新型激光打标系统的设计

引言

激光打标机的基本原理是将激光器产生的高能光束聚焦到物体表面，并使物体表面迅速气化形成各种字符、图案。与传统的打标方式相比。激光打标具有非接触性、运行成本低、加工精度高、开发速度快、打标精度高等优点，因此，得到了广泛的应用和快速的发展。

实际上，激光打标系统的核心是打标控制系统和打标头，目前广泛使用的转镜式激光打标系统虽然能够满足大部分打标要求，但是由于存在机械磨损严重，精度欠缺和成本高等缺点，因而已不能适应某些高速、高精度打标的要求。而本文介绍的振镜式激光打标系统的驱动部分改用伺服电机，特别是在其控制电路部分引入了负反馈回路，从而大大提高了打标精度和速度。

1 系统总体结构

本系统的总体结构如图1所示。其中，上位机是人机交互的主要接口，主要负责复杂打标图形的编辑，打标坐标的计算;RS232主要负责上位机与下位机之间的数据交换以及它们之间的电平转换;下位机则通过控制声光调Q开关和电机来执行打标任务，也可以编辑简单的打标内容。

2 系统硬件设计

2.1 串行通信电路设计

由于计算机的串口电平为±12 V，而单片机的串口电平为±5 V，因此，它们之间的通信必须进行电平转换。本设计选择了德州仪器公司(TI)推出的一款兼容RS232标准的芯片。该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器，可为电路提供TIA/EIA-232-F电平。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，可将每一个接收器的TIA/EIA-232-F电平转换成5-VTTL/CMOS电平，或将每一个发送器的TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。本串口设置为每帧同时收发8位数据，其同步时钟由单片机内部定时器提供，波特率为9600Bps，其串口电路图如图2所示。

2.2 存储器电路设计

在打标过程中，上位机会将编辑好的图形、文字以二进制形式传送给下位机。由于单片机中存储器的容量有限，无法保存大量的数据。因此，必须对其存储器进行扩展。本系统中扩展了两片2186存储器。

2186片内具有8 K×8位集成动态RAM，它采用单一+5 V供电，工作电流为70 mA，维持电流为20 mA，存取时间250 ns。与静态RAM相比，动态RAM具有成本低、功耗小的优点，适用于保存大批量数据。但是动态RAM需要刷新逻辑电路，每隔一定的时间就要将所存的信息刷新一次，以保持数据信息不丢失，这对单片机的存储器扩展具有一定限制。Intel公司生产的2186将一个完整的动态RAM系统(包括动态刷新硬件逻辑)集成到一个芯片中，从而使其兼有静态RAM和动态RAM的共同优点。

单片机的高三位地址线P2.5、P2.6、P2.7用来进行3-8译码，译码输出可用于选通2186和其它I/O扩展接口，2186的读允许信号接单片机的RD，写允许信号接单片机的WR。2186的地址范围为0000H～1FFFH。

2.3 电机速度控制电路的设计

给定的速度参数g经过光耦和D/A转换之后，可以输入到比较器，测速传感器检测出的电机转速值可转变成电压信号，这是一个微弱信号，经过差动放大后可得到测量值m，这个测定值即对应电机的转速，电机转速和输出电压逞线性关系，测量值m和设定值g经过减法电路后可得到偏差e，e=(g-m)作为PI控制器的输入信号，通过一定的控制策略后，即可得到PI控制器的输出信号，它是偏差e的函数，系统最终调节到e=0时即达到稳定。控制系统框图如图3所示。

由于控制器输出信号是一个小功率信号，无法直接驱动电机，因此，须经直流电机驱动电路放大，才能得到与控制器输出信号相对应的电机转速。电机驱动芯片采用日本三洋公司生产的LB11820M，该芯片具有低功耗、高耐压、驱动电流大等优点，而且内部集成了限流保护、欠压保护、反转模式保护等电路以及转子锁定保护电路，是一款理想的电机驱动器件。系统中的光耦采用Semiconductor公司生产的740L6000。

3 系统软件设计

3.1 上位机程序设计

上位机程序主要负责以下几个方面的任务：

(1) 打标内容的编辑;

(2) 打标字符、图形大小的设定以及坐标的计算;

(3) 对串口通信进行监测。

具体实现过程如下：

用户输入的字符和图案经过计算所生成的脉冲及坐标数据可放在一个链表里，然后，根据用户的选择，再由程序打开相应的字模文件，并在字模文件中找到对应字符的标准字模，然后按照此字模的坐标值计算出该字符的实际坐标。

3.2 下位机程序设计

下位机程序主要负责对打标机的控制，并对各个设备状态进行监测。也可以通过下位机键盘输入简单的打标字符，当数据传输错误或者出现设备故障的时候，下位机的监控程序会自动终止打标过程并点燃相应的发光二极管。

4 结束语

经过试验验证，本系统具备在线和离线两种打标方式，而且操作简单，控制性能良好，同时具有较高的打标速度和精度，可以大大提高打标效率。