关键词: 激光打标,控制系统,激光器,插补算法
Abstract: At present, laser marker technique has taken the place of the traditional marker technique in many fields because of its perfect effect and high speed. The laser marker system is made up of laser, optical system and controller, which is the core of the components. In its history,controller has experienced two seedtimes of NC and CNC. The hardware and software design of controller system module have been analyzed. Furthermore the antijamming measure of the system has been carefully studied. A conclusion and the improving direction have given out at the last.
Keywords: laser marker system, laser, optical system, control.
1 引言
二十世纪七八十年代,国际上出现了一项崭新的激光应用技术:激光打标技术。它具有传统方法难以比拟的许多优点。
1. 采用数控技术,标记速度快,更改打标内容非常简单。
2. 采用激光作为加工手段,应用范围广。
3. 与工件之间没有机械力的作用,保证了工件的原有精度。
4. 加工方式灵活。
5. 可以采取离线生产的方式,也可以实现在线生产;没有污染源,对环境的污染非常小。
6. 操作方便,防伪功能强,使用成本低。
由于激光打标技术有着上述诸多优点,它逐渐取代了传统的标记方法。进入九十年代,随着激光打标技术的日臻成熟及激光打标设备的不断完善,激光打标技术在国外得到较广泛的应用。国际上一些发达国家已将该技术作为工业加工的工艺标准,我国也非常重视这一技术,国家科委早已将该技术列为“八五火炬计划”进行研制和推广。因此,激光打标具有巨大的发展潜力。
2 激光打标机系统控制器功能
激光打标控制器是激光打标系统的核心部分,一般由上位机和下位机组成。本控制器的工作原理就是:在联机使用时,把上位机由打标软件生成的打标数据传输到控制器,并由控制器中的单片机把它们暂存在缓冲器中,然后再把这些打标点的打标参数按给定的顺序和时间间隔逐点进行数/模转换输出,去分别控制振镜的 X 轴和 Y 轴的偏转、激光的功率以及激光器的出光和关光;在脱机使用时,把上位机由打标软件生成的打标数据传输到控制器,再由控制器中的单片机对它们进行打标文件编号并保存在控制器的非易失性存储器中,然后控制器就可以脱离上位机单独工作,我们可以通过控制器的键盘输入和 LCD 显示对存储器中的打标文件进行文件选择、修改打标参数（激光功率和插补周期）、开始打标、放弃打标等操作,这样控制器就完全取代上位机对打标系统进行控制。
3 激光打标机系统控制器硬件设计
3.1 激光打标机系统控制器原理框图
激光打标控制器硬件主要由RS232 串行通信电路、步进电机功率驱动电路、数据存储电路、键盘/显示电路、直流电源电路等几部分组成。
图1 激光打标机原理图
本系统由系统机和单片机两部分构成。由于图形处理算法复杂,必须借助图形处理软件才能完成,因此将图形处理和打标控制功能相分离,图形处理部分由系统机完成,系统机完成对所需打标的PLT, BMP 或PCX 格式的图形图像文件的生成、数据处理后将生成的图形文件通过RS232 标准接口传输给单片机。单片机的任务是将接收到的图形文件数据存储到外部数据存储器29C040 中,并完成各种文件操作,打标参数设置,最后控制激光打标机实现自动或手动打标。所有的控制操作通过键盘进行,显示屏会实时显示相应的提示信息。
单片机发出的控制信号经驱动电路放大后驱动步进电机旋转进而控制扫描镜头偏转角
度从而控制光点的位置、移动速度和加速度。下面介绍各部分电路。
3.2 激光打标机系统控制器单元电路设计
3.2.1 数据存储电路与单片机外部电路设计
外部数据存储电路由存储器6264 和29C040 以及地址锁存器74LS573 组成。本系统采用6264 作为数据缓冲器对文件数据进行中间过程的处理。6264 芯片的数据输入和输出引公用,三态输出,并且与EPROM2764 芯片引脚兼容,因此具有扩展程序存储器2764 的能力,为以后的技术升级留下了余地。本控制器由于要存储至少10 个文件,并且要能方便的进行在线读写,因此必须选择一种大容量的断电后不丢失数据的可在线读写的非易失性存储器。综合比较,我们选择了ATMEL 公司的AT29C040。
单片机采用89C52、6264 AT29C040 为扩展外部数据存储器,此外,系统还使用了键盘显示控制器8279 以及X, Y 电机的步进信号锁存器74LS377。可以看到,该系统既有扩展的外部数据RAM,又有与外围电路、外部芯片的接口,为了区别对不同对象的数据操作,必须使所有这些外部电路有着不同的地址。
锁存器74LS573 用于锁存低八位地址数据。89C52 的P0 口既要传送数据又要输出低八位的地址,因此P0 口输出的地址数据必须用锁存器锁存。锁存器的锁存控制信号为引脚ALE输出的控制信号。在ALE 的下降沿将P0 口输出的地址数据锁存。
图2 数据存储电路原理图
3.2.2 功率驱动电路设计
功率驱动电路用以将89C52 输出的TTL 电平信号放大驱动步进电机转动。使用4N33 光电隔离器,T1P41C 功率三极管。驱动电路的工作原理是单片机P0 口输出的控制信号经光电隔离器后送至功率放大器放大,最后经2 脚输出驱动步进电机。光电隔离器的输入端与输出端在电气上是绝缘的,且输出端对输入端也无反馈,因而具有隔离和抗干扰的双重作用。在驱动电路中加入光电隔离器使功率驱动部分与控制部分在电气上隔离,消除了驱动电路对单片机电路的干扰,提高了系统的可靠性。
3.2.3 串行通信电路设计
本系统采用了最简单的零调制三线经济型。只用两根信号线就实现了数据的双向传输,系统机输出的电平信号经过MAX232C 电平转换器转换成TTL 电平信号,送到单片机的RXD端;单片机串行发送引脚TDX 端输出的TTL 电平信号经过MAX232C 电平转换器转换成系统机可接收的电平信号,接到系统机的RXD 端。该电路结构简单,可靠性较好。
3.2.4 人机接口电路设计
人机接口电路主要由显示和键盘电路构成。用锁存器或可编程并行I/O 口芯片（如8155等）都可以做键盘显示器的接口。但他们共同的缺点是,需要编制定时扫描显示和扫描键盘的程序,不仅占用了CPU 的时间降低了效率而且使整个系统软件变得比较复杂。因此我们采用了专用的键盘显示芯片8279。本系统采用24 个按键和8 位数码管显示。
3.2.5 直流电流电源设计
直流电源电路为单片机系统提供+5V 电源。电路图如图3 所示。
图3 直流电源电路原理图
4 激光打标机系统控制器软件设计
4.1 激光打标控制系统数据流图
4.2 系统各主要功能模块设计
4.2.1 系统机部分
系统机的功能包括图形文件调入、处理,打标参数的设置和数据传输。其中,图形文件处理是非常重要的,因为它涉及到单片机的打标控制,系统机处理要使单片机取数据打标简单。用户可以在系统机上设置好各种参数。
4.2.2 参数设置模块
设定打标比例、打标速度、空走速度、滞后补偿、出光间距、扫描间距等。
4.2.3 串行通信模块
串行通信负责将系统机上生成的图形文件传送给单片机控制系统。其数据流如下:
A.进入通讯后首先检查是否有文件调入,若无就应退出通讯。
B.若有文件调入,就开始通讯前的准备工作,如:打开数据库文件,通讯测试,若其中任何一项不成功就应返回。
C.接下来是选择文件编号（0-9）,被标明“己被使用”的编号不可用。选择到有效的编号后就开始进行传输数据,传完后就退出。
单片机系统的串行通信模块负责接收从系统机传送来的数据。
4.2.4 文件操作模块
由于单片机系统能够存储至少十个文件,因此必须具有文件处理的功能,文件处理具体包括文件的插入、删除和全部清除。在此借鉴了计算机操作系统处理文件的思想,即为每个文件设置一个固定长度的文件头,用于存储文件的编号、类型、起始地址及大小等信息,那么具体文件的插入、删除和全部清除等操作只需修改相应文件的文件头信息即可,而不必操作具体的文件信息,因此这种方法既简单又快速。
4.3 步进电机升降速控制
步进电机不丢步时有一最大启动频率,并且工作台总是有一定惯性的。为了保证步进电机启动时不丢步,同时保证机械部件的冲击力小,应该在升速阶段使控制步进电机的脉冲信号频率逐渐升高,在降速阶段使频率逐渐降低。本系统中的升降速控制比较简单,为匀加速过程。设定工作台在t 时间内从静止升速到最大速度。降速过程与此相似,降速所需时间可以短些。在转段时,如果两段速度相差过大也可以引入加减速过程。
4.4 激光滞后补偿
激光器从通电到输出额定功率的激光需要一定的时间,当激光器熄灭后,再重新出光也需要一定的时间,这一段时间称之为滞后补偿。通常,激光器在熄灭50ms 后就需要进行滞后补偿。
5 小结与本文作者创新点
本文介绍的激光打标技术由于拥有许多优点开始逐渐取代传统的标记方法。激光打标控制器是激光打标系统的核心部分, 本文主要针对激光打标系统的控制系统模块,在硬件与软件设计两方面都进行了仔细翔实的分析与研究。本控制系统单片机采用89C52、6264 和AT29C040 为扩展外部数据存储器,此外若系统需要大容量外部数据RAM 或需要较多的I/O接口时,可采用译码法对I/O 接口进行编址,大大提升了系统存储容量。
参考文献:
[1] 刘征宇. 最新接口电路IC 特性代换手册.福州:福建科学技术出版社2003: 673-678
[2] 张陶英,朱衡君.基于EZ-USB 的数据采集系统设计[J].国外电子测量技术,2004 年增刊:73
[3] 李朝青.单片机&DSP 外围数字IC 技术手册.北京:北京航空航天大学出版社,2003:625-657
[4] 高光大,徐振英.数模器件应用技术[M].北京:科学出版社,2000: 168-180
[5] 谭翰墨,钟应善.一种快速高精度的直线插补算法[J].网格法.常熟高专学报2000 年第14 卷第2 期
[6] 黄乐天,谢意. 实用高精度智能恒温加热器系统设计[J]. 微计算机信息, 2005, 10-2
作者简介:
常毅（1961.4-）, 女, 副教授, 淄博职业学院, 机械设计与制造, 教学与研究
谭宁（1960.12-）, 男, 副教授, 淄博职业学院, 物理, 计算机教学与研究
