CN102463822B - 钢板的针刻印装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种钢板的针刻印装置，在钢板上刻印可追溯标签，该装置包括：任务调度总控系统和针刻印单体系统，任务调度总控系统包括主控模块、现场总线通信模块、无线网络通信模块、点阵字库优化模块和两级权限交互模块；主控模块分别与现场总线通信模块、无线网络通信模块、点阵字库优化模块和两级权限交互模块相连，主控模块控制所连接的各个模块的运行；针刻印单体系统包括从控模块、载体电机驱动模块、气动刻印头接口模块、简单通信模块、高速通信模块；从控模块分别与载体电机驱动模块、气动刻印头接口模块、简单通信模块、高速通信模块相连，从控模块控制所连接的各个模块的运行，从控模块还连接到主控模块，与主控模块进行数据交换。

Description

钢板的针刻印装置

技术领域

本发明涉及钢板的标记刻印技术领域，尤其涉及一种钢板的针刻印装置。

背景技术

标签是用于标识产品信息，传递产品个性和促进品牌信誉的一个重要手段，同时也有助于直观的区分同类产品。在钢铁行业中，钢板上标签主要被用来追溯钢产品的制造商和工段信息。传统产品标签主要采用胶印、凹版印刷、丝网印刷和喷墨印刷。这些印制标签的手段都是对材料的表面进行处理，对于船用的钢板来说，这样的标签很容易被海水腐蚀不易辨认。为了对钢板做永久性的标记，目前通用的做法就是用钢针在钢板上打点刻印，刻印的原理就是控制器将文字或图像转换成电信号传送给执行器完成刻印动作。目前在针刻印技术领域，一体化设备用于钢板刻印已经比较完善，但在便携性和通用性方面的不足主要体现在：(1)控制和执行都集成在一起，故障诊断相对困难；(2)运行在控制器的软件是和控制器型号绑定的，移植性差，可扩展性差；(3)执行器和控制器是一体控制的，无法灵活的移动和深入狭窄地方进行刻印；(4)通讯接口单一，缺乏兼容性，不适应高速批量数据的传输。

发明内容

本发明旨在提出一种便于携带，并且兼容性好的钢板的针刻印装置。

根据本发明，提出一种钢板的针刻印装置，在钢板上刻印可追溯标签，其特征在于，该针刻印装置包括：任务调度总控系统和针刻印单体系统，

任务调度总控系统包括主控模块、现场总线通信模块、无线网络通信模块、点阵字库优化模块和两级权限交互模块；其中主控模块分别与现场总线通信模块、无线网络通信模块、点阵字库优化模块和两级权限交互模块相连，主控模块控制所连接的各个模块的运行；点阵字库优化模块保存点阵字库并对字库中的字进行优化；两级权限交互模块实现权限的控制；

针刻印单体系统包括从控模块、载体电机驱动模块、气动刻印头接口模块、简单通信模块、高速通信模块；其中从控模块分别与载体电机驱动模块、气动刻印头接口模块、简单通信模块、高速通信模块相连，从控模块控制所连接的各个模块的运行，从控模块还连接到主控模块，与主控模块进行数据交换；简单通信模块和高速通信模块实现通信；气动刻印头接口模块提供气动刻印头的接口。

任务调度总控系统还包括故障诊断器和报文状态响应器，故障诊断器进行故障的诊断，报文状态响应器响应报文状态，现场总线通信模块分别连接故障诊断器和报文状态响应器，通过现场总线实现通信。

任务调度总控系统还包括电源隔离模块，实现电源的隔离，现场总线通信模块连接到电源隔离模块，通过现场总线实现通信。

任务调度总控系统还包括网络质量监视器，监视网络运行状况，无线网络通信模块连接网络质量监视器，通过无线网络与网络质量监视器进行数据交换。

针刻印单体系统还包括十字位移定位模块，载体电机驱动模块连接十字位移定位模块，实现电机驱动和位移定位。

任务调度总控系统和针刻印单体系统可拆卸地连接。

本发明的钢板的针刻印装置提供两级权限交互接口，实现远程集中控制和现场的离散可执行操作；针刻印装置采用双控制器主从控制结构，分别实现任务调度和轨迹刻印功能；扩展通信模块涉及现场总线、无线网络、标准USB和通用串口涵盖了大部分主流通信接口，能兼容低速、全速和高速设备的互联互通；点阵字库优化实现了针刻印轨迹的全覆盖和高效率。载体电机驱动的归零点动作使得十字位移定位模块能消除累积误差，提高了刻印精度。

附图说明

图1是根据本发明的钢板的针刻印装置的结构图。

图2揭示了任务调度总控系统的一种具体实现的结构图。

图3揭示了针刻印单体系统的一种具体实现的结构图。

图4揭示了针刻印装置的主从驱动型任务控制模式。

图5揭示了任务调度总控系统的状态机模型。

图6揭示了针刻印单体系统的状态机模型。

具体实施方式

本发明的基本设计思路如下：该钢板的针刻印装置针刻印装置包括任务调度总控系统和针刻印单体系统。任务调度总控系统包括任务调度控制器、现场总线通信模块、无线网络通信模块、点阵字库优化模块和两级权限交互模块；针刻印单体系统包括轨迹刻印控制器、十字位移定位模块、载体电机驱动模块、气动刻印头接口模块和简单通信模块；任务调度控制器分别与现场总线通信模块、无线网络通信模块、点阵字库优化模块和两级权限交互模块相连；轨迹刻印控制器分别与载体电机驱动模块、气动刻印头接口模块和简单通信模块连接；载体电机与十字位移定位模块连接；任务调度控制器与轨迹刻印控制器连接。

任务调度总控系统的现场总线通信模块可以自动识别诊断帧模式并解析显示，同时外置了报文状态实时响应器，用于判定DP报文传输的阶段状态。借助无线网络通信模块，可以方便的通过无线射频传输与外界节点进行通信，在其上集成有网络质量监视器，通过无线通信协议界定的数据包解析信息可以判断网络链路质量，确定传感器节点工作区域及反馈故障信息。电源隔离模块使得一个输入电压能生成两个互相隔离的供电电源以降低通信的电源干扰保证通信稳定。点阵字库优化模块贮存主控模块生成的优化轨迹供针刻印单体系统调用。两级权限交互模块采用TFT屏显示，极大的方便了人机交互。

针刻印单体系统的十字位移定位模块采用垂直交叉布置的两组的步进电机，采用微步距驱动可以在细分步进电机步距角的基础上放大脉冲信号，有效降低电机不断启停中的抖动，提高针刻印的分辨率。气动刻印头采用气动电磁阀来控制前端钢针的伸缩，为适应不同分辨率的标签针刻印需求，针头的粗细可以按需选择。简单通信模块是为了兼容工厂早期配置的计算机。高速通信模块用于高速的批数据传送。

参考图1所示，揭示了根据本发明的一实施例的钢板的针刻印装置，该装置在钢板上刻印可追溯标签，该针刻印装置包括：任务调度总控系统和针刻印单体系统，

任务调度总控系统包括主控模块11、现场总线通信模块12、无线网络通信模块15、点阵字库优化模块18和两级权限交互模块19；其中主控模块11分别与现场总线通信模块12、无线网络通信模块15、点阵字库优化模块18和两级权限交互模块19相连，主控模块11控制所连接的各个模块的运行；点阵字库优化模块18保存点阵字库并对字库中的字进行优化；两级权限交互模块19实现权限的控制。在图1所示的实施例中，该任务调度总控系统还包括故障诊断器13、报文状态响应器14、网络质量监视器16和电源隔离模块17。故障诊断器13进行故障的诊断，报文状态响应器14响应报文状态，现场总线通信模块12分别连接故障诊断器13和报文状态响应器14，通过现场总线实现通信。电源隔离模块17实现电源的隔离，现场总线通信模块12连接到电源隔离模块17，通过现场总线实现通信。网络质量监视器16监视网络运行状况，无线网络通信模块15连接网络质量监视器16，通过无线网络与网络质量监视器16进行数据交换。

针刻印单体系统包括从控模块20、载体电机驱动模块22、气动刻印头接口模块23、简单通信模块24、高速通信模块25；其中从控模块20分别与载体电机驱动模块22、气动刻印头接口模块23、简单通信模块24、高速通信模块25相连，从控模块20控制所连接的各个模块的运行，从控模块20还连接到主控模块11，与主控模块11进行数据交换；简单通信模块24和高速通信模块25实现通信；气动刻印头接口模块23提供气动刻印头的接口。在图1所示的实施例中，该针刻印单体系统还包括十字位移定位模块21，载体电机驱动模块22连接十字位移定位模块21，实现电机驱动和位移定位。

为了达到便携的目的，任务调度总控系统和针刻印单体系统可拆卸地连接。

在一个具体实现中，现场总线通信模块12与主控模块11的数据总线相连。无线网络通信模块15与与主控模块11的SPI总线相连。点阵字库优化模块18和两级权限交互模块19分别与主控模块11的IO口相连。载体电机驱动模块22和气动刻印头接口模块23分别与从控模块20的IO口相连。简单通信模块24与从控模块20的UART口相连。高速通信模块25与从控模块20的数据总线相连。

图2示出了任务调度总控系统的一种具体实现的结构图。其中，主控模块11采用Sumsung公司生产的S3C6410芯片。现场总线通信模块12采用DP接口，具体可以是Siemens的SPC3芯片。故障诊断器13利用SPC3芯片集成的DP协议自动识别诊断帧模式，把诊断帧的内容通过解析以中文状态显示到黑白液晶屏上。报文状态响应器14利用SPC3芯片的XDATAEXCH引脚连接LED指示灯，实现DP报文状态的实时响应，能够判定DP报文传输的阶段状态：SPC3芯片上电LED点亮，DP报文未传输；SPC3的固件程序运行正确识别从站地址后LED熄灭，DP报文开始传输。在图2的实现中，现场总线通信模块12、故障诊断器13和报文状态响应器14由SPC3芯片、液晶屏和LED指示灯共同实现。无线网络通信模块15采用Ti公司的CC2420芯片，可以方便的通过无线射频传输与外界节点进行通信。在无线网络通信模块15中集成有网络质量监视器16，利用无线通信协议界定的数据包解析信息判断网络链路质量，确定传感器节点工作区域及反馈故障信息。因此在图2所示的实现中，无线网络通信模块15中和网络质量监视器16集成在CC2420芯片中。电源隔离模块17采用两片Sipex公司生产的SP7650ER芯片，使得一个输入电压能生成两个互相隔离的供电电源以降低DP通信的电源干扰保证通信稳定。点阵字库优化模块18采用Samsung公司的16*8Bit的NandFlash贮存主控模块生成的优化轨迹供针刻印单体系统调用。两级权限交互模块19采用TFT屏显示，驱动控制器集成在实现主控模块11的S3C6410芯片中，极大的方便了人机交互。

图3揭示了针刻印单体系统的一种具体实现的结构图。其中，从控模块20采用Freescale公司生产的MC9S12DG128芯片。十字位移定位模块21采用垂直交叉布置的两组的步进电机，垂直交叉布置既照顾到了整个矩形窗口的全部面积又利于XY方向上的矢量控制。载体电机驱动模块22采用微步距驱动芯片，具体可以是Allegro的A3955SB芯片，在细分步进电机步距角的基础上放大脉冲信号，能有效降低电机不断启停中的抖动，极大的提高了针刻印的分辨率。气动刻印头接口模块23采用气动电磁阀来控制前端钢针的伸缩，具体型号可以是基越工业设备有限公司MAC34C-ABA-GDFA-1BA，为适应不同分辨率的标签针刻印需求，针头的粗细可以按需选择。简单通信模块24是RS232接口，是为了兼容工厂早期配置的计算机。高速通信模块25采用USB接口，具体可以是Cypress的68013A芯片，进行高速的批数据传送，USB接口还连接到LED指示灯。

图4揭示了针刻印装置的主从驱动型任务控制模式。主控模块实现多任务调度切换，为了保证在花销最小的基础上实现连接的可靠性，定制了应答报文协议，使用了事件标识符、出错重发、中断、定时器四种机制。主控模块通过现场总线接口模块接收来自MES车间级的命令和数据，生成打印轨迹传送给从控制模块。从控模块收到打印轨迹会按照定制的应答报文协议回传一个标识符通知主控模块目前的状态，随后启动步进电机和刻针在钢板上打点。本发明设计的这种主从控制，是一种可插拔的形式，由从控模块组成的针刻印单体系统是一个执行器，也可以通过简单通信模块或高速通信模块直连计算机。因为主控模块的任务调度软件是基于跨平台的QT编写的，所以计算机和ARM11用同一个软件版本，这也保证了主控模块和通用计算机之间的无差异性。

本发明的针刻印装置是一个较为复杂的多模块协同工作系统，为了实现其简单高效的控制，把事件的主流程归纳为状态之间的切换，在此基础上设计出了任务调度总控系统的状态机和针刻印单体系统的状态机。图5揭示了任务调度总控系统的状态机模型，主控模块侦听是系统上电后就进入的场景，通过现场总线通信模块接收PLC发出的刻印指令，在反复确认后接收刻印内容；通过点阵字库优化模块生成点阵字模，然后将刻印轨迹传给从控模块，这就是一个主成功场景。因为主成功场景中各状态都存在故障的可能性，所以中间设置了一个故障诊断状态收集相应的出错信息返回。图6揭示了针刻印单体系统的状态机模型，从控模块侦听是系统上电后就进入的场景，通过RS232接口接收主控模块发送的刻印轨迹，然后按照定制的通信报文协议进行解析，启动步进电机和气动电磁阀打印钢板直到刻印结束。其中故障诊断状态是收集从控模块中软硬件故障的出错信息以便迅速定位故障源，减少停产损失。

本发明的针刻印装置采用MPU+MCU双核控制丰富了打印机的外围控制模块，MPU主核控制事务性调度，MCU专门控制步进电机运动和针刻印头的伸缩。提高了打印速度和精度，隔离了执行端的信号对主控模块的干扰。这样的双核设计使得主控和从控模块间的任务界限清晰，在此基础上设计的状态机机制能有效定位故障。嵌入式控制器和针刻印执行器是一种插拔式组合体，针刻印执行器既可以通过嵌入式控制器的通信接口连接至钢厂MES接收指令刻印标签；也可以与嵌入式控制器分离而与PC机的串口直连，接收PC机的指令进行操作。嵌入式主控系统和计算机主控系统共用一套跨平台操作软件，操作界面实现了无缝切换。插拔式组合体具有移动和固定两种装机方式，移动方式既适应伸入狭窄或不规则区域进行刻印又适合钢板的小批量补刻，固定方式可适应车间级流水线刻印。这样的插拔式组合体适应不同用户、不同场合的需要组成最高的性价比。本发明的针刻印装置提供多种通信方案可供切换，Profibus-DP通信接口适用于MES中L1级PLC的高速通信。Zigbee无线通信技术利于网络布线的重组设计，无改造成本，方便安装。

综合而言，本发明的钢板的针刻印装置提供两级权限交互接口，实现远程集中控制和现场的离散可执行操作；针刻印装置采用双控制器主从控制结构，分别实现任务调度和轨迹刻印功能；扩展通信模块涉及现场总线、无线网络、标准USB和通用串口涵盖了大部分主流通信接口，能兼容低速、全速和高速设备的互联互通；点阵字库优化实现了针刻印轨迹的全覆盖和高效率。载体电机驱动的归零点动作使得十字位移定位模块能消除累积误差，提高了刻印精度。

Claims (6)

1.一种钢板的针刻印装置，在钢板上刻印可追溯标签，其特征在于，该针刻印装置包括：任务调度总控系统和针刻印单体系统，

所述任务调度总控系统包括主控模块（11）、现场总线通信模块（12）、无线网络通信模块（15）、点阵字库优化模块（18）和两级权限交互模块（19）；其中所述主控模块（11）分别与现场总线通信模块（12）、无线网络通信模块（15）、点阵字库优化模块（18）和两级权限交互模块（19）相连，主控模块（11）控制所连接的各个模块的运行；点阵字库优化模块（18）保存点阵字库并对字库中的字进行优化；两级权限交互模块（19）实现权限的控制；

所述针刻印单体系统包括从控模块（20）、载体电机驱动模块（22）、气动刻印头接口模块（23）、简单通信模块（24）、高速通信模块（25）；其中所述从控模块（20）分别与载体电机驱动模块（22）、气动刻印头接口模块（23）、简单通信模块（24）、高速通信模块（25）相连，所述从控模块（20）控制所连接的各个模块的运行，从控模块（20）还连接到主控模块（11），与主控模块（11）进行数据交换；简单通信模块（24）和高速通信模块（25）实现通信；气动刻印头接口模块（23）提供气动刻印头的接口。

2.如权利要求1所述钢板的针刻印装置，其特征在于，所述任务调度总控系统还包括故障诊断器（13）和报文状态响应器（14），故障诊断器（13）进行故障的诊断，报文状态响应器（14）响应报文状态，所述现场总线通信模块（12）分别连接故障诊断器（13）和报文状态响应器（14），通过现场总线实现通信。

3.如权利要求1所述的钢板的针刻印装置，其特征在于，所述任务调度总控系统还包括电源隔离模块（17），实现电源的隔离，所述现场总线通信模块（12）连接到电源隔离模块（17），通过现场总线实现通信。

4.如权利要求1所述的钢板的针刻印装置，其特征在于，所述任务调度总控系统还包括网络质量监视器（16），监视网络运行状况，所述无线网络通信模块（15）连接网络质量监视器（16），通过无线网络与网络质量监视器（16）进行数据交换。

5.如权利要求1所述的钢板的针刻印装置，其特征在于，所述针刻印单体系统还包括十字位移定位模块（21），所述载体电机驱动模块（22）连接十字位移定位模块（21），实现电机驱动和位移定位。

6.如权利要求1所述的钢板的针刻印装置，其特征在于，任务调度总控系统和针刻印单体系统可拆卸地连接。