e r k e y w o r d s ：a i r - d r i v e dm a r k i n gm a c h i n e , c h a r a c t e rb a s e , c h a r a c t e rm o d u l e ， d o t - m a t r i x , t r a c ko p t i m i z a t i o n n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名孝，坞签字胁加年7 7 月卵 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸婆盘鲎有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 逝姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：德，鸣 签字日期：2 叽后年7 月 一9 0 h r c ；打标针到 工件表面之间最大行程1 2 7 m m ；为满足打印深度的需要，打标针针尖处圆锥体 面与工件表面夹角取6 0 。 ( 4 ) 压缩空气参数驱动气压0 4 m p a 0 8 m p a ，背压0 1 3 m p a ；闲置时流 量o 0 2 l s ，i 作时流量o 3 8 l s 。 2 2 打标机的组成及工作原理 ( 1 ) 打标机的组成 图2 - 2 是打标机组成结构示意图。 图2 - 2 打标机组成示意图 气动打标机的组成部分主要包括控制器、上位机、打标头、打标针、空气过 滤器和压力表。各部分主要功能如下： 控制器：对系统参数和打标参数进行设置，控制打标针的运动和动作； 上位机：浏览字库文件、设计特殊字符、优化字符打印轨迹、向控制器发 送字符文件信息； 打标头：安装打标针运动和动作的机械部件； 1 0 浙江大学硕士擘住论文 打标针；通过对工件表面的冲击打出点痕； 空气过滤器和压力表：过滤压缩空气并调节气压值。 ( 2 ) 打标机的工作原理 根据图2 - 2 对打标机工作过程进行分析，其工作原理分如下三个步骤： 针头的运动 当工件被输送到打标工位后，控制器发出打标指令，打标针在步进电机驱动 下沿着所需的打标轨迹运动； 打点 打标针移动到需要打点的坐标处时，控制打标针动作的电磁阀打开，打标针 在驱动气压的作用下冲击工件表面打下点。然后电磁阀关闭，打标针从工件表面 抬起，缩回针套内。重复步骤、，则在工件表面连续打点，组成所需的字符 图样； 复位 一个工件打标完成后，打标针复位到初始位置，等待下一个打标指令的到来。 2 3 打标头的设计 2 3 1 打标头部件设计 图2 - 3 打标头内部组成示意图 i l 浙江大学硕士学位论吏 打标头装有打标针的运动部件如图2 3 所示，各部件按照功能分为两大部分： ( 1 ) 打标针x 、y 向运动定位部件 这部分包括：步进电机l 、步进电机2 、导轨l 、导轨2 、滑板1 、滑板2 、 位置传感器l 、位置传感器2 、同步带轮组l 、同步带轮组2 以及分别安装在同 步带轮上的两条同步带( 图中未标示) 。 ( 2 ) 打标针z 向驱动部件 这部分包括：电磁阀和电磁阀座。 下面分别介绍各个组成部分的设计和选型： ( 1 ) 导轨和滑板的设计 导轨与滑板是打标针移动的载体【l 射，其尺寸的确定依据技术指标里的移动 范围1 5 2 5 0 m m ，根据图2 3 可知，导轨与滑板之问的运动分为两个方向： x 轴方向 导轨1 与打标头外壳固定连接；滑板1 安装在导轨l 上，并与同步带轮组l 上的同步带固定连接，当同步带轮组l 转动时，同步带将带动滑板l 沿着导轨l 即x 轴方向移动，由于导轨2 与滑板l 是固定连接的，所以，导轨2 也跟滑板l 一起沿x 轴运动。 y 轴方向 滑板2 安装在导轨2 上，当同步带轮组2 转动时，同步带将带动滑板2 沿着 导轨2 即y 轴方向移动。 由此可见，滑板2 是在x 、y 两个方向作合成运动，由于打标针固定在滑板 2 上，因此打标针的运动轨迹与滑板2 的运动轨迹一致，这就实现了打标针在 x o y 平面上的运动定位。图2 - 4 是滑板与导轨的装配示意图( 俯视图) ，根据打 标针的运动范围选择导轨l 的尺寸为2 2 0 x 1 2 x 7 m m ，导轨2 的尺寸为1 4 5 1 2 7 m m ，其中虚线矩形框为打标针的运动范围，即：1 5 2 x 5 0 m m 。由于导轨承 受的重量不大，因此可以选择塑料导轨，查机械设计手册可知塑料导轨具有如下 优点：自润滑性和耐磨性优良；对金属磨擦系数小，传动效率高；静、动摩擦系 数接近，使滑动平稳。查阅机械设计手册中常用的塑料导轨后，本打标机系统选 择了填充聚四氟乙烯导轨。 浙江太擘硕士学位论文 23456 7 1 打标针原点2 导轨23 同步带轮组2 4 滑板1 5 滑板2 6 导轨17 同步带轮组1 图2 - 4 滑板与导轨装配示意图 ( 2 ) 同步带轮的设计 运动部件中共包括四个同步带轮，其尺寸参数相同。其中主动同步带轮与步 进电机连接，根据滑板及导轨尺寸大小，并查阅机械设计手册中相关数据，设计 出适合的同步带轮尺寸，并选择适合的同步带安装在同步带轮上，如图2 5 所示。 a 图2 - 5 同步带轮图 由图可知，同步带轮节圆直径为巾2 0 5 m m ，外圆直径为t d 2 1 m m ，计算电机 浙江大擘硕士擘& - g r 文 脉冲当量时应取节圆直径中2 0 5 m m 作为计算值。 ( 3 ) 位置传感器的选型 ，两个位置传感器分别安装在x 轴方向的零点和y 轴方向的零点处，主要作 用是检测打标针是否移动到x 轴的零点或y 轴的零点，用来帮助打标针复位。 根据系统需要选择的型号是s p x 3 9 5 5 1 。 4 ( 4 ) 电磁阀座的设计 c 向3 5 厨c 窿匣 b 向 o oo 0 r o 杏_ o 曲 o 0 p o 图2 - 6 阀座设计示葸图 图2 - 6 是电磁阀座的设计图，为了说明方便，图中将需要用到的孔用数字进 行了编号，对于p 、a 、r 孔是为了跟电磁阀上开口的编号一致，所以用了字母 编号，并用虚线表示了电磁阀位置。 阀座主要作用是连接打标针、电磁阀和两根气管，使压缩空气在电磁阀的控 制下沿着需要的方向流动，从而驱动打标针完成打标动作。孔l 接驱动气压管， 孔2 按背压管，孔3 接针套内背压腔，孔a 接针套内驱动气压腔。一路压缩空 气通过孔2 进入阀座，然后通过孔3 进入打标针套内的背压腔，打标机系统工作 时背压是一直通的，不需要通过电磁阀控制，只需要一个压力表控制气压值就可 以；另一路压缩空气从孔l 进入阀座后，依次通过孔4 、5 转向，然后进入孔p ， 通过孔p 压缩空气可以进入电磁阀；从这里开始需要分成两种情况讨论：当打标 机处于非打点状态时，电磁阀p 口关闭，a 、r 口打开，此时针套内驱动气压腔 的空气通过孔a 、电磁阀、孔r 与大气连通，气压值等于大气压，背压腔内气 压值大于大气压，所以打标针位于针套内；当电磁阀收到控制信号时，r 口关闭， p 、a 口打开，此时压缩空气从p 口进入电磁阀，然后经过孔a 换向进入针套驱 动气压腔。驱动气压值大于背压值，打标针在气压推动下在工件表面打下点；当 点打好之后，电磁阀控制p 口关闭，a 、r 口打开，驱动气压被截断，打标针在 背压推动下缩回针套内，一个打点动作完成。 1 4 浙江大学硕士学位论文 2 3 2 打标针部件设计 为了能够在多种硬度的材料表面打点，因此选择了硬度较大的碳化钨( w c ) 来作为打标针的材料，根据技术性能指标中确定的最大有效行程1 2 7 m m 和打印 深度的需要，初步设计打标针的尺寸参数如图2 7 历示。 专 由于打标针在工作过程中将与工件表面发生猛烈碰撞，通过破坏工件表面来 实现打印的目的，同时考虑到打标针为细长杆件，打标针在打点过程中受到很大 根据材料力学中压杆稳定的理论，细长杆压杆稳定的临界应力的欧拉公式 口= 宰 ( 2 - 1 ) 其中五为杆件柔度，即压杆的长度，乘以与杆端约束有关的长度系数，与 横截面惯性半径f 之比，其计算式为五：掣打标针打点的瞬问工作过程为细长 杆受到压应力作用的过程，根据打标针两端受力以及约束情况查材料力学中表格 后，取长度系数= 0 7 ；碳化钨的弹性模量e = 5 9 x 1 0 1 4 p a 。 到的最大压应力盯小于仃，则安全，i l p ： 。 抽辛裔 倍2 ) 盯 。了2 万了 2 2 ) 浙江大擘硕士学位论文 根据式2 - 2 可知，最危险情况即盯取最大值、盯取最小值的情况。由技术性 能指标和电磁阀选型中确定的最大驱动气压值是o 7 m p a ，背压值是o 1 3 m p a 。 根据图2 7 打标针的结构可知，驱动气压作用面是直径为8 m m 的圆形面，作用 面积s ：万( 昙8 r a m ) z ：5 0 2 4 m m ：，背压作用在打标针的台阶面处，作用面积 岛= 万x ( 圭x 8 m m ) 2 一石( 1 x 4 m m ) 2 = 3 7 6 9 r a m 2 , e r 值根据打标针与工件表面接触 处的面积确定，根据打标针打印时针尖与工件表面接触情况，如图2 - 8 所示，最 大打印深度为0 2 r a m ，计算出i = 0 2 m m x t 9 3 0 = o 1 2 m m 。因此求出打标针实际 受到的最大压应力： 一= ( o 7 m p a x s i o 1 3 m p a x s 2 ) l r i 2 = 6 7 0 m p a ( 2 - 3 ) 盯最小值需要根据惯性半径i 的取值来确定，将i 代入式2 - 2 计算得到： 盯：之冬：5 9 0 6 3 m p a( 2 4 ) 们珂2 q 。4 i 驱 l 动 l 气 i 压 ， 图2 - 8 打标针与工件接触示意图 因为o r 仃，所以经过校核，打标针的尺寸参数是合理的。根据碳化钨的密 度p = i 5 6 9 c m 3 可以计算出打标针质量m - - 2 7 1 9 。根据打标针参数设计打标针 针套结构如图2 - 9 所示，针套内包括放置打标针的空腔和背压通路；当打标针放 1 6 浙江大学硕士擘住论文 入后，空腔被分成上下两个腔，上腔为驱动气压腔，下腔为背压腔，背压经过背 压通路后进入背压腔。 2 4 步进电机驱动 图2 - 9 打标针套结构示意图 ( i ) 步进电机的选型 在选用步进电动机时，主要考虑的参数有步距角、运行频率、空载起动频率 和最大静转矩【3 2 3 3 1 1 4 2 1 。电机的最大负载转矩通常用公式2 5 计算： 巧：了1 丢，巧+ 弓( 2 - 5 ) i 疗 。 f 是传动比，由于系统设计的同步带轮主动轮与从动轮节圆直径是相等的， 因此，= 1 ；1 7 是机械效率，根据打标头部件设计可知，打标机的传动方式主要包 括同步带传动和导轨平摩擦传动，同步带传动的机械效率为o 9 5 ，平摩擦传动的 机械效率为o 8 5 o 9 2 ，取值0 8 5 ，所以玎= 0 8 5 o 9 5 = 0 8 ；乃是电机轴的负 载转矩，l 是电机轴的摩擦转矩( 通常忽略) 根据打标机的实际系统可以得到 z 的计算公式为2 6 ： 巧= i a o m g z ( 2 6 ) 1 7 浙江大擘硕士擘住论文 其中m 是总负载质量，g 是重力加速度，u 是导轨动摩擦系数，碗是同步 带轮的节圆直径，查机械设计手册可知所用填充聚四氟乙烯塑料导轨使用3 0 号 机油润滑时，其动摩擦系数 o ，行= 0 毛一而 o ，= 三 而一= o 且咒一 o , p = 等 ( 3 - 2 ) 屯= ( 五一x o ) 2 + ( m - y o ) 2c o s ( p + o ) + x o ( 3 - 3 ) 儿= ( 西- x o ) 2 + ( m - y o ) 2s i n ( p + o ) + y o ( 3 - 4 ) 同理，由于每个字符是由点组成的，因此，字符的旋转就是将各个点坐标进 行旋转变换。 ( 4 ) 对称原理 对称分为中心对称和轴对称两种，中心对称原理实际上与旋转原理一致，只 是旋转的角度为1 8 0 。，因此不再阐述，下面具体介绍字模点阵轴对称原理。 字模点阵轴对称：以平面内任意一条直线为对称轴，将给定的字模点阵作轴 对称变换。 轴对称原理说明：设平面上任意一条直线，该直线上两点为( j q ，咒) 、( 而，儿) ， 平面内任意不在该直线上一点为( ，) ，将( ，) 以直线为对称轴进行对称变 换得到其对称点为( ，成) ，如图3 - 1 2 所示，则对称点坐标( ，成) 可以用式3 - 5 、 浙江大学硕士学位论文 式3 - 6 计算得到。 图3 - 1 2 轴对称原理示意图 ( 毛一x 0 2 + ( 威- y 0 2 = ( - x 0 2 + ( 一乃) 2 ( 3 - 5 ) ( 一而) 2 + ( 威一儿) 2 = ( x o - x 0 2 + ( 一款) 2 ( 3 6 ) 根据以上三个基本变换，相关的复杂图样就可以通过三种基本变换的合成来 实现。例如图3 1 3 的复杂图样就可以通过旋转和平移交换原理来实现，具体过 程如图3 1 4 、3 1 5 所示，可以分为三步实现： 平移：以字符“2 ”和字符“3 ”的字模中心作基点，将字模点阵甲移到坐 标原点处； 旋转：以原点为旋转中心，分别将字符“2 ”和字符“3 ”的字模旋转过需 要的角度； 平移：仍然以字符“2 ”和字符“3 ”的字模中心作基点，将字模点阵平移 到圆弧的两个端点处。 图3 一1 3 字符图样 最后得到的结果如图3 1 6 所示，各点坐标值可以根据基本变换原理中给出 的公式计算，具体计算过程不再详细叙述。 浙江大学硕士学位论文 y 图3 一1 5 字符。2 ”的变换 图3 1 6 变换后的结果 渐江大学硬士学位论文 3 3 打标机字库的字符生成介绍 根据用户对打标字符多样化的需求，本文设计了三种打标字符生成方式供用 户选用。 1 打标机标准字库的字符生成 标准字库是系统自带的字库文件，根据a s c i i 代码的顺序编写，包括5 7 、 6 9 、7 1 1 、8 x1 2 、1 0 1 6 几种不同的点阵模式，用户可以根据需要直接从 标准字库中调用数据进行打印。通过上位机中的字符生成器用户可以浏览标准字 库中包含的字符图样，标准字符图样参照图3 - 9 所示，具体生成字符的步骤是： ( 1 ) 标准字库的建立 新建文件：根据a s c i i 代码中包含的字符个数来确定标准字库中字模的 个数，由于a s c i i 代码表中包含2 5 6 个字符，因此，标准字库的字模个数定为 2 5 6 个。根据3 2 3 节中介绍的字模文件格式，在文件中每个字模用o o8 0 的字节 组合来作为结束标志，因此新建标准字库文件包括2 5 6 个字模即包括2 5 6 个0 08 0 字节组合。由于标准字库包括5 x 7 、6 x 9 、7 1 1 、8 1 2 、1 0 1 6 五种不同的 点阵模式，因此需要新建5 个文件分别代表不同的点阵模式字库。 写入文件：将a s c i i 代码中包括的某字符图样按照某种点阵模式进行取 点表示( 如何取点由字库设计人员自行决定，取不同的点只是决定了字符形状的 不同) ，由此该字符就转化为此种点阵模式的点阵图样，然后将点阵图样放入图 3 5 定义的网格中的某位置，这样每一点就对应于网格中的某个坐标值，将这些 点的坐标值信息存入新建的对应点阵模式字库文件中的对应位置。比如将a s c i i 代码中第5 1 个字符“3 ”写入5 7 点阵的标准字库中，首先要对“3 ”进行取点， 把“3 ”变成由5 7 点阵中的几个点来表示的形式，完成这一步之后字符“3 ” 就变成了点组成的图样，将这些点组成的图样对应于图3 5 定义的网格进行取坐 标值，将这些坐标值存入5 x 7 点阵模式标准字库文件中第5 0 个o o8 0 字节与第 5 1 个o o8 0 字节之间的位置，这样就完成了字符“3 ”在5 7 点阵模式标准字库 文件中的字模创建，重复以上步骤就建立了标准字库文件。 ( 2 ) 用户调用 用户根据a s c i i 代码的顺序从标准字库中调用所需要的字符的点阵模式， 然后系统程序就自动将定义好的该字符的字模取出，并将字模以字符的形式显示 给用户。 2 用户自定义字符生成 用户除了通过调用标准字库中的字符外，还可以使用字符生成器自定义字符 图样( 如图3 - 1 7 ) ，字符生成器为用户提供了方便的点阵字符生成工具，具体包 浙江大学硕士学位论文 括： ( 1 ) 画布网格：用户可以在此画布上面用鼠标绘制需要的字符图样，网格 的作用是将图样的各点对应到某一坐标上； ( 2 ) 鼠标画笔：用户可以使用鼠标移动到画布网格上需要画点的位置，点 击鼠标左键进行图样绘制，点击鼠标右键可以选择已经绘制好的但需要编辑的 点。 ( 3 ) 工具栏：为用户提供了丰富的编辑图样的命令，包括“插入”、“移动” “删除”、“跟踪”、“查找”、“浏览”等命令 上述功能在字符生成器软件中的具体设计将在第五章中介绍。通过使用这些 字符生成器的功能，可以在画布上绘制出各种图样，具体生成字符图样的步骤是： ( 1 ) 打开字符生成器，用户将鼠标移动到网格上需要进行画点处，点击鼠 标左键，则该方格被填充，同时后台程序将该方格处的坐标拾取，保存在缓存数 组里，表示该点将被打印。完成这些之后，一个点的绘制结束。 ( 2 ) 重复( 1 ) 的步骤，在网格中绘制多个点。这样，用户就可以目标字符 图样在网格中以点阵的形式表示出来，同时将组成该字符的各点坐标信息保存在 缓存数组当中。 ( 3 ) 用户设计完成自定义图样之后，将该图样的点阵坐标信息进行保存， 就得到了该图样的字模文件。至此用户自定义生成字符结束，接下来用户就可以 像调用标准字库文件中的字模一样调用该字符字模，然后进行打印。 翰暖翻照黧鍪圈蹰爨辫爨豳鼹魉缀滋黧爨戮滋黧翳戆签豢! 娶铡”o 脚罐 璺婴熊麴窭墅堕墅塑塑塑。 匣 ：兹 图3 ”用户自定义图样 4 1 浙江大擘硕士学位论文 3 基于w i n d o w s 矢量字库字符生成 由于点阵字库并不象矢量字库那样丰富，能够获得的字符点阵字模一般比较 单一，字体固定，大小固定【2 2 1 【2 3 1 。如果要更换字体或字号，都需要更新字库， 操作起来十分麻烦，w i n d o w s 本身的字库非常丰富，大都是矢量字库【2 4 j 。考虑 到矢量字库最终是以点阵形式送给显示缓冲区，然后以点阵形式在屏幕上显示出 来，所以只需要从显示缓冲区获得相应的点阵信息，经过处理，也就得到了适用 于打标机的字模点阵信息1 2 1 】【2 5 1 。图3 1 8 是字符生成器从w i m o w s 矢量字库中提 取的n m e sn e wr o m 强字体与一般字体的对比，通过对比可以看出，w i n d o w s 中的矢量字体要比一般字体美观。 图3 一1 8 一股字体和啊m 鹤n e wr o m 字体对比图 下面通过一个简单的测试程序来讨论基于w i n d o w s 矢量字库生成字符的具 体实现原理。测试程序总体思路是：利用m f c 类库创建对话框程序f 4 9 l ，在对话 框上建立两个e d i t 控件，一个用于输入字符，另一个用于输出相应的点阵信 息( 为了显示清楚起见，用一个实心小圆代表点阵信息的一点，以此对字符进行 放大) 。利用c f o n t 和c f o n t d i a l o g 类【2 9 1 【3 0 1 实现对w i n d o w s 所带不同字体 和字号矢量字库文件的调用【2 7 j ，实现输入字符字体和字号的变换。图3 1 9 为程 序流程图： 浙江大学硕士学住论丈 图3 1 9 矢量字库转化程序流程图 首先在e d i t 控件中输入要获取点阵信息的某种字体和字号的字符，然后利 用g e l h x e l 0 函数幽犊取该控件输入字符区不同位置上的像素颜色信息，如果 不是白色，在输出中对应位置画一个实心小圆，如果为白色，跳过继续读取下一 个位置。最后，就会在输出中显示出所需字符的点阵图。在程序中，为了方便保 存字符的点阵信息，可以设定一个二维数组a 3 2 3 2 ，调整输入控件的读取位置， 在输入e d i t 控件里读取紧邻的3 2 3 2 个位置的像素颜色信息( 在该测试程序中 3 2 3 2 个位置就可覆盖所需字符的全部) ，如果某个位置颜色为白色，把数组的 相应位置的元素置o ，否则置1 ，最后就得到字符的一个3 2 x 3 2 的点阵信息。至此， 就可以获得矢量字库中转化来的字符点阵信息。输出结果如图3 2 0 所示。 浙江大学硕士擘位论文 图3 - 2 0 输出结果图 由以上从矢量字库中提取点阵信息的过程可以看出，提取出来的点阵信息只 是电脑按照扫描的顺序把每个点的信息记录下来，而没有按照打印点的先后顺序 来存储，或者说，对于这些点的信息没有进行打标的轨迹优化。如果按照这种顺 序打印，那么打标针又将按照逐行扫描或逐列扫描的方式打印，效率很低。因此， 需要对字符打印轨迹进行优化，或者说是对点阵进行排序。具体思路是：首先要 剔除点阵中的非打标点信息，将剩下的点进行坐标转化；然后将这些数据转化为 打标机的字模文件格式；最后将这些点的顺序进行优化，排列出最优的轨迹，以 提高打标的效率，减少打标机的磨损和消耗。有关字符点阵轨迹优化是打标机的 关键技术之一，本文将在第四章中详细说明。 3 4 本章小结 本章对打标机字模这一关键技术进行了分析和讨论，在已有字模理论的基础 上，定义了适合于本打标机的字模格式。然后对字模的变化原理进行了研究。最 后，根据打标机功能的需要，设计了字符生成方案。 浙江天擘硕士擘位论乏 第四章打标机打印轨迹优化算法分析 【本章摘要l 本章主要对打标g - h f r 巾字符轨迹优化问题进行研究首先在分析打标机字符轨 迹原理的基础上，建立相应的数学模型，然后基于图论和相关最优化方法的原理，提出针对 打标机系统的字符轨遗优化算法 4 1 引言 根据第三章的介绍，当从w m d o w s 矢量字库或者从用户自行设计好新的字 库中提取出点阵字模时，如果直接将这些点存储到打印文件当中，那么打标针在 打印的时候将按照逐行或逐列扫描的方式进行打印，这种打印方式效率将会非常 低。造成这种情况的原因主要是因为这些存储的点阵信息没有经过合理的排序， 导致了打标针在打印时不能按照效率较高的打印轨迹运动，从而产生了许多不必 要的打印运动。由于在生产现场打标机要不问断地往工件上打印字符，如果按照 没有经过优化的轨迹来打印，就将会明显地影响打标速度、降低生产的效率，并 且由于打标机走了过多的无效路径会造成设备关键零件的过度磨损，直接影响到 打标机的可靠性及寿命，因此研究打标机打印轨迹的优化问题是非常有必要的。 这一问题的解决能够大大加快打印速度、提高生产效率、降低设备消耗、节约成 本。正是基于以上原因。本章从分析打标机的打印过程入手，并采用相关最优化 方法及图形学理论对打印轨迹优化问题进行了研究，提出了适合于打标机系统的 打印轨迹优化算法。 4 2 打标机打印轨迹优化问题的提出 1 打标针运动过程分析 在实际任意点阵的打标过程中，打标机中打标针的运行过程如图4 - 1 所示 图中以左下顶点为原点o 建立x o y 平面坐标系，每个方格代表一个坐标单位， 并以每个方格的左下顶点代表该方格所在的位置的坐标。打标针的初始位置是系 统制造时候设定的，这里为了方便讨论，不妨设为( x o ，y o ) ，并且设打标针复位 位置坐标为( x r ，y r ) ，则一般情况下这两点位置重合，即有( 而，y r ) = ( ，y o ) 。此 外，设一任意字符点阵所用点的集合为j k e ，昱，只 对应各点的坐标分别为 e ( 而，朋) ，最( 而，乃) ，只( ，咒) ，每个坐标点处重复打印次数记为 淅江大学硕士学位论文 码= 鸭一一= l 。这样，打标针打印这一字符点阵集合p 的过程主要由以下 三个环节组成： ( 1 ) 打标针在各点的切换：即打标针在点与点之间的移动过程，包括逐点 切换和非逐点切换。如图4 1 中，点毋切换到最中间需要经过线段2 ，由于在网 格中两点相邻，所以是逐点切换；只切换到只需要经过线段3 ，由于在网格中两 点不相邻，所以是非逐点切换。由于两种切换方式本质都是从某一点移动到另一 点的过程，因此本文中统称为打标针在各点的切换，后文不再加以区分； ( 2 ) 打标针打下点的过程：即打标针对工件表面进行冲击，并在工件表面 形成有效印痕的过程，包括出针行程和收针行程； ( 3 ) 字符打标完成后打标针的重置：即打标针打完字符点阵先复位，然后 回到初始起点位置的过程。 图4 - l 打标针运动坐标系 下面就针对以上三个环节具体分析打印某一字符点阵集合p 的过程： ( 1 ) 各点之间切换过程分析 浙江大学项士学位论文 如图4 一l 所不，假定打标针在各点闻切换过程中，打标头沿x 轴的运动速度 为吃，沿y 轴的运动速度为匕打标针从点只的坐标( ，咒) 切换到点c 的坐标 ( ，乃) 是由下列两个过程实现的：打标针沿