专利名称：便携式环形物件雕刻系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种便携式环形物件雕刻系统。
背景技术：
现有的环形雕刻系统，都是以PC机作为上位机，在PC机上运行上位机软件，再通 过上位机软件来控制以51系列单片机构成的下位机。由于51系列单片机本身的性能不高， 无论是雕刻速度还是雕刻精度上都不太理想；再者，上位机通过串口与下位机进行通信，通 信的速度不高，从而影响雕刻速度；再者，通信的可靠性受周围环境、通信距离、通信线的影 响大，容易出现要雕刻点的丢失及雕刻点的位置改变，从而雕刻出变形的文字或者图形。即 所谓的雕刻失真。由于增加了一个PC机，整个雕刻系统的成本高、功耗大、占据的空间大。目前市面上的一些雕刻系统，仅支持矢量图，所以有些平面图不能雕刻，且只能雕 刻一些简单的图形。据检索，目前还没有以ARM处理器为数字化核心的戒指、手镯雕刻系统的相关技 术成果，市场上更没有相关的产品；在将触摸屏技术与ARM结合，利用模块化，实现对戒指、 手镯雕刻系统的精密化控制方面，还没有相关报道，此领域纯属空白。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种便携式环形物件雕刻系统，该便携式环形 物件雕刻系统具有成本低、精度高、操作简单和智能控制的特点。本发明的技术解决方案如下—种便携式环形物件雕刻系统，包括横向进给机构、用于使环形物件旋转的旋转 驱动机构、用于实施雕刻作业的雕刻执行机构以及控制模块；横向进给机构由横向步进电机驱动；旋转驱动机构设置在横向进给机构上，旋转驱动机构由旋转步进电机驱动，旋转 驱动机构的旋转轴的端部设有用于夹持环形物件的卡盘；雕刻执行机构包括固定架、高度调节机构和基于高频电磁铁的打印头；固定架上 设有高度调节机构，打印头的最下端设有钻石针或金刚沙针，打印头设置在高度调节机构 上；控制模块中设有微处理器，微处理器的输出端连接高频电磁铁的控制端、旋转步 进电机的控制端以及横向步进电机的控制端；控制模块中具有显示器和存储待雕刻的文字 或图形的存储单元，显示器和存储单元均与微处理器相连。所述的高度调节机构的结构为在调节机构固定架上固设有至少2根竖直的导轨，调节机构固定架还设有竖直的 丝杆，丝杆端部设有旋钮；第一滑块和第二滑块均套装在导轨上，第二滑块与丝杆传动连 接，第一滑块与第二滑块通过连接柱相连；打印头设置在第一滑块上。第一滑块套装在连接柱上，能沿连接柱滑动，拐形手柄的一端为手柄端，另一端与第一滑块相连，拐形手柄的旋转轴设置在连接柱上。打印头的结构为高频电磁铁和打印头保护外壳分别固定在高频电磁铁固定架的上端和下端，敲击 头和用于固定钻石针的钻石针固定架均设置在打印头保护外壳内，敲击头与钻石针固定架 相连，高频电磁铁固定架的底面通过弹簧与钻石针固定架相连，打印头保护外壳的内部设 有滚珠槽。所述的横向进给机构采用基于步进电机和丝杆传动的导轨滑动机构。所述的微处理器采用ARM处理器。有益效果本发明的便携式环形物件雕刻系统充分利用了时下广泛使用的ARM技术和触摸 屏技术，并很好地把两者结合起来，开发了基于ARM的戒指、手镯雕刻系统，从而在保证系 统精度和可靠性的前提下，大大减小了的系统成本、缩小了系统的体积、降低了系统的功 耗。相对于需要PC机作为上位机的雕刻系统，本环形雕刻系统可以省去购买PC机的费用， 所以降低了成本；减少了一台PC机的耗能，所以功耗也降低了 ；步进电机是靠ARM处理器 发出脉冲的频率和个数来进行工作的，步进电机接收到的脉冲频率越高，其运动速度就越 快，调节步进电机的等角度恒力矩细分(即一个脉冲作用下，步进电机旋转的角度)，使之 旋转相同的角度需要的脉冲个数越多，则整个雕刻系统的雕刻精度就越高，由于ARM处理 器的工作频率高，则可以同时满足高雕刻精度和高雕刻速度的要求；由于采用了触摸屏作 为人机交互界面，用户只需在触摸屏上输入要雕刻的文字或者图形，然后就可以雕刻出文 字或者图形，所以具有操作简单、智能控制的特点。本发明设计了独特的打印头高度调节机构(包括微调和粗调机构)以灵活调节打 印头的高度，以及设计了全新的基于电磁铁并带有复位弹簧和滚珠槽的打印头，以更适应 于手镯、戒指等环形物件的雕刻。
图1是本发明的系统方框图。图2是软件流程图。图3是本发明的整体结构示意图。图4是本发明的打印头部分结构示意图。图5是本发明的钻石针部分结构示意图。图6是本发明的内外圈雕刻示意图(图a为外圈雕刻示意图；图b为内圈雕刻示 意图)。图7是本发明的横向步进电机传动部分结构示意图。标号说明1 触摸屏，2 旋转步进电机旋转轴，3 旋转卡盘，4 高度调节机构，5 固定架，6 底座，7 打印头，8 横向步进电机，9 横向步进电机传动盒，10 旋转步进电机， 11 旋转步进电机传动盒；21 旋钮，22 调节机构固定架，23 导轨，24 第一滑块，25 拐形 手柄，6 第二滑块，27 钻石针，28 丝杠；29 连接柱。31 高频电磁铁，32 高频电磁铁电源 线，33 高频电磁铁固定架，34 打印头保护外壳，35 高频电磁铁敲击头，36 滚珠，38 滚珠 槽，39 钻石针固定架，40 弹簧；41 电机轴连接器，42 横向步进电机连接板，46 第1横向步进电机外壳板，48 第2横向步进电机外壳板，49 第3横向步进电机外壳板，50 第4横 向步进电机外壳板，43、横向丝杠，44 第一光滑导轨、45 滑块，47 第二光滑导轨。
具体实施例方式以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明实施例1 下面以戒指或手镯为例说明本发明的结构和工作过程一、系统实现1.总体设计图1中描述了系统的构成，系统以ARM处理器为控制核心，以触摸屏为人机交互界 面，SD存储卡或者U盘作为外部存储器，通过触摸屏上的软键盘输入文字和手动绘制图形， 也可以从SD存储卡或者U盘上读取已经存在的文本文档和图形文件，最后通过ARM处理器 来精确控制步进电机以及高频电磁阀的工作，从而达到在戒指或者手镯上雕刻出精美文字 或图形的目的。2.电源设计系统各模块由开关电源供电，供电电压分别有直流5V、直流MV，其中直流24V是 高频电磁阀和步进电机驱动器的工作电压，直流5V电压给以ARM处理器为控制核心的ARM 控制板供电。3.人机交互设计采用触摸屏，兼有了输入和输出的功能。4.存储器设计为了满足需要，系统配置了 NAND存储器和SDRAM存储器，同时设计了 SD存储卡接 口以及USB接口。5、机械传动部分设计如图3所示，由横向步进电机和横向步进电机传动盒构成系统的横向传动机构， 带动戒指或手镯做左右的横向运动；由旋转步进电机、旋转步进电机传动盒、旋转步进电机 旋转轴及旋转卡盘构成系统的纵向传动机构，带动戒指或者手镯做前后的旋转运动；由打 印头、高度调节机构和固定架构成打印头传动机构，以使打印头能上下运动，以便调整打印 头相对戒指或者手镯的竖直位置。如图4所示，要调整钻石针的竖直位置，分为微调和粗调两种微调通过用手旋转 旋钮，再由旋钮带动带螺纹的丝杆旋转，第二滑块与带螺纹的丝杆通过螺纹相连接，第一滑 块通过带滚珠的轴承与带螺纹的丝杆相连，在两根光滑导轨的固定下，可使两个滑块做上 下运动，由于钻石针是固定在第一滑块上的，所以在第一滑块的带动下，钻石针就可以做上 下运动。若要粗调打印头的竖直位置，可以下按或者上拉拐形手柄；第一滑块与第二滑块通 过连接柱连接，第一滑块套装在连接柱四上，能沿连接柱滑动，拐形手柄的一端为手柄端， 另一端与第一滑块相连，拐形手柄的旋转轴设置在连接柱上。当螺纹没有旋转时，第二滑块 的位置是固定的，所以当拐形手柄按下时，由于拐形手柄的旋转轴与连接柱相连的一侧是 固定的，所以第一滑块就可以向上运动，同理，当拐形手柄上拉时，第一滑块就可以向下运 动。
如图5所示，打印头由钻石针27和钻石针固定架构成，打印头和打印头保护外壳 之间通过带滚珠的滚珠槽传动，在高频电磁铁没有通电时，通过弹簧将打印头与高频电磁 铁敲击头相连，当高频电磁铁通电时，高频电磁铁敲击头敲击打印头，从而完成当前点的雕 刻，当高频电磁铁断电时，在弹簧的作用下，打印头又可以回到初始位置。如图6所示，若要在戒指或手镯的外圈进行雕刻，直接可以把打印头移动到戒指 或手镯的上方，然后进行雕刻；若要在戒指或手镯的内圈进行雕刻，可以把打印头移动的戒 指或手镯的内圈的上方，然后进行雕刻即可。如图7所示，由横向步进电机连接板、第1横向步进电机外壳板、第2横向步进电 机外壳板、第3横向步进电机外壳板和第4横向步进电机外壳板构成横向电机传动机构盒。 由电机轴连接器把横向步进电机和横向丝杠连接起来，横向丝杠通过螺纹穿过滑块，两根 光滑导轨通过带滚珠的轴承穿过滑块，于是，横向步进电机旋转就可以带动横向丝杠旋转， 横向丝杠的旋转就可以带动滑块做左右运动。二、使用方法首先要完成戒指/手镯的装配，接着，机器电源打开后，就会启动戒指/手镯雕刻 应用程序。系统的人机交互部分是触摸屏，用户只需要按照操作说明和提示进行简单的设 置，并且对机械部分进行简单的调整，即可在戒指/手镯上雕刻出精美的文字和图片了。使 用包括以下主要过程i、装配戒指/手镯；2、开启机器电压，登陆戒指/手镯雕刻应用程序；3、模块的选择，即选择文字编辑及雕刻模块或者是图形编辑及雕刻模块。4、根据不同规格的戒指/手镯，在应用程序上进行简单的设置。主要的设置项目 如下(1)、文字编辑及雕刻模块1)字符雕刻尺寸所打戒指或者手镯的高度和宽度大小(单位mm)；2)戒指/手镯雕刻方向和直径大小所打环形物品的直径大小，和选择雕刻的外 圈或者内圈；3)保存和读入格式保存当前所做的文字和格式；读入以前所保存的文字和格 式；4)边格数就是在所雕刻样品的边上加上点格数，多和反色配合使用；5)反色反色就是不雕刻所需要的文字而打旁边的那些点，就是俗称的“反沙”效 果；6)雕刻后回到初始位置就是雕刻完后针头回到初始的位置；7)重叠和重复次数重叠次数就是雕刻几次，重复次数就是雕刻几个；8)移动针头可以一点一点(或多点)精确地移动打印头。这里的一点一点地移 动，是指两点之间的间隔，就是本次雕刻字印的两点间的距离。常用来精确微调针头位置范 围；9)雕刻区域就是所雕刻样品字印的所雕刻的范围，常用来定位针头位置；10)重置针头让针头回到上一个雕刻字印的针头位置，常用来重复打同一个字 体字印；
11)图片编辑与雕刻跳转到图片编辑与雕刻模块，用来雕刻图片；12)字体选择选择所需要雕刻的字体；13)字体点数选择雕刻字体的点数，就是在某一固定的高度(mm)里所包含的要 雕刻的点数；14)加粗，斜体，下划线给字体予不同的选择组合；15)暂停，继续，复位控制机器的急停和继续工作；16)确定确定健，在雕刻以前或修改过参数后都要按确定键来进行确定；17)文字编辑区编辑所需要的文字格式等；18)布局区域给出所雕刻字印的布局预览。(2)、图片编辑及雕刻模块1)高度格数与宽度格数就是在某一固定高度和宽度范围内所雕刻的点数，常为 图片的像素大小；2)确定改变格数如想自定义改变1所说的格数，改变后按这个健确定；3)按上面的大小读入位图就是说按1所示的格数读入图片，常常会改变图片的 大小和照成图片像素的部分丢失；4)原始大小读入位图就是按图片的大小直接读入图片，不改变图片的大小和像 素；5)保存成位图文件就是保存当前的图片大小像素和格式；6)清除图片清除当前编辑状态下的图片；7)反色就是不雕刻所要显示的部分，只雕刻旁边的部分，就是俗称的“沙面”效 果；8)显示网格就是显示旁边的网格线；9)设置图片大小设置雕刻图片的大小尺寸；10)戒指直径和内外圈选择雕刻时选择所需要雕刻的内圈或者外圈和其所对应 的直径大小；11)精确移动针头用于精确定位雕刻范围；12)雕刻区域定位雕刻针头当前雕刻所要走的区域范围；13)重复和重叠重复是雕刻多少个，重叠是雕刻多少次；14)预览和修改区域可以预览图片效果和修改图片点数；15)文字编辑与雕刻。跳转到文字编辑与雕刻界面。5、在第4点中对软件部分进行设置时，同时要观察机器上戒指/手镯的移动，以找 到一个最好的雕刻位置。最后就是对打印头的设置，通过上拉或者下按打印头旁边的手柄， 就可以快速地向下或向上移动打印头的位置，通过旋转打印头正上方的旋钮，就可以微调 打印头的上下位置。6、在上述五点设置完成后，就可以开始雕刻了。由技术常识可知，本发明可通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的方案实 现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本 发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。根据输入文字或者图形，提取出文字或者图形的字模，设定好两点阵之间的距离(即步进电机在两点阵之间移动的距离)，步进电机每移动一个点阵的距离(其移动方式可 以是先上下扫描移动，再左右扫描移动；也可以是先左右扫描移动，再上下扫描移动)，再 根据之前提取的文字或者图形的字模，判断该处是否有一个点，假如有一个点，则控制打印 头动作一次，即在该处雕刻出一个点。以此类推，直至雕刻出全部的文字或者图形。本实施例的具体工作过程如下在ARM处理器上运行戒指、手镯雕刻应用程序，该 应用程序包括友好的用户界面；具有非常好的仿真效果，真正做到了所见即所得；支持多 种字体；支持粗体、斜体、下划线等多种功能；支持多种格式的图案；完善的菜单体系；充分 的自定义设置。系统的人机接口部分是触摸屏，用户可在触摸屏上，通过软键盘输入要雕刻的文 字或者手动绘制要雕刻的图形，也可以通过从SD存储卡或U盘中读取已经存在的文字或者 图形，并且可以对文字进行排版，以及对图形进行编辑，然后将处理得到的文字或者图形进 行编码，根据编码数据控制横向步进电机、旋转步进电机和钻石针工作，以精确雕刻出文字 和图形。钻石针的工作，得依赖于打印头传动机构的配合。由高频电磁铁控制的打印头固 定在能上下运动的滑块上，滑块安装在竖直导轨上，导轨由两根光滑导轨和一根带螺纹的 丝杆组成，两根光滑导轨起支撑和固定作用，带螺纹的丝杆起控制作用；带螺纹的丝杆的上 端连接一个旋钮，通过旋转该旋钮，就可以使打印头作上下运动，该运动是缓慢的，起打印 头位置的微调作用；滑块的右端接有一个能控制打印头快速上下移动的传动机构，该传动 机构有一个手柄，把该手柄按下，打印头就可以向上移动一大步，把该手柄往上拉，打印头 就可以向下移动一大步。这样就具有了对打印头位置粗调和微调的功能。打印头能够在戒指和手镯上雕刻出文字和图形，还利用了高频电磁铁能快速地吸 合铁块的特点，首先用弹簧把高频电磁铁的一端和打印头的一端合在一起(利用弹簧的吸 力)，主要是起定位的作用，当高频电磁铁快速上下运动时，高频电磁铁的一端就可以快速 地敲击打印头，当打印头被敲下时，就可以在戒指或者手镯上雕刻出一个点，再当高频电磁 铁断电时，通过弹簧的作用，又可以使打印头回到原来的位置。因为打印头的位置不能前后左右移动，所以为了能够在戒指和手镯的不同位置上 进行雕刻，就需要用到横向步进电机传动机构和旋转步进电机传动机构。横向步进电机通 过机械传动部分带动物品作左右运动，旋转步进电机通过机械传动部分带动物品作前后的 旋转运动。步进电机的移动速度和距离由ARM处理器控制。旋转步进电机通过轴连接器把 旋转步进电机的轴和能前后旋转的、固定戒指和手镯的轴连接在一起，ARM控制器通过步进 电机驱动器控制旋转步进电机运动，然后再由旋转步进电机带动戒指或手镯作前后旋转运 动。旋转步进电机及其传动机构一起固定在一个滑块上，该滑块安装在水平导轨上，水平导 轨由两根光滑导轨和一个丝杠组成，两根光滑导轨的两端都通过轴承固定在横向电机传动 机构固定盒中，起支撑和固定作用；丝杠的一端固定在横向电机传动机构固定盒中，丝杠的 另一端和横向步进电机的轴连接在一起，丝杠起控制及传动作用。这两根光滑导轨和丝杠 的另一个主要的作用就是把横向步进电机的前后旋转运动转化为滑块的水平运动。该系统雕刻精细，最小可雕刻长宽分别为0. 5mm的英文数字，及长宽分别为Imm的 中文字；九方位定位系统(能够在雕刻前，快速的移动打印头到要雕刻文字或者图形的正 中心、正中心的正上方、正中心的正下方、正中心的左方、正中心的右方、左上角和右下角)，确保雕刻位置准确无误；并且可以精确地移动针头(可以一点一点(或多点)精确地移动 打标头。这里的一点一点地移动，是指两点之间的间隔，就是本次打印字印的两点间的距 离，用来精确微调针头位置范围。)；雕刻力度可调，雕刻深浅可控可调，深度可达0.3mm以 上；可重复雕刻，重复精度达0.01mm，重复雕刻无重影，无耗损；雕刻出闪亮光滑的文字与 图案，无须抛光；可以分别在戒指和手指的内圈和外圈进行雕刻；系统具有暂停功能，当暂 停后，只要系统不断电，在任何时间下都可以继续雕刻之前暂停时未雕刻完的部分。
该戒指手镯雕刻系统综合了 ARM技术和触摸屏技术，操作简单；并且包含完善的 机械传动机构、电源供应和保护电路。大大减小的系统的体积、降低了成本和功耗。
权利要求
1.一种便携式环形物件雕刻系统，其特征在于，包括横向进给机构、用于使环形物件旋 转的旋转驱动机构、用于实施雕刻作业的雕刻执行机构以及控制模块；横向进给机构由横向步进电机驱动；旋转驱动机构设置在横向进给机构上，旋转驱动机构由旋转步进电机驱动，旋转驱动 机构的旋转轴的端部设有用于夹持环形物件的卡盘；雕刻执行机构包括固定架、高度调节机构和基于高频电磁铁的打印头；固定架上设有 高度调节机构，打印头的最下端设有钻石针或金刚沙针，打印头设置在高度调节机构上；控制模块中设有微处理器，微处理器的输出端连接高频电磁铁的控制端、旋转步进电 机的控制端以及横向步进电机的控制端；控制模块中具有显示器和存储待雕刻的文字或图 形的存储单元，显示器和存储单元均与微处理器相连。
2.根据权利要求1所述的便携式环形物件雕刻系统，其特征在于，所述的高度调节机 构的结构为在调节机构固定架上固设有至少2根竖直的导轨，调节机构固定架还设有竖直的丝 杆，丝杆端部设有旋钮；第一滑块和第二滑块均套装在导轨上，第二滑块与丝杆传动连接， 第一滑块与第二滑块通过连接柱相连；打印头设置在第一滑块上。
3.据权利要求2所述的便携式环形物件雕刻系统，其特征在于，第一滑块套装在连接 柱上，能沿连接柱滑动，拐形手柄的一端为手柄端，另一端与第一滑块相连，拐形手柄的旋 转轴设置在连接柱上。
4.根据权利要求1所述的便携式环形物件雕刻系统，其特征在于，打印头的结构为高频电磁铁和打印头保护外壳分别固定在高频电磁铁固定架的上端和下端，敲击头和用于固定钻石针的钻石针固定架均设置在打印头保护外壳内，敲击头与钻石针固定架相 连，高频电磁铁固定架的底面通过弹簧与钻石针固定架相连，打印头保护外壳的内部设有 滚珠槽。
5.根据权利要求1所述的便携式环形物件雕刻系统，其特征在于，所述的横向进给机 构采用基于步进电机和丝杆传动的导轨滑动机构。
6.根据权利要求1-5任一项所述的便携式环形物件雕刻系统，其特征在于，所述的微 处理器采用ARM处理器。
全文摘要
本发明公开了一种便携式环形物件雕刻系统，其特征在于，包括横向进给机构、用于使环形物件旋转的旋转驱动机构、用于实施雕刻作业的雕刻执行机构以及控制模块；横向进给机构由横向步进电机驱动；旋转驱动机构设置在横向进给机构上，旋转驱动机构由旋转步进电机驱动，旋转驱动机构的旋转轴的端部设有用于夹持环形物件的卡盘；雕刻执行机构包括固定架、高度调节机构和基于高频电磁铁的打印头；固定架上设有高度调节机构，打印头的最下端设有钻石针，打印头设置在高度调节机构上。该便携式环形物件雕刻系统具有成本低、精度高、操作简单和智能控制的特点。
文档编号B44B3/04GK102145624SQ20101060026
公开日2011年8月10日 申请日期2010年12月22日 优先权日2010年12月22日
发明者王勋志, 邹润民 申请人:中南大学