（电路与系统专业论文）在线工业标记打印机的研究.pdf

research and development on online industrial mark printer a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by cheng tiehan supervisor: prof. liu xiaoming major: circuit and system college of communication engineering of chongqing university , chongqing, china april, 2008 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i 摘 要 在工业领域中，需要对机械产品的零部件进行有效的管理，在市场上对其进 行识别和质量跟踪，经常需要在产品表面留下如商标、流水号、日期等永久性的 标识。机械零部件上的标记打印在追求美观的同时，要求有一定的打印速度和打 印深度。标记打印能够为企业提供产品的可追溯性，更好地贯彻 iso9001 标准。 由于传统的标记打印在打印效率、美观以及防伪等方面存在问题，不适应现 代化大生产的要求。激光打印技术虽然较好的克服了传统工艺的许多缺点，但激 光器在恶劣的生成现场缺乏长期稳定性的工作特点的制约，不能完全满足实际生 产的需要。鉴于气动标记刻印方法独有的优势，产生了本文对气动标记打印机的 研究。 本文在全面考虑了气动标记打印机的工作特性和系统需求后，提出了以单片 机和 fpga 为驱动核心的标记打印机的整体设计方案。该方案集用户输入、指令 处理、控制、显示、数据通信及脉冲驱动于一体，可以保证系统高效、稳定的实 现项目的所有要求。在设计 fpga 控制器时，采用了优化后的比较积分直线插补 算法使得输出的插补脉冲均匀稳定；在软件方面，开发了一套 pc 工业标记系统软 件，采用了多线程技术和 ttf 矢量字库等技术。从功能上考虑，控制软件主要有 具有本地、远程两种访问模式的记录查询功能、采用多线程管理的检测功能以及 数据通信功能；按照客户的要求实现在线打印具有较高刻印速度和精度的图形、 文本、流水号、日期和 vin 码等；对钢瓶刻印采用了较为简便的模板法和键盘输 入法。该方案充分利用了 fpga 可以高速并行工作的特点，能够高精度平稳的输 出控制脉冲，使打印过程平稳进行。本文最后得出结论，并提出了对后续研究的 一些想法。 整套标记打印系统经过较长时间的运行调试，表现稳定，现已经投放市场。 从生产厂家重庆恒伟精密机械有限公司和客户的反馈信息来看，系统工作稳定， 打印速度达到设计指标，能够在 256 细分下驱动电机平稳快速运动，打印精度高， 达到市场领先水平，得到了客户的充分肯定。 关键词：关键词：气动标记打印机，插补算法，多线程，ttf，在线打印 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ii abstract in industrial fileld, its necessary to carry on effective managements in the production process of spare parts, recognition and quality follow-up in the market. in order to trace the products, we always make some permanent marks on the products, such as trademarks, serial numbers, production date and so on. besides the graceful appearance, we also require the marking celerity and marking depth of the marks on parts. markers can print products for enterprises to provide traceability and implement the iso9001 standard better. since the traditional marking have some problems in print efficiency, appearance and security, it doesnt adapt to the modernized production. thought the laser printer solves those problems, it cant suit the practical production as it cant adapt to the poor production environments and lack of stability. in view of the fact that the air operated mark engraves has unique advantages, i write this article. after considering the operational factor and system demand of air operated mark printer comprehensively, i proposed on the position machine control take the monolithic integrated circuit and fpga as the actuation core mark printer overall design plan. this plan set user input,instruction processing, the control, the demonstration, the data communication and the pulse actuation in, may guarantee the system highly effective, stable realization project all requests. the optimized integration of linear interpolation algorithm and trapezia rate control algorithm are used to implement the fpga controller. while in the software design, we developed a pc software with multithreading and ttf vector font technology. for the functional considerations, the control software has the local/long-distance two kind of visits pattern record inquiry function,uses the multi-thread management the examination function as well as connection data communication function; online print in accordance with the demands of the on-line customers has high print speed and accuracy of the embedded graphics, text, the serial numbers, date and vin codes and so on; to the cylinder, mint-mark has adopted comparatively simple and convenient form board and key-in way. the programme can be taken full advantage of a high-speed parallel fpga characterized the work of the high-precision can smooth the output pulse control, the smooth conduct of the printing process. finally, we draw conclusions,and made follow-up study of some of the ideas. 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 iii after long time running and debugging, the marking system has a stable performance and has been put on the market. the feedback information from both producer chongqing hengwei precision machinery ltd. and the users indicates that the system working stably, the marking speed has met the design requirements. it also can drive the step motor working fast and has a precision at 256 subdivision. the marking system has achieved leading level of the market and has been well received by users. keywords: pneumatic marker printers, interpolation algorithm, multi-thread, ttf, online printing 重庆大学硕士学位论文 目录 iv 目 录 中文摘要中文摘要 . i 英文摘要英文摘要 . ii 1 绪论绪论 . 1 1.1 课题研究的背景及意义课题研究的背景及意义 . 1 1.2 气动打标机研究现状及发展方向气动打标机研究现状及发展方向 . 2 1.2.1 气动打标机的研究现状 . 2 1.2.2 气动打标机的发展方向 . 5 1.2.3 气动打标机相关技术的发展 . 6 1.3 论文的主要工作论文的主要工作 . 7 2 标记系统的基本工作原理与方案设计标记系统的基本工作原理与方案设计 . 8 2.1 系统工作原理系统工作原理 . 8 2.2 系统需求系统需求 . 8 2.3 方案对比方案对比 . 9 2.3.1 pc 机作为控制器 . 9 2.3.2 单片机/数控卡作为外部控制器 . 10 2.3.3 fpga 作为外部控制器 . 10 2.4 系统方案的确定系统方案的确定 . 11 3 标记打印机控制器的设计标记打印机控制器的设计 . 13 3.1 引言引言 . 13 3.2 单片机的数据处理单片机的数据处理 . 13 3.3 fpga 的数据处理的数据处理 . 16 3.3.1 现场可编程门阵列的设计思路 . 17 3.3.2 fpga 实现的功能 . 18 3.4 插补算法插补算法 . 20 3.4.1 插补算法简介 . 20 3.4.2 逐点比较法： . 20 3.4.3 数字积分法 . 22 4 标记打印机控制软件的设计标记打印机控制软件的设计 . 27 4.1 软件需求及总体设计软件需求及总体设计 . 27 4.1.1 软件需求 . 27 4.1.2 软件总体设计 . 27 重庆大学硕士学位论文 目录 v 4.2 矢量字体矢量字体 . 29 4.2.1 ttf 字库简介 . 29 4.2.2 bezier 曲线 . 32 4.2.3 b 样条曲线 . 33 4.2.4 字体显示 . 34 4.3 界面设计界面设计 . 38 4.3.1 拾取图形 . 38 4.3.2 标记编辑 . 40 4.3.3 多国语言界面 . 41 4.3.4 图元文件 . 42 4.4 钢瓶刻印钢瓶刻印 . 43 4.4.1 钢瓶刻印原理 . 43 4.4.2 模板刻印 . 44 4.4.3 键盘输入 . 47 4.5 软件设计其他方面软件设计其他方面 . 48 4.5.1 多线程原理 . 48 4.5.2 打印演示设计 . 49 4.5.3 数据通信与检测 . 50 5 系统误差分析与校正系统误差分析与校正 . 54 5.1 系统误差分析系统误差分析 . 54 5.1.1 次要系统误差 . 54 5.1.2 主要系统误差 . 54 5.2 位置误差校正位置误差校正 . 55 5.3 反转时的误差修正反转时的误差修正 . 56 5.4 开、关气延时的补偿开、关气延时的补偿 . 57 6 总结与展望总结与展望 . 60 6.1 工作总结工作总结 . 60 6.2 后续研究工作的展望后续研究工作的展望 . 61 致致 谢谢 . 62 参考文献参考文献 . 63 附附 录录 . 65 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 绪论 1.1 课题研究的背景及意义 随着我国国民经济的飞速发展，近年来各种工业产品的制造量明显上升，为 了让用户能够方便直观地了解这些产品的基本信息，需要对这些产品进行信息标 示。因此，工业标记技术逐渐成为热门的研究课题。 工业标记技术具体是指在机械成品和半成品加工过程中，为了及时而准确地 识别产品的零部件、标示出产品的相关信息，在产品上标以明显的标志或字符的 技术。随着工业产品种类的增加，工业标记成为机械制造过程的重要工序之一。 过去，在工业产品上标记字符、图形等大多靠手工操作。采用这一方式的最大缺 点是速度慢，图案单调，产品质量难以控制，在复杂的环境下难以进行操作，不 利于现代化操作流程的实现。随着计算机技术、自动控制技术、传动技术及 cad 技术的发展，在成批大量的现代化生产过程中，自动化打标技术己经广泛应用于 工业生产当中。 打标工艺的基本要求是标记字符清晰美观、时间持久。打标的作用是能提高 产品档次，树立品牌形象，有一定防伪作用，同时为企业提供产品的可追溯性 (traceability)，从而更好地贯彻 is09001 标准。打标技术主要应用于机械、汽车、摩 托车、电动车及其零部件，电子、轻工、石化管件等领域。可对钢、铁、铜铝、 塑料等材质的产品零部件及各种铭牌进行标记。较早的工业打标方法有字模冲压、 印刷、电腐蚀等，这几种标记方法不仅效率低、不美观，而且防伪性差，很难达 到同一规格，尤其难以适应现代化大生产的需要12。传统的标记打印方法主要有 以下三种： 字模压印标记机 字模压印标记机出现较早，其原理类似于铅字印刷。主要是经高频淬火热处 理的合金钢字模在外力的作用下，在金属标牌上可以刻印出有一定深度的文字和 简单图案。该方法精度不高，需要的外力较大，容易破坏金属表面的平整度。 金属电印标记机 金属电印标记机同原理的还有电腐蚀、化学腐蚀标记机。这种技术是一种比 较精美的打印标记方法。该技术气源于国外，在上世纪 90 年代由美国、德国和日 本三家生成厂商引入中国市场。此种方法的工作原理是：利用低电压在打标液体 的帮助下，使金属表面全局离子化，几乎可以在任何导电的金属表面印上永不脱 落的任意图案或文字。标记颜色呈黑色或白色，精度高，不会破坏工件平整度。 打印出的标记耐高温和腐蚀。但该方法也存在一定的不足，如打印深度较浅，并 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 2 且只能在表面导电的金属上进行标记打印，加工过程容易造成环境污染，且加工 速度较慢，不适于大批量和流水线加工方式。另外，电印标记机需要使用模板、 打标液等耗材，其使用成本不低，这些都限制了它的应用。 激光打标机 基于以上原因，一种较为先进的激光打标技术在西方一些工业先进国家应运 而生，随后在我国也得到了发展应用。激光打标技术虽然较好地克服了传统工艺 的许多缺点，但由于受到激光器自身缺点的制约，如：激光器本身寿命低、在环 境恶劣的生产现场不能长期稳定地工作等，所以这一方法不能满足生产实际的需 要；同时，由于有色金属对激光的吸收能力较差，所以打印深度浅，除在金刚石 或硬质合金这类特殊材料上应用较多外，都未得到普及推广34。 为弥补上述方法的不足，适应现代化大批量生产发展的需要，出现了一种全 新的工业气动打标技术。从 1988 年开始，这项工艺便被一些西方国家相继采用， 特别是在汽车、摩托车行业得到了迅速推广。像美、日、意、德、法等国的通用、 福特、克莱斯勒、丰田、本田、菲亚特、奔驰、标致、雪铁龙、雅马哈等汽车、 摩托车制造厂，均都大量采用。随着我国经济的高速发展，国内的生产企业也逐 步采用了自动控制的气动打标技术来满足大规模生产的要求，市场对打标机的需 求将越来越大，而且我国是以制造业为主的发展中国家，未来一段时间内打标产 业的市场前景将非常广阔。 与其他打标方式相比，自动控制的气动打标方式由于结构简单，成本低，可 控性好，速度快等特点而受到很多厂商的欢迎，这一技术特别适合于对标记速度 有较严格要求的流水线作业场合，并且能够通过控制气压的大小而方便地控制标 记的深度。然而，当前世界上最先进的气动打标机技术往往源于发达国家。这些 进口品牌的打标机虽然质量较好，但价格和售后服务却使国内的广大中小企业望 而却步；反观国内的气动打标机生产商虽然制造出了价格相对较低的产品，但在 功能上只是单纯地模仿，很多技术并不能达到实际的生产要求，无法保证质量。 因此，在中国生产和推广拥有全套自主知识产权的气动打标机，让广大国内企业 能用上价廉物美又有完善售后服务保障的气动打标机设备成为一项迫切需求。 在这一背景下，本文在气动打标机的研制方面做了一些研究，研制了一种能 够对打标字符进行轨迹优化的在线气动打标机，这对于我国在气动打标机技术上 的研究具有一定的参考价值，同时对打标技术的发展具有一定的意义。 1.2 气动打标机研究现状及发展方向 1.2.1 气动打标机的研究现状 目前在气动打标机的研制上，国外还处于比较领先的地位，从上个世纪 80 年 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 3 代开始，国外的气动打标机技术已经日趋成熟，目前的研究主要集中在打标机软 件和硬件的优化上56。在打标行业内技术领先的公司近期取得的主要研究成果有 以下几个方面： 曲面打标 随着工业产品种类的日趋丰富，需要打标的工件表面形状也开始由单一的平 面变成了曲面。美国 telesis 公司开发研制的 tmp1700 型打标机系统是一种全 自动打标系统，主要用于钢铁及各种非金属材料的打标。tmp1700 不仅能够实现 在平面上打印，而且能够在复杂的曲面上进行打印，图 1.1 为 tmp1700 系统的实 物图。 图 1.1 tmp 1700 实物图 fig.1.1 tmp 1700 physical map 本产品的打标速度可达 50mm/s， 打印深度为 0.07mm0.2mm， 打印范围 38mm 63mm，点密度为 479 个/厘米。 多针头打标 气动打标机目前主要采用单针头打标，随着控制系统的飞速发展，国外厂商 已经研制出了多针头打标机，大大提高了打标效率。其中以美国 telesis 公司研 制的 tmm5400 型打标机最具代表性， 其主要原理是在原有单针头的基础上， 增加 电磁阀数量，每个电磁阀控制一个针头的动作，实现多针头打标。同时，由于需 要控制的电磁阀数量增加，也使得控制程序比单针头打标复杂得多，其实物图如 图 1.2 所示。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 4 图 1.2 tmm5400 型打标机实物图 fig.1.2 tmm5400 marking machine physical map 此打标机采用了 samsung 公司的 s3c44box 处理器， 此处理器使用的是 16/32 位 risc 结构的 arm7tdmi 内核， 工作频率在 66mhz。 具有更快的运行速度和更 大的存储容量，能够更好的满足复杂控制的需求。 2 维条码打标 加拿大 eastward 公司研制开发的 2 维条码气动打标机在标记内容上与一般的 系统有所不同，该系统主要是在工件表面以点阵形式打下二维条码。二维条码是 一种高密度、高信息含量的便携式数据文件；是实现大容量、高可靠性信息自动 存储、携带并可用机器自动识读的理想手段；具有信息容量大、防伪性能好、保 密性好的特点。这一类打标机能够将用户需要标记的信息转换成标准的 data matrix 二维条码打印在工件上，用户可以使用扫描仪将点阵中存储的信息读出来。 图 1.3 为打标实物图，图 1.4 是放大后的点阵效果图。 图 1.3 2 维条码打标实物图 fig.1.3 2-dimensional bar code marking physical map 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 5 图 1.4 放大后的点阵效果图 fig.1.4 larger lattice effect of the plans 与国外的技术相比，国内气动打标机的发展相对滞后，目前研究的成果主要 还是集中在通用型的单针头气动打标机上。国内的生产商也主要是仿造国外公司 的产品，虽然这些产品在价格上相对较低，但是，国内企业更多的是采用进口设 备，因为进口打标机具有技术成熟，运行性能稳定，机型品种多等优势，而国内 生产的机器在各方面还比较落后。目前国内开发的气动打标机种类主要有：气动 针式打标机、气动压印式打标机、气动刻印式打标机等。 1.2.2 气动打标机的发展方向 现代加工技术的飞速发展对工业标记技术提出了更高的要求，设计出数字化、 自动化、 多功能、 高效率、 操作方便的气动打标机设备是现代化生产线的新需求7。 当前，国内外气动打标技术的发展主要有以下三个方向： 数字化、自动化 20 世纪 80 年代以来， 气动打标机的数字化、 自动化成为这一领域的研究热点， 近年来，随着传感技术、电子技术、自动控制技术、计算机技术的发展，现代的 打标机已经进入了计算机控制为主的时代。 数字化自动化的具体表现有：打标过程实时监控和打标工件运行过程的监控 (如对钢管在生产线上的监控)；自动扫描、自动定位和跟踪检测技术在打标机系统 中的应用；能够实时地、自动地修改和处理任意复杂的图形和字符。 多功能、集成化 在现代生产环境下，打标机不仅要能够进行单一形式的打标，还要实现功能 多样化。比如：打标机既要能够打印标准字库中的字符，还要能够打印用户自行 设计的字符图样，并且还能够在一定程度上对点阵字符的打印轨迹进行优化。传 统的点阵打印是按照逐行或逐列扫描的顺序进行的，这样做电机的无效行程就较 多，效率很低。如果能够将点阵字符轨迹进行优化，那么将获得较高的打印效率。 这是打标机发展的一个重要方向。 同时由于在上世纪 80 年代基于 arm 芯片搭建起控制系统架构，使得打标机 体积不断减小，功能越来越强大，集成化越来越高。近年来还出现了手持式气动 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 6 打标机，如图 1.5 所示，这正是气动打标机未来向着集成化方向发展的具体体现。 图 1-5 手持式气动打标机 fig.1.5 handheld pneumatic marking machine 结构简单化、操作界面人性化 随着打标机集成化的提高，很多功能将集中在少数几个模块中实现，气动打 标机的结构也就相对变得越来越简单。 简单化不仅仅体现在硬件的结构方面，同时也体现在软件方面，窗口式的操 作程序、触摸屏等技术使打标机的各种操作更清楚、更容易掌握，这也是当前气 动打标机技术发展的一个方向。而且，针对当前中国庞大的市场，各大打标机生 产企业也紧紧抓住操作界面中文化这一课题，致力于开发符合国人操作习惯的操 作界面。 1.2.3 气动打标机相关技术的发展 在线气动打标机是计算机技术、自动控制技术、机械设计技术、气动技术等 多项技术综合交叉的技术密集型产品。由于近年来这些相关的技术都得到了很大 的发展，因此气动打标机技术也日趋完善。但是纵观国内外气动打标机的研究可 以看出，打标机产品的改进主要是在硬件方面，比如以前打标机的控制部分一般 都采用单片机，近年来随着 arm 和 fpga 技术的发展，单片机的控制方式在打标 机系统中已经逐渐被取代。随着硬件技术的发展，打标机也将逐渐变得越来越集 成化，体积也将越来越小。 但是，在这种情况下打标机软件方面的作用似乎没有被充分发挥出来，各大 生产厂商也更多的是把精力集中在硬件技术的开发上，而忽略了软件技术的开发。 目前很多打标机系统提供给用户的软件界面并不友好，操作也不是很方便，更糟 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 7 糕的是很多软件只是简单的实现了基本的打标功能，而并没有对打标机其他功能 进行充分的挖掘，所以，软件发展的滞后成为了制约气动打标机水平提高的一个 瓶颈。而这一点也不符合打标机未来的多功能化的发展要求，因此打标机在软件 方面的发展空间还是比较大的。比如为了提高打标机的效率，可以对打标机打印 的路径进行一些优化，使打标机能够在更短的时间内完成所有点的打印，这就需 要从软件技术方面做一些优化的工作。所以本文也抓住这一点，主要从软件的角 度对打标机平面打印、钢瓶(曲面)进行了相关的研究，打印采用了优化的数字积分 插补算法，对 ttf 字库进行了一定的研究。 1.3 论文的主要工作 本文通过对目前市场上的标记打印机所表现出的不足，以及当前工业生产对 标记打印的特定需求进行分析，提出了标记打印机系统的整体方案，并设计了一 套气动标记打印机系统。在整个设计开发过程中，我们主要完成以下几个方面的 工作： 对气动标记打印机的研究意义、研究现状及发展进行概述，分析基于单片 机+fpga 的气动标记打印机与通常的气动标记打印机相比的优势。 设计整体方案，并对方案进行论证，提出其可行性及计划安排，进一步提 出单片机和 fpga 的控制器、上位机控制软件的实现方案。 设计出单片机、fpga 控制板，编制控制程序。 完成控制板的调试。 设计出上位机软件，在设计过程中进行调试。 对系统进行优化，找出不足和缺陷并进行改正，对系统误差进行修正。 重庆大学硕士学位论文 2 标记系统的基本工作原理与方案设计 8 2 标记系统的基本工作原理与方案设计 2.1 系统工作原理 工业气动标记控制系统的总体组成8大致如下： 控制装置：是气动标记系统的核心部分，主要由 pc 机和控制器等组成； 打印装置：包括工作台、支架、步进电机、执行机构等组成； 辅助装置：主要指配套部件，包括气源、夹具等； 该系统是一个具有消息反馈的指令控制系统，其方框图如图 2.1 所示。 pc机控制部分执行机构打印针头 气阀 气源 反馈信号 图 2.1 标记打印控制系统框图 f