基于運動控制器的多工位激光標刻設(shè)備控制系統(tǒng)研究

丁蘊豐 王丹丹 鞏 略 趙彥碩

(長春理工大學機電工程學院，吉林 長春 130022)

基于運動控制器的多工位激光標刻設(shè)備控制系統(tǒng)研究

丁蘊豐 王丹丹 鞏 略 趙彥碩

(長春理工大學機電工程學院，吉林 長春 130022)

為了實現(xiàn)對多工位激光標刻設(shè)備中二維工作臺的自動控制，設(shè)計了基于運動控制器的控制方案，以G代碼為開發(fā)平臺，設(shè)計了二維工作臺的控制程序，從而實現(xiàn)了在生產(chǎn)流水線上非平面材料表面激光標刻的智能控制加工，達到了工業(yè)自動化標準，提高了應用性及工作效率。

運動控制器；激光標刻；G代碼

0 引言

激光加工是充分體現(xiàn)光、機、電一體化的現(xiàn)代加工工藝。與傳統(tǒng)的機械加工技術(shù)相比，激光標刻的特點是具有永久性、精度高，標刻時能一次成型，且使用激光標刻的圖文或字符不容易被仿制和更改，所以起到了很好的防偽作用。這使得激光標刻在標刻領(lǐng)域有著巨大的開發(fā)潛力和樂觀的發(fā)展前景[1]。隨著激光標刻技術(shù)的發(fā)展，如今其已被應用于生產(chǎn)線上輸送的形狀規(guī)則物品的定位打標，但對于生產(chǎn)流水線上非平面材料表面、形狀不規(guī)則物品的連續(xù)快速激光標刻加工還有待進一步研究。因此，本文將雷賽SMC6490運動控制器應用到多工位的激光標刻控制系統(tǒng)的實際設(shè)備中，能對二維工作臺的位置、速度等進行實時控制，使其按照預期的軌跡和規(guī)定的運動參數(shù)完成相應動作，以提高系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性，滿足了LED燈、特殊零件等小型零部件的加工需要，為激光標刻機的實際應用打下了基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)硬件概述

1.1 激光標刻介紹

激光標刻機的核心部分主要包括激光器和X—Y二維掃描振鏡(圖1)。振鏡掃描式打標的工作原理是將激光光束射到兩運動的振鏡上，通過控制沿X軸和Y軸這2個方向振鏡的運動，從而使得激光光束進行掃描，利用具有一定功率密度的激光光束在被打標的物體的表面灼燒使得表層物質(zhì)蒸發(fā)后露出深層物質(zhì)，從而在工件表面上燒灼成永久性的圖文標記。對于多工位激光標刻，則需要解決在不同工位上振鏡系統(tǒng)的透鏡與工件之間焦距長度變化的問題。本文研究的就是如何通過運動控制器實現(xiàn)振鏡系統(tǒng)自動定位，以保證激光標刻精細清晰。

1.2 工作臺機械部分介紹

工作臺的機械部分是激光標刻設(shè)備的重要組成部分。在圖2中可以看到，二維工作臺的機械部分主要由X向、Z向傳動系統(tǒng)組成，采用了滾珠絲桿副直線的傳動方式，這樣的配合方式能滿足設(shè)備精度和低摩擦的要求，比常規(guī)的絲桿螺母副精度提高了3～4倍[2]。其工作方式主要是通過X向、Z向伺服電機帶動滾珠絲桿副，X向伺服電機控制絲桿副上Z向的水平運動，Z向伺服電機控制激光器及振鏡的運動。

圖1 振鏡原理示意圖

圖2 二維工作臺機械部分簡圖

1.3 基于運動控制器的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

二維工作臺控制系統(tǒng)基本配置如下：運動控制器、伺服電機、驅(qū)動器、二維工作臺機械部分、激光器、振鏡系統(tǒng)、各軸的限位開關(guān)和電源等。

運動控制器收到控制指令后發(fā)出脈沖信號控制伺服驅(qū)動器，從而控制電機的轉(zhuǎn)速、方向等[3]。二維工作臺到達指定位置后，將到位信號發(fā)給打標控制卡，然后打標控制卡發(fā)出激光標刻的指令，完成一個工位的激光標刻。通過工作臺機械部分的移動實現(xiàn)透鏡與不同工位零件的焦距變化，從而標刻出精確清晰的圖案和文字。運動控制器有16路通用數(shù)字輸入(可以擴展到32路)、8路通用數(shù)字輸出(可以擴展到24路)，可連接各軸限位信號、原點信號以及其他設(shè)備的輸入量等。控制器I/O信號接口的用途是接收各軸的行程開關(guān)信號和報警信號，當讀取到這個信號后使電機停止，避免機構(gòu)運動超出導軌范圍發(fā)生碰撞危險。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 運動控制器的軟件設(shè)計

2.1 SM C6490運動控制器介紹

雷賽6000系列運動控制器是基于嵌入式處理器和FPGA的硬件結(jié)構(gòu)、插補算法、脈沖信號的，用于加速和減速控制、I/O信號檢測處理的基于10/100M以太網(wǎng)的通用型運動控制器，確保了運動控制高速度、高精度及系統(tǒng)穩(wěn)定。同時，該控制器的程序用G代碼編寫，可實現(xiàn)單機運行。其外形如圖4所示。

圖4 運動控制器實物圖

2.2 系統(tǒng)的軟件開發(fā)

基于SMC6490運動控制器的軟件開發(fā)具有良好的開放性，控制器支持C/C++、BASIC、G代碼等語言的開發(fā)應用程序，可在這些環(huán)境下進行軟件開發(fā)工作。本文是基于G代碼進行程序開發(fā)的。

本系統(tǒng)中，在決定采用G代碼進行程序開發(fā)之前，首先要熟悉G代碼指令，并確定G代碼指令可以實現(xiàn)二維工作臺運動的功能。依照圖5，使用G代碼對整個流程進行編程。打標控制卡發(fā)出的控制指令由運動控制器接收，并完成相應動作，控制器的操作流程分以下幾步：(1) 運動控制器初始化。在編寫程序代碼之前，首先要確保控制器已經(jīng)與PC機通過網(wǎng)口或串口連接，并且安裝好Motion6490測試軟件。啟動調(diào)試軟件，進行運動控制功能的簡單測試，以確保運動控制器軟、硬件工作正常。(2) 設(shè)置參數(shù)，運行Motion調(diào)試軟件，鏈接到控制器，修改控制器的關(guān)鍵參數(shù)，如脈沖當量、回零速度、定位速度等。可進行密碼權(quán)限的設(shè)定，修改參數(shù)必須輸入密碼，以確保系統(tǒng)的安全運行。(3) 在調(diào)試軟件的程序編輯下在界面中導入程序，并運行程序測試運行結(jié)果，最終實現(xiàn)運動控制器的脫機運行。

圖5 順序控制流程圖

3 結(jié)語

本文基于運動控制器搭建了一個多工位激光標刻二維工作臺，通過運動控制器實現(xiàn)了不同工位透鏡與工件位置的自動定位，解決了在不同工位上，振鏡系統(tǒng)的透鏡與工件之間焦距長度智能變化的問題，使得多工位激光標刻加工更能滿足連續(xù)快速的要求，達到了激光標刻精細清晰的預期效果，具有可靠的穩(wěn)定性及實際應用價值。

[1]常毅，譚寧.基于單片機的激光打標系統(tǒng)控制器設(shè)計[J].微計算機信息，2007(13)

[2]申遠.大面積高精度衍射光柵刻劃機結(jié)構(gòu)優(yōu)化與控制研究[D].合肥：中國科學技術(shù)大學，2012

[3]項小東，白國振.基于運動控制卡的伺服控制系統(tǒng)開發(fā)研究[J].機電工程技術(shù)，2010(11)

2014-07-03

丁蘊豐(1954—)，男，吉林長春人，碩士研究生，副教授，研究方向：光機電一體化產(chǎn)品設(shè)計與系統(tǒng)集成、激光加工技術(shù)。