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。控制器經(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 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? ? 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)娇刂破鳎⒂煽刂破髦械膯纹瑱C(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)娇刂破鳎儆煽刂破髦械膯纹瑱C(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/顯示電路、直流電源電路等幾部分組成。 圖1 激光打標(biāo)機(jī)原理圖本系統(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，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(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。 圖2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路原理圖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。 圖3 直流電源電路原理圖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，就開始通訊前的準(zhǔn)備工作，如：打開數(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ⅲ旌饩?基于EZ-USB 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2004 年增刊：73 [3] 李朝青.單片機(jī)&DSP 外圍數(shù)字IC 技術(shù)手冊(cè).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003：625-657 [4] 高光大，徐振英.數(shù)模器件應(yīng)用技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2000： 168-180 [5] 譚翰墨，鐘應(yīng)善.一種快速高精度的直線插補(bǔ)算法[J].網(wǎng)格法.常熟高專學(xué)報(bào)2000 年第14 卷第2 期 [6] 黃樂(lè)天，謝意. 實(shí)用高精度智能恒溫加熱器系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息， 2005， 10-2 作者簡(jiǎn)介： 常毅（1961.4-）， 女， 副教授， 淄博職業(yè)學(xué)院， 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造， 教學(xué)與研究 譚寧（1960.12-）， 男， 副教授， 淄博職業(yè)學(xué)院， 物理， 計(jì)算機(jī)教學(xué)與研究