摘要:目前激光打標(biāo)技術(shù)以它出眾的打標(biāo)效果及打標(biāo)速度,已經(jīng)在很多領(lǐng)域取代傳統(tǒng)的打標(biāo)方式。它主要由激光器、光學(xué)系統(tǒng)和控制器組成,其中控制器是核心部件?？刂破鹘?jīng)歷了硬件數(shù)控（NC）和計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）兩個(gè)發(fā)展階段。本文主要針對(duì)激光打標(biāo)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)模塊,在硬件與軟件設(shè)計(jì)兩方面都進(jìn)行了仔細(xì)翔實(shí)的分析與研究。此外,還討論了系統(tǒng)的硬件、軟件及抗干擾措施的設(shè)計(jì);最后得出結(jié)論以及今后的改進(jìn)方向。 關(guān)鍵詞: 激光打標(biāo),控制系統(tǒng),激光器,插補(bǔ)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 二十世紀(jì)七八十年代,國(guó)際上出現(xiàn)了一項(xiàng)嶄新的激光應(yīng)用技術(shù):激光打標(biāo)技術(shù)。它具有傳統(tǒng)方法難以比擬的許多優(yōu)點(diǎn)。 1. 采用數(shù)控技術(shù),標(biāo)記速度快,更改打標(biāo)內(nèi)容非常簡(jiǎn)單。 2. 采用激光作為加工手段,應(yīng)用范圍廣。 3. 與工件之間沒(méi)有機(jī)械力的作用,保證了工件的原有精度。 4. 加工方式靈活。 5. 可以采取離線生產(chǎn)的方式,也可以實(shí)現(xiàn)在線生產(chǎn);沒(méi)有污染源,對(duì)環(huán)境的污染非常小。 6. 操作方便,防偽功能強(qiáng),使用成本低。 由于激光打標(biāo)技術(shù)有著上述諸多優(yōu)點(diǎn),它逐漸取代了傳統(tǒng)的標(biāo)記方法。進(jìn)入九十年代,隨著激光打標(biāo)技術(shù)的日臻成熟及激光打標(biāo)設(shè)備的不斷完善,激光打標(biāo)技術(shù)在國(guó)外得到較廣泛的應(yīng)用。國(guó)際上一些發(fā)達(dá)國(guó)家已將該技術(shù)作為工業(yè)加工的工藝標(biāo)準(zhǔn),我國(guó)也非常重視這一技術(shù),國(guó)家科委早已將該技術(shù)列為“八五火炬計(jì)劃”進(jìn)行研制和推廣。因此,激光打標(biāo)具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α? 2 激光打標(biāo)機(jī)系統(tǒng)控制器功能 激光打標(biāo)控制器是激光打標(biāo)系統(tǒng)的核心部分,一般由上位機(jī)和下位機(jī)組成。本控制器的工作原理就是:在聯(lián)機(jī)使用時(shí),把上位機(jī)由打標(biāo)軟件生成的打標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破?并由控制器中的單片機(jī)把它們暫存在緩沖器中,然后再把這些打標(biāo)點(diǎn)的打標(biāo)參數(shù)按給定的順序和時(shí)間間隔逐點(diǎn)進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換輸出,去分別控制振鏡的 X 軸和 Y 軸的偏轉(zhuǎn)、激光的功率以及激光器的出光和關(guān)光;在脫機(jī)使用時(shí),把上位機(jī)由打標(biāo)軟件生成的打標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破?再由控制器中的單片機(jī)對(duì)它們進(jìn)行打標(biāo)文件編號(hào)并保存在控制器的非易失性存儲(chǔ)器中,然后控制器就可以脫離上位機(jī)單獨(dú)工作,我們可以通過(guò)控制器的鍵盤(pán)輸入和 LCD 顯示對(duì)存儲(chǔ)器中的打標(biāo)文件進(jìn)行文件選擇、修改打標(biāo)參數(shù)（激光功率和插補(bǔ)周期）、開(kāi)始打標(biāo)、放棄打標(biāo)等操作,這樣控制器就完全取代上位機(jī)對(duì)打標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行控制。 3 激光打標(biāo)機(jī)系統(tǒng)控制器硬件設(shè)計(jì) 3.1 激光打標(biāo)機(jī)系統(tǒng)控制器原理框圖 激光打標(biāo)控制器硬件主要由RS232 串行通信電路、步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、鍵盤(pán)/顯示電路、直流電源電路等幾部分組成。 [align=center] 圖1 激光打標(biāo)機(jī)原理圖[/align] 本系統(tǒng)由系統(tǒng)機(jī)和單片機(jī)兩部分構(gòu)成。由于圖形處理算法復(fù)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(biāo)控制功能相分離,圖形處理部分由系統(tǒng)機(jī)完成,系統(tǒng)機(jī)完成對(duì)所需打標(biāo)的PLT, BMP 或PCX 格式的圖形圖像文件的生成、數(shù)據(jù)處理后將生成的圖形文件通過(guò)RS232 標(biāo)準(zhǔn)接口傳輸給單片機(jī)。單片機(jī)的任務(wù)是將接收到的圖形文件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器29C040 中,并完成各種文件操作,打標(biāo)參數(shù)設(shè)置,最后控制激光打標(biāo)機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或手動(dòng)打標(biāo)。所有的控制操作通過(guò)鍵盤(pán)進(jìn)行,顯示屏?xí)?shí)時(shí)顯示相應(yīng)的提示信息。 單片機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)進(jìn)而控制掃描鏡頭偏轉(zhuǎn)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 激光打標(biāo)機(jī)系統(tǒng)控制器單元電路設(shè)計(jì) 3.2.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路與單片機(jī)外部電路設(shè)計(jì) 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路由存儲(chǔ)器6264 和29C040 以及地址鎖存器74LS573 組成。本系統(tǒng)采用6264 作為數(shù)據(jù)緩沖器對(duì)文件數(shù)據(jù)進(jìn)行中間過(guò)程的處理。6264 芯片的數(shù)據(jù)輸入和輸出引公用,三態(tài)輸出,并且與EPROM2764 芯片引腳兼容,因此具有擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器2764 的能力,為以后的技術(shù)升級(jí)留下了余地。本控制器由于要存儲(chǔ)至少10 個(gè)文件,并且要能方便的進(jìn)行在線讀寫(xiě),因此必須選擇一種大容量的斷電后不丟失數(shù)據(jù)的可在線讀寫(xiě)的非易失性存儲(chǔ)器。綜合比較,我們選擇了ATMEL 公司的AT29C040。 單片機(jī)采用89C52、6264 AT29C040 為擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,此外,系統(tǒng)還使用了鍵盤(pán)顯示控制器8279 以及X, Y 電機(jī)的步進(jìn)信號(hào)鎖存器74LS377。可以看到,該系統(tǒng)既有擴(kuò)展的外部數(shù)據(jù)RAM,又有與外圍電路、外部芯片的接口,為了區(qū)別對(duì)不同對(duì)象的數(shù)據(jù)操作,必須使所有這些外部電路有著不同的地址。 鎖存器74LS573 用于鎖存低八位地址數(shù)據(jù)。89C52 的P0 口既要傳送數(shù)據(jù)又要輸出低八位的地址,因此P0 口輸出的地址數(shù)據(jù)必須用鎖存器鎖存。鎖存器的鎖存控制信號(hào)為引腳ALE輸出的控制信號(hào)。在ALE 的下降沿將P0 口輸出的地址數(shù)據(jù)鎖存。 [align=center] 圖2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路原理圖[/align] 3.2.2 功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 功率驅(qū)動(dòng)電路用以將89C52 輸出的TTL 電平信號(hào)放大驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。使用4N33 光電隔離器,T1P41C 功率三極管。驅(qū)動(dòng)電路的工作原理是單片機(jī)P0 口輸出的控制信號(hào)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(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。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(duì)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(qū)動(dòng)電路中加入光電隔離器使功率驅(qū)動(dòng)部分與控制部分在電氣上隔離,消除了驅(qū)動(dòng)電路對(duì)單片機(jī)電路的干擾,提高了系統(tǒng)的可靠性。 3.2.3 串行通信電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用了最簡(jiǎn)單的零調(diào)制三線經(jīng)濟(jì)型。只用兩根信號(hào)線就實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的雙向傳輸,系統(tǒng)機(jī)輸出的電平信號(hào)經(jīng)過(guò)MAX232C 電平轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成TTL 電平信號(hào),送到單片機(jī)的RXD端;單片機(jī)串行發(fā)送引腳TDX 端輸出的TTL 電平信號(hào)經(jīng)過(guò)MAX232C 電平轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)機(jī)可接收的電平信號(hào),接到系統(tǒng)機(jī)的RXD 端。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可靠性較好。 3.2.4 人機(jī)接口電路設(shè)計(jì) 人機(jī)接口電路主要由顯示和鍵盤(pán)電路構(gòu)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(tǒng)軟件變得比較復(fù)雜。因此我們采用了專用的鍵盤(pán)顯示芯片8279。本系統(tǒng)采用24 個(gè)按鍵和8 位數(shù)碼管顯示。 3.2.5 直流電流電源設(shè)計(jì) 直流電源電路為單片機(jī)系統(tǒng)提供+5V 電源。電路圖如圖3 所示。 [align=center] 圖3 直流電源電路原理圖[/align] 4 激光打標(biāo)機(jī)系統(tǒng)控制器軟件設(shè)計(jì) 4.1 激光打標(biāo)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖 4.2 系統(tǒng)各主要功能模塊設(shè)計(jì) 4.2.1 系統(tǒng)機(jī)部分 系統(tǒng)機(jī)的功能包括圖形文件調(diào)入、處理,打標(biāo)參數(shù)的設(shè)置和數(shù)據(jù)傳輸。其中,圖形文件處理是非常重要的,因?yàn)樗婕暗絾纹瑱C(jī)的打標(biāo)控制,系統(tǒng)機(jī)處理要使單片機(jī)取數(shù)據(jù)打標(biāo)簡(jiǎn)單。用戶可以在系統(tǒng)機(jī)上設(shè)置好各種參數(shù)。 4.2.2 參數(shù)設(shè)置模塊 設(shè)定打標(biāo)比例、打標(biāo)速度、空走速度、滯后補(bǔ)償、出光間距、掃描間距等。 4.2.3 串行通信模塊 串行通信負(fù)責(zé)將系統(tǒng)機(jī)上生成的圖形文件傳送給單片機(jī)控制系統(tǒng)。其數(shù)據(jù)流如下: A.進(jìn)入通訊后首先檢查是否有文件調(diào)入,若無(wú)就應(yīng)退出通訊。 B.若有文件調(diào)入,就開(kāi)始通訊前的準(zhǔn)備工作,如:打開(kāi)數(shù)據(jù)庫(kù)文件,通訊測(cè)試,若其中任何一項(xiàng)不成功就應(yīng)返回。 C.接下來(lái)是選擇文件編號(hào)（0-9）,被標(biāo)明“己被使用”的編號(hào)不可用。選擇到有效的編號(hào)后就開(kāi)始進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù),傳完后就退出。 單片機(jī)系統(tǒng)的串行通信模塊負(fù)責(zé)接收從系統(tǒng)機(jī)傳送來(lái)的數(shù)據(jù)。 4.2.4 文件操作模塊 由于單片機(jī)系統(tǒng)能夠存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)處理文件的思想,即為每個(gè)文件設(shè)置一個(gè)固定長(zhǎng)度的文件頭,用于存儲(chǔ)文件的編號(hào)、類型、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(yīng)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(jī)升降速控制 步進(jìn)電機(jī)不丟步時(shí)有一最大啟動(dòng)頻率,并且工作臺(tái)總是有一定慣性的。為了保證步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)不丟步,同時(shí)保證機(jī)械部件的沖擊力小,應(yīng)該在升速階段使控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)頻率逐漸升高,在降速階段使頻率逐漸降低。本系統(tǒng)中的升降速控制比較簡(jiǎn)單,為勻加速過(guò)程。設(shè)定工作臺(tái)在t 時(shí)間內(nèi)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(zhuǎn)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(bǔ)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(dāng)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)間稱之為滯后補(bǔ)償。通常,激光器在熄滅50ms 后就需要進(jìn)行滯后補(bǔ)償。 5 小結(jié)與本文作者創(chuàng)新點(diǎn) 本文介紹的激光打標(biāo)技術(shù)由于擁有許多優(yōu)點(diǎn)開(kāi)始逐漸取代傳統(tǒng)的標(biāo)記方法。激光打標(biāo)控制器是激光打標(biāo)系統(tǒng)的核心部分, 本文主要針對(duì)激光打標(biāo)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)模塊,在硬件與軟件設(shè)計(jì)兩方面都進(jìn)行了仔細(xì)翔實(shí)的分析與研究。本控制系統(tǒng)單片機(jī)采用89C52、6264 和AT29C040 為擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,此外若系統(tǒng)需要大容量外部數(shù)據(jù)RAM 或需要較多的I/O接口時(shí),可采用譯碼法對(duì)I/O 接口進(jìn)行編址,大大提升了系統(tǒng)存儲(chǔ)容量。 參考文獻(xiàn): [1] 劉征宇. 最新接口電路IC 特性代換手冊(cè).福州:福建科學(xué)技術(shù)出版社2003: 673-678 [2] 張?zhí)沼?朱衡君.基于EZ-USB 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