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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。

1 引言

二十世紀(jì)七八十年代,國際上出現(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)，沒有污染源，對環(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)在國外得到較廣泛的應(yīng)用。國際上一些發(fā)達(dá)國家已將該技術(shù)作為工業(yè)加工的工藝標(biāo)準(zhǔn)。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(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?/P>

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)對它們進(jìn)行打標(biāo)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(jī)單獨(dú)工作，我們可以通過控制器的鍵盤輸入和 LCD 顯示對存儲器中的打標(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)動電路、數(shù)據(jù)存儲電路、鍵盤/顯示電路、直流電源電路等幾部分組成。
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)存儲到外部數(shù)據(jù)存儲器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)自動或手動打標(biāo)。所有的控制操作通過鍵盤進(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)出的控制信號經(jīng)驅(qū)動電路放大后驅(qū)動步進(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、移動速度和加速度。下面介紹各部分電路。
3.2.2 功率驅(qū)動電路設(shè)計(jì)
功率驅(qū)動電路用以將 89C52 輸出的TTL 電平信號放大驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。
使用4N33 光電隔離器，T1P41C 功率三極管。驅(qū)動電路的工作原理是單片機(jī)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(qū)動步進(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，且輸出端對輸入端也無反饋，因而具有隔離和抗干擾的雙重作用。在驅(qū)動電路中加入光電隔離器使功率驅(qū)動部分與控制部分在電氣上隔離，消除了驅(qū)動電路對單片機(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)采用了最簡單的零調(diào)制三線經(jīng)濟(jì)型。只用兩根信號線就實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的雙向傳輸，系統(tǒng)機(jī)輸出的電平信號經(jīng)過MAX232C 電平轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成TTL 電平信號，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 電平信號經(jīng)過MAX232C 電平轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)機(jī)可接收的電平信號，接到系統(tǒng)機(jī)的RXD 端。該電路結(jié)構(gòu)簡單，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。
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，若無就應(yīng)退出通訊。
B.若有文件調(diào)入，就開始通訊前的準(zhǔn)備工作，如:打開數(shù)據(jù)庫文件，通訊測試，若其中任何一項(xiàng)不成功就應(yīng)返回。
C.接下來是選擇文件編號(0-9)，被標(biāo)明“己被使用”的編號不可用。選擇到有效的編號后就開始進(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)固定長度的文件頭，用于存儲文件的編號、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)有一最大啟動頻率，并且工作臺總是有一定慣性的。為了保證步進(jìn)電機(jī)啟動時(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單，為勻加速過程。
設(shè)定工作臺在t 時(shí)間內(nèi)從靜止升速到最大速度。降速過程與此相似，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大也可以引入加減速過程。
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。