（计算机应用技术专业论文）激光打标控制系统的研究与实现.pdf

硕士学位论文 ma s t e r s t i bi s l a s e r m a r k i n g i s a k in d o f t e c h n i q u e o f m a r k i n g p e r m a n e n t s i g n o n t h e o b j e c t s s u r f a c e b y u s in g l a s e r b e a n w i t h h i g h e n e r g y d e n s i t y . t h e l as e r m a r k i n g m a c h i n e i s a n in t e g r a t e d m a c h in e - e l e c tr i c i t y f a c i l i t y t h a t i n t e g r a t e s m a n y t e c h n i q u e s re f e r r i n g t o l a s e r , o p t i c s , m e c h a n i s m, e l e c t r i c i t y , c o m p u t e r e t c i n t o a w h o l e . f o r t h e p r e s e n t , t h e re a r e t w o m e t h o d s c o n tr o l l i n g t h e l a s e r m a r k i n g , w h i c h a r e c o m p u t e r c o n tr o l a n d s i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e r c o n tr o l . b e c a u s e o f t h e a d v a n t a g e s a n d d e f e c t s w i t h e a c h m e t h o d , w e d e s i g n a la s e r m a r k in g c o n tr o l s y s t e m c o n tr o l l e d b y c o m p u t e r a n d s i n g l e c h i p 而c r o c o m p u t e r . i n t h i s t h e s i s , s y s t e m s t r u c t u r e m a d e o f h o s t c o m p u t e r a n d s l a v e c o m p u t e r i s i n t r o d u c e d . ma i n f u n c t i o n o f th e h o s t c o m p u t e r i s c a p a b l e o f i n p u tt i n g 、 tr a n s f o r m i n g , tr a n s m i tt i n g f i l e s a n d s e tt i n g m a r k i n g p a r a m e t e r s . t h e c o n tr o l l e r o f s i n g le c h i p m i c r o c o m p u t e r i s m a d e o f s i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e r 8 9 c 5 2 , d a t a m e m o ry, k e y b o a r d i n p u t a n d d i s p l a y , d r i v i n g c i r c u i t b o a r d e t c . i t s f u n c t i o n s a r e r e c e i v i n g , s t o r in g , m a n a g i n g s e v e r a l m a r k i n g f i l e s , r e c e i v i n g m a r k i n g p a r a m e t e r s i n p u t b y u s e r , a n d c o n tr o l l i n g t h e m a r k i n g i n t h e s l a v e c o m p u t e r , t h e b e e l i n e i n t e r p o l a t i o n a l g o r i t h m o f p o i n t b y p o i n t c o m p a r i s o n i s a d o p t e d i n th e p l t f o r m a t f i l e s . t h r o u g h i m p r o v i n g t h e a l g o r i t h m, t h e m a r k i n g p r e c i s i o n a n d e f fi c i e n c y a r e i n c r e as i n g g re a t l y . s o t h e l a s e r c a n c o m e b a c k t o t h e s t a r ti n g p o i n t e x a c t l y a ft e r fi n i s h i n g o r s t o p p i n g m a r k i n g， a u t o m a t ic m a r k i n g c o n t i n u o u s l y i s r e a l i z e d . t w o d i r e c t io n s m a r k i n g i s a d o p t e d i n t o t h e b mp , p c x l a tt i c e i m a g e f i l e s , w h i c h c a n i n c re a s e m a r k in g s p e e d g r e a t l y . b e c a u s e m a n y f i l e s a r e s t o r e d i n t h e ms f o f f l as h m e m o ry 2 9 c 0 4 0 , i n o r d e r t o e n h a n c i n g t h e u t i l i z a t i o n r a t e , t h e f i l e a l l o c a t io n t a b l e i s u s e d t o m a n a g e m e m o ry a n d m a r k i n g fi l e s . f o r t h e s a k e o f t h a t t h e c o n tr o l l e r c a n w o r k s t a b l y a n d r e l i a b l y f o r a l o n g t i m e , w e u s e m a n y a n t i一 a m m in g t e c h n iq u e s , s u c h a s w a t c h d o g , p o w e r s u p p l y c h e c k i n g , i s o l a t i o n t e c h n i q u e , i n s t r u c t i o n r e d u n d a n c y e t c . f o r t h e 1 1 硕士学位论文 m 鹉一 庄r s t i 住 s i s n e e d o f d i ff e r e n t o c c a s io n s , w e w r i t e m a n y fu n c t i o n s a b o u t p o i n t b y p o i n t c o m p a r i s o n , d i g i t a l i n t e g r a l , m i d p o i n t , t i m e - s h a r i n g i n t e r p o l a t i o n s , w h i c h c a n b e u s e d w h e n u p gr a d e t h i s t h e s i s s t u d i e s e m p h a t i c a l l y i n t e r p o l a t i o n a l g o r it h m s u s e d i n o u t l i n e m a c h i n i n g， i n t r o d u c e s t h e d e s i g n s o f t h e s y s t e m s h a r d w a r e a n d s o ft w a r e , a n d s t u d i e s a n d i n t r o d u c e s m a n y a n t i一 a m m in g t e c h n i q u e s i n t h e s i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e r c o n t r o l s y s t e m. ke y w o r d s : l a s e r ma r k i n g , n u m e r i c a l c o n t r o l , s i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e r , i n t e r p o l a t i o n a l g o r it h m , a n t i 一 a m m m g ul 硕士学位论文 h us f e r s 1 1 1 e s i s 第一章绪论 1 . 1 概述 激光是2 0 世纪的重大发明之一， 具有巨大的技术潜力，专家们认为， 现 在是电子技术的全盛时期，其主角是计算机，下一代将是光技术时代，其主 角是激光 。 激光因具有单色性、 相干性和平行性和高能量密度等特点 (4 ， 其 空间控制性和时间控制性很好，特别适用于材料加工，对加工对象的材质、 形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，能够实现自动化加工。激光加工系 统与计算机数控技术相结合可构成高效自 动化加工设备，已成为企业适时生 产的关键技术，为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。 三十多年来，以激光器为基础的激光技术得到了迅速的发展，现己 广泛 应用于加工、医疗、军事、通迅、检测、娱乐等各个领域，并形成了新的产 业体系。1 9 8 5 年到 1 9 9 5 年间，国外激光产业每年以1 0 % 的比例增长，1 9 9 8 年激光产业的销售额达到 9 7 0 亿马克， 到2 0 1 0 年世界激光产业的产值将达到 4 0 0 0 亿美元。激光加工、激光通讯、激光医疗将成为激光技术应用最重要的 三个方面s 激光加工是激光应用最有发展前途的领域之一， 国外已开发出2 0 多种激 光加工技术。目前已成熟的激光加工技术包括141 : 激光快速成形技术、 激光焊 接技术、激光打孔技术、激光切割技术、激光打标技术、激光去重平衡技术、 激光蚀刻技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清洗技 术、 激光热处理和表面处理技术等4j 。 现在， 激光加工主要用于电子工业和机 械制造两个领域:在机械制造领域，激光加工用于切割、打孔、焊接、表面 处理、切削加工等;在电子工业中激光加工具有特别重要的地位和作用，它 不仅在一般的打孔、划片、打标工艺中表现出高效率、高精度、高质量、热 影响区小、无污染等优点，而且在微加工方面显示了独特的优点，对微电子 工业的发展作出了重大的贡献，在当前十分热门的亚微米和纳米技术中亦将 大显身手。 激光加工有 “ 热加工”和 “ 冷加工” 两种。 现在大量用于激光加工的c 0 2 l 硕士学位论文 m 八 s t e r s t i l r s ( s 和 y a g激光为红外光，它们辐照在金属或非金属工件上，基于热效应，使工 件升温、融化或汽化，以完成各种加工，这是热加工。准分子激光器输出紫 外光，它有可能对聚合物等非金属材料进行基于光化学作用的剥蚀加工，这 种 “ 冷加工”技术正在开发，并有可能在电子工业中得到较大程度的应用。 但是， 激光加工的主流还是基于热效应的加工16 1 激光打标作为激光加工领域的一个重要分支。是综合激光、光学、精密 机械、电子和计算机等技术于一体的先进标记制作方法。它与传统的腐蚀、 电 化学、机械等标记方法相比具有无污染、高速度、高质量、灵活性大、不 接触工件等优点，适用于机械、电子、航空航天、轻工、食品、医药等工业 领域，可制作各种金属铭牌，在工具、刃具、量具、轴承上蚀刻出规格、型 号; 在半导体器件和电 子元器件外壳上蚀刻规格、型号7 1 。自7 0 年代末期， 开始应用于工业加工，8 0 年代在欧美工业国家获得广泛应用。近年来以其卓 越的性能已经广泛应用于各行各业。激光打标己经在很多领域取代传统的打 标方式而成为常规的加工方式，甚至形成新的工业标准。 1 .2 1 _ 2. 1 国内外激光产业发展现状 国外激光产业发展现状 根据 1 9 9 4 年美国光电子工业发展协会 ( o t d a ) 提出的报告， 1 9 9 5 年全世 界光电子工业产值为 7 5 0 亿美元，预计2 0 1 3 年为4 6 3 0 亿美元，平均年增长 率为9 . 5 9 6 . 1 9 9 3 年产值中包括显示器5 4 0 亿美元，光存储9 0 亿美元，光通 讯2 4 亿美元，硬拷贝 ( 激光印刷、分色、复印、打印等) 3 3 亿美元，工业激 光技术 ( 激光加工、激光医疗和激光检测)5 0 亿美元。总产值中与激光有关 的部分为2 1 0 亿美元，按此计算，排在前二位的是光存储占 ( 4 3 % )和工业激 光技术占 ( 2 4 % )。 根据 激光集锦1 9 9 7 年报导，世界激光器市场可以划分为三大区域; 美国 包括北美) 占5 5 0% ， 欧洲占2 2 9 6 ，日 本 及太平洋地区占2 3 % 18 1 . 5 0 0 瓦以 下的中、 小功率激光器是美国占优势， 5 0 0 瓦以上用于材料加工的高功率激光 器是德国占优势，而小功率的半导体激光器则是日 本占优势，占世界市场的 硕士学位论文 r 认s t e r s t 7 i e .s l s 7 0 % 以上。 美国、日 本、 德国三个国家激光产业的发展代表了当今世界激光产 业发展的趋势。日本在光电子技术方面占首位， 在激光医疗及激光检测方面， 美国占首位，而在激光材料加工设备方面则是德国占首位。 美国是世界上最早建立激光加工站的国家， 许多加工站建立于7 0 年代中 期，1 9 9 5 年世界销售的激光加工系统予计为1 9 5 0 台，其中美国6 4 0台，占 3 4 % 1 1 。在激光加工中主 要使 用c 0 2 激光器和n d : y a g 激光器。 其中， c 0 2 激 光器5 8 % 用于切割， 1 2 %用于焊接， 1 1 % 用于标记， 1 % 用于热处理， 其它为1 8 % ; n d : y a g 激光器2 4 % 用于焊接， 3 9 % 用于标记， 7 % 用于切割，1 8 % 用于微电子加 工， 3 % 用于打孔，其它9 % a 1 9 9 6 年的统计结果表明，美国激光加工站的年收 入己 逾6 0 - 8 0 亿美元， 激光加工站已超过 1 7 6 5 家， 这对于在美国推广激光加 工技术起着重要的作用。 美国也是最早将高功率激光器引入汽车工业的，用于汽车板金件的切割 和齿轮的焊接，使汽车改型的周期从5 年缩短至2 年。美国辐特汽车公司采 用n d : y a g 激光器结合工业机械人焊接轿车车体，极大地降低了制造成本。 据报导，2 0 0 0 年美国三大汽车公司5 0 % 以 上的电阻点焊生产线被激光焊生产 线所取代。 八十年代初，日本产业界积极采用激光加工， 并逐步扩大到焊接、 钎焊。 统计表明，日本占当今世界上工业用激光设备的3 0 % 左右， 激光加工是日本重 要 的 基 础 制造技术 之 一 8 1 。 日 本 现 用于 材料 加工 的 是 大 功 率二 氧 化 碳 激光 器 和 n d : y a g 激光器， 少量准分子激光器也己 使用， 而新开发的气体激光器有波长 1 0 . 6 微米二氧化碳激光器、 波长5 微米一氧化碳激光器、 波长1 . 3微米的碘 激光器及二极管激励固体激光器的紫外准分子激光器等0 5 轴或6 轴三维激光 切割机器人已在日 本汽车、机械、电机重工中大显身手。同时，激光焊接在 日本电子、电机、汽车、车辆零部件、以 机器等小件、大批量生产中得到迅 速发展，使本产业界生产线上成功应用激光焊为世界所瞩目。日 本以5 k w 及 l o k w 二氧化碳激光焊代替了闪光对焊进行制钢业轧钢卷材的连接，在薄、中 厚板钢管、高级薄型不锈钢制造时，与高频电焊、 t i g 焊相结合，保证了质量 的稳定性。并且，日 本也致力于进行激光超薄板焊接的研究，如板厚 1 0 0 微 硕士学位论文 m a s t e r s t l i c s i s 米以下的箔片无法熔焊， 但通过有特殊输出功率波形的y a g 激光焊得以成功， 显示了激光焊接的广阔前途。 日本激光医疗始于a r 激光眼底凝固、 外科二氧化碳激光刀、 内科n d : y a g 激光内窥镜等， e r : y a g 激光的2 . 9 4 微米光较之二氧化碳激光的 1 0 . 6 微米 更易被水、 c a . p 等所吸收，多用于切开、 切除多水份的身体软组织及骨切开 术，性能大大优于二氧化碳激光刀。由于可以光纤传导，今后，若3 微米带 的稳定光功率纤维开发成功，将用于体腔内患部的非切开、切除手术。 此外， 稀土类元素h o : y a g 激光器也已开始使用。日 本利用激光治疗癌症十分积极， 主要是a r 激光激励、闪光灯激励、准分子激励的染料激光器。 德国是欧洲地区激光产业发展最快的家国， 特别是激光材料加工方面处 于世界领先的地位(8 1 。 根据德国 机械制造协会 激光材料加工工作联盟 1 9 9 4 年的统计，用于材料加工的光源 ( c 0 2 和y a g 激光器)总共生产了1 3 6 4 台， 产值1 . 6 5 亿马克，比1 9 9 3 年增长1 3 % , 激光器件台数增长了3 9 % 12 0 1 。 特 别是用于标记和牙科方面的小功率激光器即y a g 激光器出现了超比例的增长 率。因此，德国 用于加工技术的激光器高于以前任何时期。用于材料加工的 光源，德国企业几乎占了世界市场的4 0 % ，处于领先地位。1 9 9 4 年激光系统 的营业额也有大幅度的增长， 完成了8 6 0 个系统的生产额， 价值为2 . 3 5 亿马 克，台数增长率为5 1 % ,销售额增长率为 工 7 % 。与此同时，还签订了9 3 7 个系 统合同，价值2 . 4 9 亿马克 ( 台数增长率5 8 % ，产值增长率 1 8 % )。在激光光 源方面c 0 2 占4 2 % , n d : y a g占3 5 % ; 在激光系统方面c 0 2 激光加工系统占5 6 % , y a g激光加工系统占4 0 % 0 德国为了 推广激光加工技术， 除了建立9 个国家级 激光中心外，还大量建立激光加工站;同时在大、中、小型企业积极建立激 光加工生产线， 例如:大众汽车厂的齿轮激光加工生产线; t h y s s e n 钢铁公 司的轿车底板激光拼焊生产线; 西门 子公司建立了线包引线激光点焊生产线， 接触器铁芯、衔铁激光焊接生产线，集成电路激光微调生产线及半导体硅片 激光毛化及退火生产线等。 硕士学位论文 ma s t e r s t i l s i s 1 .2 . 2我国激光产业发展现状 在 1 9 6 0 年美国贝尔实验室发明红宝石激光器一年后， 我国第一台红宝石 激光器在长春光机所诞生，从此以后，我国在激光器和激光应用技术研究方 面有了许多的成果。国家 “ 六五”至 “ 九五”期间对激光技术基础研究的大 力投入，已在北京、上海、武汉三地形成中国激光研究、应用的三足鼎立之 势。据统计， 我国激光产业的总销售额在 “ 八五”期间达到1 2 5 . 3 2 亿元， 平 均年增长率达2 . 3 3 倍，其中排在第一位的是光储，第二位是测距、准值， 第 三位是激光医疗，第四位是激光加工设备9 1 10 i i 目 前我国激光加工设备产业逐渐走向成熟0 1 9 9 1. 1 9 9 8 年销售以年均4 0 % 的速度递增，工 9 9 5 年我国激光加工设备销售额为7 3 2 6 万元，1 9 9 6 年、1 9 9 7 年、 1 9 9 8 年增长率分别为6 6 . 5 % , 2 7 % , 2 1 % ， 若2 0 0 0 年增长率为2 0 % ， 则2 0 0 0 年的激光加工设备额为2 . 2 9 亿元。预计 十五 期间，大功率激光切割、焊接 设备在汽车业将会成倍增长，激光熔敷将会在汽车、船舶、轨钢等行业有一 定的应用，专业从事激光切割切板、不锈钢板的加工站将会增加。目前，高 档次的激光切割、 焊接设备主要由国外厂商垄断，竞争十分激烈。 现根据国外激光加工市场研讨会所作的统计， 将近四年的产值列举如下: 1 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 0 * c 0 27 5 61 1 0 01 2 7 0( 1 5 % )1 3 7 0 ( 8 % ) 1 5 0 0 ( 9 % ) y a g4 6 88 9 09 7 8( 1 0 % )1 0 8 6 ( 1 1 % ) 1 1 9 5 ( 1 0 % ) 其它 7 39 0 ( 2 3 % ) 1 3 5 ( 5 0 % )1 7 5 ( 3 0 % ) 总计 2 0 6 32 3 3 8( 1 3 % ) 2 5 9 1 ( 1 3 % )2 8 7 0 ( 1 1 % ) *预测销售额( )中数字为比上一年的增长率 表1 1 全球激光加工系统销售额 ( 百万美元) 从表 1 . 1 可看出， 激光加工系统的销售额以年均 1 3 %的增长率增长， 而 半导体激光器、半导体泵浦固体激光器、准分子激光器加工系统增长更快， 这反映出微电子工业、通讯工业及微光机电一体化系统的发展需要非常崭新 的加工手段来满足制造上的需求。我国激光加工系统市场也随着国民经济的 发展逐年增长，下面将近八年来的销售额列出 ( 见表 1 . z ): 硕士学位论文 ma s t e r s t i i e s i s 总计 1993 1994 1995 1996 19973948 4642 7326 12287 13138 我国激光加工系统销售额 ( 万元人民币) 1 9 9 8 1 5 8 9 8 表 1 . 2 从表1 . 2 可看出我国激光加工系统产值 1 9 9 8 年约为一亿六千万元，相 对1 9 9 7 年增长2 1 %。可以说应用面发展很快。特别是y a g激光加工系统比 上一年增长了6 0 . 7 ，达到9 0 9 4 万元，高速增长的主要原因是y a g激光焊 接机和激光标记系统得到飞速应用，其主要市场是电池激光封焊和电子元器 件激光标记。从这里可以看出，我国电子工业的高速发展给我国激光加工业 带来了巨大推动;同时，我国激光加工系统的日益完善、质量提高也给我国 电子工业带来了喜讯， 这样， 可以不需要采购价格昂贵的进口 激光加工设备， 给运行、保养、零配件更换、维修、服务带来诸多方便。 我国激光加工的应用领域与国外有所不同，为便于比较， 把 1 9 9 8 年的应 用情况列在表 1 . 3 中: 应用领域销售额( 万元)所占比例 激光切割 1 7 7 11 1 . 2 % 激光热处理 1 0 1 96 ， 4 % 激光标记 4 8 7 63 0 . 7 % 激光焊接 2 9 7 71 8 . 7 % 激光打孔 1 3 00 . 8 % 其它 5 1 2 53 2 . 2 % 表1 . 3 1 9 9 8 年激光加工应用销售 从表中可以看出，激光标记 ( 打标)所占的比例最大，在激光加工领域 的地位很重要。从我国 1 9 9 8 年销售总额 1 . 6 亿元人民币看，与国外 1 9 9 8 年 销售总额2 5 . 9 亿美元 约合2 1 0亿人民币)比较， 说明我国的重要工业领域 采用激光加工系统对传统工业进行技术改造有相当大的空间。不采用先进的 激光制造系统将很难应对我国进入 w t o 带来的国外产品对中国市场的冲击， 同时从市场发展也充分说明我国的激光加工系统有相当大的发展空间。 1 . 3 激光打标技术的优点与基本情况 二十世纪七十年代末八十年代初，一项崭新的激光加工应用技术一激光 打标技术在国际上悄然兴起。激光打标是目前国际上工业产品标记的最先进 技术，已经日益成为一种有效的标记加工方法，在各行各业得到了越来越广 泛的运用。 它是利用高能量密度的激光束在金属、非金属表面打出各种文字、 符号、图案及条形码，以制作永久性商标、标记、工艺品等。它具有传统方 法 ( 腐蚀、电 火花加工、 机械刻划、印 刷等) 难以比 拟的优点5 1 .应用范围广泛 激光打标可以在钢铁、 铝、铜、 钦、金银等不同金属与合金的表面及陶 瓷、玻璃、塑料、橡胶、木材等各种非金属的表面刻下永久标记。 2 .可靠性强 激光标刻具有抗磨损、不褪色的优点。激光加工是将激光束照射到加工 物体的表面， 用以去除或熔化材料以 及改变物体表面从而达到加工目的，属 于非接触性加工，没有机械力，加工材料不变形，受损小。这一点己成为激 光技术区别与其他加工手段的明显优势。例如，在晶振标刻这一领域，按传 统的油漆标记方法，由于不锈钢对油漆的附着力差， 加工后的晶振不能清洗， 带来诸多不便。现在， 该领域多采用激光标刻， 所形成的标记清晰、持久、永 不磨灭。 激光加工，热影响区小，在热处理、切割、焊接过程中，加工工件 基本不变形， 这一特色也成功地运用局部热处理和显像管的焊接。 3 .加工效率高 计算机控制下的激光光束可以高速移动( 每秒5 -7 米的线速度) ， 通常的 打标过程均可以在数秒内完成。 一个标准计算机键盘的打标可以在1 2 秒内完 成。 激光打标系统均配备计算机控制系统， 可以与高速流水生产线灵活配合。 4 .开发速度快 由于激光和计算机技术的结合，用户只要在计算机上编程，即可实现激 光打标输出，并可随时变换打标设计，从根本上替代传统的模具制作过程， 为缩短产品升级换代周期及柔性生产提供了有力工具。 5 .加工精度高 硕士学位论文 in ms t e a s t s s 激光可以形成极细光束， 在材料表面的最细线宽可以达到0 . 0 5 毫米，为 精密加工和防伪开创出宽广的空间。不仅可以打印出复杂的图形、商标设计、 条形码、两维码，甚至可打印亲笔签字。任何显示在荧光屏上的图形都可以 马上打印在指定的材料表面。 激光打标还可以提高产品外观形象和名牌效应， 增加产品的市场竞争能力。 6 . 加工产品精细、美观，具有较高的审美价值 激光标刻能在各种金属与非金属表面形成的具有立体效果的字画。激光 标刻的文字字形端正工整， 线条流畅大方，字体美观雅致， 所刻图案不失真， 能保持原图的创作风格及图形原有的神韵。采用激光标刻的产品，美观、大 方，具有很好的视觉效果1 3 1 了 .维护成本低 激光打标是非接触式打标，不受通常模具打标的疲劳使用寿命的限制， 在批量加工使用中的维护成本极低。 8 .社会效益好 激光打标为非接触式打标，节约能源，相对于化学腐蚀法，无污染;相 对于机械式打标，无噪音，是一种很值得推崇的高科技“ 绿色 加工手段，是 对于传统打标方式最好的替代方式。 由于以上特点，激光打标技术正逐步得到国内企业界的重视和采用。特 别是迸入九十年代，随着激光打标技术的日 臻成熟、激光打标设备的不断完 善以及市场对这一新技术认识的日益加深，更由于它所具有的明显优势，激 光打标技术在国外得到越来越广泛的应用。著名的美国工 n t e l 公司在推出新 一代计算机c p u 芯片p e n t i u m , p e n t i u m p r o 及 p e n t i u m r m x 时，就采用了激 光打标技术，在每一个芯片的表面制作标记。 一般激光打标是在计算机控制下，使工件与激光束发生相对运动，激光 束就会在工件表面烧蚀出需要的符号和图案。理论上说只要能实现激光与工 件之间的受控相对运动，就可实现激光打标。所以现在的激光打标领域存在 着各式各样的激光打标机。激光打标机根据激光束运动与否，可以分为定光 式和动光式两大类。顾名思义，前者是激光束固定、工件运动;后者是激光 束运动、工件固定。目前，国际激光打标界己经公认:在众多的激光打标机 s 硕士学位论文 ma s t e r s t i 1 g s i s 中，振镜式激光打标机因为它所具有的各种优势已经成为了主流产品，并被 认为代表了未来激光打标机的发展方向。根据光源来划分，激光打标机又可 分为y a g 激光打标和c 0 2 激光打标机， 这两种光源适用于不同的材料t t e y a g 光源可以加工金属材料和大部分非金属材料:而 c 0 2激光光源t 23 1 主要是用来 加工非金属材料。近年来随着半导体激光器的成本的下降，出现了一种新的 激光器， 及半导体激光气泵浦y a g 等激光晶体，产生1 0 6 4 n m的激光，其特点 是 1 0 0 0 0 小时免维护，体积小，不需要冷却系统。 1 . 4 1 . 4. 1 目 前激光打标的几种控制方式 激光打标系统的一般组成 激光打标系统是综合激光、光学、精密机械、电子和计算机等技术于一 体的机电一体化设备。它主要是由激光器、光学系统和插补器、执行机构一 步 进电 机、 打 标图 形 输入设 备 一计 算 机等 组 成 6 1 图 1 .1激光打标系统组成 1 .图形输入设备 激光打标是利用高能量密度的激光束在金属、 非金属表面打出各种文字、 符号、图案及条形码，以制作永久性商标、 标记、工艺品等。 这些标记符号、 图形等可以来源于计算机的作图软件 ( 如a u t o c a d )或用户输入的各种图形 指令。 2 .插补器 打标就是将激光束按一定的轨迹移动，形成所需要的图形、图象，激光 束的移动就是靠插补计算来完成的。插补计算是按给定的基本数据 ( 如直线 或圆弧的坐标等) ， 插补中间坐标数据， 从而把曲线形状描述出来的一种计算。 插补器用于完成插补计算，以控制机床刀具、激光束的轨迹运动。在激光打 硕士学位论文 m a s t e r s 1 7 i e s s 标系统中，插补器是整个系统的核心部分，它经历了硬件数控 ( n c )和计算 机数控 ( c n c )两个阶段，目 前插补运算多由计算机完成，计算机数控已成 为控制系统发展的主流。 3 .步进电机 在激光打标中，插补器的输出实际上就是控制步进电机转动，步进电机 的角位移最后转换为激光束在两轴、三轴或多轴上移动。步进电机在系统中 是一种执行机构，它在开环控制系统中应用较广泛，激光打标控制系统也可 以是开环控制系统，但由于步进电机本身具有的特性一启动频率、运行频率 等都会影响打标的精度，这时要在软件编程上加以考虑，从而尽可能地减少 或消除这些因素。 4 .激光器 由于激光具有单色性、相干性、方向性和高光性等性质，可以形成高能 量密度的细光束，于是将激光应用在打标上。目 前激光打标主要是使用 c 0 2 和掺钦的忆铝石榴石 ( n d : y a g )激光器两种。激光器在使用时要考虑激光 的单色波长、时间特性、功率因素，波长越短，聚焦越细，激光的能量越集 中 1，51 5 .光学系统 激光器输出的激光需经光学系统传输和处理，以满足不同的加工要求。 光学系统主要由聚焦系统和导光系统组成。聚焦分为透镜聚焦和反射聚焦。 透镜聚焦分为球面透镜聚焦和非球面透镜聚焦，在激光加工中，为减少光能 损耗。 常采用单透镜聚焦，但不可避免地会存在像差，使用非球面透镜可以 很好地消除像差。反射聚焦系统形式有同轴球面镜聚焦、离轴球面镜聚焦、 校正的离轴球面镜聚焦、抛物镜聚焦、双球面反射镜聚焦。 导光系统将激光器输出的激光引导到由聚焦光具组成的加工头，在实际 的激光加工系统中，加工头可以是固定的和运动的，导光系统也可以是固定 的和运动的。 一. - 一一-一 硕士学位论文 w s t e r s ti l e s 1 s 1 . 4 . 2计算机控制的激光打标系统 图1 . 2 计算机控制的激光打标系统 采用计算机控制激光打标这种模式，系统主要是由计算机、 接口电路卡、 驱动电路等组成，其结构见图1 . 2 13 2 1 -13 6 1 。计算机的功能是:完成打标内容的 输入和打标控制算法，产生步进电机转动所需的电脉冲信号和激光器出光控 制信号，这些信号送到计算机主板上的接口卡，以实现信号的锁存、速度的 匹配、传输的驱动等。步进电 机驱动电路是增加脉冲信号的带负载能力，从 而驱动步进电机。 该模式的好处是:可以充分利用计算机的强大功能， 在计算机上用制图 软件 ( 如a u t o c a d , s m a r d r a w等) 制作出精美、 复杂的图 形、图 象;由 于计 算机的速度快、 运算能力强， 因此可以采用比 较复杂但精度很高的插补算法; 控制过程比较容易。 但这种控制模式也存在着缺陷:首先，作为功能十分强大的上位机大部 分时间只是在输出简单的控制脉冲信号，造成了资源的浪费;上位机通常采 用工业 p c机，价格昂贵，提高了整个系统的成本;其次，每台打标机都必 须配备一台计算机，增加了使激光打标机的价格:另外，计算机体积偏大， 重量较重，不利于激光打标机的小型化:由于采用软件控制，不够直观，并 且要求操作人员具备一定的电 脑知识。 1 . 4 . 3单片机控制的 激光打标系 统 单片机控制模式的结构见图 1 . 3 ，主要是由单片机控制器、步进电机驱 动电路、输入显示电路等组成阴。该模式主要是利用单片机来控制激光打标， 矢量的插补控制、 点阵打标都由单片机完成， 并输出激光器出光的控制信号。 打标内容的输入只能通过键盘以 打标指令的形式输入， 如l i n e ( 0 , 0 ) , l i n e ( 2 0 下来 ，2 0 ) ， 或将要打标的内容作为常用数据随程序写入到程序存储器中固化 图1 . 3 单片机控制的激光打标系统 这种控制模式的好处是:价格低廉，减小了打标机的整机体积，降低了 成本，可以在工业现场稳定可靠地工作。 这种控制模式的缺陷是:打标仅限于简单的直线、圆、椭圆等较规则的 图形，或者是一些固定的字符、汉字;由于单片机不论是运算能力、运行速 度还是内外部资源都明显比不上计算机，所以对于矢量图形的打标只能采用 较简单的插补算法，如逐点比较插补算法，要是使用复杂的算法， 则打标速 度及慢。 1 . 5 计算机和单片机混合控制的激光打标系统 可以发现，现有的控制系统都存在明显的缺限，我们决定设计一种将微 机控制和单片机控制相结合的混合控制模式激光打标系统， 其结构如图1 . 4 . 由于图形处理算法复杂，必须借助图形处理软件才能完成，因此决定将图形 处理和打标控制功能相分离，图形处理部分由 p c机完成，然后将生成的打 标图形文件传至单片机控制系统，由单片机来控制打标，打出相应图形。 对于复杂的插补控制算法，如时间分割插补法，如果在单片机控制系统 中来插补中间值坐标，再算出各个分量，因为计算涉及到数值微分和积分运 算，包括乘除法运算，在单片机中进行则速度非常慢，精度也很低。本系统 在计算机上提供了多种可选择的插补算法，分别是逐点比较插补、数字积分 硕士学位论文 ma s t e r s t ) i e s i s 插补d d a 、 时间分割插补等， 针对用户的要求和打标文件的格式， 不同的插补 算法就可将文件作不同的处理，再将处理后的文件传送到单片机控制器中。 这样单片机在控制打标时，速度快、精度高。 图1 . 4 混合控制的激光打标总体框图 通过与原有的p c机控制打标和仅由单片机控制打标相比较， 本文设计的 激光打标控制系统具有如下优点: 1 .实现了图形处理和打标控制功能的分离， 这样打标图样可由专人设计， 便于统一管理， 而且多个单片机控制器只须配备一台p c 机即可， 不像 原来每台打标机都要配备一台p c 机， 甚至一台普通的办公微机就可胜 任，成本大大降低。在将图形文件传送给单片机系统后，微机就可以 脱离单片机系统从事其他工作。 2 .有多种可选择的插补算法。 3 .体积小、重量轻。 4 .功耗低，抗干扰能力强。 5 .采用全按键操作，更加简便快捷。 硕士学位论文 6 1 a s t e r s i i i l s i s 1 .6 激光打标控制系统的参数及实现要点 激光打标控制系统项目的要求和参数如下: 1 . 打标文件格式有:a u t o c a d 矢量绘图文件格式p l t ; w i n d o w s 图形点阵 格式b m p , p c x . 2 . 单片机控制器能接收系统机传送的十个打标文件，并具有对这些文件 读出、写入、单个删除、全部删除等功能。 3 . 可在控制键盘上设定打标参数，如:打标比例、打标速度、空走速度、 滞后补偿、点阵打标设定、出光间距、扫描间距。 4 . 出光信号分为两种方式: ( a ) 连续电平方式:高电平出光，低电平不出光。 ( b ) 脉冲方式:一个脉冲出一次光。 5可在控制键盘上手动移动激光头。 6 . 具备单次打标、连续打标两种方式。 连续打标方式:单片机控制器在打完一个文件后一定时间，能够自动 地进行下一次打标，间隔时间由面板控制。 为完成这些系统要求和参数指标，软件上必须将图形、图象进行处理， 使处理后的打标文件在单片机控制器中占用尽可能少的存储空间。由于单片 机中的打标文件存储器容量有限，因此要考虑对存储器使用和打标文件的管 理，使有限的存储空间存放更多的打标文件，而且存取方便。对于p l t矢量 文件打标， 涉及到插补算法的选取，原则是根据打标时不同的精度和速度需 求选用相应的插补算法，这就要研究每一种插补算法，比较它们的实现难易 程度、执行时的速度、误差大小等。作为一个工业级的产品，设计的单片机 控制器必须在硬件和软件上多考虑抗干扰措施，从而提高系统工作的稳定性 和可靠性。 一一一 硕士学位论文 m a s t c r s i l l 巧1 s 1 . 7 1 . 7 _ 1 项目简介和论文组织 项目简介 激光打标控制系统是由武汉楚天激光集团、华中师范大学电子与计算机 研究所共同研制合作开发的一个项目。该系统主要是为了降低激光打标机的 价格，将计算机控制打标打标转换为单片机控制打标，同时也是为了满足市 场上不同的打标要求而开发的用计算机和单片机混合控制的激光打标控制系 统。 该系统主要是由上位机和下位机组成，上位机是计算机，下位机是单片 机控制器。上位机软件主要由打标文件输入和预处理模块、打标参数设置模 块、串口通讯模块组成。文件预处理是对输入的打标文件进行变换、计算， 使处理后的文件长度减小，并易于单片机控制打标，提高打标速度，其中， 文件包括p l t 矢量图形文件和b m p , p c x 点阵图象文件。 打标参数设置是让用 户输入打标参数或选择默认参数，然后将设置的参数同处理后的文件构成打 标文件。串口通讯模块是将打标文件传送到单片机控制器的数据存储器中， 在串口传输的过程中，使用了奇偶校验以及 2 5 6字节的校验和方式，以确保 单片机接收的数据正确。 单片机控制器由单片机和数据存储器、 键盘输入显示、 驱动电路等组成。 存储器由f l a s h m e m o r y 2 9 c o 4 0 和6 2 6 4 两部分组成， 用来存放打标文件、计 算的中间结果。 键盘输入和显示由8 2 7 9 完成，以接收用户输入的参数、控制 指令，显示相应的提示信息。单片机的主要功能是接收打标文件、控制打标、 管理打标文件。 其中， p l t 文件采用逐点比较直线插补算法， 为了提高打标精 度，我们对该算法进行了改进。b mpupi p c x文件采用类似打印机的双向点阵打 标。另外，由于使用大容量存储器来存储多个打标文件，因此采用了文件分 配表来管理存储器和打标文件，以提高存储器的利用率。为了让单片机控制 器能稳定可靠地长时间运行， 我们也采用了很多抗干扰技术， 如去祸电路、 “ 看 门狗” 、电源检测、 指令冗余等。由此可知， 系统的开发涉及到插补算法、图 象处理、通讯、单片机、抗干扰等多方面的技术，其中的图象预处理、打标 硕士学位论文 a l s f i r s t i i e s i s 算法是关键，它决定了打标的速度和精度。 在该项目中，本人参入了该系统的整体设计，完成了硬件的设计和大部 分调试，以及上位机软件、单片机控制打标算法、双机通讯等软件编写工作， 并在项目 验收后对系统作了进一步的改进和优化，如硬件和软件的抗干扰，