激光刻字机的微机控制系统.doc

1993年第11誊弟3期 长春邮电学院学报 199S v0I11 No3JOURNAL OF CHANGCHUN POST AND TELECOM MUNICATION LNSTITUTE)2之 激光刻字机的微机控制系统堂量唑：【长春师范学院款学呆长眷130032)摘要提出了一种应用激光技术在金属钻头柄部刻印商标型号的设计方案详细介绍了单片机控制系统的硬悼电路及软件编程，并做了模拟实验实验结果表明：谈方案设计台理控1 概述 莲 ；榔激光加工是激光技术应用最早的领域之一。利用激光高功率、高密度的特点，可以对玻璃、陶瓷、金属合金及钻石等硬质材料加工，也可以对塑料、橡胶等软质材料进行加工。与传统的机械加工技术相比较，激光加工技术具有加工速度快、热变形小的特点，尤其适合于高熔点、高硬度的脆性材料和复合材料，并易于与电子技术相结台，实现自动化 本文论述的激光刻字机，是为在硬质台金材料的钻头柄部打标记而研究设计的。该刻字机利用了现代的计算机控制技术，实现了产品加工的自动化和程控化，特别对于序列号和标记需要经常变化的产品，更显示出它的优越性。本文重点讨论了单片机控制系统的组成、硬件电路及软件编程。2 激光刻字机的组成图1给出了激光刻字机的基本组成框图。收* 日期1993 02 20 -男1945年生讲师22围l 激光刺字机的结构框图图l中激光器的型号为ND：YAG激光器，激光电源采用脉冲式激光电源，瞄准系统和聚焦系统应该协调同步。当瞄准系统瞄准刻字位置时，聚焦系统也应该同时聚焦到同一位置。精密工作台上安装两台步进电机，一台步进电机带动工作台沿水平方向左右移动另一台步进电机夹持着待刻字的钻头完成360 的转动，实际上钻头的运动是平动与转动两个运动的合成。激光控制系统的作用是协调各部分的相互关系，精确地控制工作台的移动和工件的转动量，控制激光电源的脉冲触发电路，使ND：YAG激光器发出脉冲激光，在工件上打点刻字。激光刻字机的基本操作步骤是按照要刻划的字或图案，将聚焦的激光光束射向工件表面的指定位置。当照射到工件表面的激光功率密度超过l0 10Wcmz时，就能使工件表面材料熔化，在该处形成凹陷的一个“坑点”。按照字划顺序移动激光柬或移动工件，可连续打出许多类似的“坑点”，这样连接起来就能把字或图案刻划在工件表面上。这些字或者图案的每一划都是由许多紧密排列的点组成的。3 单片机控制系统的硬件电路设计整个单片机控制系统的硬件部分(见图2)由主控制器、键盘显示控制电路、步进电机驱动电路及激光电源脉冲触发电路四部分组成。31 主控制器在该系统中，利用8031单片机作为主控制器，扩展了一片2764芯片作为程序存储器I扩展了一片6264芯片作为数据存储器。由于MCS一5l单片机的数据线和地址线是复用的，为了将它们分离开，在单片机外部增加了373芯片作为地址锁存器。扩展后的单片机系统，具有8k字节的程序存储能力和8k字节的数据存储能力。23 32 键盘与显示圈2 剖字机单片机控制系统硬件框圈键盘与显示选用了INTEL公司生产的8279芯片。8279芯片是一种通用的可编程的键盘、显示接口部件，单个芯片能完成键盘输入和LED显示控制两种功能。使用8279芯片的优点在于CPU不必再扫描键盘或则新显示器，它的工作可由程序设定。在本系统中，钻头刻字的内容一般为数字与字母两部分，字母表示钻头的型号、材料性质等，数字表示该钻头的直径钻头的规格在 003000 mm之间。它分两行捌印，采用六个LED显示块。在显示方式中，段选线通过驱动器由OUTB。OUTB ，OUTA。OUTA 提供，位选线由SL。s 提供。在键盘工作方式中，规定扫描线SL。sL：为列线，回复线RL。R 为行线，键盘设置24个键。33 步进电机的驱动步进电机是将电脉；中信号变换成角位移(或线位移)的一种机电式数模转换器步进电机能接受步进脉冲的控制，一步一步地旋转。其运行速度取决于步进咏；中的频率；改变各相通电方式，可以改变电机运行方式；步进电机每转一圈后，累积误差为零。系 24统中的两台步进电机分别控制工作台的水平移动和工件的转动。由于步进电机功率驱动电路工作在较大脉冲电流状态，因此在电路连接上采用光电耦合器将单片机系统和驱动电源隔离开-这样可避免单片机与步进电机功率回路的其他干扰。34 脉冲激光电源的出光控制脉j巾激光电源的出光控制， 由8031单片机的P 完成。4 刻字机的系统软件设计激光刻字机微机控制系统的控制软件，包括主控程序、步进电机驱动程序、显示程序、数据处理程序、键盘管理程序、字库及刻字程序等。控制软件的总体框图如图3所示。41 字库的建立囝3 系统鞍件的总体结掏如何控制步进电机走步、刻划出所需的字形是该题目的关键。根据打印机打字的原理，对于步进电机设计了这样的工作方式：让带动工件转动的步进电机D 始终正转，转到该打点的位置停下，打完点再转(根据步进电机旋转一厨的积累误差为零的特点，这样做可减小误差)让带动工作台水平移动的步进电机D：也一直正转，每当步进电机D转一周停下时，步进电机D：就正转一定的步数，工作台也就随之向前移动一定的距离。(在刻字过程中始终是这样交替运行，可消除丝杆上的机械间隙误差)直至刻字结束时，步进电机Dt才开始反转，使工作台退回原位采用这种工作方式，必须建立字库。建立字库，首先根据国家标准，选择要刻的字的标准字体。比如选用字高30mm，字宽2Omm，字粗04ram的字，往西5Omm的钻头上刻字。由于一个字由很多点组成，因此在坐标纸上可找出组成任意字的点的 ， 坐标，由于字粗为04ram，所以要求激光点组成的半径最大不能超过020ram， 的增加量至少是0Omm，这就是说步进电机D：带动工作台每次往前移动的距离是01mm若丝杆螺距为10mm，则步进电机25 (-相六拍的步进电机)转一厨需360 15。=240步，所以步进电机D 每走一步相当于工作台往前移动11240=0004 17mm，即需要走24步才能使工作台往前移动01mm对于 5Omm 的钻头，步进电机每转一步的弧长约为0065 45ram，据此可以把任意数字的坐标换算成步进电机所走的步数。从而得剥任何一个要刻的字或图形的字库。42 割字程序建立的字库部存放在程序存储器中。执行刻字程序就是把字库的数据一个个从刻字缓冲区中取出来，然后驱动步进电机D】走步；副该打激光点时，调激光电源的触发日(j巾子程序；当一个字的一行结束后执行程序，在数据库中遇到“00”时，转向字间隔处理子程序，使字与字之间留有一定的宽度；当， 个字的一行全结束时，程 。I 在数姑字库中碰到标志“FF”，步进电机D。便返回到起始位置。之后，看是否前下一，。要打印，若没有，步进电机D 就倒转返回到原位；若有，步进电机D：则往前走到换行的间隔距离， 程序再进入调字库程序。执行刻字的程序框图如图4所示。 26 囝4 执行刻字程序流程图5 实验结果及结论模拟实验结果证明，本系统从方案设计到程序运行都具有一定的可靠性。由于系统中使用了MCS一51单片机因此对钻头的整个刻字过程实现了程控化处理。只要改变字库的内容，就能剡出不同的字或图案，这样就省去了用机械模具印制、改变模具型号的生产工序，从而提高了效益。另外它的控制软件具有通用性，不仅仅局限于对钻头的刻字，在其他非平面或平面上刻字， 只要稍加修改即可应用。参考文献1 刘忠达激光应用与安全防护 沈阳：辽宁科技出版杜，19852 郧定明单片机应用技术北京：R邮电出版社，19,883 何立民单片机应用系统设计北京航空航天大学出版社。1990M icrocomputer control system of laser stampZhang Xingvie(Depl， ol M t】l_ Changchun TeaeJ)ers College Ch rhu月，China 130032)A BSrRACrA design plan of stamping brand and type number on metadrillbit handle byapplied laser technique is given in this paper The hardware circuitry andsoftware programming of the microcomputer control system is stated in detai