气动式钢管接箍打标设备设计.doc

徐州工程学院毕业设计(论文)

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密 级：

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。
近年来，随着自动控制技术及计算机技术的飞速发展，涌现出来了多种新型
的打标技术。这些新兴的打标技术以其速度快，图案精美、清晰，使用便捷等特
点在市场上得到了广泛的应用。随着国际上产品质量认证体系的推广和普及，各
类制造企业通过对打标技术的应用，提高了产品档次，树立了产品品牌形象，增
强了产品的防伪作用，同时还为企业提供了产品的可追溯性。目前，在以制造业
为主的中国，随着经济的高速增长，打标产业市场已成为一项朝阳产业。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，需要在这些产品的表面进行信息标示，
因此，自动化的工业标记技术逐渐成为热门的研究课题。
之前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，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标记打印技术—气动打标方
式。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
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，未来几年内打标产业的市场前景将非常广
阔。

2.毕业设计(论文)的内容和要求：

主要研究内容：研究气动式钢管打标设备运行原理2）根据钢管参数，生产效
率，现场工况的具体要求进行系统的总体设计（钢管48—246（外径），钢
管重量20kg—1000kg，钢管长度6m—15m，过管速度278根/小时）, 3）设计
打标设备的检测装置。
设计基本要求：设计说明书的字数不少于2万字；工程绘图量折合成图幅为
A0号的图纸不少于3.5张；翻译相关外文资料，字数不少于5000字。

3.主要参考文献：

1．《PLC编程及应用》 廖常初 机械工业出版社 2005
2．《液压与气压传动》 章宏甲 机械工业出版社 2004
3．《机械设计》 许菊若 化学工业出版社 2005
4．《自动检测与传感技术》 赵巧娥 中国电力出版社 2005
5．《机械制造技术基础》 邓志平 西南交通大学

4.毕业设计(论文)进度计划(以周为单位)：
起 止 日 期
工 作 内 容
备 注
第一周
第二周
第三周
第四周
第五周
第六周
第七周
第八周
第九周
第十周
第十一周
第十二周
第十三周
第十四周
第十五周
第十六周
论文开题
外文翻译/查阅资料
论文大纲/准备
论文绪论
论文总体设计
论文总体设计
论文机架设计
论文V型台设计
论文气缸选型设计/材料总结
机械图纸设计
机械图纸设计
机械图纸设计
电气及控制系统设计
电气及控制系统设计
论文初稿
论文终稿

教研室审查意见：

室主任
年 月 日
学院审查意见：

教学院长
年 月 日
课题
名称
气动式钢管接箍打标设备
课题来源
自选
课题类型
工程设计类
选题的背景及意义
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。
近年来，随着自动控制技术及计算机技术的飞速发展，涌现出来了多种新型的打标技术。这些新兴的打标技术以其速度快，图案精美、清晰，使用便捷等特点在市场上得到了广泛的应用。随着国际上产品质量认证体系的推广和普及，各类制造企业通过对打标技术的应用，提高了产品档次，树立了产品品牌形象，增强了产品的防伪作用，同时还为企业提供了产品的可追溯性。目前，在以制造业为主的中国，随着经济的高速增长，打标产业市场已成为一项朝阳产业。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，需要在这些产品的表面进行信息标示，因此，自动化的工业标记技术逐渐成为热门的研究课题。
之前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，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标记打印技术—气动打标方式。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，未来几年内打标产业的市场前景将非常广阔。
研究内容拟解决的主要问题
1）研究气动式钢管打标设备运行原理
2）根据钢管参数，生产效率，现场工况的具体要求进行系统的总体设计（钢管48—246（外径），钢管重量20kg—1000kg，
钢管长度6m—15m，过管速度278根/小时）
3）设计打标设备的检测装置

研究方法技术路线
了解现在的生产方式，结合实际的生产操作路线和工艺来设计，以及现如今国外进口技术的揣摩，从而来研究了钢管的气动式接箍打标设备
研究的总体安排和进度计划
第一周论文开题
第二周外文翻译/查阅资料
第三周论文大纲/准备
第四周论文绪论
第五周论文总体设计
第六周论文总体设计
第七周论文机架设计
第八周论文V型台设计
第九周论文气缸选型设计/材料总结
第十周机械图纸设计
第十一周机械图纸设计
第十二周机械图纸设计
第十三周电气及控制系统设计
第十四周电气及控制系统设计
第十五周论文初稿
第十六周论文终稿
主要参考
文献
1．《PLC编程及应用》 廖常初 机械工业出版社 2005
2．《液压与气压传动》 章宏甲 机械工业出版社 2004
3．《机械设计》 许菊若 化学工业出版社 2005
4．《自动检测与传感技术》 赵巧娥 中国电力出版社 2005
5．《机械制造技术基础》 邓志平 西南交通大学
指导教师
意 见

指导教师签名：
年 月 日
教研室意见
学院意见

教研室主任签名：
年 月 日

教学院长签名：
年 月 日

摘要
钢管是一种用途广泛的工业金属材料，其中钢管生产产业也是国民经济发展的一个重要支柱。国内外钢管生产线包括精整区测长、称重、打标、涂色、喷标等环节，其中打标环节关系着一个企业的品牌的建立，让大家知道钢管的型号，是钢管生产中一个不可或缺的环节。本文着重研究了钢管的接箍打标设备—气动打标系统。对其中的关键技术进行了深入的研究，分析了打标系统的构造和工作原理，以及在工业化生产中应当注意的一些问题。
通过分析研究，本文主要完成的任务有：
第一章主要分析了现在市场上的气动打标机的现状以及研发情况，并且针对现在国内的研发水准提出展望。
第二章研究了钢管生产线上打标机系统的组成和运行的简要原理，从整体上进行分析。
第三章把各个机构剖开，逐个进行了分析，研究了它的组成和工作原理，以及它在整体系统机构上的作用、
第四章研究了气动打标机的气动传动的回路，并且选择了在升降机构上的气缸的型号，以及在机构中所需要的气动回路元件。
第五章简要分析了系统中所需要的PLC的流程
第六章分析了在生产中所需要注意的硬件上的问题，以及在现在生产车间中合理的布置。
第七章总结了在钢管打标生产中所需要做的工作，并对系统的改进方向进行了展望。

关键词：钢管；打标；PLC

ABSTRACT
Pipe is a widely used industrial metal material; including steel pipe manufacturing industry is an important national economic development pillar. Pipe production line at home and abroad including the finishing area measuring long, weighing, marking, the To-color, sprayed superscript, such as links, marking a link between corporate brand building, let everyone know that the pipe model, is the production of a steel pipe An indispensable component. This article focuses on the pipe collar marking equipment - aerodynamic marking system. One of the key technologies for an in-depth research, analysis of the marking system structure and working principle, as well as in industrial production should pay attention to some problems.
Through analysis of this paper to complete the tasks are:
The first chapter of the main now on the market for air marking the status quo, and research and development, now and for the development of standards to the domestic outlook.
ChapterⅡon the pipe line marking systems on the composition and operation of the summary principle, from the overall analysis.
Chapter III of the various agencies cut open, were analyzed individually, on its composition and working principle and its place in the overall system on the role of institutions,
Chapter IV on the aerodynamic marking the pneumatic drive of the loop, and choose the body movements in the cylinder model, and the institutions needed to pneumatic circuit components.
Chapter V brief analysis of the system required by the PLC in the process
Chapter VI of the production of the hardware needed attention on the issue, and now in production workshop in a reasonable layout.
Chapter VII summarizes the marking in the production of steel pipes required for the work to be done and the direction of improving the system of the future.

Key words: Pipe Marking PLC

目 录
参考文献1 绪论 1
1.1课题研究的背景及意义 1
1.2气动打标机研究现状 2
1.3气动打标机相关技术的发展 4
2 打标机系统的总体设计 5
2.1打标系统的设计 5
2.1.1打标系统组成 5
2.1.2打标工作过程 5
2.2打标机的基本功能及主要技术指标 6
2.2.1打标机的基本功能 6
2.2.2打标机的技术指标 6
2.2.4打标机的组成及工作原理 6
3 各机构的选择和设计 7
3.1 横梁的设计 7
3.2 打标头的设计 14
3.3 V型台的设计计算 14
3.3.1 V型块定位元件的分类及其所能限制的自由度数 14
3.3.2设计非标准V型块时，可按图所示进行相关尺寸计算 16
3.3.3定位设计方案的确定 17
3.3.4对定位元件的基本要求 21
3.4 光电传感器的选择 22
3.5锥齿轮的传动设计 23
4 气动系统的设计 25
4.1 气压传动方案的设计 25
4.2 气缸的选用 25
4.3气动元件的设计 27
5 PLC部分的设计 29
5.1 PLC控制程序设计 29
5.1.1输入，输出点的确定 29
5.1.2 PLC的选型分析 29
5.1.3 FX系列PLC输入一输出响应速度分析 30
5.2 PLC 打标流程设计 31
6 打标机系统运行的调试 33
6.1提高机械装配精度的措施 33
6.2电气线路与气动管路的合理布置 34
6.3 PLC的抗干扰措施 34
7 总 结 36

致谢
英文翻译

- 38 -
1 绪论
本文旨在研究一种气动打标机系统及其字库的关健技术。本章首先从打标技术在现代工业中的应用来阐述本课题研究的背景和意义，然后介绍了气动打标机的研究现状和发展方向，最后阐述了本论文的主要内容和完成的工作。
1.1课题研究的背景及意义
打标又称为标记。指的是通过一定的技术手段在相关材料上标记出图案或文字。远古时期出现的手工纂刻及早期的字模冲印，就是一些典型的标记手段。近年来，随着自动控制技术及计算机技术的飞速发展，涌现出来了多种新型的打标技术。这些新兴的打标技术以其速度快，图案精美、清晰，使用便捷等特点在市场上得到了广泛的应用。随着国际上产品质量认证体系的推广和普及，各类制造企业通过对打标技术的应用，提高了产品档次，树立了产品品牌形象，增强了产品的防伪作用，同时还为企业提供了产品的可追溯性。目前，在以制造业为主的中国，随着经济的高速增长，打标产业市场已成为一项朝阳产业。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，需要在这些产品的表面进行信息标示，因此，自动化的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、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IS09000标准。打标主要应用于机械、汽车及其零部件、摩托车、电动车及其零部件，电子、轻工、石化管件领域。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。这些方法各自的缺点有:
(1)字模冲压由于是接触式加工，加工后的零件容易产生内应力，字模的制作和改变比较困难，且一般只能用于金属材料的标记;
(2)印刷的标记其附着强度往往有限，因此其标记的寿命往往不长(特别是在金属材料上)，且其加工过程容易产生环境污染;
(3)电腐蚀加工方法只能对金属材料进行加工，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。
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，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标记打印技术—气动打标方式。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，未来几年内打标产业的市场前景将非常广阔。
1.2气动打标机研究现状
气动打标机是由计算机控制打印针运动的高速打印设备, 目前共有标准型、便携型和生产线型三种。前者适用于中小件其二适合大、特型件另则适用于流水线生产。它所用的高速电磁阀, 能以每秒次的频率开关压缩空气, 从而可使打印针也按此频率往复冲击, 使工件表面包括平面、弧形面、凸形或凹形表面打印出密集点阵构成的字符或图形。其打印深度最高可达, 速度为每秒个号符平均无故障工作时间达钢针硬度高达, 具有灵活、可靠性高和易于掌握的特点。除应用于汽车制造业、摩托车行业的生产流水线外, 对于航空、电器、电子、钢铁和模塑等工业, 也非常适用。
气动标记打印工艺之所以受到广大用户欢迎,还在于它所独有的防伪功能。首先是它所打印的标记易于识别其次是打印设备和标记本身的唯一性无法仿制。以上这些, 对于辨别机件真伪, 维护企业质量信誉, 是相当重要的。伴随市场经济的发展, 商品竞争已成为必然。因此, 一些假冒伪劣产品, 势必要鱼目混珠, 乘隙而入。在生产中采用这种气动标记打印工艺, 则可便于识别真伪, 是企业防伪打假的好帮手。先进的工艺具有旺盛的生命力, 先进的工艺装备也必将为广大用户所掌握。
气动打标是电磁阀控制压缩空气（0.2-0.7Mpa）驱动高硬度(>HRC92)标记针以较高频率（300 次/秒左右）上下震动，同时，由计算机操作系统控制、驱动器控制步进电机带动标记针做二维运动，从而实现在工件上的标记。其标记的内容是由无数个标记针在工件上冲击的小点构成。这一点，与针式打印机的打印过程有部分类似。气动打标具有成本低（目前单机价格1 万元左右）、操作维护简单、应用领域广泛，标记深度深、便于计算机系统或网络控制的特点。是目前应用较为广泛的一种标记技术。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20年代开始，国外的打标技术已经日趋成熟，目前的研究主要集中在打标机软件和硬件的优化上，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:
（1）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TMP 1700型打标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。TMP 1700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TMP 1700系统的实物图，和打标机在圆弧工件表面打标的实物图。目前在国内著名的生产打标机的厂家有嘉铭公司，主要生产有M系列的打标机，包括气动型，电动型打标机，但多采用国外引进的打标头。

图1-1TMP 1700系统实物图
（本产品打标速度可达到50mm/s，打印深度为0.07mm ^-0.2mm，打印范围38mm * 63mm，点密度为4-79个/厘米）

(2)多针头打标
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，其实物如图1-2

图1-2 多针头打标机
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，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。
与国外的技术相比，国内气动打标机的发展相对滞后，虽然从上世纪90年代开始，国内己开展了这方面的研究开发工作，但是在许多关键技术上仍然没有突破性进展，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。

1.3气动打标机相关技术的发展
目前国际上正在开展通过离子表面注入技术实现对普通材料的变性研究如能实现，则可大幅度提高标记针的性能及成本，届时，气动打标记的应用将跨上一个新的台阶。近几年来，随着我国改革开放的进一步深入，经济建设取得了飞速的发展，伴随着制造业的蓬勃兴起，气动打标行业也取得了突飞猛进的发展。各打标机生产企业将多种新技术、新成果不断应用于气动打标系统中。相信在不久的将来，我国在这一领域中的技术水平将处于世界领先地位。

2 打标机系统的总体设计
本章具体分析了打标机系统的系统组成和功能需求，介绍了气动打标机系统工作原理，分析了打标机内部的组成部分和打标机的工作原理，列出了系统采用打标机的性能指标。
2 .1打标系统的设计
2．1．1 打标系统组成
打标系统的示意图如图2－1 所示，由图可以看出其组成如下：
（1） V 型支架。V 型支架用来放置待打标的钢管，由七个支柱组成，V 型面上固定有尼龙垫，可以减少冲击，保护钢管不被划伤。
（2） 气动打标机。打标机包括支架、升降气缸、打标头、打标控制器、丝杠等。气动打标机在钢管外表面沿轴向打出所设定的字符。打标机采用TELESIS 公司的新产品TMP3200 浮针气动打标机，具有打标速度快、字迹清楚、可靠性高的特点。
（3） 横梁。用来安装打标机，同时实现打标机的横向进给。

图2-1打标机系统示意图

2．1．2 打标工作过程
钢管到达打标工位时，气缸下降，可调撑脚压在钢管上，可以调节打标针钢管的距离 ，以改变打标字符的深度。打标开始后，打印针按字符或图形笔划轨迹运动的同时，打印针高频冲击钢管表面，从而形成由密集点组成的字符或图形。打印针能自动跟随钢管表面形状而动作，对钢管表面平整度无要求。打标字符和图形可以通过计算机键盘输入。

2 .2打标机的基本功能及主要技术指标
2 . 2. 1打标机的基本功能
工业现场使用的气动打标机具体功能有以下几点:
(1)打标针能够在一定尺寸的平面内运动并实现定位。
打标针在平面内能够按打印轨迹运动;能在需要打点的坐标处定位;打标完成后，打标针能自动复位。
(2)快速打点。
打标针移动到需要打点的坐标处定位后，能够快速地在工件表面上打点，防止点的漏打，并且保证一定的打印深度。
(3)用户操作界面友好，打标字符多样。
用户通过操作界面可以方便地进行系统参数的设定、打标参数的设定、打标字符的编辑等;软件具备丰富的字库文件供用户调用，并提供字符生成器供用户设计自定义字符图样使用。
(4)便于与上位机系统联接。
打标机能方便地与上位机通讯，使用通用的串行接口，并且确定上下位机之间的通讯协议。这一功能主要接收上位机设计的字符文件信息。
(5)体积小，结构紧凑，便于安装维护。
为工业现场使用和安装的方便，在满足打标功能需要的基础上，打标机应尽量少占用工作空间，做到体积小，结构紧凑，并便于安装维护。
2 . 2. 2打标机的技术指标
TMP3200系统的主要技术指标如下:
TMP3200系统为单针打标系统，打标窗口为283mm258mm163mm，专利浮针技术，可在高低不平达6mm的表面打标，此外可选择多种材料的打标针，使用范围广，打标深度为0.02~0.45mm,气压需求为4.1~6.9MP，最快打字速度为4字/秒，可以打印圆弧字符，电源要求AC115V或220V，单相电，解析度为4~200dpi,外接界面为RS232，R485。
2 . 2. 4打标机的组成及工作原理
2.2.4.1 TMP3200系列打标机的组成
TMP3200气动打标机的组成部分主要包括控制器、上位机、打标头、打标针、各部分主要功能如下:
①控制器: 对系统参数和打标参数进行设置，控制打标针的运动和动作;
②上位机: 浏览字库文件、设计特殊字符、优化字符打印轨迹、向控制器发送字符文件信息;
③打标头: 安装打标针运动和动作的机械部件;
④打标针: 通过对工件表面的冲击打出点痕;
2.2.4.2 打标机的工作原理
对打标机工作过程进行分析，其工作原理分如下三个步骤:
1）针头的运动
当工件被输送到打标工位后，控制器发出打标指令，打标针在步进电机驱动下沿着所需的打标轨迹运动;
2）打点
打标针移动到需要打点的坐标处时，控制打标针动作的电磁阀打开，打标针在驱动气压的作用下冲击工件表面打下点。然后电磁阀关闭，打标针从工件表面抬起，缩回针套内。重复步骤①、②，则在工件表面连续打点，组成所需的字符图样;
3）复位
一个工件打标完成后，打标针复位到初始位置，等待下一个打标指令的到来。

3 各机构的选择和设计
打标机及控制系统的主要组成部分部件有打标机控制器，支撑机构，升降机构和打标机本体，在此基础上对打标机系统总体方案进行了设计，并对系统各部分采用的主要元器件进行了参数计算和选型。如图3-1介绍了打标机系统各机构的组成情况：

图3-1系统组成示意图
3.1 横梁的设计
1）机架的设计主要保证刚度，强度和稳定性。
（1）刚度 评定大多数机架工作能力的主要原则是刚度。
（2）强度 强度是评定重载机架工作性能地基本准则。机架的强度应根据机器在 运转过程中可能发生最大载荷或安全装置所能传递的最大载荷来校核其强度，此外还要校核其疲劳强度。机架的强度和刚度都需要从静态和动态两方面来考虑。动刚度是衡量机架抗振性能的指标。而提高机架抗振性能应从提高机架构件的静刚度控制固有频率，加大阻尼等方面著手。提高静刚度和控制固有频率的途径是：合理设计机架构件的截面形状和尺寸，合理选择壁厚及肋板，注意机架的整体刚度与局部刚度以及结合面的匹配等。
（3）稳定性 机架受压结构及受弯结构都存在失稳问题，有些构件制成薄壁腹业存在局部失稳。稳定性失保证机架正常工作的基本条件，必须加以校核。此外，对于机床，仪器等精密机械还应考虑热变形。热变形将直接影响机架原有精度，从而使产品精度下降，有导轨的机架，由于导轨面与底面存在温差，在垂直平面内导轨将产生凸或凹热变形。因此，机架结构设计时应使热变形尽量减小。
2）机架设计的一般要求：
（1）在满足强度和刚度的前提下，机架的重量应要求轻，成本低。
（2）抗震性好，把受迫振动振幅限制在允许范围内。
（3）噪声小
（4）温度场分布合理，热变形对精度的影响小。
（5）结构设计合理，工艺性良好，便于铸造，焊接和机械加工。
（6）结构力求便于安装与调整，方便修理和更换零部件。
（7）有导轨的机架要求导轨面受力合理，耐磨性良好。
（8）造型好。使之既适用经济又美观大方。
3）机架常用的材料
材料的选用主要根据机架的使用要求。多数机架形状复杂，故一般采用铸造，由于铸造的铸造性能好，价廉和吸振性能强，所以应用广。重型机架常用铸钢，当要求重量轻时，可以用铸造或铸铝合金等轻金属制造。焊接机架具有制造周期短，重量轻和成本低等优点，故在机器制造业中，焊接机架日益增多。焊接机架主要又钢板，型钢或铸钢等焊接而成。
鉴于本课题设计，机架支柱横梁选用热轧等边角钢，如图3-2，尺寸规格见表3-1：

图3-2横梁计算图
（b- 边宽 d-边厚 i- 惯性半径 zo-重心距离 w- 截面系数 I-惯性矩）

表3-1 角钢尺寸规格
角钢号数
尺寸/mm
截面面积/
理论重量kg/m
外表面积()
Z0
b
d
r
9
90
12
10
20.306
15.940
0.352
2.67
8
80
10
9
15.126
11.874
0.313
2.35

经计算机架横梁重量

机架立柱的重量

有TELIESE公司选用打标头重量： 气缸重量
滑台框架 滑台总重量 N
1. 当滑台处于B点位置时，对横梁进行受力分析，如图3-3：

图3-3横梁受力分析
所以

B点时的轴力图和弯矩图如下图3-4：

图3-4横梁轴力图和弯矩图
横梁强度的校核：
已知横梁截面积 许用抗弯应力

经校核横梁强度合格。

立柱的受力分析如图3-5，计算：

如图3-5立柱B点受力分析图
则,立柱所受的力矩
所以在B点时立柱轴力和弯矩图如下图3-6：

图3-6立柱B点的轴力和弯矩图
立柱的强度校核：
已知立柱截面积，材料抗压许用应力

所以经校核立柱的强度合理。
2. 当滑台在A点位置时，对横梁受力分析，受力分析如下图3-7：

图3-7机架受力分析图

有，可得以E点为原点取矩 得：

所以滑台处在A点时轴力图和弯矩图见下图3-8：

图3-8机架轴力和弯矩图
经校验横梁强度合理。
立柱在横梁作用下的受力分析如图3-9：

图3-9立柱受力分析图
有可知
所以立柱的轴力图和弯矩图如图3-10：

图3-10立柱轴力和弯矩图
校核：
所以立柱强度合理。

3.2 打标头的设计
本系统中采用的是成型的打标头，即美国TELESIS公司开发研制的TMP3200型打标机系统，所以本文采用的技术指标都根据美国TELESIS公司提供的TMP3200型打标机的技术参数， TMP3200型打标机是一种气动式打标机，在气压作用下，打标针做高频率的冲撞运动，从而完成各种图案字符的打标的，它的性能参数在上文中已经列出。
3.3 V型台的设计计算
3.3.1 V型块定位元件的分类及其所能限制的自由度数
3.3.1.1 V型块定位元件的分类

图3-11V型块定位示意图
工件以外圆柱面定位时，不管是粗基准面还是精基准面均采用这种定位元件，它和定位销有类似的情况，也分短V型块和长V型块两种。一般V型块和工件定位面的接触长度小于工件定位直径时，属短V型块，大小1.5～2倍工件定位直径时，属于长V型块。图3-12a 所示为短V型块，用于较短的精基准定位；图b所示为两个中心平面重合的短V型块组成的长V型块，用于较长的粗基准（或阶梯轴）定位。
V型块又有固定式和活动式之分。根据工件与V型块的接触母线长度，固定式可以限制2个或4个自由度。活动V型块限制一个转动自由度，用以补偿因毛胚尺寸变化而对定位的影响，同时还兼有夹紧的作用。固定式V型块在夹具体上的装配，一般用螺钉和两个定位销连接，定位销孔在装配调整后配钻铰，然后打入定位销。
3.3.1.2 V型块所能限制的自由度数
分析长V型块所能限制的自由度时，可把短V型块看作无限的短，理想的两点接触形成两个点定位副，只能限制y、z两个自由度。同理长V型块四点接触形成四个点定位副，限制四个自由度，即y、z、y、z。V型块的V形角有60、90、120三种，90的应用最广。V型块的结构尺寸已标准化了，特别应该注意的是，测量棒直径D虽然不是实际尺寸，但它是决定其他尺寸的基础，它是工件定位外圆的名义尺寸，切不可遗漏。

图3-12 V型块示意

3.3.2设计非标准V型块时，可按图3-13所示进行相关尺寸计算
3.3.2.1 V型块的主要