CN101412324B - 金属零件高速振镜式在线激光打码机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属零件高速振镜式在线激光打码机，包括远程控制器、主控单元和打码机，所述打码机为Nd:YAG激光器或光纤激光器打码机，所述远程控制器与主控单元信号连接，主控单元与打码机信号连接。本金属零件高速振镜式在线激光打码机通过激光与物质的作用，在物体表面形成清晰的编码或标记，并且能够方便快捷地对编码的内容进行制作、编排、输出和更改，进一步满足在线打码的需要。与其它的打码技术相比，激光打码无油墨，干净无污染，无耗材成本，维修费用低，系统误工时间短，而且激光打码技术的标记清晰、瞬时和永久。

Description

金属零件高速振镜式在线激光打码机

技术领域

本发明涉及产品包装编码与标志技术，激光加工设备与加工技术，具体涉及一种金属零件高速振镜式在线激光打码机。

背景技术

激光打码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。高能量的激光束聚焦在材料表面上，使材料迅速汽化，形成凹坑。随着激光束在材料表面有规律地移动同时控制激光的开断，激光束也就在材料表面熔蚀或蚀刻成了一个指定的图案。金属材料被熔蚀出几个微米以上的线条(宽度可以几微米到几十微米)后，线条的颜色及反光率与原来不一样，造成人眼目视反差效果，使人能敏感到这些线条，如条形码、数字、图案、商标等。烧蚀和蚀刻技术所产生的编码都是高质的、永久的、瞬时的。

在各种打码方式中，振镜式打码因其应用范围广，可进行矢量打码，也可以标记点阵字符，且标记范围可调，标记速度也较快，因而已成为目前打码方式的主流。

现有的激光打码机一般采用计算机来控制。采用步进电机控制振镜偏转，电压信号决定其偏转角度，-5V偏转到负方向最大，+5V偏转到正方向最大。-5V—+5V之间偏转角度与电压成正比，需采用模拟信号对其进行控制。计算机输出的是数字信号，所以采用数模卡将数字信号转换为模拟信号。目前常用数模卡的电压输出范围都有-5V—+5V，所以一般数模卡均能满足要求。但是数模卡有一定的输出精度，有8位、10位、12位及16位等，其输出信号精度直接影响到振镜的控制精度。

发明内容

本发明为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种节约成本、精度高、体积小的金属零件高速振镜式在线激光打码机。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：本金属零件高速振镜式在线激光打码机，其特征在于：包括远程控制器、主控单元和打码机，所述打码机为Nd:YAG激光器或光纤激光器打码机，所述远程控制器与主控单元信号连接，主控单元与打码机信号连接。

所述远程控制器包括ARM微处理器、LCD显示屏、矩阵键盘、DSPC口、RS232驱动模块、闪存FlashROM、存储器SRAM、存储器NVSRAM和外部总线扩展，ARM微处理器分别与LCD显示屏、矩阵键盘、DSPC口、RS232驱动模块连接，ARM微处理器通过总线分别与闪存FlashROM、存储器SRAM、存储器NVSRAM连接，总线与外部总线扩展连接。

所述主控单元包括DSP微处理器、X数模转换模块、Y数模转换模块、PWM驱动模块、控制I/O模块、HPI口、RS232驱动模块、闪存FlashROM、存储器SRAM、存储器NVSRAM和外部总线扩展，DSP微处理器分别与X数模转换模块、Y数模转换模块、PWM驱动模块、控制I/O模块、HPI口、RS232驱动模块连接，DSP微处理器通过总线分别与闪存FlashROM、存储器SRAM、存储器NVSRAM连接，总线与外部总线扩展连接。

所述DSPC口与HPI口通过HPIB接口连接。

所述打码机包括Nd:YAG激光器或光纤激光器、扩束镜、反射镜、X方向振镜驱动单元、X方向扫描振镜、Y方向扫描振镜、Y方向振镜驱动单元和平场聚光镜；激光器、扩束镜、反射镜、X方向扫描振镜、Y方向扫描振镜和平场聚光镜依照光路的传递路线依次排列，X方向振镜驱动单元与X方向扫描振镜信号连接，Y方向振镜驱动单元与Y方向扫描振镜信号连接。

所述Nd:YAG激光器或光纤激光器，波长1.06μm～1.090μm，激光器连接供电电源；供电电源采用大功率开光器件IGBT；激光器功率50—60W，声光调Q，形成1-20kHz激光脉冲输出，激光器的聚光腔采用陶瓷漫反射体全腔水冷方式，恒温冷却系统设置内循环水温为20-30℃±1℃，高温报警上限为35℃，流量为30L/min，制冷压缩机为1.5匹。

所述反射镜为两个。

所述主控单元与激光器、X方向振镜驱动单元、Y方向振镜驱动单元信号连接。

本金属零件高速振镜式在线激光打码机的工作原理如下：

由主控单元负责激光打码机的系统控制与协调工作。DSP微处理器通过X数模转换模块、Y数模转换模块将数字控制信号转换成-5V～+5V的模拟电压送入X方向振镜驱动单元、Y方向振镜驱动单元放大后驱动X方向扫描振镜和Y方向扫描振镜两个相互垂直方向的扫描振镜工作。PWM驱动模块对激光器进行功率调节以控制激光能量。远程控制器采用以ARM微处理器为核心的嵌入式系统，构成激光打码机的人机界面，负责激光打码机系统参数的设定，以及打码内容和格式等的输入，并与主控单元通信实现激光打码机的远程控制。

主控单元的核心是DSP微处理器，内核为一个32位的数字信号处理器，峰值指令执行速度达到150MIPS。主控单元其内集成32KW零等待周期的随机存储器SRAM、NVSRAM和256KW闪存FlashROM，其外围控制接口包括PWM驱动模块、控制I/O模块、外部总线扩展、HPI口、RS232驱动模块。控制I/O模块连接位置传感器、速度传感器、安全门开关等传感器信号，以实时监测生产线上产品的位置、运动速度等信息和控制生产线的运转，并反馈到DSP微处理器，DSP处理器针对这些数据信息作算法处理后，对打码机的X、Y方向扫描振镜偏转进行调节，X、Y方向扫描振镜将对激光束焦点进行高速振动。主控单元起着与远程控制器、扫描振镜和激光器之间的硬件接口的作用，主控单元使得激光控制和扫描系统的运动同步起来，并且完成图像的校正，保证其扫描字符没有枕形、桶形畸变，而且扫描的速度恒定不变。

打码物体可以是相对静止的，即静态打码；也可以是在线连续运动的，即动态打码。当在生产线上进行动态打码时，要考虑到产品的移动速度对编码形状产生的影响，这样主控单元就需要根据反馈回的生产流水线的传感信号计算出流水线上被加工工件由于运动所产生的位移偏差，对扫描振镜进行实时的修正来补偿这个位移和速度。PWM驱动模块对激光功率、能量进行调节，闪存Flash ROM、存储器SRAM和存储器NVSRAM扩展DSP微处理器的存储空间，用于保存控制参数和打码图样、数据等文件内容。通过HPI口可以实现DSP微处理器与远程控制器内ARM微处理器的通信，当远程控制器把打码机参数设定后或打码文件编辑后通过两者通信可以实现信息的传递。

远程控制器是一个以ARM微处理器为核心的嵌入式系统，构成了激光打码机的人机界面。ARM微控制器通过扩展LCD显示屏和矩阵键盘来完成用户操作交互输入输出。ARM微处理器与DSP微处理器的沟通接口是透过HPIB(Host Port Interface Bridge)接口来连接的，ARM微处理器与DSP微处理器的16位并行接口HPI口相连，可以直接高速访问DSP微处理器的内部存储空间，包括闪存Flash ROM、存储器SRAM和存储器NVSRAM，来完成ARM微处理器与DSP微处理器双核的双向通信，即ARM微处理器向主控单元传输打码文件和打码机系统参数修改等信息，主控单元把打码机在线运转状况反馈给ARM微控制器并在LCD显示屏显示出来以提醒用户，如当前打码的文件名，当前已完成打码的产品数量，当前生产线移动速度等，尤其重要的是当出现故障时，主控单元将对远程控制器通信以便及时产生报警信号通知用户。RS232驱动模块用于与台式机或手提PC相连进行数据上传或下载。闪存FlashROM、存储器SRAM和存储器NVSRAM用于扩展ARM微处理器的存储空间，保存控制参数和打码数据、图样等文件。外部总线扩展预留总线接口，为扩展USB接口和网络接口做准备。

本发明相对于现有技术具有如下的优点：近年来由于DSP技术发展迅速，打码机的振镜偏转的控制功能完全可以由DSP来完成，所以本发明采用了32位的DSP微处理器作为主控单元核心，对DSP微处理器进行软件程序的编写，经多次调试成功后把程序刷写到存储器中。借助DSP微处理器强大的数据运算和处理功能，把复杂的算法放到控制系统上完成，便于控制算法的优化和提高，系统的功能和性能也得到提高，解决了激光打码机运动控制过程中的高速信息问题。因DSP微处理器自带有数模转换功能(也就是X数模转换模块、Y数模转换模块)，所以无需采用数模卡，自带的D/A数模转换单元不仅精度高，转换速度快，而且因其集成于主控单元内部，不易受到其他信号的干扰。经过DSP微处理器算法处理后，X和Y两个方向扫描振镜偏转角度实现了精密控制。同时DSP微处理器还能对外部设备进行控制，如流水线上传感器的限位信号，速度信号，激光器信号和水温水位信号等，DSP通过软件编程来响应不同的外部信号，从而完成相应的控制操作。而且与传统的激光打码机相比，本发明用DSP主控系统嵌入式软件控制方式取代了PC机控制方式，节省了用PC机控制的成本，减小了整个打码机的体积，机器变得轻巧灵活，可以方便地拆装搬移，适应各种商品流水线。

本金属零件高速振镜式在线激光打码机通过激光与物质的作用，在物体表面形成清晰的编码或标记，并且能够方便快捷地对编码的内容进行制作、编排、输出和更改，进一步满足在线打码的需要。与其它的打码技术相比，激光打码无油墨，干净无污染，无耗材成本，维修费用低，系统误工时间短，而且激光打码技术的标记清晰、瞬时和永久。

激光器采用半导体泵浦的Nd:YAG激光器，配备水冷装置，电光转换效率高，光束质量好，维修少，环境污染小。采用DSP微处理器为核心的主控单元来控制激光器单元，同时DSP微处理器还通过精确的算法处理来调节X、Y方向扫描振镜的偏转以实现在线打码位置的精确性。光点的移动通过X、Y方向扫描振镜的转动来实现，打标速度可以提高到3084mm/s，每分钟可以完成30～40个生产日期的打码，打标精度达到0.1mm，分辨率达到0.1mm。标记内容可以多样化，标记内容的制作可以智能化。基于ARM微处理器的嵌入式远程控制器可以完成编码文件内容的编辑、修改和保存，以及打码时激光参数的设定等工作。通过ARM微处理器与主控单元的双向通信可以完全实现激光打码机的人机交互，极大的方便了激光打码工作人员的操作。系统采用ARM微处理器+DSP微处理器的控制模式，无须运用PC机，节约激光打码机控制系统成本的同时，系统具有良好的可扩展性、灵活性、稳定性、实时性和低功耗性的特点，而且满足尺寸小、重量轻、性能高、结构紧凑等要求。本发明适用于许多行业产品的生产包装线上，并能极大地提高生产线上商品在线打码的效率，具有广泛的应用发展前景。

附图说明

图1是本发明的金属零件高速振镜式在线激光打码机的结构总框图。

图2是图1的主控单元的结构框图。

图3是图1的远程控制器的结构框图。

图4是图2的主控单元与图3的远程控制器的连接框图。

图5是图1的金属零件高速振镜式在线激光打码机的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示的金属零件高速振镜式在线激光打码机，包括远程控制器、主控单元和打码机，所述打码机为Nd:YAG激光器或光纤激光器打码机，所述远程控制器与主控单元信号连接，主控单元与打码机信号连接。

如图3所示，所述远程控制器包括ARM微处理器、LCD显示屏、矩阵键盘、DSPC口、RS232驱动模块、闪存FlashROM、存储器SRAM、存储器NVSRAM和外部总线扩展，ARM微处理器分别与LCD显示屏、矩阵键盘、DSPC口、RS232驱动模块连接，ARM微处理器通过总线分别与闪存FlashROM、存储器SRAM、存储器NVSRAM连接，总线与外部总线扩展连接。

如图2所示，所述主控单元包括DSP微处理器、X数模转换模块、Y数模转换模块、PWM驱动模块、控制I/O模块、HPI口、RS232驱动模块、闪存FlashROM、存储器SRAM、存储器NVSRAM和外部总线扩展，DSP微处理器分别与X数模转换模块、Y数模转换模块、PWM驱动模块、控制I/O模块、HPI口、RS232驱动模块连接，DSP微处理器通过总线分别与闪存FlashROM、存储器SRAM、存储器NVSRAM连接，总线与外部总线扩展连接。

如图4所示，所述DSPC口与HPI口通过HPIB接口连接。

如图5所示，所述打码机包括Nd:YAG激光器1或光纤激光器1、扩束镜2、两个反射镜3、X方向振镜驱动单元4、X方向扫描振镜5、Y方向扫描振镜6、Y方向振镜驱动单元7和平场聚光镜8，图中9为工件；激光器1、扩束镜2、反射镜3、X方向扫描振镜5、Y方向扫描振镜6和平场聚光镜8依照光路的传递路线依次排列，X方向振镜驱动单元4与X方向扫描振镜5信号连接，Y方向振镜驱动单元7与Y方向扫描振镜6信号连接。

激光器采用半导体泵浦的Nd:YAG连续激光器1或光纤激光器1，激光器连接供电电源，供电电源采用大功率开光器件IGBT。激光功率50—60W(连续)，激光波长1064nm；声光调Q，形成1-20kHz激光脉冲输出；恒温冷却系统设置内循环水温为20-30℃±1℃，激光器的聚光腔采用陶瓷漫反射体全腔水冷方式，高温报警上限为35℃，流量为30L/min，制冷压缩机为1.5匹；扫描振镜X轴和Y轴各一个，与之配套X方向振镜驱动单元4、Y方向振镜驱动单元7。

所述主控单元与激光器1、X方向振镜驱动单元4、Y方向振镜驱动单元7信号连接。

本金属零件高速振镜式在线激光打码机的工作原理如下：

由主控单元负责激光打码机的系统控制与协调工作。DSP微处理器通过X数模转换模块、Y数模转换模块将数字控制信号转换成-5V～+5V的模拟电压送入X方向振镜驱动单元4、Y方向振镜驱动单元7放大后驱动X方向扫描振镜5和Y方向扫描振镜6两个相互垂直方向的扫描振镜工作。PWM驱动模块对激光器1进行功率调节以控制激光能量。远程控制器采用以ARM微处理器为核心的嵌入式系统，构成激光打码机的人机界面，负责激光打码机系统参数的设定，以及打码内容和格式等的输入，并与主控单元通信实现激光打码机的远程控制。

主控单元的核心是DSP微处理器，内核为一个32位的数字信号处理器，峰值指令执行速度达到150MIPS。主控单元其内集成32KW零等待周期的随机存储器SRAM、NVSRAM和256KW闪存FlashROM，其外围控制接口包括PWM驱动模块、控制I/O模块、外部总线扩展、HPI口、RS232驱动模块。控制I/O模块连接位置传感器、速度传感器、安全门开关等传感器信号，以实时监测生产线上产品的位置、运动速度等信息和控制生产线的运转，并反馈到DSP微处理器，DSP处理器针对这些数据信息作算法处理后，对打码机的X方向扫描振镜5、Y方向扫描振镜6偏转进行调节，X方向扫描振镜5、Y方向扫描振镜6将对激光束焦点进行高速振动。主控单元起着与远程控制器、扫描振镜和激光器之间的硬件接口的作用，主控单元使得激光控制和扫描系统的运动同步起来，并且完成图像的校正，保证其扫描字符没有枕形、桶形畸变，而且扫描的速度恒定不变。

打码物体可以是相对静止的，即静态打码；也可以是在线连续运动的，即动态打码。当在生产线上进行动态打码时，要考虑到产品的移动速度对编码形状产生的影响，这样主控单元就需要根据反馈回的生产流水线的传感信号计算出流水线上被加工工件9由于运动所产生的位移偏差，对扫描振镜进行实时的修正来补偿这个位移和速度。PWM驱动模块对激光功率、能量进行调节，闪存Flash ROM、存储器SRAM和存储器NVSRAM扩展DSP微处理器的存储空间，用于保存控制参数和打码图样、数据等文件内容。通过HPI口可以实现DSP微处理器与远程控制器内ARM微处理器的通信，当远程控制器把打码机参数设定后或打码文件编辑后通过两者通信可以实现信息的传递。

远程控制器是一个以ARM微处理器为核心的嵌入式系统，构成了激光打码机的人机界面。ARM微控制器通过扩展LCD显示屏和矩阵键盘来完成用户操作交互输入输出。ARM微处理器与DSP微处理器的沟通接口是透过HPIB(Host Port Interface Bridge)接口来连接的，ARM微处理器与DSP微处理器的16位并行接口HPI口相连，可以直接高速访问DSP微处理器的内部存储空间，包括闪存Flash ROM、存储器SRAM和存储器NVSRAM，来完成ARM微处理器与DSP微处理器双核的双向通信，即ARM微处理器向主控单元传输打码文件和打码机系统参数修改等信息，主控单元把打码机在线运转状况反馈给ARM微控制器并在LCD显示屏显示出来以提醒用户，如当前打码的文件名，当前已完成打码的产品数量，当前生产线移动速度等，尤其重要的是当出现故障时，主控单元将对远程控制器通信以便及时产生报警信号通知用户。RS232驱动模块用于与台式机或手提PC相连进行数据上传或下载。闪存FlashROM、存储器SRAM和存储器NVSRAM用于扩展ARM微处理器的存储空间，保存控制参数和打码数据、图样等文件。外部总线扩展预留总线接口，为扩展USB接口和网络接口做准备。

激光器1输出的激光依次经过X方向扫描振镜5、Y方向扫描振镜6、平场聚焦镜8会聚到生产线的工件9表面上，通过控制X方向扫描振镜5、Y方向扫描振镜6的转动可以控制激光束在材料表面的X轴方向(平行于生产线方向)和Y轴方向(垂直于生产线方向)上任意移动。而不管X方向扫描振镜5、Y方向扫描振镜6的角度是多少，平场聚焦镜8总能把准直激光束聚焦到同一个平面，从而打出相应的标记。通过使用振镜扫描系统，避免了工具的机械磨损，能够在工件9上为激光束快速而精确地定位，因而具备很高的动态范围、处理速度及灵活性，实现高速打标。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明的权利要求进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.金属零件高速振镜式在线激光打码机，其特征在于：包括远程控制器、主控单元和打码机，所述打码机为Nd:YAG激光器或光纤激光器打码机，所述远程控制器与主控单元信号连接，主控单元与打码机信号连接；

所述远程控制器包括ARM微处理器、LCD显示屏、矩阵键盘、DSPC口、RS232驱动模块、闪存FlashROM、存储器SRAM、存储器NVSRAM和外部总线扩展，ARM微处理器分别与LCD显示屏、矩阵键盘、DSPC口、RS232驱动模块连接，ARM微处理器通过总线分别与闪存FlashROM、存储器SRAM、存储器NVSRAM连接，总线与外部总线扩展连接；

所述主控单元包括DSP微处理器、X数模转换模块、Y数模转换模块、PWM驱动模块、控制I/O模块、HPI口、RS232驱动模块、闪存FlashROM、存储器SRAM、存储器NVSRAM和外部总线扩展，DSP微处理器分别与X数模转换模块、Y数模转换模块、PWM驱动模块、控制I/O模块、HPI口、RS232驱动模块连接，DSP微处理器通过总线分别与闪存FlashROM、存储器SRAM、存储器NVSRAM连接，总线与外部总线扩展连接；

所述DSPC口与HPI口通过HPIB接口连接。

2.根据权利要求1所述的金属零件高速振镜式在线激光打码机，其特征在于：所述打码机包括Nd:YAG激光器或光纤激光器、扩束镜、反射镜、X方向振镜驱动单元、X方向扫描振镜、Y方向扫描振镜、Y方向振镜驱动单元和平场聚光镜；激光器、扩束镜、反射镜、X方向扫描振镜、Y方向扫描振镜和平场聚光镜依照光路的传递路线依次排列，X方向振镜驱动单元与X方向扫描振镜信号连接，Y方向振镜驱动单元与Y方向扫描振镜信号连接。

3.根据权利要求2所述的金属零件高速振镜式在线激光打码机，其特征在于：所述Nd:YAG激光器或光纤激光器，波长1.06μm～1.090μm， 激光器连接供电电源；供电电源采用大功率开光器件IGBT；激光器功率50-60W，声光调Q，形成1-20kHz激光脉冲输出，激光器的聚光腔采用陶瓷漫反射体全腔水冷方式，恒温冷却系统设置内循环水温为20-30℃±1℃，高温报警上限为35℃，流量为30L/min，制冷压缩机为1.5匹。

4.根据权利要求2所述的金属零件高速振镜式在线激光打码机，其特征在于：所述反射镜为两个。

5.根据权利要求2所述的金属零件高速振镜式在线激光打码机，其特征在于：所述主控单元与激光器、X方向振镜驱动单元、Y方向振镜驱动单元信号连接。 

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