一种无线直线关节型自动喷印系统的制作方法

本发明属于喷印机技术领域，特别涉及一种无线直线关节型自动喷印系统。

背景技术：

随着商品经济的快速发展，对于商品包装的喷印需求也越来越大。大型企业往往在其流水生产线上设置自动喷印装置，从而高效便捷的解决喷印需求。这类喷印装置功能强大，价格昂贵。然而目前国内市场尚缺乏适用于个体经营者与网店经营者的廉价易操作的小型喷印装置，所以这部分经营者还需找专门提供喷印服务的企业解决喷印需求，这给他们的生产经营造成了一定的不便和经济负担。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的问题，本发明提供一种无线直线关节型自动喷印系统，可以可喷印三种不同大小的26个大写英文字母。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种无线直线关节型自动喷印系统，包括工作台面，还包括上位机、单片机、三个伺服控制器、三个伺服电机、三自由度喷印台和无线通信模块，每个伺服电机均通过一个伺服控制器连接单片机，所述单片机和上位机之间通过无线通信模块通信，所述三自由度喷印台包括X导轨、Y导轨和Z导轨，所述工作台面上安装有Y导轨，所述Y导轨上安装有与其相互垂直的X导轨，所述X导轨在Y导轨内横向运动，所述X导轨的一端连接 有伺服电机，所述X导轨上安装有载物台，所述载物台在X导轨内纵向运动，所述Y导轨的一端连接有伺服电机，Y导轨的另一端连接Z导轨的底部，所述Z导轨的顶部连接有伺服电机，所述Z导轨垂直于工作台面，所述Z导轨内安装有喷头，所述喷头在Z导轨内上下运动。

进一步的，所述X导轨、Y导轨和Z导轨的两端均安装有限位开关，所述限位开关与单片机相接。

优选的，所述单片机的型号为STC89C52；所述伺服电机的品牌及型号为东友6CC401G-3DEBEAS；所述伺服控制器的品牌和型号为东友ESDA-20B；所述无线通信模块的型号为ESP8266。

进一步的，所述上位机为移动终端，优选的，移动终端为手机或平板电脑。

进一步的，所述移动终端内设置有按键向单片机收发指令，所述按键包括31个键，31个键分别为26个英文字母、数字键1-3、发送键、开始键和结束键。

优选的，数字键1-3为3个字号选择键。

进一步的，每个伺服控制器CN1端口的引脚PP，PN，DP，DN分别连接单片机的P2.0，P2.1，P2.2，P2.3，CN1端口的引脚PP，PN，DP，DN用于接收单片机输出的脉冲，单片机输出CW/CCW脉冲波，当PP，PN接收脉冲波时电机正转，DP，DN接收脉冲波时电机反转。

进一步的，所述单片机STC89C52的串口收发引脚P3.0和P3.1与无线通信模块ESP8266的引脚TXD、RXD相连，用于单片机与上位机的无线通 信。

进一步的，所述伺服电机通过驱动电缆连接伺服驱动器，用于接受伺服控制器控制；伺服控制器的CN1端口的引脚10和22与24V开关电源连接。

进一步的，所述单片机设置有一个串口数据缓冲区和一个待处理数据区，将数据缓冲区和待处理数据区合并到一个数组里，前270字节是数据缓冲区，后面全部是待处理数据区；等待3s秒判断是否有新串口数据进入，若无则接收完毕，若有，返回重新识别；数据接收完毕后将数据全部复制到待处理数据区，当数据缓冲过长则将占用待处理数据区，当不使用待处理区时，数据缓冲区也作为待处理数据区。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明满足字母喷印作业的要求，可帮助小经营户提升自动化生产水平，并且可开发其他类似三自由度自动化生产设备提供可移植的平台与经验。另外，本发明喷印系统的原型与诸多自动化装备相类似，如将喷头换成钻头可以雕刻立体图案，甚至换成激光头可以作为激光生产设备。故本发明系统具有较好的移植性与可开发性，适合进一步深入研究与发展。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的硬件结构框图；

图3是本发明的引脚连接图；

图4是本发明的脉冲控制波形示意图；

其中：1-Z导轨，2-载物台，3-X导轨，4-伺服电机，5-Y导轨。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1-4所述，一种无线直线关节型自动喷印系统，包括工作台面，还包括上位机、单片机、三个伺服控制器、三个伺服电机、三自由度喷印台和无线通信模块，每个伺服电机均通过一个伺服控制器连接单片机，所述单片机和上位机之间通过无线通信模块通信，所述三自由度喷印台包括X导轨、Y导轨和Z导轨，所述工作台面上安装有Y导轨，所述Y导轨上安装有与其相互垂直的X导轨，所述X导轨在Y导轨内横向运动，所述X导轨的一端连接有伺服电机，所述X导轨上安装有载物台，所述载物台在X导轨内纵向运动，所述Y导轨的一端连接有伺服电机，Y导轨的另一端连接Z导轨的底部，所述Z导轨的顶部连接有伺服电机，所述Z导轨垂直于工作台面，所述Z导轨内安装有喷头，所述喷头在Z导轨内上下运动。

所述X导轨、Y导轨和Z导轨的两端均安装有限位开关，所述限位开关与单片机相接。

所述单片机的型号为STC89C52；所述伺服电机的品牌及型号为东友6CC401G-3DEBEAS；所述伺服控制器的品牌和型号为东友ESDA-20B；所述无线通信模块的型号为ESP8266；所述上位机为移动终端，移动终端为手机或平板电脑。

所述移动终端内设置有按键向单片机收发指令，所述按键包括31个键，31个键分别为26个英文字母、数字键1-3、发送键、开始键和结束键，数 字键1-3为3个字号选择键。

所述伺服控制器包括对伺服电机的位置控制模式、速度控制模式和转矩控制模式，所述位置控制模式用于控制相对应的伺服电机转动，在位置控制模式时，伺服控制器接收单片机发送的脉冲信号，经过电子齿轮分倍后输出给相对应的伺服电机。一般市面上买到的伺服控制器都有这三种控制模式。

每个伺服控制器CN1端口的引脚PP，PN，DP，DN分别连接单片机的P2.0，P2.1，P2.2，P2.3，CN1端口的引脚PP，PN，DP，DN用于接收单片机输出的脉冲，单片机输出CW/CCW脉冲波，当PP，PN接收脉冲波时电机正转，DP，DN接收脉冲波时电机反转。在位置控制模式时，伺服控制器CN1端口的引脚PP，PN，DP，DN用于接收单片机输出的脉冲，本发明用单片机输出CW/CCW脉冲波示意图如图4所示(8区域为正转，9区域为反转)，当PP，PN接收脉冲时电机正转，DP，DN接收脉冲时电机反转。

所述单片机STC89C52的串口收发引脚P3.0和P3.1与无线通信模块ESP8266的引脚TXD、RXD相连，用于单片机与上位机的无线通信。

所述伺服电机通过驱动电缆连接伺服驱动器，用于接受伺服控制器控制；伺服控制器的CN1端口的引脚10和22与24V开关电源连接。

所述单片机设置有一个串口数据缓冲区和一个待处理数据区，将数据缓冲区和待处理数据区合并到一个数组里，前270字节是数据缓冲区，后面全部是待处理数据区；等待3s秒判断是否有新串口数据进入，若无则接 收完毕，若有，返回重新识别；数据接收完毕后将数据全部复制到待处理数据区，当数据缓冲过长则将占用待处理数据区，当不使用待处理区时，数据缓冲区也作为待处理数据区。

三支移动导轨的丝杠螺距均为5mm，即电机每转过一周载物台或喷头会平移5mm距离。限位开关放置在导轨两侧，如果移动导轨装上开关，整台机器立刻断电停止工作，防止移动导轨超出行程造成撞击。

由于喷头上下移动，喷印字母的字体大小取决于喷印载物台在X,Y轴方向移动的距离大小，进而取决于伺服控制器接收的脉冲信号的多少，而喷印速度则取决于脉冲的频率。喷印系统可在喷印速度稳定的情况下喷印三种不同字体大小的英文字母，需要在整个伺服控制程序中设置唯一的脉冲频率，而调整脉冲长度。根据式(2.1)具体计算脉冲长度和频率。

(2.1)式中S代表脉冲当量，CMX与CDV的比值是电子齿轮比，电子齿轮比可以在伺服控制器控制面板上直接设置，默认值为1。L是丝杠导程，F代表电机转动一周所需脉冲数，它由伺服电机编码器决定；(2.2)式中V代表喷印速度，f是脉冲频率，L是丝杠导程，F代表电机转动一周所需脉冲数，它由伺服电机编码器决定。

根据上式确定脉冲频率和长度后，再利用单片机延时从I/O口输出CW/CCW波，

伺服控制器用于控制电机，其中伺服控制程序是轨迹插补的下层函数，它负责控制电机转动方向，速度和时长，即采取位置控制模式控制电机转动，在位置控制模式下，伺服控制器接收单片机发送的脉冲信号，经过电子齿轮分倍后输出给电机，即轨迹插补程序包含伺服控制程序；

轨迹插补程序作用是控制三轴联动，有序调用伺服控制器，驱动电机使喷印完成，所述轨迹插补程序包括直线插补程序和圆弧插补程序，

直线插补程序，当系统确定了一条直线的起点和终点的位置坐标时，插补程序就可以启动调用伺服控制器。本发明喷印系统的直线插补算法采用逐点比较法。其工作过程可描述为根据字母笔画要求在轨迹的起点和终点计算出若干个中间点坐标，逐点比较法中每一步都要将当前瞬时坐标同规定的轨迹相比较，然后判断其偏差，再决定下一步，如果当前点走到规定轨迹外侧，则下一步就要往内侧走；如果当前点在轨迹内侧，则下一步就要往外侧走，以此得出一近似指定图形的轨迹，且最大偏差不超过一个脉冲当量。

圆弧插补程序，所喷印字母笔画中弧线均近似由圆弧替代。与直线插补原理相类似。圆弧插补把喷印点到圆心的距离和该圆的理想轨迹半径相比计算偏差F，若喷头在圆弧外或圆弧上，即电机带动喷头向圆内走一步；如果位于圆弧内侧，则电机带动写字笔向圆弧外走一步。

单片机程序算法如下：

S1：设置了一个串口数据缓冲区和一个待处理数据区

S2：将数据缓冲区和待处理数据区合并到一个数组里，前270字节是 数据缓冲区，后面全部是待处理区

S3：数据接收完毕后将数据全部复制到待处理区。当数据缓冲过长则将占用待处理数据区，当不使用待处理区时，缓冲区亦可作为待处理区。

在单片机，设置了一个串口数据缓冲区和一个待处理数据区以防响应速度太慢或丢掉发来的指令，另外单片机程序中采取等待一小段时间观察是否有新串口数据进入的方法进行判断是否有遗漏接收的情况，若无新数据则认为接收完毕。通信程序采用UDP模式。

单片机判断何时指令接收完毕常以换行标志0x0D 0x0A来判断，但因为不同情况、不同指令会有不同的行数，故可能造成遗漏接收的情况，因此本发明采取等待一小段时间观察是否有新串口数据进入的方法进行判

断，若无新数据则认为接收完毕。ESP8266模块建立WiFi通讯流程有UDP，AP，STA，无线透传等诸多模式，其中UDP模式具有能耗较低等优点，本发明的通信程序即采用UDP模式。UDP建立及接收数据步骤如下所述：先用CIPSTART建立一个UDP传输端口，设置目标地址和端口号，只要本地端口号正确设置，收到数据后ESP8266会主动发送数据到串口，单片机直接提取即可。还添加有关校验的内容，先校验字符数量是否一致，第一字节是总数据长度，提取第一字节比较一致则有效。再判断最后一字节的CRC校验码是否对，不正确则舍弃数据，若正确则提取里面的控制指令并执行，最后清零标志位，数据读完后各重要寄存器也清零。

用户首先选择需喷印的字母，然后依次点击发送键，在收到接收成功的返回信息时，即可按下开始键进行喷印。

为了便于自动喷印系统的移动，工作台面底部通过支腿安装有万向轮，可以根据使用的需求，移动该设备。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。