摘要:目前激光打標技術以它出眾的打標效果及打標速度,已經(jīng)在很多領域取代傳統(tǒng)的打標方式。它主要由激光器、光學系統(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）和計算機數(shù)控（CNC）兩個發(fā)展階段。本文主要針對激光打標系統(tǒng)的控制系統(tǒng)模塊,在硬件與軟件設計兩方面都進行了仔細翔實的分析與研究。此外,還討論了系統(tǒng)的硬件、軟件及抗干擾措施的設計;最后得出結(jié)論以及今后的改進方向。 關鍵詞: 激光打標,控制系統(tǒng),激光器,插補算法 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 二十世紀七八十年代,國際上出現(xiàn)了一項嶄新的激光應用技術:激光打標技術。它具有傳統(tǒng)方法難以比擬的許多優(yōu)點。 1. 采用數(shù)控技術,標記速度快,更改打標內(nèi)容非常簡單。 2. 采用激光作為加工手段,應用范圍廣。 3. 與工件之間沒有機械力的作用,保證了工件的原有精度。 4. 加工方式靈活。 5. 可以采取離線生產(chǎn)的方式,也可以實現(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,使用成本低。 由于激光打標技術有著上述諸多優(yōu)點,它逐漸取代了傳統(tǒng)的標記方法。進入九十年代,隨著激光打標技術的日臻成熟及激光打標設備的不斷完善,激光打標技術在國外得到較廣泛的應用。國際上一些發(fā)達國家已將該技術作為工業(yè)加工的工藝標準,我國也非常重視這一技術,國家科委早已將該技術列為“八五火炬計劃”進行研制和推廣。因此,激光打標具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α? 2 激光打標機系統(tǒng)控制器功能 激光打標控制器是激光打標系統(tǒng)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,把上位機由打標軟件生成的打標數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破?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的打標參數(shù)按給定的順序和時間間隔逐點進行數(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光;在脫機使用時,把上位機由打標軟件生成的打標數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破?再由控制器中的單片機對它們進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,我們可以通過控制器的鍵盤輸入和 LCD 顯示對存儲器中的打標文件進行文件選擇、修改打標參數(shù)（激光功率和插補周期）、開始打標、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(tǒng)進行控制。 3 激光打標機系統(tǒng)控制器硬件設計 3.1 激光打標機系統(tǒng)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、步進電機功率驅(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。 [align=center] 圖1 激光打標機原理圖[/align] 本系統(tǒng)由系統(tǒng)機和單片機兩部分構(gòu)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(tǒng)機完成,系統(tǒng)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(shù)據(jù)處理后將生成的圖形文件通過RS232 標準接口傳輸給單片機。單片機的任務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,打標參數(shù)設置,最后控制激光打標機實現(xiàn)自動或手動打標。所有的控制操作通過鍵盤進行,顯示屏會實時顯示相應的提示信息。 單片機發(fā)出的控制信號經(jīng)驅(qū)動電路放大后驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)進而控制掃描鏡頭偏轉(zhuǎn)角 度從而控制光點的位置、移動速度和加速度。下面介紹各部分電路。 3.2 激光打標機系統(tǒng)控制器單元電路設計 3.2.1 數(shù)據(jù)存儲電路與單片機外部電路設計 外部數(shù)據(jù)存儲電路由存儲器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)緩沖器對文件數(shù)據(jù)進行中間過程的處理。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,因此具有擴展程序存儲器2764 的能力,為以后的技術升級留下了余地。本控制器由于要存儲至少10 個文件,并且要能方便的進行在線讀寫,因此必須選擇一種大容量的斷電后不丟失數(shù)據(jù)的可在線讀寫的非易失性存儲器。綜合比較,我們選擇了ATMEL 公司的AT29C040。 單片機采用89C52、6264 AT29C040 為擴展外部數(shù)據(jù)存儲器,此外,系統(tǒng)還使用了鍵盤顯示控制器8279 以及X, Y 電機的步進信號鎖存器74LS377。可以看到,該系統(tǒng)既有擴展的外部數(shù)據(jù)RAM,又有與外圍電路、外部芯片的接口,為了區(qū)別對不同對象的數(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為引腳ALE輸出的控制信號。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)存儲電路原理圖[/align] 3.2.2 功率驅(qū)動電路設計 功率驅(qū)動電路用以將89C52 輸出的TTL 電平信號放大驅(qū)動步進電機轉(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 串行通信電路設計 本系統(tǒng)采用了最簡單的零調(diào)制三線經(jīng)濟型。只用兩根信號線就實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的雙向傳輸,系統(tǒng)機輸出的電平信號經(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MAX232C 電平轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)機可接收的電平信號,接到系統(tǒng)機的RXD 端。該電路結(jié)構(gòu)簡單,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。但他們共同的缺點是,需要編制定時掃描顯示和掃描鍵盤的程序,不僅占用了CPU 的時間降低了效率而且使整個系統(tǒng)軟件變得比較復雜。因此我們采用了專用的鍵盤顯示芯片8279。本系統(tǒng)采用24 個按鍵和8 位數(shù)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(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 激光打標機系統(tǒng)控制器軟件設計 4.1 激光打標控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖 4.2 系統(tǒng)各主要功能模塊設計 4.2.1 系統(tǒng)機部分 系統(tǒng)機的功能包括圖形文件調(diào)入、處理,打標參數(shù)的設置和數(shù)據(jù)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(tǒng)機處理要使單片機取數(shù)據(jù)打標簡單。用戶可以在系統(tǒng)機上設置好各種參數(shù)。 4.2.2 參數(shù)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(tǒng)機上生成的圖形文件傳送給單片機控制系統(tǒng)。其數(shù)據(jù)流如下: A.進入通訊后首先檢查是否有文件調(diào)入,若無就應退出通訊。 B.若有文件調(diào)入,就開始通訊前的準備工作,如:打開數(shù)據(jù)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始進行傳輸數(shù)據(jù),傳完后就退出。 單片機系統(tǒng)的串行通信模塊負責接收從系統(tǒng)機傳送來的數(shù)據(jù)。 4.2.4 文件操作模塊 由于單片機系統(tǒng)能夠存儲至少十個文件,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(tǒng)處理文件的思想,即為每個文件設置一個固定長度的文件頭,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 步進電機升降速控制 步進電機不丟步時有一最大啟動頻率,并且工作臺總是有一定慣性的。為了保證步進電機啟動時不丟步,同時保證機械部件的沖擊力小,應該在升速階段使控制步進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(tǒng)中的升降速控制比較簡單,為勻加速過程。設定工作臺在t 時間內(nèi)從靜止升速到最大速度。降速過程與此相似,降速所需時間可以短些。在轉(zhuǎn)段時,如果兩段速度相差過大也可以引入加減速過程。 4.4 激光滯后補償 激光器從通電到輸出額定功率的激光需要一定的時間,當激光器熄滅后,再重新出光也需要一定的時間,這一段時間稱之為滯后補償。通常,激光器在熄滅50ms 后就需要進行滯后補償。 5 小結(jié)與本文作者創(chuàng)新點 本文介紹的激光打標技術由于擁有許多優(yōu)點開始逐漸取代傳統(tǒng)的標記方法。激光打標控制器是激光打標系統(tǒng)的核心部分, 本文主要針對激光打標系統(tǒng)的控制系統(tǒng)模塊,在硬件與軟件設計兩方面都進行了仔細翔實的分析與研究。本控制系統(tǒng)單片機采用89C52、6264 和AT29C040 為擴展外部數(shù)據(jù)存儲器,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,可采用譯碼法對I/O 接口進行編址,大大提升了系統(tǒng)存儲容量。 參考文獻: [1] 劉征宇. 最新接口電路IC 特性代換手冊.福州:福建科學技術出版社2003: 673-678 [2] 張?zhí)沼?朱衡君.基于EZ-USB 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J].國外電子測量技術,2004 年增刊:73 [3] 李朝青.單片機&DSP 外圍數(shù)字IC 技術手冊.北京:北京航空航天大學出版社,2003:625-657 [4] 高光大,徐振英.數(shù)模器件應用技術[M].北京:科學出版社,2000: 168-180 [5] 譚翰墨,鐘應善.一種快速高精度的直線插補算法[J].網(wǎng)格法.常熟高專學報2000 年第14 卷第2 期 [6] 黃樂天,謝意. 實用高精度智能恒溫加熱器系統(tǒng)設計[J]. 微計算機信息, 2005, 10-2 作者簡介: 常毅（1961.4-）, 女, 副教授, 淄博職業(yè)學院, 機械設計與制造, 教學與研究 譚寧（1960.12-）, 男, 副教授, 淄博職業(yè)學院, 物理, 計算機教學與研究