全自动激光打标机系统

目录 绪论 . 2 1 激光打标简介 . 2 光的产生 . 3 光的特点及应用 . 3 光打标机的控制 . 4 2 全自动激光打标机系统设计 . 6 自动激光打标机设计要求 . 6 自动激光打标机整体设计方案 . 7 自动激光打标机控制系统架构 . 7 光器电气连接 . 9 动控制系统 . 10 激光器、 脑之间的通讯 . 12 3 全 自动激光打标机软件系统设计 . 13 动控制流程 . 14 自动激光打标机 序编写 . 15 人机界面程 序编写 . 18 全自动激光打标机整机调试 . 20 标对接信号的编辑 . 20 自动运行操作 . 22 结论 . 22 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 22 绪论 激光打标自七十年代中后期以来，发展迅猛。 1988 年，它已占整个工业激光应用的 29%，是最大的激光应用之一。在航空航天、自动化、电子、机械、核、食品，医药等工业应用广泛， 销售数量和销售额都呈连续增长趋势。 激光打标技术之所以发展如此之快，大约有三方面的原因：激光打标标性能可靠，打标质量高、速度快、灵活性强，易于自动化，集成化；激光器的小型化、商品化和价格降低，大大推动了激光达标技术的发展；其他相关技术如计算机技术、光学技术、机械扫描技术等提供了不可缺少的条件。 激光打标 是利用高能量密度的激光束对目标作 用 ,使目标表面发生物理或化学的变化 ,从而获得可见图案的标记方式。 激光打标技术主要解决的问题有 激光的 散热问题 ； 激光打标控制卡作为独立的运动控制卡，如何与其他自动化设备进行配合控制；最重要的是根据产品材料的特点选择好合适的激光器并且做好自动送料的电气控制 。 1 激光打标 简介 光的产生 激光是一种特殊光，是一种电磁波，同样它是一种物质。 激光产生必须具备三个 条件：有提供放大作用的增益介质作 为激光工作物质 ； 有外界激励源 ,使激光上下能级之间产生集居数反转； 形成激光的内在依据有激光 谐振腔，使受激辐射的光能够在谐振腔内维持振荡。 如图 1光物质是激光产生的首要条件，在外界激励下激光物质发生能级跃迁，从而产生光子；产生的光子在谐振镜的作用下来回振荡 使激光能量增加，最后通过部分透射镜输出。 图 1光 产生原理 光的特点 及应用 与一般光相比，激光具有四个特点： （ 1）亮度高 由于激光的发射能力强和能量的高度集中，所以亮度很高，它比普通光源高亿万倍，比太阳表面的亮度高几百亿倍。 （ 2）方向性好 激光发射后 发散角非常小，激光射出 20 公里，光斑直径只有 20 30 厘米，激光射到 38 万公里的月球上，其光斑直径还不到 2 公里。 （ 3）单色性好 激光的波长基本一致，谱线宽度很窄，颜色很纯，单色性很好。由于这个特性，激光在通信技术中应用很广。 （ 4）相干性好 普通光是自发辐射光，不会产生干涉现象。激光不同于普通光源，它是受激辐射光，具有极强的相干性，所以称为相干光。 激光广泛用 于 测距，生活中，农业，加工， 医疗，通信，舞台与唱片，科学研究，军事。激光打印机 、 激光清洗钻孔、切割、焊接以及淬火，是加工金属材料时 最常用的操作 。 光 打标机 的控制 激光的 控制 参数很多，如频率、波长步方向和开光 实际应用中主要控制激光的开关、频率和方向。激光的这些参数都可以通过专业的激光控制卡和软件来实现改变。 橙子激光打标卡 金橙子激光打标卡是专业激光控制卡 。包括的功能有： 号可设置可设为高电平有效，也可设为低电平有效。 号提供了差分驱动方式。 总共有 10 路通用输入信号； 7 路通用输出信号，一路 信号。其中，输入信号分为两组，一组需要在外部提供电 源，另外一组不需要提供电源（开关形式）。输出 扩展轴 1、扩展轴 2 步进电机控制信号。输出两路模拟量控制功率 频率。 各个输入输出口的位置布置如图 1 图 1橙子打标卡 卡 输入输出管脚 入 输出插座管脚定义 镜输出 振镜信号为数字信号，可以直接连接至数字振镜。由于数字振镜所用的数字信号传输协议不完全一 样，所以，需要确认是数字振镜使用何种传输协议。如果振镜采用模拟信号，则需要接 模拟 的转接板， 通过该转换板转成模拟信号输出连接到模拟振镜 。 源 /座 该接口的 1,14 引脚为脉宽输出端，用于 者 光器的脉宽调制。 3,4引脚为激光器的开始标刻信号控制口。当 3,4 引脚短路时，激光器开始标刻选中的内容。 5,6,17， 18 引脚分别为 输入口，且为开关型输入信号。 24,25 引脚分别为 +5源与 入口。 标编码器 此端口在旋转标刻时使用，一般情况很少用到。 展 座 1 号引脚为 通用信号 4、 5 的负极性端。 2,9 引脚通用信号 4、 5 的正极性端。 3,11 引脚为通用型号 6、 7 的正极性端。 10 引脚为通用型号 6、 7 的负极性端。 7、 14、 15 引脚分别为通用输出信号 4、 5、 6。 （ 3） 硬件连线说明 无源输入接法 ：如图 1示，当使用控制卡上的无源信号接入口时，只需要在外部接一个开关即可实现。该端口常用于外部脚踏开关的接入口。 图 1源输入内部结构 有源输入接法 ：如图 1示有源信号接入口内部不带 5V 电源，需要在外部接入一个有源信号。该端口用于 号的输入口。 图 1源输入内部结构 件功能 件是金橙子激光控制卡的配套实用软件。通过该软件用户可以自由编辑图案从而实现在物件上标刻。 软件具有以下主要功能：自由设计所要加工的图形图案 ;支持 体，单线字体（ 体，点阵字体（ 一维条形码和二维条形码 ;灵活的变量文本处理，加工过程中实时改变文字 ,可以直接动态读写文本文件和 件 ;可以通过串口直接读 取文本数据 ;还有自动分割文本功能，可以适应复杂的加工情况 ;强大的节点编辑功能和图形编辑功能，可进行曲线焊接，裁剪和求 交运算 ;支持多达 256 支笔（图层），可以为不同对象设置不同的加工参数 ;兼容常用图像格式 。 2 全自动 激光 打标机 系统 设计 自动 激光打标机 设计要求 实现 双轨道打标，送料机 自动 将需要打标的料 送料进入轨道 ，到达打标区域固定位子； 每次打标十个，打完之后自动下料，并且对打标产品可以计数 ； 具有故障报警功能， 方便用户的故障解决； 出现故障时停止工作，故障解决后自动进入下一步过程； 打标过程的每个步骤可以实现手动控制； 对于打标的内容能方便的改变。 自动 激光打标机 整体设计 方案 根据用户打标材料的不同选择合适的激光器，本案例 采用半导体激光器，模拟振镜。 用专业的激光控制卡金橙子 来实现对激光 器 的控制。用 制送料轨道上的气缸 实现自动送料、放料，同时由光纤放大器检测信号来 计数、报警功能 。由振盘来 删选材料并送入打标轨道。 文本显示器作为人机界面。 自动激光打标 机 控制系统架构 全自动激光打标机所需要的元器件主要包括 激光器、 开关电源、人机界面、 动阀、电脑、及控制卡。详细清单如 表 2 表 2全自动打标 机元件清单 序号 元件名称 数量 型 号 生产厂家 备 注 1 四芯航插 1 大四芯 2 五芯航插 1 小五芯，接振盘 3 九芯航插 1 接光纤激光机 4 保险丝座 1 州豪家电器 带 6*30 保险丝（ 10A） 5 滤波器 1 6州国耀电子 大 6A 滤波器 6 轴流风扇 1 113州电讯 散热风扇 7 钥匙开关 1 上海二工 小钥匙开关 8 开关电源 1 纬 传感器电 源 9 开关电源 1 纬 激光器电源 10 开关电源 1 纬 扫描头电源 11 三眼插头 1 京鸿雁 0A 三眼插头 12 蜂鸣器 1 24 上海二工 24V 黑色长方形断续发声 13 文本显示器 1 为人机界面 14 数据线 1 本与三菱 15 交流接触器 1 正集团 16 固态继电器 2 4810 浙江美格尔 控制振盘的通断 17 光纤放大器 4 于料子计数 18 光纤放大器 2 准电子 振盘控制 19 30菱 自动控制器 20 冷水箱 1 套 东露阳水箱 激光冷却 21 扫描头 2 6230 西安扫描头 激光的走向 22 打标控制卡 1 京金橙子 激光的控制 23 电脑 1 联想 想 24 电磁阀 8 4德客 气动元件 25 气缸 6 亚德客 启动元件 25 振盘 2 整理料子送到道标轨道 26 四孔接线端子 2 自动 激光 打标机 电气原理图 全自动激光打标机是 通过 件控制激光的功率，及编辑所需要的标刻内容。控制卡接收电脑传输过来的信息通过 的 14 ， 3 引脚来控制声光 Q 开光的 时控制卡通过 控制扫描头的 电机来控制激光在平面内的运动，配合激光的开关来绘制图画。由 控制所需标刻的物品的送料，定位，及发送打标信号 给控制卡 和接受控制 的结束信号。用专门定制的振盘来删选标刻物品，同时将物品送入打标轨道。 由 测 光纤放大器 信号 来对打标物品进行计数。自动送料通过文本显示器来操作 。如图 2 图 2自动激光打标机原理图 光器电气连接 激光器主要包括电源系统， 光路系统， 冷却系统，运动控制系统。 电源系统： 扫描头电机电源（ 27：这两个电机用于控制激光在二维平面内的移动。 该电源由两个 27源组成。 半导体（激光棒）电源（ 30:该电源给半导体内部氙灯供电，由此光子激发半导体产生所需要的激光。 该电源从专业电源箱后部电源输出口接出，连接至半导体的电源线两端。 控制卡电源（ 5该电源用于控制卡供电。 由控制卡的 24,25 引脚接入。 光路系统： 光路系统主要由激光棒，声光开关，谐振腔组成。 冷却系统（水冷） 激光棒在工作的时候内部的氙灯会产生大量的热，若不采取降温设施，容易产生爆炸危险；声光开关本身不产生热，但在它工作的过程中，振荡晶体会将部分的激光散射到开关内部，从而产 生热量需要冷却。 运动控制系统 : 运动控制系统就是控制扫面头里面的两个电机转动。电机的转动范围在 15 度 之间 ，当电机转动时，电机头部的镜片将激光体产生的激光经过二次的反射，从而达到控制激光运动的目的。 准值灯为光路辅助元件，对找好焦距的平面进行标记位置，方便用户找到焦距。激光器只有在焦距上才能标刻，在离焦状态无法达到打标效果。 动控制系统 (1)主电源接线 主电源通过 4 芯航插接入，有钥匙开关和急停按钮来控制整个自动控制电路的电源通断情况。 进线电源首先给电脑、接触器线圈、及轴流电机、 电 。 总电源通过滤波器滤波，在给给个开关电源供电，以保证电源的稳定性。 由 24源给光纤放大器提供工作电源。 （ 2） 入输出点控制表如图 2（ 3） 入 打标结束信号输入端。在激光打标结束后会输出一个 30脉冲，当到这个脉冲时，控制送料部分气缸开始下料。 里轨下料计数光纤输入口。 用高速脉冲计数方式。 外轨道下料计数光纤信号输入口。 5采用高数脉冲计数方式。 别为里轨道外轨道上料计数光纤信号输入口。该信号用于上料控制气 缸开关作用。 轨道料满信号输入口。当检测到料满时，通过控制固体继电器来控制振盘的通断。 16， 别为气缸上的磁簧开关信号。该信号用于检测行程气缸动作是否到位。 （ 4） 出 打标控制信号。当轨道上料子定位完成时， 送一个脉冲信号给激光控制卡。激光控制卡接到该信号时才开始标刻。 电磁阀控制信号。当该信号接通时，电磁阀动作同时对应的气缸动作。 蜂鸣器控制信号。当打标过程出现异常情况时，蜂鸣器报警。 4 为吹起阀控制信号。在激光标刻过程中会有灰尘产生，利用气流将这些灰尘吹走，避免灰尘污染振镜。 15 是固体继电器控制信号。当轨道上料子满时，需要将振盘管段。而振盘内部接有很大的电感 元件，频繁的通断会对控制卡信号照成干扰，影响打标效果。利用固体继电器来控制振盘通断是为了尽量减少振盘对电路的干扰。 激光器、 脑 之间的通讯 控制卡是激光器的核心控制部分。电脑中的图案文本等数据信号，通过 传给控制卡。由控制卡负责将这些数据转换成电流信号从而实现对激光扫描头的控制。扫描头信号由 出。因为 出为数字信号， 扫描头电机接受的是模拟信号所以需要通过 D/A 转换 板来实现控制。 Q 驱后面的 9 芯（ 8、 9 引脚）为外控信号口，可以通过控制卡 （ 1,14 引脚）输出的 号来控制激光的频率。 当要实现全自动打标时，控制卡的“开始打标”信号就不在是认为触发的了。这时需要 控制卡一个 开始信号。从控制卡的引脚定义可以知道，控制卡提供了专门的输入输出信号口，其中 6， 2 引脚为信号 入口， 2， 1为信号 入口， 14， 15， 8 引脚为信号 出口。利用这些输入输出口即可实现由 控制“开始打标”信号。 由于 用的是 24控制卡所用的是 5此在信号对接时要注意限流保护。同时本方案可编程控制器为三菱生产，信号为低电平有效，在与控制卡信号对接时需要加一个三极管来转换信号电平。 详细接线方法如 图 2 图 2 打标卡信号控制接线图 3 全自动激光打标机 软件系统设计 动控制流程 送料打标部分的主要控制器。 控制要求为 ：初始状态下，轨道上档料气缸关闭，中间定位气缸打开，下 面放料气缸打开。 按下“启动”按钮，设备进入自动工作状态。上挡料气缸打开，开始放料。当光纤放大器检测到十个料子的时候关闭上挡料气缸。上档料气缸到位后，中间定位气缸动作，将料子固定。定位到位， 打标机发送开始打标信号，激光器开始打标。 打标结束后， 激光器 向 送打标结束信号。 收到该结束信号时， 打标轨道下挡料气缸打开，开始放料。光纤放大器检测到十个料子放完随即关闭下挡料气缸。同时打开上挡料气缸，开始新一次的送料、打标。 自动控制流程图见图 3 图 3动控制流程图 打 标过程 中， 对出现的异常情况需要进行报警，并且 准确的判断是那部分出现的异常。异常报警情况如下： （ 1） 经发出气缸动作信号，但是 有接收到气缸磁簧阀的到位信号，此时文本显示器显示气缸动作异常提示，并且蜂鸣器报警。 （ 2） 送料气缸打开，在规定的时间内没有料子送入打标区域，进行上料异常报警 （ 3） 打标已经结束，下料气缸动作，光纤放大器没有检测到，或者没有计数满，在规定时间后进行下料异常报警。 自动 过程中，轨道最上方有一个光纤放大器作为振盘通断的信号检测。当轨道上料子满时，关闭振盘；无料时打 开振盘。 编程 注意 点 ： （ 1） 因为是双轨道打标，激光某一时刻只可能发出一束激光，所以一个轨道上正在标刻时，另一个需等待对方标刻结束才能进行打标。 间需要互锁。 （ 2）下料速度为毫秒级，不能使用普通的信号输入来计数。应该使用高数计数器（ 进行准确的计数。 （ 3）打标结束信号由控制卡输出，且信号高电平时间很短， 用中断标志位来实现信号的接受。 （ 4） 用电源为 24制卡所用电源为 5号对接时应特别注意限流，防止控制卡烧坏 。 （ 5）气缸等控制对象之间步骤的先后顺序明确，所以采用步进梯形图编写程序。1 为起始步。 自动激光打标机 序编写 人机界面 程序编写 文本显示器 是自动控制系统中常用的人机界面。本方案使用文本显示器 作为人机界面，通过显示器上预定义的按钮功能来来对设备进行控制。 在 文本显示器的 域内可以任意的编辑用户所需要的的界面。主要功能有：指示灯，读取 部的触点的通断情况；功能按钮，可以指定界面上的任意按键，对应 者关闭；页面跳转，指定按下某个按键时跳转到哪一个界面；报警列表，当设定 元件 异常报警标志时， ，界面自动显示 异常报警。 (1） 新建项目设置 数： 型 信波特率 9600，数据位 7，停止位 1，偶校验 ， 讯。 设置界面如图 3 图 3本显示器参数设置 (2） 编辑手动操作界面 定义好按钮命令，当按下“ 7”按钮时，轨道开始上料。同理按下“ 4”按钮时，轨道开始下料。在图示中设定“ 7”按钮按下时软元件 时 4”对应 时 9”对应 时 6” 时 如 图 3 图 3显示器手动界面 (3) 编辑自动控制界面 按下“ ”时 备开始进入自动状态；按下“ ”时， 下“ 1”时，离轨道复位；按下“ 3”时外轨道复位。 “ 7”，“ 9”为单个轨道工作使能控制按钮。 如图 3 图 3显示器自动控制界面 (4) 下载程序到文本显示器 将文本显示器下载口与电脑下载口通过 接线可靠连接，点击下载，文本程序即可下到显示器里面。 当 序与文本程序都下载好后，连接通讯线，文本显示器即可对 软元件置位或复位。 全自动激光打标机 整机调试 标对接信号的编辑 在打标软件中作图时，分为里外两个轨道，里面轨道打标输入口为 了信号为 宽 30外面轨道打标的输入口为 出信号为 宽 30 在生产时，先调出要打标的图形，使用软件进入标刻状态，然后启动自动送料，进行自动标刻。 下面以一个例子说明具体一次作图的过 程。注意对像列表中内容的变化 。 里面轨道 打标内容为 列为 1 行 10 列。 外面轨道打标内容为 列为 1 行 10 列。 （ 1）输入文本 定好字体和字的大小，点修改菜单下的陈列项，设好陈列个数和间距，按确定，调整好打标位置。 （ 2） 选择阵列好的 10 个文本，可以在对象列表中框选。点工具栏上的群组功能。进行群组 。 （ 3） 添加里面轨道输出口，输出口设为 出设定为脉冲形式，脉宽 30成后，如图 4示： 图 4标信号输出信号设置 （ 4） 把里轨道文本的群组和里轨道输出口进行群组 ， 设置里面轨道输入口为图 4此里轨作图结束。 图 4标输入信