论述激光打标机控制系统的设计组成原理及软硬件的实现方法

        激光打标机作为一种新型的标记加工技术,有着与其他打标方法所无法比拟的优越性。近年来，随着激光器的可靠性与实用性的提高，加上计算机技术的迅速发展和光学器件的改进,促进了激光打标技术的发展。而随着研究的深入,激光打标系统作为---种特种加工方法,已不再局限在传统的打标范围,在材料处理、生物基因诱变等方面都有非常广泛的应用前景。无论应用于哪一方面,激光打标机的控制系统都有着十分重要的作用。激光输出功率的控制、脉冲频率的选择、激光的触发.步进电机的控制、打标信息的输人及脉冲分配都对打标的结果产生影响。尤其重要的是如果对脉冲激光的触发和步进电机的驱动不能准确的配合,所产生的标记会失真。自前,世界上至少有50000台激光打标系统在运行,它们的基本结构主要有两种:掩模式打标系统和扫描式打标系统。扫描式打标系统又有光束折射式和工作台扫描两种方式。掩模式的控制系统结构比较简单，主要是对激光器触发的控制。而扫描式打标系统两种方式的控制系统的原理基本相同,只是实现工作方式的结构不--样,工作台扫描方式在现有的激光打标系统中占据主要的份额,具有打标范围大、工件易安装、标记准确等优点,因此本文主要对工作台扫描方式的控制系统进行研究。系统结构原理如图1所示。

      1、系统硬件结构

      整个控制系统由四部分组成:①MCS-98单片机系统:由程序存储器27256(64KB)、数据存储器62256(32KB)、.8098单片机及外围电路译码电路组成。②PC机及通信接口电路:根据.不同的应用情况分别采用8098串口通信或依靠8255.并口通信。.③脉冲分配和驱动部分:包括脉冲分配器和步进电机驱动。④激光电源和脉冲控制:包括Nd. YAG激光电源以及计算机脉冲触发控制电路(激光电源控制原理及电路另有专文叙述) ,计算机控制脉冲与激光电源接口用4N25光电耦合器其反应灵敏,电阻为兆欧级,因此工作可靠。①、②两部分都采用标准单片机系统,下面给出脉冲分配和驱动部分电路。目前,在工业控制中所采用的步进电机控制电路及方法有很多种,它们各有优缺点。现有的单电源供.电方式虽然线路简单,与步进电机的连线较少,但在泄流回路中普遍采用电阻或者稳压管来减少泄流时间.因此其效率较低,而且电阻发热引起温升会影响步进电机的性能。高低压驱动控制方法电机绕组电流波形较差,影响电机的平稳性。细分控制方法效果较好,它可以提高步距精度,使步进电机运行平稳,但细分电路线路较复杂.成本较高,高频段和低频段的过渡不平滑,而且是均匀的注人电流,这样容易出现高频段力矩不足而低频振动加剧的现象。在此激光打标系统中,激光脉冲输出频率一般为10 次/s,但关键是不能丢步也不能失步,运行过程中要求平稳。

        我们设计了一种新的驱动电路,综合了各种电路的优点,较好地克服其不足之处。系统采用了上下位机控制方法，上位机采用386以上的微型机,下位机用8098准16位单片机,特别是利用8098单片机的脉冲寬度调制输出(PWM)的功能,使加在电机线圈两端的电压随频率的增加而加大。且PWM本身就具有细分的功能使得电机运行平稳,同时低频振动问题也得到了解决。电路中还采用了大功率晶体管模块GTR,大大地提高了驱动源的各项性能指标。386徽型机用于打标标记(汉字、位图.符号等)及打标参数(电机速度、激光脉冲频率、激光能量等)的输人,步进电机由8098的P2、P4口控制,激光脉冲的触发由8098的INTO中断实现，徽型机与单片机的通信接口采用总线方式,根据不同的使用要求可分别采用串行或并行方式。整个系统原理框图如图2所示。

         系统和电机驱动部分之间采用光电隔离和过流保护,这样既能起信号隔离的作用又能保证输入脉冲的不变形。8098 是整个驱动源的核心部分,驱动源的工作由它来控制,环形分配由8098的I/0口来完成。.8098发出的高频占空比可调的PWM波和环分信号相与后,来控制驱动电路EXB356的导通和关断,从而控制大功率管GTR的脉冲导通的导通关断比。如图3所示。

        电机驱动采用GTR大功率晶体管模块8DI,最大电流30A,耐压500V,为了提高CIR工作的可靠性,有效地防止二次击穿,采用了专用的GTR驱动模块EXB356,电路如图4所示。

       8098发出的PWM与相序输出信号-起相“与"后控制EXB356的导通与关断比，通过软件从主机发出控制信号改变PWM寄存器的数据,可改变PWM输出波形的占空比，随着频率的上升逐渐增加了PWM寄存器中的数据,即增加开通时间。从宏观上看加在电

机绕组上的电压相应增加,从而保证电机绕组中的电流不随频率而改变。另外电路中还采用了抑制电机振荡的电子阻尼法,过流保护能够保证整个系统在过流时可靠地关闭。

      步进电机采用四相双四拍工作方式,精密工作台使用的丝杆螺距为1 mm,打标的标记由一系列的点所组成,由界面窗口输人,并且所见即所得。

     2、软件设计

     需要打标的标记由微机输人,整个系统软件在Windows 95下运行，汉字系统采用希望公司UCDOS5.0,图形标记信息采用WPS的SPT位图。整个系统软件采用窗口式，操作方便。图5为8098控制软件框图。

       为了进一步提高系统的抗干扰能力,利用8098单片机的监控定时器( WDT)保护程序的正常运行，用软件定时每15 ms;使

WDT复位.而使得当程序非正常运行时发生溢出并重新开始。软件采用冗余方法在非程序区写人N0P指令复位指令和转移指令转移到错误处理程序部分。这样更进步加强了系统的抗干扰能力,可靠性得到提高。

     考虑到一般的用户并非计算机专业的人员,因此系统软件采用流行的面向对象的程序设计方法,系统运行的各种参数通过界面来选择,其界面功能框图如图6所示。

    3、结束语

    本控制系统应用于GC-A激光打标机系统，控制能力强,速度快,线路简单可靠,电机运行平稳,无丢步和失步现象,所刻标记不失真。其控制系统,特别是步进电机的控制电路可应用于其他有类似要求的电路中。