新型激光打標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

郁亞峰

（西南大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院,重慶 400715）

近年來(lái)，隨著激光器的可靠性和實(shí)用性的提高，加上計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和光學(xué)器件的改進(jìn)，激光打標(biāo)技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。然而現(xiàn)在市面上的激光打標(biāo)機(jī)中存在著如下的缺陷：①未能夠以任意字為起點(diǎn)進(jìn)行打??；②未能對(duì)打印進(jìn)行實(shí)時(shí)精確跟蹤；③未能進(jìn)行斷點(diǎn)打?。虎芪茨茉诠收闲迯?fù)后繼續(xù)打印。而就現(xiàn)有激光打標(biāo)機(jī)中存在的這些問(wèn)題使得打標(biāo)機(jī)的實(shí)用性、可靠性和安全性都有所欠缺，在一定程度上對(duì)使用者造成了極大的困擾和不便，同時(shí)也不能滿足多層次用戶的不同需求。本文設(shè)計(jì)了一種新型激光打標(biāo)系統(tǒng)，新增斷點(diǎn)打印、任意點(diǎn)開(kāi)始、曲面打印、故障修復(fù)繼續(xù)打印等個(gè)性化功能，可以滿足不同層次用戶的需求，而且更加個(gè)性化，更穩(wěn)定、安全、方便。

新型激光打標(biāo)系統(tǒng)原理是上位機(jī)發(fā)送命令到通信單片機(jī)，通信單片機(jī)再采集測(cè)距傳感器和控制單片機(jī)反饋的信息整合后產(chǎn)生控制信號(hào)，由雙端FIFO存儲(chǔ)器傳送到控制單片機(jī)控制打標(biāo)機(jī)進(jìn)行打??；同時(shí)，控制單片機(jī)能采集位置傳感器數(shù)據(jù)將當(dāng)前的工作數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地反饋到通信單片機(jī)，再?gòu)耐ㄐ艈纹瑱C(jī)傳到上位機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤檢測(cè)；控制單片機(jī)采集處理外部故障傳感器的數(shù)據(jù)，判斷是否出現(xiàn)故障，如果出現(xiàn)故障則Flash存儲(chǔ)器自動(dòng)掉電并自動(dòng)保存當(dāng)前的針頭位置，打標(biāo)機(jī)暫停工作，在下次工作時(shí)就能實(shí)現(xiàn)故障修復(fù)繼續(xù)打印。利用工作原理，使論文相對(duì)于普通激光打標(biāo)機(jī)，具有斷點(diǎn)打印、實(shí)時(shí)跟蹤、任意點(diǎn)開(kāi)始、曲面打印、故障修復(fù)繼續(xù)打印的功能。

該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

①功能方面，由于添加了斷點(diǎn)打印、任意點(diǎn)開(kāi)始、曲面打印的功能，用戶能夠根據(jù)打印的環(huán)境選擇平面還是曲面打印或者設(shè)置從任意點(diǎn)開(kāi)始打印，更加人性化。

②在結(jié)構(gòu)方面，用戶可以通過(guò)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)命令的下達(dá)，人機(jī)交互更加友好，更容易使用。USB2.0速度可以達(dá)每秒480M/s，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳及下傳。

③實(shí)時(shí)跟蹤功能，能夠?qū)崟r(shí)查看打印是否正確和打印的進(jìn)度；故障修復(fù)繼續(xù)打印功能，外部傳感器檢測(cè)遇到故障時(shí)打標(biāo)機(jī)能自動(dòng)暫停，故障排除后，上電能夠繼續(xù)打印使得打標(biāo)機(jī)更安全、穩(wěn)定、可靠。

④打標(biāo)機(jī)采用原裝光驅(qū)機(jī)芯結(jié)構(gòu)，精度高，運(yùn)行穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)。激光打標(biāo)通過(guò)激光灼燒表面，留下痕跡實(shí)現(xiàn)雕刻，應(yīng)用范圍更廣，幾乎可以用于各種材料的雕刻，同時(shí)，精度更高，工作過(guò)程更安全，使用壽命更長(zhǎng)。

1 新型激光打標(biāo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，該打標(biāo)系統(tǒng)由上位機(jī)命令模塊、信息采集和處理模塊、控制模塊以及打標(biāo)模塊組成。其中信息采集和處理模塊由USB接口芯片、通信單片機(jī)、雙端FIFO存儲(chǔ)器、測(cè)距傳感器、位置傳感器、外部故障傳感器組成；控制模塊由控制單片機(jī)、Flash存儲(chǔ)器組成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 上位機(jī)

主要用于用戶從電腦上的交互界面上進(jìn)行工作模式的設(shè)置和命令的下達(dá)，包括對(duì)初始點(diǎn)的設(shè)置、是否進(jìn)行曲面打印、開(kāi)始、暫停和繼續(xù)等等。電腦通過(guò)USB接口、通信單片機(jī)連接到控制單片機(jī)和打標(biāo)機(jī)，從而完成控制。同時(shí)，每一命令進(jìn)行編號(hào)，命令一旦下達(dá)便按照該編號(hào)將打印的軌跡和位置顯示在上位機(jī)上，完成實(shí)時(shí)跟蹤軌跡。

1.2 USB接口芯片

采用Cypress EZ-USB。USB2.0速度可以達(dá)每秒480M/s，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳及下傳。

1.3 通信單片機(jī)

主要用于數(shù)據(jù)和命令的上傳和下達(dá)，以及采集測(cè)距傳感器的數(shù)據(jù)。首先，上位機(jī)的數(shù)據(jù)和命令要由通信單片機(jī)通過(guò)雙端FIFO存儲(chǔ)器下達(dá)到控制單片機(jī)完成打印。其次，打標(biāo)機(jī)打印的數(shù)據(jù)和具體位置由控制單片機(jī)實(shí)時(shí)地反饋到通信單片機(jī)，從而傳到上位機(jī)。當(dāng)外部傳感器檢測(cè)到故障時(shí)，如果是機(jī)械故障，由打印控制處理器記錄故障發(fā)生時(shí)的針頭運(yùn)行軌跡來(lái)提供排除故障所需的信號(hào)，若無(wú)法自動(dòng)檢測(cè)和排除故障，打標(biāo)系統(tǒng)暫停工作，通過(guò)掉電保護(hù)功能的flash芯片把當(dāng)前針頭的位置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在flash存儲(chǔ)器中，而在重新上電后，此前打印斷點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)從flash存儲(chǔ)器中取到控制單片機(jī)中，再由通信單片機(jī)上傳到上位機(jī)中，由上位機(jī)發(fā)出命令，從而實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)處繼續(xù)打印。最后，當(dāng)實(shí)現(xiàn)曲面打印時(shí)，測(cè)距傳感器將當(dāng)前針頭與曲面的距離傳到通信單片機(jī)中與標(biāo)準(zhǔn)打標(biāo)距離進(jìn)行比較，來(lái)判斷針頭上升或者下降，當(dāng)當(dāng)前距離達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)距離時(shí)進(jìn)行打印，然后進(jìn)行下一個(gè)點(diǎn)的打印。從而實(shí)現(xiàn)曲面打印。

所述通信單片機(jī)，選用Cortex-M0單片機(jī)，它相比51單片機(jī)，是一款更高效、更低功耗、性價(jià)比更高的32位單片機(jī)。它的缺點(diǎn)是I/O口不多，但是作為通信單片機(jī)恰巧不需要那么多的I/O口，它的通信功能也足夠達(dá)到要求，可以說(shuō)物盡其用。

1.4 測(cè)距傳感器

主要用于曲面打印時(shí)，采集針頭與打印面之間的距離。該傳感器采用距采用UMT30-1300 A-IUD-L5貝特威超聲波傳感器進(jìn)行距離檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)針頭與打印面的距離使針頭上下移動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)曲面打印。能在-25～+70℃的溫度，直流12～30V的電壓下工作，檢測(cè)距離達(dá)到200～1300mm，分辨率達(dá)到1mm，精度比較高。

1.5 雙端FIFO存儲(chǔ)器

主要用于連接通信單片機(jī)和控制單片機(jī)，為通信單片機(jī)下達(dá)命令到控制單片機(jī)開(kāi)辟一條專用的通道，區(qū)別控制單片機(jī)上傳數(shù)據(jù)到通信單片機(jī)，使得二者相互通信的效率更高。該存儲(chǔ)器采用IDT7132雙端口RAM芯片，邏輯簡(jiǎn)潔明了，并且訪問(wèn)效率非常高，而且雙端口RAM不容易發(fā)生沖突，可靠性也很高，足夠滿足控制要求，同時(shí)，價(jià)格也便宜。

1.6 控制單片機(jī)

主要控制打標(biāo)機(jī)針頭的前后、上下、左右的三維移動(dòng)以及激光筆是否工作以及工作時(shí)間。它接收通信單片機(jī)通過(guò)雙端FIFO存儲(chǔ)器下達(dá)的指令，直接控制打標(biāo)機(jī)打印，并將針頭的位置數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳。同時(shí)，采集外部傳感器的數(shù)據(jù)，通過(guò)進(jìn)行故障的實(shí)時(shí)檢測(cè)并記錄故障發(fā)生時(shí)的針頭運(yùn)行軌跡來(lái)提供排除故障所需的信號(hào)，在故障無(wú)法排除時(shí)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到flash存儲(chǔ)器中，為故障排除后的斷點(diǎn)繼續(xù)打印提供起點(diǎn)。

所述控制單片機(jī)，選用STC11f32微控制器，它是增強(qiáng)型8051內(nèi)核，速度比普通8051快8到12倍，采用低功耗設(shè)計(jì)，功耗低。芯片內(nèi)EEPROM功能；它有2個(gè)16位定時(shí)器，1個(gè)獨(dú)立波特率發(fā)生器，一個(gè)獨(dú)立的通用全雙工異步串行口。在滿足控制要求的同時(shí)價(jià)格也低廉。

1.7 外部故障傳感器

圖2 新型激光打標(biāo)系統(tǒng)軟件流程圖

通過(guò)捕捉打標(biāo)機(jī)工作時(shí)的振動(dòng)情況判斷打標(biāo)機(jī)是否出現(xiàn)故障。擬采用MPU6050傳感器進(jìn)行故障檢測(cè)。MPU-6000（6050）的角速度全格感測(cè)范圍為±250、±500、±1000與±2000°/sec（dps），可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動(dòng)作，并且，用戶可程式控制的加速器全格感測(cè)范圍為±2g、±4g±8g與±16g。它的優(yōu)點(diǎn)在于：體積小，重量輕，價(jià)格低，完全能夠達(dá)到本系統(tǒng)的功能要求。

1.8 打標(biāo)機(jī)

采用原裝光驅(qū)機(jī)芯結(jié)構(gòu)，精度高，運(yùn)行穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)。通過(guò)激光灼燒表面，留下痕跡實(shí)現(xiàn)雕刻，應(yīng)用范圍更廣，幾乎可以用于各種材料的雕刻，同時(shí)，精度更高，工作過(guò)程更安全，使用壽命更長(zhǎng)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要是包括通信單片機(jī)信息采集處理環(huán)節(jié)和控制單片機(jī)控制環(huán)節(jié)，整個(gè)軟件控制流程圖如圖2所示：

新型激光打標(biāo)系統(tǒng)，在上電，和電腦連接并成功驅(qū)動(dòng)后，打開(kāi)上位機(jī)，在界面中首先選擇工作模式是平面打印還是曲面打印。其次，設(shè)置打印起點(diǎn)，X軸坐標(biāo)和Y軸坐標(biāo)。然后，再傳入要打印的圖案。最后，點(diǎn)擊“開(kāi)始”。打標(biāo)系統(tǒng)即開(kāi)始工作，同時(shí)，打標(biāo)機(jī)右側(cè)的圖形窗口開(kāi)始對(duì)針頭打印的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，判斷是否能夠自動(dòng)排除故障，如果不能，系統(tǒng)立即斷電，并記錄斷點(diǎn)，同時(shí)上位機(jī)上的跟蹤窗口也實(shí)時(shí)顯示針頭暫停運(yùn)動(dòng)。當(dāng)排除故障后，上電，并且點(diǎn)擊“開(kāi)始”，系統(tǒng)則自動(dòng)從斷點(diǎn)處開(kāi)始繼續(xù)打印，上位機(jī)跟蹤窗口進(jìn)行更新，針頭繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。

在打印過(guò)程中，可以點(diǎn)擊“暫?！?，暫停打印，此時(shí)斷點(diǎn)位置也存儲(chǔ)到flash存儲(chǔ)器中，再點(diǎn)擊“開(kāi)始”，則斷點(diǎn)繼續(xù)打印。也可以點(diǎn)擊“停止”，終止此次打印。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的打標(biāo)系統(tǒng)是一種相對(duì)目前市場(chǎng)更加穩(wěn)定、更加可靠、更加個(gè)性化的新型激光打標(biāo)系統(tǒng)，新增斷點(diǎn)打印，任意點(diǎn)開(kāi)始，故障修復(fù)繼續(xù)打印、曲面打印、實(shí)時(shí)跟蹤等個(gè)性化功能，該系統(tǒng)不僅可以滿足不同層次用戶的需求，而且更加人性化，更穩(wěn)定、更安全、更方便。同時(shí)該打標(biāo)系統(tǒng)是小型家用型打標(biāo)系統(tǒng)，而且成本比較低，具有很高的實(shí)用性和市場(chǎng)價(jià)值。

［1］杜二寶，于連棟.新型坐標(biāo)測(cè)量機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及數(shù)學(xué)模型［J］.現(xiàn)代顯示，2011（5）：124.

［2］常毅，譚寧，基于單片機(jī)的激光打標(biāo)系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2007，24（1）：43-46.

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