四自由度打印装置的制作方法

1.本实用新型涉及一种四自由度打印装置，属于打印装置技术领域。


背景技术：

2.目前现有的工业打码机，印刷字符单一、变化少，尤其是现在的工业产品生产，向多品种、小批量、定制化发展，产品的种类和数量都非常多，为了便于深度服务和生产信息化，需要对每一类甚至每一个产品都印刷不同编码，当印刷字符数量多、变化多的情况下，采用人工漏印的方式，不但工作效率降低，且对多个字符的位置定位不够精确而导致印刷标记或印刷码不够美观，不够精确，差错率会随之增加。因此需要设计一种自动化程度高且能够精确进行打印的打印装置。


技术实现要素：

3.针对现有技术存在的上述缺陷，本实用新型提出了一种四自由度打印装置。
4.本实用新型所述的一种四自由度打印装置，包括打印头、打印头旋转定位机构、打印头前行定位机构、打印头升降定位机构、打印头横移定位机构、电控板以及供电电源，其中：
5.打印头，采用自动加墨打印头或字模打印头，其中：自动加墨打印头包括多个笔芯、笔芯架、多个电磁推杆、电磁推杆架和打印头电控板；字模打印头包括字模片、带u形槽的环型齿带、齿带驱动机构、海绵墨盒、电磁打印机构、支撑机构和打印头电控板；
6.打印头旋转定位机构，包括底座ⅰ，底座ⅰ上方安装有若干竖直平行设置的支撑柱，一侧的支撑柱上方一侧安装有角度定位器，另一侧安装有打印头，打印头的一侧连接有摄像机，摄像机下方安装有测距传感器ⅰ，另一侧的支撑柱上方通过连接轴连接有一对锥形齿轮ⅰ，锥形齿轮ⅰ还通过连接轴与步进电机ⅰ连接；
7.打印头前行定位机构，包括底座ⅱ，底座ⅱ上方设有若干竖直平行放置的定位轴，定位轴外部套设有定位轴套，定位轴之间通过工字钢支撑梁互相连接，其中一组互相平行的工字钢支撑梁之间设有蜗杆ⅰ，蜗杆ⅰ上滑动连接有滑块ⅰ，蜗杆ⅰ两侧分别设有导轨，滑块ⅰ及导轨上方通过承接板连接有打印头旋转定位机构，承接板上方安装有测距传感器ⅱ，蜗杆ⅰ一端转动连接有一对锥形齿轮ⅱ，锥形齿轮ⅱ上方通过连接轴连接有步进电机ⅱ；
8.打印头升降定位机构，包括底座ⅲ，底座ⅲ上方通过支撑梁安装有若干平行设置的定位轴，其中一根定位轴通过连接件与一套蜗杆滑块机构连接，滑块ⅱ上连接有打印头升降定位机构，滑块ⅲ套设在蜗杆ⅲ外部，蜗杆ⅲ向下通过支撑梁连接有一对锥形齿轮ⅲ，锥形齿轮ⅲ通过连接轴与步进电机ⅲ连接，在锥形齿轮ⅲ一侧的支撑梁上还安装有测距传感器ⅲ；
9.打印头横移定位机构，与打印头前行定位机构组成相同，安装角度与打印头前行定位机构水平方向成90
°
夹角；
10.电控板，与打印头、打印头旋转定位机构、打印头前行定位机构、打印头升降定位
机构及打印头横移定位机构电连接，发送控制信号；
11.供电电源，与打印头、打印头旋转定位机构、打印头前行定位机构、打印头升降定位机构及电控板均电连接。
12.优选地，所述自动加墨打印头的笔芯放置在电磁推杆的水平延长线上。
13.优选地，所述字模片采用弯曲结构。
14.优选地，所述字模打印头的字模片安装在环形齿带的u形槽内，齿带驱动机构带动字模片转动，字模片在海绵墨盒中吸取墨水由电磁打印机构推动进行打印。
15.优选地，所述字模打印头包括多套电磁打印机构，电磁打印机构包括打印块、缓冲部件、定位导向部件和电磁推杆，打印块与电磁推杆的一端连接，缓冲部件及定位导向部件耦接于电磁推杆和打印块之间。
16.优选地，所述打印块前端为带凹槽的端面，凹槽的宽度和深度与需打印的字模片适配。
17.优选地，所述测距传感器安装有通信接口。
18.优选地，所述打印头经由打印头旋转定位机构、打印头前行定位机构、打印头升降定位机构、打印头横移定位机构进行四自由度控制，将打印头移动到合适的位置。
19.本实用新型所述的四自由度打印装置，具有以下有益效果：
20.(1)打印头经由打印头旋转定位机构、打印头前行定位机构、打印头升降定位机构、打印头横移定位机构进行四自由度控制，可对打印头进行精准定位；
21.(2)可以更换不同的打印头端面，以适应不同的物体表面，如：平面或者不同弧度的表面；
22.(3)打印面一般为较为平整且横向较长的平面或弧面，更适用于在较为平滑的物体表面打印编码和标记；
23.(4)自动化、信息化程度高，大大提高了工作效率。
附图说明
24.图1是自动加墨打印头的字模结构示意图。
25.图2是字模打印头的字模结构示意图。
26.图3是打印头旋转定位机构的结构示意图。
27.图4是打印头前行定位机构的结构示意图。
28.图5是打印头升降定位机构的机构示意图。
29.图中：1、底座ⅰ；2、支撑柱；3、角度定位器；4、打印头；5、锥形齿轮ⅰ；6、步进电机ⅰ；7、打印头固定板；8、摄像机；9、测距传感器ⅰ；10、底座ⅱ；11、定位轴套；12、定位轴；13、支撑梁；14、蜗杆ⅰ；15、滑块ⅰ；16、锥形齿轮ⅱ；17、步进电机ⅱ；18、承接板；19、测距传感器ⅱ；20、底座ⅲ；21、步进电机ⅲ；22、蜗杆ⅱ；23、滑块ⅱ；24、锥形齿轮ⅲ；25、测距传感器ⅲ。
具体实施方式
30.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下
所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
31.实施例：
32.本实用新型所述的四自由度打印装置，包括打印头4、打印头旋转定位机构、打印头前行定位机构、打印头升降定位机构、打印头横移定位机构、电控板以及供电电源，其中：
33.打印头4，采用自动加墨打印头或字模打印头，其中：自动加墨打印头包括多个笔芯、笔芯架、多个电磁推杆、电磁推杆架和打印头电控板；字模打印头包括字模片、带u形槽的环型齿带、齿带驱动机构、海绵墨盒、电磁打印机构、支撑机构和打印头电控板；
34.打印头旋转定位机构，包括底座ⅰ1，底座ⅰ1上方安装有若干竖直平行设置的支撑柱2，一侧的支撑柱2上方一侧安装有角度定位器3，另一侧安装有打印头4，打印头4的一侧连接有摄像机8，摄像机8下方安装有测距传感器ⅰ9，另一侧的支撑柱2上方通过连接轴连接有一对锥形齿轮ⅰ5，锥形齿轮通过连接轴与步进电机ⅰ6连接；
35.打印头前行定位机构，包括底座ⅱ(10)，底座ⅱ(10)上方设有若干竖直平行放置的定位轴(12)，定位轴(12)外部套设有定位轴套(11)，定位轴(12)之间通过工字钢支撑梁(13)互相连接，其中一组互相平行的工字钢支撑梁(13)之间设有蜗杆ⅰ(14)，蜗杆ⅰ(14)上滑动连接有滑块ⅰ(15)，蜗杆ⅰ(14)两侧分别设有导轨，滑块ⅰ(15)及导轨上方通过承接板(18)连接有打印头旋转定位机构，承接板(18)上方安装有测距传感器ⅱ(19)，蜗杆ⅰ(14)一端转动连接有一对锥形齿轮ⅱ(16)，锥形齿轮ⅱ(16)上方通过连接轴连接有步进电机ⅱ(17)；
36.打印头升降定位机构，包括底座ⅲ20，底座ⅲ20上方通过支撑梁13安装有若干平行设置的定位轴12，其中一根定位轴12通过连接件与一套滑块ⅲ连接，滑块ⅲ上连接有打印头升降定位机构，滑块ⅲ套设在蜗杆ⅲ外部，蜗杆ⅲ向下通过支撑梁13连接有一对锥形齿轮ⅲ24，锥形齿轮ⅲ24通过连接轴与步进电机ⅲ21连接，在锥形齿轮ⅲ24一侧的支撑梁13上还安装有测距传感器ⅲ25；
37.打印头横移定位机构，与打印头前行定位机构组成相同，安装角度与打印头前行定位机构水平方向成90
°
；
38.电控板，与打印头4、打印头旋转定位机构、打印头前行定位机构、打印头升降定位机构及打印头横移定位机构电连接，发送控制信号；
39.供电电源，与打印头4、打印头旋转定位机构、打印头前行定位机构、打印头升降定位机构及电控板均电连接。
40.自动加墨打印头包括自动加墨单排点阵打印头和自动加墨单点点阵打印头两种，自动加墨单排点阵打印头采用单排n点打印方式(n≥5)，以逐排点阵打印数字，其字模如图1所示，每个点的尺寸和形状可根据需求设计，尺寸范围s＝1mm2～1000mm2，点的形状包括方、圆、矩形、椭圆等基本几何形状。自动加墨单点点阵打印头将自动加墨单排点阵打印头的单排n点打印方式换成单点n点打印方式(n≥5)。
41.自动加墨打印头只能逐行打印，实际安装时，笔芯架的前后端板、电磁推杆的后端板和电控板的长度相同，可利用两侧与底部的卡槽进行固定，安装方便。电磁推杆的前端板缩小，便于为墨盒腾出较大空间。为便于安装维护，电磁推杆与电控板之间采用插针连接。通过在每一个电磁推杆驱动回路上增加检测点，实现自检功能。
42.运行使用时，打印头电控板接收打印信息，即d位数字或字母，甚至其它字符，一个
方向，逐个打印。每个字符打印时，根据字模需要，由电控板控制打印笔芯对应的电磁推杆通电。当笔芯上的墨量检测传感器给出墨量低报警时，提出笔芯缺墨报警。
43.如图2所示，字模打印头，字模片在0
‑
9的基础上增加了a
‑
z和其他符号等数十个字模，字模片卡设在环形齿带的u形槽内，环形齿带为窄的单齿带尼龙带，宽度为5
‑
10mm，便于弧形打印，u型槽和字模片均为弯曲的结构；齿带驱动机构带动字模片中字模方向沿逆时针或顺时针各能够旋转90
°
，海绵墨盒为3
‑
6套，齿带驱动机构的圆柱齿轮为中间带齿的短齿轮，打印块前端为中间带凹槽的端面，凹槽的宽度和深度对应字模片的宽度和厚度，打印头4包括4套电磁打印机构，1套用于平面打印，另外3套用于不同弧度的弧面打印，电磁打印机构包括打印块、缓冲部件、定位导向部件和电磁推杆，打印块与电磁推杆的一端连接，缓冲部件及定位导向部件耦接于电磁推杆和打印块之间。4套电磁打印机构围成方形，可以通过旋转，更换不同的打印块，以适应不同的物体表面。
44.打印头旋转定位机构用于弧面打印时打印头4的位置定位，打印头旋转定位机构包括1个步进电机、2个锥形齿轮、1个角度定位器3、1个摄像机8和底座ⅰ1组成，如图3所示。
45.底座ⅰ1上方安装有两根竖直方向平行的支撑柱2，其中一根支撑柱2顶端的一侧安装有角度定位器3，角度定位器3采用绝对光电编码器，当精度要求不高时，可以用限位开关确定打印头4的水平位置，再利用步进电机ⅰ6的步数计算旋转角度，支撑柱2顶端的另一侧与打印头4的一侧固定连接；另一根支撑柱2顶端通过连接轴连接有一对锥形齿轮ⅰ5，锥形齿轮ⅰ5用于打印头4旋转，一对锥形齿轮ⅰ5也可用1套蜗轮蜗杆代替，其中偏下方的一个锥形齿轮通过连接轴连接有步进电机ⅰ6，步进电机用于打印头4的旋转驱动，步进电机ⅰ6上方和下方均设有步进电机安装支架安装在支撑柱2上；另一个偏侧方的锥形齿轮通过连接轴与打印头4的一侧连接，锥形齿轮ⅰ5和打印头4之间的打印轴上还安装有测距传感器ⅰ9，测距传感器ⅰ9为激光测距仪，用于确定打印面的合适位置，为打印头前行定位机构和打印头升降定位机构确定移动坐标，位于测距传感器ⅰ9上方设有摄像机8，摄像机8安装在打印头4一侧，摄像机8为高清摄像机8，摄像机8用于拍摄需要打印面的图像。
46.定位时，首先由测距传感器ⅰ9测距，同时摄像机8拍摄需要打印面的图像，利用测距和图像识别融合算法确定需要打印字符的位置，并由此计算出打印头4需要旋转的方向及其角度数，然后，启动步进电机ⅰ6，与步进电机ⅰ6连接的锥形齿轮带动另一个锥形齿轮转动，使打印头4转动相应的角度(步数)后，停止，实施打印。打印完毕后，打印头旋转定位机构回归零位，等待下一次打印。
47.如图4所示，打印头前行定位机构由1个步进电机ⅱ17、2个锥形齿轮、1套蜗杆与滑块传动机构、1个激光测距传感器、底座ⅱ10组成。底座ⅱ10上设有4根定位轴套11，定位轴套11内部安装有定位轴12，定位轴套11用于和打印装置其他机构配合安装，4根定位轴套11之间通过工字钢支撑梁13围成矩形空间，矩形空间中部安装有1套蜗杆与滑块传动机构，用于将步进电机ⅱ17的旋转运动转换成打印头旋转定位机构的直线运动；蜗杆ⅰ14通过连接螺丝安装在工字钢支撑梁13上，滑块ⅰ15滑动连接于蜗杆ⅰ14上，蜗杆ⅰ14的两端分别设有平行于蜗杆ⅰ14的导轨，导轨也分别通过连接螺丝与工字钢支撑梁13连接；蜗杆ⅰ14一端转动连接有两个互相啮合的锥形齿轮ⅱ16，锥形齿轮ⅱ16上方通过连接轴连接有步进电机安装板，步进电机ⅱ17安装于步进电机安装板上，步进电机ⅱ17用于驱动执行定位机构。
48.位于导轨及滑块ⅰ15的上方安装有承接板18，承接板18上方安装承载有打印头旋
转定位机构；承接板18上还安装有一个带通信接口的测距传感器ⅱ19，测距传感器ⅱ19采用激光测距仪，用于检测打印头4移动的距离，便于定位。
49.原则上，刚开机时或打印完毕后，打印头旋转定位机构需要回归零位。四自由度打印装置的打印头前行定位机构运行时，首先由测距传感器ⅰ9确定打印头4的位置，然后，由打印头旋转定位机构带动测距传感器ⅱ19旋转扫描，同时高清摄像机8拍摄照片，再由测距和图像融合算法确定打印端面是平面还是弧面以及打印头4前行的距离，并确定步进电机ⅱ17的转动步数，适合打印头4打印出清晰的字符，且不能机械损伤打印头4；若此时不是合适的摄像机8拍摄距离，可以令打印头4前行定位机构后退或前进合适的距离，便于拍摄用于旋转定位的图像。根据计算的步数继续前行到合适打印距离，停止前行定位机构的运行。打印完毕后，打印头前行定位机构回归零位，等待下一次打印。
50.如图5所示，打印头升降定位机构用于确定打印头4和被打印位置的上下距离，以便打印机合适打印。
51.打印头升降定位机构由1个步进电机ⅲ21、2个锥形齿轮、1套蜗杆与滑块传动机构、4根定位轴12、1个激光测距传感器组成，4根定位轴12分别安装在打印头前行定位机构定位轴套11的内部，用于和打印头前行定位机构的配合安装，打印头升降定位机构安装于打印头前行定位机构的下方，底座ⅲ20上方、导轨的下方设有与导轨平行的三条支撑梁13，其中位于边侧的一条支撑梁13靠近工字钢支撑梁13一端下方的底座ⅲ20上安装有测距传感器ⅲ25，测距传感器ⅲ25采用激光测距传感器，测距传感器ⅲ25用于测量打印头升降定位机构移动的距离，便于进行定位；测距传感器ⅲ25一侧位于支撑梁13中部通过齿轮轴连接有一对锥形齿轮ⅲ24，锥形齿轮ⅲ24中一个锥形齿轮上方通过连接件连接有蜗杆ⅱ22，蜗杆ⅱ22外侧滑动连接有滑块ⅱ23。
52.中间一条支撑梁13上通过步进电机安装板安装有步进电机ⅲ21，步进电机ⅲ21通过连接轴及连接件与其中一个锥形齿轮转动连接，一对锥形齿轮ⅲ24、蜗杆与滑块传动机构配合，用于将步进电机ⅲ21的旋转运动转换成打印头前行定位机构的升降运动。
53.原则上，刚开机时或打印完毕后，打印头升降定位机构需要回归零位。打印头升降定位机构运行时，首先由测距传感器ⅲ25确定打印头前行定位机构的位置；然后，由打印头旋转定位机构带动激光测距仪旋转扫描，同时高清摄像机8拍摄照片，再由测距和图像融合算法确定打印端面是平面还是弧面以及打印头4升降的距离，并确定步进电机ⅲ21的转动步数，既适合打印头4打印出清晰的字符，又不能机械损伤打印头4；若此时不是合适的摄像机8拍摄距离，可以令升降定位机构上升或下降合适的距离，便于拍摄用于旋转定位的图像。根据计算的步数继续升降到合适打印距离，停止打印头升降定位机构的运行。打印完毕后，打印头升降定位机构回归零位，等待下一次打印。
54.打印头横移定位机构用于确定打印头4的横向位置，以便在合适的位置打印指定的所有字符。打印头横移定位机构的组成结构与打印头前行定位机构组成相同，只不过需要在水平方向旋转90
°
，与打印头前行定位机构成90
°
夹角，移动距离也较大。
55.原则上，刚开机时或打印完毕后，打印头横移定位机构需要回归零位。打印头横移定位机构运行时，打印头旋转定位机构、打印头前行定位机构和打印头升降定位机构已运行完毕，此时，已确定第一个字符(第一排或第一点)的打印位置。若是字模打印，从第一个字符开始打印，由打印头横移定位机构配合打印头4，在横向打印所有指定字符。若是点阵
单排打印，则从第一个字符的第一排开始打印，然后打印第二个字符的第一排，依次打印，直到打印完毕最后一个字符的第一排；然后打印头4转动一个角度或下移一定距离，开始从最后一个字符打印第二排，直到打印完第二排；依次逐排打印，直到所有字符的最后一排打印完毕，即所有字符打印完毕。打印结束后，打印头横移定位机构回归零位，等待下一次打印。
56.电控板，由控制器(cpu)、光耦、步进电机驱动模块、通信模块、人机接口和供电电源模块组成，其中通信模块采用wifi、5g、lora、485等通信方式，电控板负责接收任务并控制打印头4的旋转、打印头前行定位机构以及打印头升降定位机构的运动，并且通过通信模块与监控机通信连接接收任务或传送数据由监控机进行存储。
57.供电电源，供电电源的电压等级分为三等：5v、12v和24v，分别用于cpu、打印头4的电磁推杆以及步进电机和光电开关，各等级功率大小需要根据效率和打印尺寸等具体需求来确定。
58.本实用新型可广泛运用于打印装置场合。
59.涉及到电路和电子元器件和模块均为现有技术，本领域技术人员完全可以实现，无需赘言，本实用新型保护的内容也不涉及对于软件和方法的改进。
60.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
61.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。