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目前激光打標技術(shù)以它出眾的打標效果及打標速度,已經(jīng)在很多領(lǐng)域取代傳統的打標方式。它主要由激光器、光學(xué)系統和控制器組成,其中控制器是核心部件。控制器經(jīng)歷了硬件數控(NC)和計算機數控(CNC)兩個(gè)發(fā)展階段。本文主要針對激光打標系統的控制系統模塊,在硬件與軟件設計兩方面都進(jìn)行了仔細翔實(shí)的分析與研究。此外,還討論了系統的硬件、軟件及抗干擾措施的設計;最后得出結論以及今后的改進(jìn)方向。

1 引言

二十世紀七八十年代,國際上出現了一項嶄新的激光應用技術(shù):激光打標技術(shù)。它具有傳統方法難以比擬的許多優(yōu)點(diǎn)。

1. 采用數控技術(shù)，標記速度快，更改打標內容非常簡(jiǎn)單。

2. 采用激光作為加工手段,應用范圍廣。

3. 與工件之間沒(méi)有機械力的作用，保證了工件的原有精度。

4. 加工方式靈活。

5. 可以采取離線(xiàn)生產(chǎn)的方式，也可以實(shí)現在線(xiàn)生產(chǎn)，沒(méi)有污染源，對環(huán)境的污染非常小。

6. 操作方便，防偽功能強，使用成本低。

由于激光打標技術(shù)有著(zhù)上述諸多優(yōu)點(diǎn)，它逐漸取代了傳統的標記方法。進(jìn)入九十年代隨著(zhù)激光打標技術(shù)的日臻成熟及激光打標設備的不斷完善,激光打標技術(shù)在國外得到較廣泛的應用。國際上一些發(fā)達國家已將該技術(shù)作為工業(yè)加工的工藝標準。我國也非常重視這一技術(shù)，國家科委早已將該技術(shù)列為“八五火炬計劃”進(jìn)行研制和推廣，因此激光打標具有巨大的發(fā)展潛力。

2 激光打標機系統控制器功能

激光打標控制器是激光打標系統的核心部分，一般由上位機和下位機組成。本控制器的工作原理就是:在聯(lián)機使用時(shí)把上位機由打標軟件生成的打標數據傳輸到控制器，并由控制器中的單片機把它們暫存在緩沖器中，然后再把這些打標點(diǎn)的打標參數按給定的順序和時(shí)間間隔逐點(diǎn)進(jìn)行數/模轉換輸出去分別控制振鏡的 X 軸和 Y 軸的偏轉、激光的功率以及激光器的出光和關(guān)光；在脫機使用時(shí)，把上位機由打標軟件生成的打標數據傳輸到控制器，再由控制器中的單片機對它們進(jìn)行打標文件編號并保存在控制器的非易失性存儲器中，然后控制器就可以脫離上位機單獨工作，我們可以通過(guò)控制器的鍵盤(pán)輸入和 LCD 顯示對存儲器中的打標文件進(jìn)行文件選擇、修改打標參數(激光功率和插補周期)、開(kāi)始打標、放棄打標等操作，這樣控制器就完全取代上位機對打標系統進(jìn)行控制。

3 激光打標機系統控制器硬件設計
3.1 激光打標機系統控制器原理框圖
激光打標控制器硬件主要由 RS232 串行通信電路、步進(jìn)電機功率驅動(dòng)電路、數據存儲電路、鍵盤(pán)/顯示電路、直流電源電路等幾部分組成。
本系統由系統機和單片機兩部分構成。由于圖形處理算法復雜，必須借助圖形處理軟件才能完成，因此將圖形處理和打標控制功能相分離，圖形處理部分由系統機完成，系統機完成對所需打標的PLT、 BMP 或PCX 格式的圖形圖像文件的生成、數據處理后將生成的圖形文件通過(guò)RS232 標準接口傳輸給單片機。單片機的任務(wù)是將接收到的圖形文件數據存儲到外部數據存儲器29C040 中，并完成各種文件操作，打標參數設置，最后控制激光打標機實(shí)現自動(dòng)或手動(dòng)打標。所有的控制操作通過(guò)鍵盤(pán)進(jìn)行，顯示屏會(huì )實(shí)時(shí)顯示相應的提示信息。
單片機發(fā)出的控制信號經(jīng)驅動(dòng)電路放大后驅動(dòng)步進(jìn)電機旋轉進(jìn)而控制掃描鏡頭偏轉角度從而控制光點(diǎn)的位置、移動(dòng)速度和加速度。下面介紹各部分電路。
3.2.2 功率驅動(dòng)電路設計
功率驅動(dòng)電路用以將 89C52 輸出的TTL 電平信號放大驅動(dòng)步進(jìn)電機轉動(dòng)。
使用4N33 光電隔離器，T1P41C 功率三極管。驅動(dòng)電路的工作原理是單片機P0 口輸出的控制信號經(jīng)光電隔離器后送至功率放大器放大，最后經(jīng)2 腳輸出驅動(dòng)步進(jìn)電機。光電隔離器的輸入端與輸出端在電氣上是絕緣的，且輸出端對輸入端也無(wú)反饋，因而具有隔離和抗干擾的雙重作用。在驅動(dòng)電路中加入光電隔離器使功率驅動(dòng)部分與控制部分在電氣上隔離，消除了驅動(dòng)電路對單片機電路的干擾，提高了系統的可靠性。
3.2.3 串行通信電路設計
本系統采用了最簡(jiǎn)單的零調制三線(xiàn)經(jīng)濟型。只用兩根信號線(xiàn)就實(shí)現了數據的雙向傳輸，系統機輸出的電平信號經(jīng)過(guò)MAX232C 電平轉換器轉換成TTL 電平信號，送到單片機的RXD端;單片機串行發(fā)送引腳TDX 端輸出的TTL 電平信號經(jīng)過(guò)MAX232C 電平轉換器轉換成系統機可接收的電平信號，接到系統機的RXD 端。該電路結構簡(jiǎn)單，可靠性較好。
3.2.4 人機接口電路設計
人機接口電路主要由顯示和鍵盤(pán)電路構成。用鎖存器或可編程并行 I/O 口芯片(如8155等)都可以做鍵盤(pán)顯示器的接口。但他們共同的缺點(diǎn)是，需要編制定時(shí)掃描顯示和掃描鍵盤(pán)的程序，不僅占用了CPU 的時(shí)間降低了效率而且使整個(gè)系統軟件變得比較復雜。因此我們采用了專(zhuān)用的鍵盤(pán)顯示芯片8279。本系統采用24 個(gè)按鍵和8 位數碼管顯示。
3.2.5 直流電流電源設計
直流電源電路為單片機系統提供+5V 電源。電路圖如圖3 所示。
4 激光打標機系統控制器軟件設計
4.1 激光打標控制系統數據流圖
4.2 系統各主要功能模塊設計
4.2.1 系統機部分
系統機的功能包括圖形文件調入、處理，打標參數的設置和數據傳輸。其中，圖形文件處理是非常重要的，因為它涉及到單片機的打標控制，系統機處理要使單片機取數據打標簡(jiǎn)單。用戶(hù)可以在系統機上設置好各種參數。
4.2.2 參數設置模塊
設定打標比例、打標速度、空走速度、滯后補償、出光間距、掃描間距等。
4.2.3 串行通信模塊
串行通信負責將系統機上生成的圖形文件傳送給單片機控制系統。其數據流如下:
A.進(jìn)入通訊后首先檢查是否有文件調入，若無(wú)就應退出通訊。
B.若有文件調入，就開(kāi)始通訊前的準備工作，如:打開(kāi)數據庫文件，通訊測試，若其中任何一項不成功就應返回。
C.接下來(lái)是選擇文件編號(0-9)，被標明“己被使用”的編號不可用。選擇到有效的編號后就開(kāi)始進(jìn)行傳輸數據，傳完后就退出。
單片機系統的串行通信模塊負責接收從系統機傳送來(lái)的數據。
4.2.4 文件操作模塊
由于單片機系統能夠存儲至少十個(gè)文件，因此必須具有文件處理的功能，文件處理具體包括文件的插入、刪除和全部清除。在此借鑒了計算機操作系統處理文件的思想，即為每個(gè)文件設置一個(gè)固定長(cháng)度的文件頭，用于存儲文件的編號、類(lèi)型、起始地址及大小等信息，那么具體文件的插入、刪除和全部清除等操作只需修改相應文件的文件頭信息即可，而不必操作具體的文件信息，因此這種方法既簡(jiǎn)單又快速。
4.3 步進(jìn)電機升降速控制
步進(jìn)電機不丟步時(shí)有一最大啟動(dòng)頻率，并且工作臺總是有一定慣性的。為了保證步進(jìn)電機啟動(dòng)時(shí)不丟步，同時(shí)保證機械部件的沖擊力小，應該在升速階段使控制步進(jìn)電機的脈沖信號頻率逐漸升高，在降速階段使頻率逐漸降低。本系統中的升降速控制比較簡(jiǎn)單，為勻加速過(guò)程。
設定工作臺在t 時(shí)間內從靜止升速到最大速度。降速過(guò)程與此相似，降速所需時(shí)間可以短些。
在轉段時(shí)，如果兩段速度相差過(guò)大也可以引入加減速過(guò)程。
4.4 激光滯后補償
激光器從通電到輸出額定功率的激光需要一定的時(shí)間，當激光器熄滅后，再重新出光也需要一定的時(shí)間，這一段時(shí)間稱(chēng)之為滯后補償。通常，激光器在熄滅50ms 后就需要進(jìn)行滯后補償。