一種多異形激光打標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)計

激光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)經(jīng)歷了激光打標(biāo)機行業(yè)的大幅面、轉(zhuǎn)鏡和測光時代，并且完成了從軟件直接控制到真實時間和時間再現(xiàn)的多個開發(fā)模式。如今，CO國際上，Raylase公司、Scanlab公司和Scaps公司等聯(lián)合開發(fā)的系統(tǒng)可以根據(jù)導(dǎo)入的三維曲面模型的表面信息對而在國內(nèi)，大部分國產(chǎn)激光打標(biāo)機是靠人將工件放在打標(biāo)機上進行標(biāo)記，自動化程度低。在異形工件打標(biāo)方面，武漢測繪科技大學(xué)研制出集平面打標(biāo)和圓柱面打標(biāo)于一身的曲平面激光打標(biāo)機；南開大學(xué)實現(xiàn)了大幅面平面樣品以及曲面樣品的打標(biāo)。陳良輝等本文在已有的平面打標(biāo)機平臺的基礎(chǔ)上，通過紅外自動對焦實現(xiàn)定位反饋，同時利用旋轉(zhuǎn)軸、分段軸、定位軸三軸聯(lián)動，設(shè)計了一種新的對異形工件的打標(biāo)系統(tǒng)。13d激光打標(biāo)系統(tǒng)與設(shè)計1.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)多異形三維激光打標(biāo)系統(tǒng)，是在平面打標(biāo)機基礎(chǔ)上研制出來的。將紅外對焦與擴展軸(旋轉(zhuǎn)軸、分段軸)融合，組成三軸聯(lián)動，實現(xiàn)多異形工件打標(biāo)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，實物裝置如圖2所示。多異形三維激光打標(biāo)系統(tǒng)主要由激光器、振鏡模塊、三軸聯(lián)動模塊、打標(biāo)控制卡及打標(biāo)控制軟件等部分組成。控制卡振鏡信號以數(shù)字信號的方式傳輸至振鏡驅(qū)動卡，其抗干擾能力強同時控制精度準(zhǔn)確。其中，打標(biāo)控制卡是打標(biāo)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)從上位機接收并轉(zhuǎn)化成打標(biāo)數(shù)據(jù)，完成整個下位機的控制工作。1.2三軸連接系統(tǒng)的設(shè)計1.2.1三軸連接系統(tǒng)基于異形打標(biāo)的研究，工件在打標(biāo)過程中不僅要完成上、下和前、后直線運動等，同時還要完成轉(zhuǎn)動運動。系統(tǒng)采用數(shù)字化仿真建模1.2.2擴展軸控制器設(shè)計三軸聯(lián)動控制系統(tǒng)由X軸電機、Y軸電機、A軸電機、X軸電機驅(qū)動器、Y軸電機驅(qū)動器、A軸電機驅(qū)動器、現(xiàn)為可縮程邏輯門陣列FPGA(fieldprogrammablegatearray)控制器和開關(guān)電源模塊、打標(biāo)控制卡中的擴展軸控制模塊構(gòu)成，控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。PCIE-FIBER專用打標(biāo)控制卡發(fā)出指令，通過交流伺服驅(qū)動器完成伺服電機運動控制的所有細(xì)節(jié)(包括脈沖和方向的輸出、自動升降帶的處理及原點和限位信號的檢測等)。同時，通過該卡的專用輸入、外接原點、限位等開關(guān)信號，實現(xiàn)回原點、保護等功能。2打標(biāo)軟件的設(shè)計激光打標(biāo)機的上位機軟件是客戶端應(yīng)用程序，必須擁有界面友好、操作簡單易懂的特點。系統(tǒng)在激光打標(biāo)控制軟件設(shè)計中采用的是模塊化編程2.1軟件功能模塊激光打標(biāo)機主要功能是用激光束在各種不同的物質(zhì)表面打上永久的標(biāo)記，這些標(biāo)記可以是文字、數(shù)字，或者是圖形根據(jù)軟件工程理論中結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計思想和自頂向下、逐步細(xì)分的設(shè)計原則，將軟件整體功能劃分為若干模塊，各個模塊再細(xì)分為子模塊。軟件設(shè)計的總體框圖如圖5所示。軟件系統(tǒng)分為異形打標(biāo)模塊、打標(biāo)卡指令集模塊、字符數(shù)據(jù)庫模塊三大功能模塊。異形打標(biāo)模塊主要完成打標(biāo)圖形生成與處理、文件操作、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)傳輸與處理、打標(biāo)卡命令控制和打標(biāo)控制等6個功能；打標(biāo)卡指令集模塊主要完成打標(biāo)卡操作指令定義、存儲、調(diào)用功能；字符數(shù)據(jù)庫模塊則完成字符調(diào)用功能。用戶在客戶區(qū)進行繪制圖元、圖形屬性設(shè)置、填充處理或者文件操作，完成打標(biāo)圖形的繪制處理，并根據(jù)工件形狀通過系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊完成激光參數(shù)、紅光參數(shù)、位置參數(shù)和標(biāo)刻模式設(shè)置，啟動軟件打標(biāo)功能。上位機接收到數(shù)據(jù)傳輸與處理模塊的數(shù)據(jù)，經(jīng)分析處理傳輸命令給打標(biāo)卡進行大量復(fù)雜的運算，根據(jù)運算結(jié)果，調(diào)用指令集指令、自動編程，實現(xiàn)對激光、振鏡掃描的實時控制，同時軟件在生產(chǎn)線模式下即飛行標(biāo)刻的模式，以10μs的采樣速度，對傳輸帶的運動速度、方向進行實時監(jiān)測，采集的結(jié)果交給打標(biāo)卡進行實時處理，從而對位移實現(xiàn)變化的修正2.2控制卡分析打標(biāo)模式異形工件的形狀分為很多種，如斜面、段差、圓柱、圓錐、球面以及拉伸曲面，本文研究了4類異形的形狀，分析了各自的特點，提出相應(yīng)的算法。圓柱、弧面、球面這種異形面利用旋轉(zhuǎn)軸進行標(biāo)刻，大幅面利用分段軸標(biāo)刻異形面打標(biāo)流程如圖6所示，包括如下步驟：(1)操作人員在打標(biāo)控制軟件中繪制或打開需要打標(biāo)的圖形，設(shè)置激光器參數(shù)，設(shè)置工件形狀參數(shù)：工件長度(2)打標(biāo)之前設(shè)置工件形狀是否是異形。若否，發(fā)送平面打標(biāo)參數(shù)給打標(biāo)控制卡；若是，提示設(shè)置擴展軸打標(biāo)，設(shè)置參數(shù)，并發(fā)送工件形狀、激光器等相關(guān)參數(shù)給打標(biāo)控制卡。(3)打標(biāo)控制卡接收到打標(biāo)指令，檢測激光、自動聚焦是否正常。若正常返回上位機“OK”,并開始打標(biāo)；設(shè)置錯誤返回“Err”,提示激光、自動聚焦有異常。(4)控制卡分析打標(biāo)模式，若是異形打標(biāo)，控制卡則設(shè)置接收的異形打標(biāo)擴展軸參數(shù)；若工件形狀為圓錐、球面、圓柱，設(shè)置擴展軸為旋轉(zhuǎn)軸，發(fā)送旋轉(zhuǎn)標(biāo)刻命令；若工件為大幅面，設(shè)置擴展軸為分段軸，發(fā)送分割標(biāo)刻命令；若工件形狀為斜面、段差，設(shè)置擴展軸為旋轉(zhuǎn)軸和分段軸融合，發(fā)送聯(lián)動標(biāo)刻命令。(5)控制卡接收到旋轉(zhuǎn)標(biāo)刻命令，控制Y軸電機進行自動對焦，控制A軸按照設(shè)定方向、步長旋轉(zhuǎn)，進行標(biāo)刻，標(biāo)刻結(jié)束后給上位機返回“OK”指令。(6)控制卡接收到分割標(biāo)刻命令，控制Y軸電機進行自動對焦，控制X軸按照設(shè)定方向、步長移動，進行標(biāo)刻，標(biāo)刻結(jié)束后給上位機返回“OK”指令。(7)控制卡接收到聯(lián)動標(biāo)刻命令，控制Y軸電機進行自動對焦，控制A軸按照設(shè)定方向、步長旋轉(zhuǎn)，控制Y軸按照設(shè)定方向、步長左右移動，進行標(biāo)刻，標(biāo)刻結(jié)束后給上位機返回“OK”指令。(8)標(biāo)刻過程中若有異常，則操作人員可以觸發(fā)停止鍵停止標(biāo)刻，返回到上位機處理單元進行處理。3結(jié)果與分析3.1異形工件打標(biāo)應(yīng)用多異形三維激光打標(biāo)系統(tǒng)，采用旋轉(zhuǎn)打標(biāo)、分段打標(biāo)、聯(lián)合打標(biāo)的方式，在圓柱、弧面、球形、大幅面、拉伸、斜面工件上進行圖案、文字打標(biāo)，實現(xiàn)異形工件打標(biāo)。工件如圖7所示。3.2打標(biāo)程序的實現(xiàn)應(yīng)用多異形三維激光打標(biāo)系統(tǒng)，采用旋轉(zhuǎn)打標(biāo)、分段打標(biāo)、聯(lián)合打標(biāo)方式標(biāo)刻。具體步驟為：第一步，將工件放置在工作臺上；第二步，打開打標(biāo)系統(tǒng)和打標(biāo)控制軟件，進行客戶繪制或者打開待標(biāo)刻的圖形或文件，設(shè)置打標(biāo)圖案長度、寬度和激光功率、速度、頻率等，設(shè)置工件形狀是否為異形、異形種類，選擇打標(biāo)方式，并將這些參數(shù)發(fā)送給上位機，上位機與打標(biāo)控制卡通信完成參數(shù)配置；第三步，打開紅光顯示，并將對焦定位系統(tǒng)進行對焦；第四步，點擊開始標(biāo)刻；第五步，打標(biāo)卡發(fā)送對應(yīng)標(biāo)刻命令，擴展軸按照軟件設(shè)置步驟進行旋轉(zhuǎn)或移動操作，并進行激光打標(biāo)；第六步，按照工件的形狀、打標(biāo)圖案重復(fù)第五步3.3大幅面工件的打標(biāo)實驗采用旋轉(zhuǎn)打標(biāo)方式，在圓柱、球形、弧面工件上進行打標(biāo)實驗，打標(biāo)效果如圖8(a)所示；采用分段打標(biāo)方式，在大幅面工件上進行打標(biāo)實驗，打標(biāo)效果如圖8(b)中所示；采用聯(lián)合打標(biāo)方式，在拉伸、斜面工件上進行打標(biāo)實驗。調(diào)節(jié)激光的參數(shù)4異形打標(biāo)雕刻的實現(xiàn)形式本文在傳統(tǒng)的打標(biāo)機基礎(chǔ)上采用紅外對焦與擴展軸融合方法以及多異形面打標(biāo)軟件設(shè)計，解決了傳統(tǒng)激光打標(biāo)無法自動在大幅面