CN106994561B - 一种动态旋转打标控制系统和控制方法 - Google Patents

一种动态旋转打标控制系统和控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光加工技术领域，公开了一种动态旋转打标控制系统，该控制系统包括上位机将控制信息传输给运动控制卡；运动控制卡根据所述控制信息，将运动信号输出给振镜组件和旋转轴；运动控制卡还将控制信号输出给光纤激光器，控制其出光和关光；光纤激光器根据所述控制信号发出激光，并将所述激光输出给振镜组件；振镜组件根据所述运动信号，控制其采用的反射镜片的旋转；还将接收到的激光通过聚焦镜头作用在工件上；旋转轴根据所述运动信号，控制工件的旋转，从而实现激光对工件进行圆周打标。本发明能够实现激光打标与旋转轴同时工作，从而解决现有旋转打标效率低下和打标效果不理想的问题。

Description

一种动态旋转打标控制系统和控制方法
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，更具体的说，特别涉及一种动态旋转打标控制系统和控制方法。
背景技术
市场上旋转打标控制系统的普遍做法是激光打标与旋转轴旋转不同时工作，即激光打标时旋转轴是停止的，或者旋转轴运动时激光不打标，这称之为静止旋转打标。由此带来两大缺陷包括：1、因为图形多次被分割而造成的旋转打标效率低下；2、因为本质上存在偏焦及图形拼接造成的打标效果不理想。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提供一种动态旋转打标控制系统和控制方法，能够实现激光打标与旋转轴同时工作，从而解决现有旋转打标效率低下和打标效果不理想的问题。
为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：
一种动态旋转打标控制系统，该控制系统包括：
上位机将控制信息传输给运动控制卡；
运动控制卡根据所述控制信息，将运动信号输出给振镜组件和旋转轴；运动控制卡还将控制信号输出给光纤激光器，控制其出光和关光；
光纤激光器根据所述控制信号发出激光，并将所述激光输出给振镜组件；
振镜组件根据所述运动信号，控制其采用的反射镜片的旋转；还将接收到的激光通过聚焦镜头作用在工件上；
旋转轴根据所述运动信号，控制工件的旋转，从而实现激光对工件进行圆周打标。
所述旋转轴包括伺服电机、安装座、联轴器与三爪卡盘，其中伺服电机和三爪卡盘安装在安装座上，伺服电机通过联轴器与三爪卡盘相连，三爪卡盘用于夹持工件。
一种动态旋转打标控制方法，所述控制方法的具体步骤包括如下：
步骤S1：对振镜组件进行校正；
步骤S2：调节振镜组件和光纤激光器的高度，使得光纤激光器发出的激光通过振镜组件能够聚焦在工件表面；
步骤S3：在上位机上绘制或向其导入待打标图形；
步骤S4：设置打标参数，所述打标参数包括激光出光的速度、激光的单点能量强度以及频率；
步骤S5：开始进行打标操作；
步骤S6：上位机通过判断待打标图形的形状，规划运动轨迹，并将所述运动轨迹发送给运动控制卡；
步骤S7：运动控制卡根据所述运动轨迹，控制振镜组件和旋转轴运动，并控制光纤激光器发出激光；
步骤S8：所述激光通过振镜组件作用在工件上对其进行打标，同时旋转轴带动工件旋转，从而实现旋转打标；
步骤S9：判断是否需要更换待打标图形，若需要，则返回步骤S3；若不需要，则返回步骤S5，继续进行打标操作；
步骤S10：待打标完成后，关闭激光。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明中的打标控制系统通过带动反射镜片的X轴和Y轴方向的旋转，同时旋转轴能带动工件旋转，实现了激光打标与旋转轴同时工作，即实现了激光的旋转打标，其结构简单、功能可靠也易于实现，此外其旋转打标效率高，图形的打标效果也较理想。
2、本发明中的打标控制方法采用振镜X轴电机来补偿旋转轴未按预期完成的运动量，实现边旋转边打标的动态旋转打标功能，其方法简单、可靠，解决了现有旋转打标效率低下和打标效果不理想的问题。
附图说明
图1为本发明动态旋转打标控制系统的原理图。
图2为本发明旋转轴的结构示意图。
图3为本发明动态旋转打标控制方法的流程图。
图4为本发明中上位机轨迹规划示意图。
图5为现有技术中静止旋转打标的工作原理说明图。
图6为本发明中动态旋转打标的工作原理图。
图7为现有技术中静止旋转打标的打标轨迹说明图。
图8为本发明中动态旋转打标的打标轨迹说明图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
参阅图1所示，本发明提供的一种动态旋转打标控制系统，该控制系统包括：
上位机是用户的操作界面，用户画好待打标图形或导入待打标图形后，上位机会自动规划待打标图形的打标轨迹，并以USB通信的方式将控制信息传输给运动控制卡。
运动控制卡采用FPGA和DSP芯片，根据接收到上位机的控制信息即打标轨迹后，控制振镜组件和旋转轴运动，即将运动信号输出给振镜组件和旋转轴；还将控制信号输出给光纤激光器，控制其出光和关光。
光纤激光器根据所述控制信号发出1064nm波长的激光，并将激光输出给振镜组件，实现对工件表面进行打标。
振镜组件包含两轴高性能伺服电机即振镜X轴电机和振镜Y轴电机，接收运动控制卡的运动信号后，分别控制其采用的两块反射镜片即第一反射镜片和第二反射镜片的旋转，构建笛卡尔坐标系；还将接收到的激光通过聚焦镜头控制激光出光的位置，即控制激光作用在工件上的位置。
旋转轴采用伺服系统，根据接收到的运动信号控制工件的旋转，从而实现激光对工件进行圆周打标。
如附图2所示，本实施例中的旋转轴包括伺服电机、安装座、联轴器与三爪卡盘，其中伺服电机和三爪卡盘安装在安装座上，伺服电机通过联轴器与三爪卡盘相连，三爪卡盘用于夹持工件。伺服电机工作，通过三爪卡盘带动工件旋转，其结构简单、易于实现。
上述中，通过上位机规划激光打标的轨迹，以运动控制卡为核心，控制旋转轴和振镜组件运动，并控制光纤激光器的出光和关光，实现激光打标与旋转轴同时运行的动态打标，大大提高了打标效率，并且显著提升了旋转打标效果。
如附图3所示，本发明还提供一种动态旋转打标控制方法，具体步骤包括如下：
步骤S1：因为工件打标要求的精度高，所以首先需要对振镜组件做校正。通过将实际打标Box与上位机内存储的标准图形尺寸进行对比，调节相关参数，使二者能精确吻合。
本步骤中的校正过程只需做一次，以后的打标都会自动调用该校正参数。
步骤S2：调节振镜组件和光纤激光器的高度，使得光纤激光器发出的激光通过振镜组件能够聚焦在工件表面。
步骤S3：在上位机上绘制或向其导入待打标图形。其中，上位机可以支持现场绘制图形和自动导入图形或图片功能。
步骤S4：设置打标参数，由于工件的材质各异，且打标效果需求不同，所以需要通过调节打标参数来调整激光出光的速度、激光的单点能量强度以及频率，还有其他如激光器通断出光的延时等。通过调节打标参数，直至调节到能打出满意效果的参数为止。
步骤S5：开始进行打标操作，由用户使用脚踏开关操作，或者在电脑上用鼠标操作。
步骤S6：上位机通过判断待打标图形的形状，规划运动轨迹，并将所述运动轨迹发送给运动控制卡。
步骤S7：运动控制卡在收到上位机的运动轨迹后，控制振镜组件和旋转轴运动，并控制光纤激光器发出激光。
步骤S8：所述激光通过振镜组件作用在工件上对其进行打标，同时旋转轴带动工件旋转，从而实现旋转打标。
步骤S9：判断是否需要更换待打标图形，若需要，则返回步骤S3；若不需要，则返回步骤S5，继续进行打标。
步骤S10：待打标完成后，关闭激光。
下面通过具体实例来详细阐述上述打标控制方法：
如附图4所示，如要在工件上打标一个“TEXT”，上位机会对待打标图形作出规划。如图要打标线段CD，上位机根据X轴方向的打标长度、Y轴方向的打标长度、打标速度v，自动计算出每次打标长度m，其中m会随打标速度v不同而变化。上位机每10us给运动控制卡发送打标长度m在X轴方向的投影和在Y轴方向的投影，运动控制卡根据这些参数计算各运动轴所需的脉冲数。
如附图5所示，振镜X轴电机控制第一反射镜片X方向的运动，振镜Y轴电机控制第二反射镜片Y方向的运动。静止旋转打标时，旋转轴静止，振镜组件在如图的填充区域内打标。其中心线为聚焦镜头的聚焦位置，振镜组件会将如图所示的α角度弧面近似成平面。由于是弧面，所以这种静止旋转打标的方式难免会有细微偏焦。如果要让偏焦的影响变小，就只能使α变小，这样会大大增加打标时间，降低打标效率。此外，由于是将不同弧面拼接成整个打标图形，拼接处效果也不理想。
如附图6所示，本发明通过旋转轴控制整个系统X轴方向的运动，并采用振镜X轴电机来补偿旋转轴在X轴方向因响应不同步而滞后的运动量，不同于静止旋转打标是用振镜X轴电机控制X方向的运动。
由于振镜电机的响应性能高，加速度能达到200g，而伺服旋转轴的加速度不到10g，这样旋转轴和振镜Y轴电机的运动不同步。为了解决响应不同步的问题，本发明将旋转轴的编码器反馈信号发送给运动控制卡作负反馈，控制卡每10us会读取编码器反馈信号，并用运动控制卡发送给旋转轴的脉冲数减去编码器反馈脉冲数，得出因响应不同步而造成的延迟，振镜X轴电机在下一个10us做补偿，从而解决了响应性能不同的电机间的同步问题。
以打标图4中的线段CD为例，设振镜Y轴电机的脉冲当量为P2，旋转轴的脉冲当量为P1，打标mX需X轴脉冲数为Pul1，脉冲发生平均频率为fX，打标需Y轴脉冲数为Pul2，脉冲发生平均频率为fY，每次打标m的时间固定为t＝10us。
Pul1＝mX×P1
Pul2＝mY×P2
fX＝Pul1÷t
fY＝Pul2÷t
由此可知，上位机通过智能算法，每10us给运动控制卡发送变化的m。运动控制卡据此控制发送给各轴的脉冲数以及平均频率，从而控制各轴的运动量和速度。
下面阐述振镜X轴电机补偿旋转轴运动延时的过程：
设在上一次10us结束时刻，振镜Y轴电机已完成了Y方向的运动量。此时运动控制卡收到编码器反馈回Prun1个脉冲。设振镜X轴电机在下一个10us需补偿的脉冲数为Px1，则有：
由于m长度非常小，因此对整体轨迹精度没有影响。
如图7所示，如以打标“TEXT”中的“E”为例，因为每次打标区非常窄，所以在打标“E”时，需将“E”在X方向划分成许多份，这样打标的“首尾点”数量大大增加，相比动态旋转打标，振镜X轴电机和振镜Y轴电机需做许多冗余的“空跳”和“启停”，这样降低了打标效率。且因为被划分成许多份，之后再做图形拼接，这样会造成拼接处效果不好。且静态旋转打标将弧面近似成平面打标，存在偏焦情况，也会对打标效果带来不良影响。
如图8所示，如以打标TEXT”中的“E”为例，打标轨迹与手写的轨迹是一样的，无需切分，非常流畅，对比图7中的“首尾点”数量，动态旋转打标的“首尾点”数是很少的，因为动态旋转打标的“首尾点”数是最佳的。此外，动态旋转打标没有静态旋转打标所需的图形拼接和偏焦情况，所以打标效果较好。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种动态旋转打标控制方法，其特征在于：所述控制方法的具体步骤包括如下：
步骤S1：对振镜组件进行校正；
步骤S2：调节振镜组件和光纤激光器的高度，使得光纤激光器发出的激光通过振镜组件能够聚焦在工件表面；
步骤S3：在上位机上绘制或向其导入待打标图形；
步骤S4：设置打标参数，所述打标参数包括激光出光的速度、激光的单点能量强度以及频率；
步骤S5：开始进行打标操作；
步骤S6：上位机通过判断待打标图形的形状，规划运动轨迹，并将所述运动轨迹发送给运动控制卡；
步骤S7：运动控制卡根据所述运动轨迹，控制振镜组件和旋转轴运动，并控制光纤激光器发出激光；
步骤S8：所述激光通过振镜组件作用在工件上对其进行打标，同时旋转轴带动工件旋转；运动控制卡每隔10us读取旋转轴的编码器的反馈信号，并用运动控制卡发送给旋转轴的脉冲数减去编码器反馈脉冲数，得出因响应不同步而造成的延迟，振镜组件的X轴电机在下一个所述10us做补偿，使旋转轴与振镜组件的Y轴电机运动同步，从而实现旋转打标；
步骤S9：判断是否需要更换待打标图形，若需要，则返回步骤S3；若不需要，则返回步骤S5，继续进行打标操作；
步骤S10：待打标完成后，关闭激光。
2.一种动态旋转打标控制系统，其特征在于：应用于权利要求1中所述的一种动态旋转打标控制方法，该控制系统包括：
上位机将控制信息传输给运动控制卡；
运动控制卡根据所述控制信息，将运动信号输出给振镜组件和旋转轴；运动控制卡还将控制信号输出给光纤激光器，控制其出光和关光；
光纤激光器根据所述控制信号发出激光，并将所述激光输出给振镜组件；
振镜组件根据所述运动信号，控制其采用的反射镜片的旋转；还将接收到的激光通过聚焦镜头作用在工件上；
旋转轴根据所述运动信号，控制工件的旋转，从而实现激光对工件进行圆周打标。
3.根据权利要求2所述的动态旋转打标控制系统，其特征在于：所述旋转轴包括伺服电机、安装座、联轴器与三爪卡盘，其中伺服电机和三爪卡盘安装在安装座上，伺服电机通过联轴器与三爪卡盘相连，三爪卡盘用于夹持工件。
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