（机械制造及其自动化专业论文）基于直线电机的标记打印机打印部件的研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 标记打印机是用作产品标识和防伪的机电一体化设备，它集机械、电子、计算机等 技术于一体。由于其应用范围广、功能强且打印标识不易被仿制等一系列优点，近几年 内在各加工制造行业应用和普及。在综合国内外技术动态和分析上海申坚数控技术公司 生产的s j 7 1 0 0 气动标记打印机的打印头( d t b k l 6 0 2 1 ) 工作性能的基础上，提出研究 开发基于圆筒型直线感应电机驱动的新型多功能标记打印机。 本文简述了现有s j 一7 1 0 0 气动标记打印机的工作原理，分析了气动打印头工作过程 中的各个环节。使用p c l 一8 1 2 p g 多功能数据采集卡和q h 8 5 0 0 位移传感器对气动打印 头的运动特性和打印深度进行了测试，利用测试和计算所得的数据，对其运动特性做出 分析，利用m a a b 软件绘制和拟合了其各个运动规律随气体压力变化的规律曲线，得 到了一些的指导性结论。利用这些结论来指导基于直线电机的标记打印机产品的研制和 开发，选择了具有直线振荡功能原理的圆筒型直线感应电机作为标记打印机打印头的驱 动装置。利用其直线往复运动功能原理进行了结构设计，在建立了直线感应电机驱动的 标记打印机打印头运动的数学模型情况下，阐明了电磁场中各个参量与电机工作过程的 关系，分析了各个运动参数对性能的影响情况。根据各种控制原理和控制策略，提出了 直线感应电机交流变频调速的控制方案，设计了基于单片机控制电路框图，利用m a 廿a b 进行了计算机仿真分析，并且得到了和气动标记打印机一致的结果。从而证明现有的机 械和控制系统方案是可行的，为进一步的实验提供了理论和数据参考。 研究和开发基于直线电机的标记打印机，使其应用更加方便，范围更加广泛，能够 更好地影响和改变相关企业的相关生产环节，可以大幅度的提高企业的生产效益。 关键词：标记打印机，直线感应电机，单片机，仿真 沈阳工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho np r i n tm e m b e ro ft h e m a r k i n g p r i n t e rb a s e d o nl i n e a rm o t o r a b s t r a c t i n d u s t r ys t y l u sm o v e m e n t i sak i n do f e l e c t r o m e c h a n i c a le q u i p m e n t ，w h i c hi su s e df o rt h e m a r k i n ga n dp r e v e n t i o nt of o r g e r yo ft h ep r o d u c t s ，c o m b i n i n gt h et e c h n o l o g yo fm a c h i n e r y ， e l e c t r o n i c sa n d c o m p u t e r i na n o r g a n i cw h o l e i nr e c e n ty e a r s i ti sw i d e l y u s e di n t ot h ei n d u s t r y o fm a c h i n i n gm a n u f a c t u r i n gb e c a u s eo fi t s l a r g ec a p a c i t y ，p o w e r f u lf u n c t i o na sw e l la si t s d i f f i c u l t yt ob em o d e l e dt ot y p e a c c o r d i n gt ot h es y n t h e s i so fc o u n t r yi n s i d ea n do u t s i d e t e c h n i q u et r e n d sa n d t h ea n a l y s i sa b o u tt h ew o r k i n gc a p a b i f i t yo fs j 一7 10 0p n e u m a t i ci n d u s t r y s t y l u sm o v e m e n th e a d ( d t b k l6 0 2 1 ) w h i c hs h a n g h a is h e r l j i a nn u m e r i c a lc o n t r o le n t e r p r i s e p r o d u c e ，w eb r i n gf o r w a r dt h ed e v e l o p m e n to fn e w - s t y l em u l f i f u n c t i o n a li n d u s t r ys t y l u s m o v e m e n tb a s e do nt h e p r o p u l s i o n o f t u b u l a rl i n e a ri n d u c t i o nm o t o r i nt h e p a p e r , o p e r a t i n gp r i n c i p l e s o f e x i s t i n g s j - 7 1 0 0p n e u m a t i c i n d u s t r ys t y l u s m o v e m e n ta r ep r e s e n t e d ，e a c hs e g m e n to fw o r k i n gp r o c e s s e so fp n e u m a t i ci n d u s t r ys t y l l l s m o v e m e n t sh e a da 船a n a l y z e d t h em o t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dm a r k i n gd e p t ha r et e s t e d 研山 u s i n gt h ep c l - 8 1 2 p g m u l t i f u n c t i o n a ld a t aa c q u i s i t i o nc a r da n dt h eq h 8 5 0 0d i s p l a c e m e n t s e n s o r , i t sm o t i o nc h a r a c t e r i s t i ci sa n a l y z e db y t h ed a t ao f u t i l i z i n gt e s ta n dc a l c u l a t i o n , g e t t i n g s o m ec o n c l u s i o n sa b o u ti tm o t i o nc h a r a c t e r i s t i c a n dm a k i n gu s eo fm a t l a bs o f t w a r ef i tr u l e c u r v ew h i c hv a r i o u sm o t i o nl a wc h a n g ew i t hg a sp r e s s u r e t h e s ec o n c l u s i o n si n s t r u c tt h e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r y s t y l u sm o v e m e n tf r o d u c tb a s e d o nl i n e a r m o t o r ， a c t u a t i n gd e v i c eo fi n d u s t r ys t y l u sm o v e m e n t h c a di sat u b u l a rl i n e a ri n d u c t i o nm o t o rw h i c h t a k eo nl i n e a rv i b r a t i o nf u n c t i o n a lp r i n c i p l e ，i tp r o c e e ds t r u c t u r a ld e s i g nf o rt h es c h e m eo fn e w f u n c t i o n a lp r i n c i p l e u n d e rt h es i t u a t i o no fb u i l d i n gm a t h e m a t i c a lm o d e lo fi n d u s ws t y l u s m o v e m e n th e a dm o t i o nb yd r i v i n gl i n e a ri n d u c t i o nm o t o r ，t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nv a r i o u s p a r a m e t e r so fe l e c l r o m a g n e t i cf i e l da n dm o t o rw o r k i n gp r o c e s s e sa r ee x p l a i n e d ，t h es i t u a t i o n s t h a tv a r i o u sm o t i o np a r a m e t e r si n f l u e n c eo np e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e d a c c o r d i n gt oe v e r y c o n t r o lp r i n c i p l ea n dc o n t r o ls t r a t e g y ，w ep u tf o r w a r da cf r e q u e n c yc o n v e r s i o na n dt i m i n g 2 沈阳工业大学硕士学位论文 c o n g o ls t r a t e g yo fl m e a ri n d u c t i o nm o m h d e s i g nc o n t r o lc i r c u i t r yd i a g r a m h s em a t l a bt o c o m p u t e re m u l a t i o na n a l y s i s a n dg e tt h ea c c o r d a n tr e s e t sw i t ip n e u m a t i ci n d u s t r ys t y l u s m o v e m e n t ，t h e r e b yi t i s p r o v e dt h a te 虹s t l n gm e c h a n i c a la n dc o n t r o lp r o g r a m sa r ef e a s i b l e ， p m v i d m g t h et h e o r e t i c a la n dd a t ar e f e r e n c ef o rf u t h e re x p e r i m e n t t h ed e v e l o p m e n t si n d u s t r ys t y l u sm o v e m e n tg r o u n d e do i ln e w p r i n c i p l em a k ei ta p p l y m u c hm o r ec o n v e n i e n t l ya n da b r o a de x t e n s i o n , s oc a l li m p a c ta n dc h a n g eb e t t e rc o r r e l a t i v e m a n u f a c t u r i n gs e g m e n t so fi n t e r r e l a t e de n t e r p r i s e s ，i m p r o v i n gg r e a t l yp r o d u c t i o nb e n e f i to f e n t e r p r i s e k e yw o r d s ：m a r k i n gp r i n t e r , l i n e a rm o t o r , s i n g l ec h i p ，s i m u l a t i o n 一3 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：查壁坚日期：塑! ：! ! ：! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：查壅竖导师签名：磋壑丝日期：堡! ：坚：! ! 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 随着社会的发展，产品的质量越来越受到人们的重视。质量是企业的生命，各个企 业都在加强产品质量的管理，从而提高企业的竞争力。在企业产品质量的管理工作中， 很重要的一条就是对产品寿命的预测和质量跟踪的服务。这就要求在一些重要的零部件 表面上有唯一的标识，以便对其进行有效的跟踪服务和管理，确保产品的质量，从而满 足现代质量管理体系的要求。同时有了唯一标识后，企业可以对零部件的性能、使用寿 命等参数等进行准确的评价，从而改进产品质量。另外，随着市场经济的发展，商品竞 争已经成为必然，一些假冒伪劣产品势必要鱼目混珠，乘隙而入。为了辨别产品的真 伪，维护企业的质量信誉，也有必要在产品的表面进行标记f l j 。 1 2 标记打印机发展动态 1 2 1 气动标记打印机的特点 虽然通过文献检索没有发现有关气动标记打印机打印头方面的文献资料，但从现有 检索的文献资料来看，气动标记打印机属于气动冲击设备 2 。】，如：气动冲击锤、射钉 枪、气动矛、凿岩机等，它们都是利用压缩空气作动力来实现做功。有关气动冲击设备 方面的研究有很多，这方面的资料也比较多。不同的是气动标记打印机又和其他的气动 冲击设备如凿岩机、气动矛、气动冲击锤等又有所区别，和这些冲击设备相比，气动标 记打印机体积小、重量轻、精度高、冲击频率高等特点，因此它又有别于一般的气动冲 击设备。 为了弥补上述方法的不足，适应现代化生产的需要，1 9 8 8 年加拿大的伊斯沃公司 研制并成功生产出第一台气动标记打印机【5 1 。它是一种全新的标记打印新工艺，它集机 械、电子、计算机等技术于一体。由于其应用范围广、容量大、功能强，从而使其成为 标记打印中的佼佼者，它可在凸面、凹面、圆柱型的本体上( 包括铭牌) 打印直线或圆 弧型的文字或图形，并且可与p c 机和p l c 联接进行大面积和复杂图形的打印。与传统 标记打印工艺( 字模冲压、电化学腐蚀、电火花腐蚀) 及激光标记打印机 6 】相比，气动 标记打印机有下歹0 特点： 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 计算机控制整个打印过程，标记规范、美观： ( 2 ) 打印深度可达o 1 2 r n m ，能够满足各种深度的要求； ( 3 ) 打印速度快，每秒钟可达3 个字符以上，能够满足大批量生产的需要； ( 4 ) 操作维护十分方便、简单； ( 5 ) 除了噪声外，对环境没有污染： ( 6 ) 可在计算机控制下进行复杂图形的标记打印； ( 7 ) 平均无故障率工作时问可达1 0 0 0 0 小时。 除了以上的这些特点外，气动标记打印机之所以受到广大用户欢迎，还在于它所独 有的防伪功能。首先是它所打印的标记易于识别，其次是打印设备和标记本身的唯“陛 无法仿制。以上这些对于辨别零部件的真伪，维护企业的质量信誉是相当重要的。因此 气动标记打印机一问世，便深受工业界的欢迎。目前像美国、日本、意大利、法国、德 国等国家的通用、福特、克莱斯勒、丰田、本田、菲亚特、奔驰、标致、雪铁龙等汽 车、摩托车制造厂均都大量采用这种标记工艺。近年来，在我国汽车、摩托车行业如： 一汽、东风、神龙、力帆等一些大、中、小型企业中也得到了大量的应用。 1 2 2 电动标记打印机国内外技术发展的动态 气动标记打印机是一种全新的机电一体化产品，它最初是由加拿大的伊斯沃公司生 产的，之后也有不少厂家如：美国的s c h m i d t 公司【”、s o s s n e r 公司例、法国的 t e c h n i f o r 公司【9 l 、英国的e t c h - m a r k 公司【1 0 ，国内的厂家有：重庆伊斯沃数控设备有限 公司( 加拿大伊斯沃公司的分公司) i i l l 、武汉嘉铭激光有限公司【】2 1 、上海申坚数控技术 有限公司、沈阳飞捷电子研究所等一些厂家。 但是因为气体驱动技术的一些缺点，在许多场合都是气动标记打印机不能适用的。 由于标记打印机的最初技术是从国外引进的，另外它是一种新产品。现有的有重庆伊斯 沃数控设备有限公司、上海菲克苏工具有限公司等开发的利用低电压在打标液的作用下 使金属表面局部离子化的技术，可在导电的金属表面印上的任意图案或文字的金属电印 标记打印机，其使用的打标液是一种可以电离金属的电解液。法国的t e c h n i f o r 公司p j 、 英国的e t c h - m a r k 公司【1 0 l 开发了利用铣削原理在金属表面刻印文字和图案的标记打印 机。国内虽然有不少厂家生产标记打印机，但是主要都是气动标记打印机。在电动冲击 2 沈阳工业大学硕士学位论文 标记打印机开发利用方面仍然是一片空白。开发不靠气体驱动电动标记打印机是当前迫 切的任务，也有较大的市场需求1 6 1 9 】。 1 3 直线电机的发展和应用 1 3 1 直线电机的发展和演变 直线电机是一种将电能直接转变成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的 传动装置。直线电机的发展经历了漫长的历史，据有关文献最早可追溯到1 8 4 0 年惠斯 特开始提出和制作的略具雏形但并不成功的直线电机。直线电机的发展经历了探索实 验、开发应用和实用商品化三个时期、2 3 1 。 ( 1 ) 探索实验时期( 1 8 4 0 1 9 5 5 年) 从1 8 4 0 年到1 9 5 5 年，直线电机从设想到实验到部分实验性应用，经历了一个不断 探索，屡遭失败的过程。1 8 9 5 曾发表了关于直线电机用在织布机上的专利，这也是有 关直线电机最早的一个专利。1 9 0 5 年，也有人曾提出用直线电机作为机车的推进机构 的想法。但这两者都停留在试验论证阶段。1 9 1 7 年出现了第一台圆筒型直线电动机， 人们试图把它作为导弹发射装置，但其发展并没有超出模型阶段。在以后很长的段时 间内，科研人员致力于将直线电机理论及各种设想模型予以证实的工作，即实验研究工 作，虽有少量的研究成果，但都未超出试验阶段。 从美国专利上看，二十世纪三、四十年代，直线电机进入实验研究阶段，科研人员 获取了大量的实验数据，从而对己有理论有了更深一层的认识，奠定了直线电机在以后 的应用基础。 从1 9 4 0 1 9 5 5 年期间，世界一些发达国家的科研人员，在实验的基础上，又进行 了一些实验应用工作，如直线电机牵引的飞机弹射器、电磁泵、发射导弹器。 直线电机的发展与当时社会的生产力水平有着密切的关系。其发展缓慢主要有以下 几个方面的原因： 1 ) 直线电机的电磁气隙与极距的比值通常高予相应的旋转电机，导致其激磁电流较 大。另外由于铁芯两端开断，存在着特有的边缘效应，使得直线电机的效率和功率因数 比同容量旋转电机的低。而当时的传统概念是以效率和功率因数来衡量电机的，因此， 传统观念牢固地束缚了直线电机的应用。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 ) 当时的工业发展只是用机械装置来代替手工操作，并不把降低成本、节能等作 为更高的要求，而直线电机均可用相应的旋转电机加上传动机构来代替，没有找到直线 电机独特的适用领域。 3 ) 直线电机的应用总是和自动控制技术及其控制元器件有关。当时的开关技术水 平低下，电气系统的成本太高，因此，不完善控制线路及其装置费用成为它发展的障 碍。 4 ) 直线电机理论发展缓慢。由于它的独特结构，使其存在着旋转电机所没有的边 缘效应，这样，旋转电机的理论不能赢接应用到直线电机上，而且直线电机的设计过程 仍然存在很多缺陷，因此无法对直线电机的应用起到促进和预见作用，使得人们对直线 电机一度失去信，t j , t 2 4 1 。 ( 2 ) 开发应用期( 1 9 5 6 1 9 7 0 年) 二十世纪五十年代以来，科学技术水平的发展带动了半导体技术和自动控制技术的 飞速发展，新型控制元器件的不断出现为直线电机的广泛应用打开了方便之门。人们的 观念也发生了变化，认为直线电机的较低效率可以用增加整个装置的传动效率来补偿， 在不连续使用的情况下，效率退居第二位，整个装置的简单和经济显示了直线电机的优 越。人们观念的改变更促进了直线电机的发展。 到1 9 6 5 年以后，随着控制技术和材料性能的显著提高，应用直线电机的实用设备 被逐步开发出来。例如采用直线电机的磁流体( m i i d ) 泵、自动绘图仪、磁头定位驱 动装置、电唱机、缝纫机、空气压缩机、输送装置等。 ( 3 ) 实用商品时期( 1 9 7 1 年至今) 这一时期，直线电机进入了独立的应用时代。直线电机主要应用于三个方面：一是 应用于自动控制系统，这类应用场合比较多：其次是作为长期连续运行的驱动电机；三 是应用在需要短时间、短距离内提供巨大的直线运动能的装置中。 高速磁悬浮列车是直线电机实际应用的最典型的例子，目前，美、英、日、法、 德、加拿大等国都在研制直线悬浮列车，其中日本进展最快。 直线电机驱动的电梯世界上第一台使用直线电机驱动的电梯是1 9 9 0 年4 月安装于 日本东京都关岛区万世大楼，该电梯载重6 0 0 k g ，速度为1 0 5 m m i n ，提升高度为 4 沈阳工业大学硕士学位论文 2 2 9 m 。由于直线电机驱动的电梯没有曳引机组，因而建筑物顶的机房可省略。如果建 筑物的高度增至1 0 0 0 米左右，就必须使用无钢丝绳电梯，这种电梯采用高温超导技术 的直线电机驱动，线圈装在井道中。车厢外装有高性能永磁材料，就如磁悬浮列车。 样，采用无线电波或光控技术控制2 ”。 超高速电动机在旋转超过某一极限时，采用滚动轴承的电动机就会产生烧结、损坏 现象。为此近年来，国外研制了一种直线悬浮电动机( 电磁轴承) ，采用悬浮技术使电 机的动子悬浮在空中，消除了动予和定子之间的机械接触和摩擦阻力，其转速可达 2 5 0 0 0 1 0 0 0 0 0 r m h l 以上，因而在高速电动机和高速主轴部件上得到广泛的应用。如f l 本安川公司新近研制的多工序自动数控车床用5 轴可控式电磁高速主轴采用两个经向电 磁轴承和一个轴向推力电磁轴承，可在任意方向上承受机床的负载。在轴的中问，除配 有高速电动机以外，还配有与多工序自动数控车床相适应的工具自动交换机构。 世界各国出现了许多直线电机的产品，它们不仅广泛应用于工业生产中，而且也逐 步进入到人们的日常生活中。例如：工件传送车；螺线管( a c t u a t o r s ) 单臂吊车，电动 门，窗帘机等。在运输方面，作为推进装置，已在许多国家应用到了运输车辆系统之 中。同时，直线式的特种电机也在不断发展，广泛应用于自动绘图仪、扫描式记录仪、 直线式电位器等新的领域。 近年来，直线电机的发展主要有以下几个方面的特点吲： 1 ) 直线电机新产品研制较多。如日本古河电气公司研制的超导直线电机；美国柏 特鲁玛机电公司研制的微步距直线电机；重庆再力机电控制研究所研制的5 7 b y o 型直 线当量电机等。 2 ) 新原理直线电机不断出现。近年来随着电子技术的发展，办公、家庭自动化设 备等的迅速发展，使得新原理直线电机的应用获得很大进展。如日本电气公司( n e c ) 研制的压电驱动式直线电机；日本东京新生工业公司开始实用化研究的超声波赢线电 机，还有薄膜直线电机等相继出现。 3 ) 微特型直线电机发展较快。随着自动控制技术和微型计算机应用的发展，用在 计算机外围设备、自动化仪器仪表、以及需要直线位移及运动的机械设备中的微特型直 一5 - 沈阳工业大学硕士学位论文 线电机，由于其具有精度高、反应灵敏、快速等特点，使得仪器设备总体结构简单，体 积小，成本低，因而，微特型直线电机是一种大有发展前途的直线电机。 4 ) 直线电机在交通运输业、建筑业中的应用和研究正在兴起。如德国研究的常导 吸浮型磁悬浮列车、日本研究的超导斥浮型磁悬浮列车都实现了试验运行；上海浦东磁 悬浮列车线采用德国技术，建成后将成为世界上第一条商业运行线。在直线电机驱动的 电梯方面，日本进行了大量的研究，并有产品已实用化。 5 ) 直线电机理论发展也取得了很大的发展，在直线电机的电磁场理论研究和控制 策略的研究方面的文章有陆续报导。 近年来，随着自动控制技术和微型计算机的高速发展，对各类自动控制系统的定位 精度提出了更高的要求，在这种情况下，传统的旋转电机再加上一套变换机构组成的直 线运动驱动装置，已经远不能满足现代控制系统的要求，为此，近年来世界许多国家都 在研究、发展和应用直线电机，使得直线电机的应用领域越来越广。通常可以认为直线 电机是从普通旋转电机演变而来，将旋转电机的圆筒型定子、转子沿轴向剖开拉直，就 形成了平板型机构的直线电机，再将扁平的初级、次级卷绕在一根与磁场运动方向平行 的轴上，即可得到圆筒型直线电机口司。其演变过程如图1 1 所示。 nsns日s丑s 图1 1 旋转电机到直线电机的演变过程 原理上，直线电机的种类可以与各种旋转电机相对应，包括本文中所用到的直线感 应电机，其电磁场理论和控制理论都是从旋转电机发展而来的。在实际上直线电机几乎 全部工作在电动机状态，一般不作为发电机，因此，通常意义上所说的直线电机主要是 指直线电动机。 6 沈阳工业大学硕士学位论文 1 3 2 直线电机在国内的应用 我国直线电机的研究和应用发展是从二十世纪七十年代开始的。七十年代比较热， 八十年代后期至今又有较大发展。现在国内己出现了支直线电机的开发、研究队伍， 一些大专院校、科研单位和工厂积极开展了各类直线电机的基本理论和开发应用的研 究。自从1 9 8 2 年开始，全国直线电机学术会议定期召开，会上既有论文的交流，也有 新成果的展现。我国在直线电机的应用上也取得了可喜的成果，例如浙江大学的直线电 机窗帘机、直线电机冲床、圆盘直线电机驱动并利用其电磁内热的炒茶机、西安交通大 学的一种新型电磁打泊机、上海工业大学的浮法玻璃生产用的直线电机、直线电机驱动 的自动门、西南交通大学的磁悬浮列车等等，关于直线电机的应用，国内己有许多项专 利。在理论研究上，发表了不少文章，出版了一些书籍1 2 5 1 。 我国直线电机研究虽然也取得了一些成绩，但和国外相比，在推广应用方面尚存在 很大差距。因此拓宽直线电机的应用范围，将其应用到标记打印机上具有广阔的市场前 景和巨大的社会效益，迫切需要我国科研人员在直线电机的设计、优化和控制方面做深 入的研究。 1 4 本课题的选题意义和研究重点 就标记打印机的发展来看，从它的诞生到现在不到短短1 5 年的时间内，标记打印 机已经从无到有再到现在的实际生产应用，经历了较快的发展，可见其具有较强的生命 力。 试想在一个要求高效率和高质量j j n n - n 造生产的企业中，如果没有标记打印机而仅 仅靠手工方法去对产品进行标记，其企业的生产节拍肯定会下降，废品率也会大大增 加，而且标记内容的准确性、可靠性和标记的美观性都要下降。再者，工作人员可通过 计算机很方便的对欲打印的内容进行修改，而如果换成字模冲压法或者化学腐蚀法来对 产品进行标记，这期间必须经过模具的设计、制造等过程。这些方法效率很低，而且有 些复杂的图形根本就很难实现，因此不能满足企业大批大量生产的需要和柔性化生产的 需要。 标记打印机虽然经历了较快的发展，但是在现有的工业气动标记打印机中，打印针 在压缩空气的推动下作高频往复冲击运动，可在工件上标刻所要求的打印标记。但气动 7 沈阳1 业大学硕士学位论文 标记打印机需要空气压缩机来支持，每次工作前要先对空气压缩机进行充气，在压缩空 气过程中空压机工作噪音大，操作不便，且工作后保养复杂。打印机工作噪音大，空气 的可压缩性大，使得工作部件运动速度的稳定性差，难以获得精确的冲击速度。由于气 压的波动而造成工作频率和行程波动大，影响打印质量。空气压缩机和气动标记打印机 对工况要求高，它要求在清洁、干燥、通风良好的场所使用。空气压缩机体积较大、不 易携带，如果在野外施工作业或是工作场所具有流动性、工况复杂多变( 如高湿度，高 粉尘) 则气动标记打印机的使用就会极其不便，使用范围也受到限制【2 l 。 因此有必要对气动标记打印机打印头的工作原理和其性能进行分析和研究，并且利 用新的原理开发出新型实用的标记打印机。直线电机在工业标记打印机的开发和应用领 域还未曾得到过应用，因此根据圆筒型直线感应电机的这些特点，选择它作为电动标记 打印机打印头的驱动装置，具有广泛的社会效益和经济效益。 标记打印机的性能优劣受制于打印头中的运动规律，打印头的运动规律受到多种因 素的影响，但由于气动标记打印机的工作原理有别于其他的气动冲击设备如：气镐、气 动凿岩机、气动矛、气动冲击锤等冲击设备，但又有其独有的特点，因此需要运用动力 学和气体动力学原理从理论上对打印头的工作原理进行分析和研究，这是本文研究的重 点之一。 本文采用计算机、位移传感器和p c l - 8 1 2 p g 多功能数据采集卡组成的测试系统对 上海申坚数控技术公司生产的s j - 7 1 0 0 气动标记打印机的打印头( d 髓k 1 6 0 2 1 ) 的运动 过程进行测试，然后将处理后的数据和理论分析的结果进行比较，进一步分析各个参数 对工作过程的影响，这是本文研究的重点之二。 利用测试和计算所得的数据，对其运动特性做出分析，利用这些结论来指导基于直 线电机的标记打印机产品的研制和开发，选择具有直线往复运动功能原理的圆筒型直线 感应电机作为标记打印机打印头的驱动装置，分析了其应用的可行性，对其应用方案进 行的了结构设计，这是本文研究的重点之三。 直线感应电机驱动的标记打印机打印头受到机械力和电磁力的作用，本文根据直线 电机运动中的电压平衡原理和驱动力平衡原理方程，利用微积分的方法推导出其运动参 数的数学表达式，建立了打印头工作运动的数学模型，分析了各个运动参数对性能的影 8 沈阳工业大学硕士学位论文 响情况。根据各种控制原理和控制策略，提出了直线感应电机驱动的标记打印机打印头 的控制方案，设计了控制电路框图，利用m m l a b 进行了计算机仿真分析，这是本文研 究的重点之四。 9 一 沈阳工业大学硕士学位论文 2 气动标记打印机性能测试实验与数据采集 2 1 气动标记打印机的概述和组成 气动标s p , ：t t f p 机是一种用来在产品零部件表面进行标记的一种集机械、电子、计算 机和数控技术为一体的机电一体化产品，主要应用在自动化工业生产中，如：汽车、摩 托车、航天航空等领域。它可以在各种零部件上打印中英文字符、图形，作为零部件的 流水号和其它标记符号。也可以按照用户的需要设计并打印空心字、美术字、制作铭牌 等。能适用于钢、铝、铜、塑料等材料的打印。 传统的工业零部件标识方法一般有：字模冲压法、电化学腐蚀法、电火花加工法、 激光刻印法。以上这些方法中，字模冲压法需要模具的设计、制造、工艺等过程，其标 记的速度比较低，标记内容不整齐美观，废品率比较高，成本也比较高。其模具制造完 成后，灵活性比较差。 电化学腐蚀法虽然比较灵活，也能对一些细小零部件进行标记，但是其标记周期也 较长，特别是模板制作周期比较长，标记内容很容易被磨损、修改，防伪性差，不适合 在塑料、橡胶、皮革等非金属材料上标记。采用电化学腐蚀对零部件进行标记时，化学 药液容易对人体和环境造成污染。 激光标记打印机1 4 具有操作简单易学，应用灵活方便，防伪性强，标识i n 容复杂， 标识精度高和在非接触情况下进行标识等特点，但是由于激光器的造价很高，一般的中 小型企业为了节约成本，往往不愿意采用它。因此，除对特殊材料如：金刚石、硬质合 金或对打印深度无特殊要求的场合外，这一方法未能得到全面的普及和推广。 气动标记打印机的主要优点有【l 5 】： ( 1 ) 计算机控制，打印过程自动进行，打印标记规范、美观。 ( 2 ) 打印针冲击频率高，打印速度快，适合大批量生产。 ( 3 ) 打印深度可达2 m m ，满足各种深度标识的需要，标识内容持久可靠。 ( 4 ) 打印针打印时每次冲击力小，工件不变形，没有热损伤。 ( 5 ) 系统性能稳定，操作安全可靠。 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 气动标记打印机标准配置连接如图2 1 所示( 图2 ，2 为气动标记打印机实物样机照 片) 。它是由个人微型计算机( p c - - 4 8 6 以上) 、p c 总线数控卡、控制执行系统、步进 电机及驱动器、电源( 2 2 0 v 、5 0 h z ) 、气源( 0 3 0 7 m p a 表压) 和打印头等部件所 构成l j 4 j 。 图2 1 标准配置气动打印机连接图 图2 2 气动标记打印机样机 图2 3 是气动标记打印机的结构框图。气动标记打印机的工作过程如下：在打印机 专用软件的控制下，通过对步进电机驱动器进行驱动，x 与y 方向的步进电机按照一定 沈阳工业大学硕士学位论文 的轨迹带动打印头在x y 平面内运动。打印针在压缩空气的推动下做高频微冲击运 动，即可在工件上准确、清晰地打印出所设计的打印标记。对于打印标记的内容( 包括 中英文字符、图形等) ，在软件系统的支持下，由操作者在主控微机上进行编辑、修改 和预览，在达到预期的效果后，即可进行打印1 6 1 。 图2 3 气动标记打印机结构框图 例如，若想在零部件表面刻上内容为“1 2 ”的标记，工作人员应首先调整打印头距 离零件表面的高度，然后通过计算机控制x 、y 两步进电机从零点运动到欲打印内容的 起始位置，这时在计算机控制下，电磁阀打开( 电磁阀现在状态为“关”) ，打印针便 在气体压力作用下开始上下往复运动，与此同时，x 、y 两步进电机在x - - y 平面内带 动打印头走出“l ”的轨迹，在步进电机完成“l ”的轨迹后，电磁阀关闭，然后步进电 机移动到“2 ”的打印起点上，计算机打开电磁阀，打印针又开始上下往复运动，步进 电机在x y 平面内按照“2 ”的轨迹进行运动，当其完成“2 ”的轨迹后，电磁阀关 闭，步迸电机回零。这样以来，内容为“1 2 ”的标记就刻印在零部件的表面上了，具体 的字体还可以选取。 1 2 沈阳工业大学硕士学位论文 2 2 气动标记打印机打印部件 打印头是气动标记打印机最主要的核心部件之一，属于高频、低冲击能量的较典型 的气动冲击设备，它是一种将气体的压力能转换为打印针冲击能的气动冲击设备2 0 1 。图 2 4 分别为气动标记打印机j ： - e p 头装配图。 图2 4 的装配图可以看到，打印头主要由以下几个部分组成：1 、输气管2 、管接头 3 、密封圈4 、针座5 、支架6 、排气孔7 、弹簧8 、轴承等部分组成。 图2 4 打印头装配图 它的工作过程是这样的：由气源里面来的高压气体在电磁气阀的控制下，通过输气管道 和管接头进入打印头的b 腔，在高压作用下，打印针获得一个较高的速度，从而向下做 冲击运动，气体经c 腔和排气孔排出打印头。由于弹簧的作用，打印针到达一定的位置 后就停止运动。之后，打印针又在弹簧的作用下返回。 研究气动打印头的工作特性和运动学，动力学参数规律，为开发电动标记打印机提 供参考和指导，必须有具体实验来测试现有s j 一7 1 0 0 标记打印机的性能参数。本章将利 1 3 沈阳工业大学硕士学位论文 用计算机、q h 8 5 0 0 位移传感器、p c l 8 1 2 p g 数据采集卡对打印头系统的运动过程即打 印针的位移进行实验分析。测得的位移变化曲线和与速度曲线，因此可以在设计和生产 中来参考测试的结果。 2 3 打印部件性能测试实验 2 3 1 钡试系统组成原件和方法 从厂商提供的信息来看冲击频率很高，位移变化范围不是很大，这样就要求测试系 统的采样频率足够大，对于位移传感器而言，要求其有一定的测试精度。根据上述要 求，该测试系统包括以下四个部分：空气压缩机，用来固定打印头的支架，位移传感 器，数据转换及其传输系统。 根据系统的要求，测试时将储气罐中的气压调节到一定的数值，然后打开阀门，打 印针将在气体压力的作用下做上下运动。但由于打印针的直径和质量都很小，所以，应 在打印针的头部固定一个质量很轻的金属圆片，在其运动时，打印针将带动该金属圆片 也随之上下运动，引起传感器的响应，从而获取打印针位移变化的数据。 根据实验室现有的实验设备，结合实际，本文选取p c l - 8 1 2 p g 数据采集卡和清华 大学生产的q h 8 5 0 0 系列位移传感器作为位移测试和数据转换的主要实验设备【2 ”。 ( 1 ) p c l 8 1 2 p g 数据采集卡的工作原理和性能参数 p c l 8 1 2 p g 数据采集卡( 图2 5 ) 是台湾研华公司生产的一种高速、高性能的多功 能数据采集卡。在w i n d o w s 操作系统下，通过v b 、v c 、d e l p h i 等高级语言可直接对 其端口进行控制，从而实现信号的输入、输出以及数据采集和运动控制等多项功能。它 的主要特性如下 4 2 】： 1 ) 1 6 个1 2 位单端模拟量输入端口； 2 ) 两个1 2 位的模拟量输出端口； 3 ) 可编程采样速率最高可达到3 0 k h z ： 4 ) 可通过d m a 方式或中断方式进行a d 转换； 5 ) 1 6 个数字量输出端口。 - 1 4 - 沈阳工业大学硕士学位论文 种 图2 5p c l - 8 1 2 p g 数据采集卡 ( 2 ) q h 一8 5 0 0 系列电涡流传感器工作原理和性能参数m 】 q h - 8 5 0 0 系列电涡流传感器( 图2 6 ) 是清华大学精密仪器与机械学系生产的 图2 6 位移传感器 非接触式的电涡流位移传感器h 5 1 ，它具有灵敏度高、频率响应好、线性范围大、结构尺 寸小、对环境温度及介质影响不敏感、使用寿命长等特点。 它的主要技术指标如下： 1 ) 量程：1 2 m m ，灵敏度：0 8 m v u m ； 2 ) 线性度：1 o ； 3 ) 温漂：0 1 ； 4 ) 频响：0 5 k h z ； 1 5 - 沈阳工业大学硕士学位论文 5 ) 使用环境：温度一3 0 。c + 1 7 0 。c ，湿度：9 5 。 电涡流传感器就是能静态和动态地非接触，高线性度，高分辨力地测量被测金属导 体距探头表面的距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流位移传感器能准确测 量被测物体( 必须是金属导体) 与探头端面之间的静态和动态距离及其变化。其工作原 理如下图2 7 所示： 被测体 图2 7 电涡流传感器工作原理 探头、( 延伸电缆) 、前置器以及被测体构成基本工作系统。前置器中高频振荡电流 通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。电涡流传感器工作 时【4 ”，其探头中的线圈带有高频电流，由此产生高频电磁场，当探头接近被测的金属表 面时便产生感应电流。该感应电流不但和被测金属的电导率、磁导率有关，也与线i 翻的 几何形状、几何尺寸、电流频率等参数有关。传感器线圈与被测金属间的距离变化可转 换为线圈品质因素、等效电感和等效阻抗三个参数的变化，因而可通过专用的测量电路 将被测金属相对于传感器的距离变化转换为与之成一定比例关系的电压值或电流值，从 而达到测量被测物体位移变化的目的。电涡流传感器就是根据这一工作原理实现对金属 物体的位移、振动等的测量的1 4 。 2 3 2 测试方案的选定 数据采集卡和位移传感器的使用方法比较简单。对于数据采集卡来说，其内部的信 号转换及放大电路已经做了很好的集成，使用时只需将该卡上面的地址进行分配后插入 计算机的i s a 卡插槽并安装驱动程序即可使用f 4 8 1 。位移传感器也做了假好的集成，使用 1 6 - 沈阳工业大学硕士学位论文 时将其探头固定，然后用直流稳压器为其提供电源。整个实验的流程图如图2 8 ，实验 装置如图2 9 ： 图2 8 数据采集流程图 图2 9 实验装置照片 - 1 7 沈阳t 业人学硕士学位论文 2 4 数据的采集及其处理 2 4 1 传感器的标定 q h 8 5 0 0 位移传感器要求调试时采用4 5 号钢作为钡4 靶，如果被测金属为其它金属 则需重新标定传感器的输出特性。在本实验中，采用的传感器的测试范围为1 0 r r m a ，由 于被测的金属为锡箔片，在使用前进行标定。 标定即校准【4 5 j ，是测量系统卜确使用的一个重要步骤。校准，就是在规定条件下， 为确立测量仪器仪表或测量系统的示值或实物量具所体现的值与被测量相对应的已知值 之间关系的操作。简单地说，就是用标准件( 或标准仪器) 在被校准的仪器示值范围 内，给出若干个标准量值输人到仪器，记录并得到标准量与仪器实际测量值之间的关系 曲线( 称为校准曲线) ，从而得到标定曲线的工作段起始点( 或原点) 、线性范围以及 线性段的灵敏度。表2 1 为实际测量时所标