面向大尺寸气瓶类工件的气动打标机设计与研制.pdf

第 6期 2 0 1 2年 6月 机械 设 计 与制 造 一 Ma c h i n e r y D e s i g nMa n u f a c t u r e l 文覃编号 1 0 0 1 - 3 9 9 7 2 0 1 2 0 6 - 0 0 0 1 - 0 3 藉面向大 尺寸气 瓶类工件的气 动打标机设计与 研制木 l 陈 健 1,2 姜晓明 王 进 陆国栋 算 ’ 浙江大学 C A D C G国家重点实验室， 杭州 3 1 0 0 2 7 浙江纺织服装职业技术学院， 宁波 3 1 5 2 1 1 Ma n u f a c t u r e a n d De s i g n o f Pn e u ma t i c Ma r k i n g Ma c h i n e f o r L a r g e ． Sc a l e Ga s B o t t l e s W o r k p i e c e CHEN J i a n 1 , 2 J I ANG Xi a o - mi n g 1 , WANG J i n ’ ， L U Gu o - d o n g 。 S t a t e K e y L a b o r a t o ry o f C A D C G， Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ， Ha n g z h o u 3 1 0 0 2 7 ， C h i n a Z h e j i a n g T e x t i l eF a s h i o n C o l l e g e ， N i n g b o 3 1 5 2 1 1 ， C h i n a ； 【 摘要】 分析了 气动打标的基本原理， 针对 在大尺寸气瓶类工件肩部曲面 上打标时定位误差大、 标 } 记不清晰和缺陷标识的不足， 设计和研发了 打标机空间曲面高 精定位架构技术、 快排式气动冲击高清打 { l 标技术及C C D图像优化打标区域技术并集成应用， 实现了 基于大尺寸曲面的精确可靠清晰的气动打标。 2 样机的研制试验表明 高压天然气瓶钢印字符定位准确分布广、 标记清晰深度适中、 标记完整质量高， 研 l 究 成果得以充分的验证和应用， 具有广阔的市场和经济前景。 j 关键词 高压天然气瓶； 大尺寸工件； 打标机； C C D ； 快排式气动冲击 { } 【 A b s t r a c t ] T h e b a s i c t h e o r y o f p n e u m a t i c m a r k i n g m a c h i n e is a n a ly z e d ． T o s o l v e t h e p r o b l e m s s u c h a s { 6 e r r o r i n p o s i t i o n in g , u n c l e ar in m ar k i n g a n d la c k i n d e f e c t i v e m a r k i n g i n c o n n e c t i o n w i t h l a r g e c ； ； w o r k - p ie c e ， n n e w p n e u m at i c m a r k i n g m ach i n e W as d e s i g n e d and m anu f a c t u r e d ， w h i c h i n t e g r a t e d t h r e e n { ； t e c h n o lo g y t h e C C D i m a g e m ar k i n g r e g i o n o p t im iz a t i o n p r o c e s s i n g t e c h n o lo gy， q u ic k e x h a u s t p neu m a t ic i } m a r k i n g t e c h n o l o gy a n d t h e a c c u r a t e p o s i t io n in g t e c h n o lo g y b a s e d o n s p at i a l c u r v e d s u rf av e ．T h e t e s t f o r { l m a r k i n g m a c h i n e p e ff o r m anc e s h o w s th a t t h e m a r k o ft h e h i g h - p r e s s u r e g as b o t t le s is c le a r ， e d e p t h oft i m a rk is co m f o rta b le an d th e p ositio n ing p re c isio n is h ig h e r．R e se ar ch ac h iev e m e n ts h av e b e e n ve rifi e d od e 一 } g e an d ap p lied w ith a w id e 帆 p rosp ． 1 ； K e y w o r d s H i g h - P r e s s u r e G a s B o t t le s ； L a r g e - S c a l e Wo r k - P i e c e ； M a r k i n g Ma c h i n e ； C C D ； Q l l i c k 一 { l ly E x h a u st P n eu m a ti c M a r kin g ； ● ●1 h ● ●1 、 j、 1 嘈 ●1 1 F i ●1 ●{ } ●嘈 ● t _ - ●1、 ● ■ j -1 ●章 _1 ●{ ●1 ●1 ●1 t _● 中图分类号 T H1 6 ， T G 5 0 2 文献标识码 A 1弓 I 言 问 题 尤 为 突 出 。 按国家标准规定高压天然气瓶在出厂前必须进行严格的质 因此，研制一种应用于大尺寸工件如高压天然气瓶的气动 量检查 ， 并将检查结果的相关参数如出厂检验标记、 制造厂代号 ， 打标机， 提高大尺寸气瓶类工件的钢印质量， 提升打标机的整体 气瓶的壁厚、 容积、 编号、 水压试验压力以及出厂日期等打印在气 应用性能， 是市场迫切的需求， 具有十分重要的社会和经济意义。 瓶 肩 部 曲 面 上 ， 为 产 管 理 和 后 续 工 序 提 供 信 息 。 2气动打标基本原理 目前国内的气瓶打标机床主要有激光打标机和气动打标 气动打标的基本原理就是把所需要标记的图形或字符， 在 机两种。激光打标机是利用高能量密度的激光束使工件表面发 工件如高压天然气瓶的肩部曲面位置进行标记过程。 这些字符分 生物理或化学的变化 ， 从而获得可见图案 1 ， 优点是标记速度 布在气瓶肩部范围的球形曲面上， 且按多行排列。气瓶标记示意 快 ， 字迹清晰、 永久、 噪音低， 但机床设计复杂， 对大尺寸类工件 图， 如图 1 所示。气瓶标记打印部位展开图， 如图2所示。 字符较多排列复杂的要求， 成本过高； 普通气动标记打印机采用 与普通打标流程不同， 设计了新的打标方法 在新型空间曲 高速电磁阀 ， 以高频率开关压缩空气驱使打印针进行高频往 面定位架构的多轴伺服驱动作用下，使工件定位到初始预定位 复冲击 ， 使工件表面打印出密集点阵构成的字符或图形 ，其适 置，并将打标头旋转到工件打印区域垂直法向上方的预定位置， 用于小尺寸的高压天然气瓶打标 ， 对于直径 4 0 0 m m以上的大尺 然后通过 C C D图像采集系统对工件打印区域进行优化， 经过计 寸高压天然气瓶 ， 容易导致字符行列间距不一 、 排列不齐， 钢印 算机处理生成脉冲信号， 再由空间曲面定位架构驱动工件和打标 深度浅、 容易磨损和标记漏印少印质量差的现象 I ， 而且采用 头到达精确位置， 利用快排式气动冲击缸驱动字模和打标针复合 传统的标记方式针头损耗过快成本过高，对大尺寸类工件而言 系统完成字符或图像的打印。 -k 来稿 日 期 2 0 1 1 - 0 8 2 8 女 基金项目 浙江省科技计划项目 2 0 0 9 C 1 1 0 9 9 ， 浙江省公益技术研究工业项 目 2 0 1 0 C 3 1 0 8 5 2 陈 健等 面向大尺寸气瓶类工件的气动打标机设计与研制 第 6期 图 1气瓶标记示意图 F i g ． 1 Ma r k o f t h e Ga s Ba t t l e 月 图 2气瓶标记打印部位展开图 F i g ．2 Cy l i n d e r s Ma r k t h e Pr i n t P a r t o f E x p a n s i o n P l a n 3基于打标机空间曲面架构的高精定位 技术 要使标记准确的打印在工件指定位置上，就需要通过机床架 构对工件和打标头进行高精度的定位。 在目前主流的打标机床架构 中， 工件主要是通过气缸夹紧， 并在涡轮蜗杆作用下绕 y轴旋转； 打标头在伺服电机的驱动下由丝杠带动滑鞍实现在x、 Y方向的直 线移动， 字盘分度头底座通过连杆和芯轴连接， 实现整体字盘分度 头绕z轴的旋转。 这种架构有两个不足 1 整体打标头都位于工件 一 侧， 机床床身所受侧应力大， 工件的夹紧容易出现定位不准导致 枥 己 字符在工件上定位误差偏大， 出现字符行列间距不一排列不齐 的现象； 2 工件在Z轴直线方向不能移动， 因此只能针对特定尺寸 的高压天然气瓶进行标记， 对大尺寸m{ - -7 - 符层数多间距大分布广 的要求适应性差。 因此， 研发了基于打标机空间曲面两轴直线移动、 三轴旋转联动的新型定位架构，即工件在 方向上和打标头在Z 方向上直线移动， 工件绕 轴、 打标头绕 Y轴和空间一般轴的联合 旋转， 实现工件和打标头的高精度定位， 从而保证字符在工件上的 精确定位和大范围分布， 其结构布置， 如图3 所示。 空问定 身 图 3新型机床架构示意图 F i g ． 3 Ne w Ma c hi n e Ar c h i t e c t u r e Di a g r a m 架构采用的 型布局， 将打标头置于工件的上方， 由机床床 身承担夹紧系统所受的全部侧应力， 打标机整体刚度高； 在固定 立柱上设置伺服电机驱动打标头沿 Z轴方向移动保证打标稳定 冲击小。该架构既减轻了气动夹紧系统的负担要求， 通过多轴联 动的空间准确伺服定位， 即可使打标头多向移动， 满足大尺寸工 件的大范围标记的要求， 又可提高标记的定位精度和定位柔性， 实现标记在大尺寸工件上的精确打印。 4基于陕排式气动冲击的高清打标技术 在小型气瓶中为了实现清晰打标， 通常都采用激光技术进行 打标。但是激光标记成本很高， 激光头加工寿命只有 2 0 0 0只气瓶 左右， 而每只头需 5 0 0 0元左右， 因此不能满足大尺寸类工件标记 字符较多的使用场合； 机械式中的针式标记深度较浅， 字模式标记 结构简单可靠， 但是清晰度不够。因此， 针对大尺寸类工件标记数 量多、 深度要求高的特点， 研发了具有自主知识产权的快排式气缸 冲击技术， 采用针式字模复合打标头实现高清打标， 快排气式冲击 缸结构图， 如图4所示。复合打标头装配图， 如图5 所示。 图4快排气式冲击缸结构示意图 F i g ．4 S c h e m a t i c o f Q u i c k l y E x h a u s t C y l i n d e r 图5复合打标头装配图 Fi g ． 5 S c h e ma t i c o f Ma r k i n g Co mp o s i t e He a d 该陕排式冲击气缸具有体积小、 冲击能量大、 冲击速度高、 工作 行程短等特点， 冲击能量可达 1 2 0 J ， 标记清晰永久， 字符深度大， 完 全满足天然气瓶等大尺寸工件的钢印需求， 工作原理， 如图6 所示。 图6快排气式冲击缸工作原理图 F i g ． 6 T h e o r y o f Q u i c k l y E x h a u s t C y l i n d e r 如图4 、 图 6 所示， 冲击开始， 进气， 。 、 排气， 冲击缸的 空气通过导向盖圆孔和方孔 及 直接快速排放，由于圆孔和 方孑 L 的通流面积远远大于K 的通流面积，冲击缸的压力在极短 的时间内降低到常压， 蓄气缸压力在行程阀的延时作用下保持几 十毫秒的恒定， 从而快速行成压差。 延时结束， 蓄气缸腔内的压缩 空气推动活塞带动打标头高速大过载冲击打标， 完成打标后在行 程阀的复位作用下进行下一次打标。 该结构中不存在普通型冲击 气缸容易出现的较大背压， 因而冲击能是同尺寸的普通型冲击气 缸的 3 4 倍。复合打标头装配图， 如图5 所示。 其主要由伺服电 机、 主轴、 字盘轮、 快排气式冲击缸、 标记针头组成。 伺服电机 1 通 过主轴 3和蜗杠 2 带动字盘轮 4转动， 固定在缸体 3上的快排气 No ． 6 J u n ． 2 0 1 2 机械 设 计 与制 造 3 式冲击缸 5带动标记针头 6冲击字盘轮4上的字模， 实现在气瓶 肩部曲面上的打印标记。 5基于 C C D图像处理打标区域优化技术 精确的定位和较大深度的清晰打标是大尺寸气瓶类工件高 质量标记的重要保证。但是高压天然气瓶是薄壁圆筒件， 旋转冲 压缩口成型过程中打标区域经常会产生凹凸不平或者圆度较差 的锻造缺陷， 而且工件尺寸越大， 这种缺陷就会越加明显。 如直接 按照大尺寸工件的外形进行标记， 由于无法保证打标头始终垂直 于打标区域， 导致标记不完整、 字符深浅不一或者在缺陷位置打 标等打标缺陷， 降低标记质量。因此， 研发了基于 C C D图像处理 的技术，通过获取打标区域垂直法向量并优化选择打标区域， 有 效的避免缺陷标记， 提高打标整体质量和性能。 系统由光源、 C C D 图像传感器、 驱动电路、 图像采集卡组成， 其基本原理， 如图 7 所 示。 C C D图像处理界面， 如图 8 所示。 其在机床上的安装位置， 如 图 3所示。 臣匦 卜匝囹 图7 C C D图像系统原理图 F i g ． 7 Th e o r y o f t h e CC D I ma g e S y s t e m 图 8图像处理界面图 Fi g ．8 S c r e e n o f t h e I ma g e P r o c e s s i n g 其技术原理是 在光源探照下， 通过正交布置的 C C D图像 传感器， 采集气瓶端部曲面打标区域的外形图像轮廓 ， 由软件系 统进行数字图像处理与识别， 提取气瓶端部曲面打标区域外形 轮廓的垂直法向量， 按照预定规则和方法， 优化选择标记位置并 按所获取轮廓的法向量， 生成打标位置并进行精确标定 ， 并通过 空间曲面定位架构驱动工件和打标头到达精确位置实现高质量 的打印。 6样机研制与打标试验 进行了样机的研制和打标试验，高压天然气瓶大尺寸曲面 气动打标实验机， 如图 9 所示。 大尺寸天然气瓶的打印效果图， 如 图 1 0所示。通过试验表明， 所研制的大尺寸曲面气动打标机， 其 具有如下性能参数 1 对直径为4 0 4 m m的高压天然气打标速度 较主流气动打标栅陕 5 ～ 1 0 s ； 2 采用 C C D图像处理系统， 实际 测量精度可以达到 0 ． 1 m； 3 数字／ 字母的刻写速度为 3 ～ 6 个／ s ， 标记深度为 0 ． 1 ～ 2 m m。 由图8打印效果图可知， 钢印标记清晰 美观， 排列整齐字符完整， 深度适中。 图9大尺寸曲面气动打标机 Fi g ． 9 L a r g e S c a l e a n d Su r f a c e Pn e u ma t i c Ma r k i n g Ma c h i n e 图 1 O天然气瓶打印效果图 Fi g ． 1 0 Re s u l t Ma r k P i c t u r e o f Ga s Ba t t l e 7结论 1 设计和研制的基于大尺寸气瓶类工件的气动打标机， 集 成了自主研发的基于打标机空间曲面架构的标记精确定位技术、 基于决排式冲击的高清晰气动打标技术和基于C C D图像处理的 打标区域优化技术。 打标机每秒可达 3 ～ 6 个字符， 比普通气动打 标机快； 加工成本底， 平均为 0 ．2元， 只， 不到针式的一半 、 激光式 的四分之一；最大打标深度可达 2 m m，是普通打标机的一倍以 上； 可以进行大范围多行标记。 2 样机的研制表明， 该型打标机 成本低、 打标清晰度高、 标记深度大范围广， 能满足国内大中型气 瓶加工类企业增强产品防伪性能， 提高产品档次和树立产品品牌 形象的迫切需求， 具有广泛的社会和经济效益。 参考文献 [ 1 ] 刘群， 谭庆全， 郑义．阵列式高速在线 C O 激光打标机控制系统的设计 [ J ] ．激光与红外 2 0 0 5 ， 3 5 2 8 0 8 2 ． [ 2 ] 周明刚． 一种轴承专用激光打标机控制系统的设计[ J ] ． 计算机工程， 2 0 0 3 ， 2 9 6 1 6 8 1 7 0 ． [ 3 ] 谈宏华 ， 赖旭员， 陈家林． 基于 A T m e g a 1 6 的气动标记控制系统设计 [ J ] ． 电子设计工程， 2 0 0 9 1 7 1 0 0 1 0 2 ． [ 4 ] 刘建新， 谭平． 基于I n t r a n e t 的工业气动标记机的开发研究[ J ] ． 制造业 自动化， 2 0 0 0 ， 2 2 8 1 5 1 6 ． [ 5 ] 陈永国， 张新敏， 李娜， 等气动标记打印机打印头运动过程的分析[ J ] ． 沈阳工业大学学报 ， 2 0 0 4 ， 2 6 6 6 2 6 6 2 8 ． [ 6 ] 路建萍， 李小宁， 孙静． 全自动气动打标机的控制系统开发[ J ] ． 中国制 造业信息化， 2 0 0 7 ， 3 6 【 1 9 5 2 5 7 ． 1 7 j B u r g e s s ， A l a n ， F e n g ， K e ．C o l o r l a s e r ma r k i n g a n e wma r k i n g a n dd e c o r a t i n g a l t e r n a t i v e f o r l e fi n s[ A] ．P r o c e e d i n g s o f t h e I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n A d d i t i v e s f 0 r P 0 1 y o 1 e 6 n e s [ c ] ． 1 9 9 8 1 8 5 1 9 1 ． [ 8 ] F a d u l ， F a i s al， A r n o l d ， L o u i s ． L o wc o s t c o n t r o l l e r f o r m u l t i a x e s s t e p p e r mo t o T s [ J J ．I n d u s t r i a l M e t r o l o g y ， 1 9 9 2 ， 2 2 1 3 3 1 4 0 ．