新型激光打標系統設計與研究

郁亞峰

（西南大學計算機與信息科學學院,重慶 400715）

近年來，隨著激光器的可靠性和實用性的提高，加上計算機技術的迅速發展和光學器件的改進，激光打標技術得到了長足的發展。然而現在市面上的激光打標機中存在著如下的缺陷：①未能夠以任意字為起點進行打印；②未能對打印進行實時精確跟蹤；③未能進行斷點打印；④未能在故障修復后繼續打印。而就現有激光打標機中存在的這些問題使得打標機的實用性、可靠性和安全性都有所欠缺，在一定程度上對使用者造成了極大的困擾和不便，同時也不能滿足多層次用戶的不同需求。本文設計了一種新型激光打標系統，新增斷點打印、任意點開始、曲面打印、故障修復繼續打印等個性化功能，可以滿足不同層次用戶的需求，而且更加個性化，更穩定、安全、方便。

新型激光打標系統原理是上位機發送命令到通信單片機，通信單片機再采集測距傳感器和控制單片機反饋的信息整合后產生控制信號，由雙端FIFO存儲器傳送到控制單片機控制打標機進行打印；同時，控制單片機能采集位置傳感器數據將當前的工作數據實時地反饋到通信單片機，再從通信單片機傳到上位機，可以實現實時跟蹤檢測；控制單片機采集處理外部故障傳感器的數據，判斷是否出現故障，如果出現故障則Flash存儲器自動掉電并自動保存當前的針頭位置，打標機暫停工作，在下次工作時就能實現故障修復繼續打印。利用工作原理，使論文相對于普通激光打標機，具有斷點打印、實時跟蹤、任意點開始、曲面打印、故障修復繼續打印的功能。

該系統具有如下特點：

①功能方面，由于添加了斷點打印、任意點開始、曲面打印的功能，用戶能夠根據打印的環境選擇平面還是曲面打印或者設置從任意點開始打印，更加人性化。

②在結構方面，用戶可以通過上位機實現命令的下達，人機交互更加友好，更容易使用。USB2.0速度可以達每秒480M/s，可以實現數據的實時上傳及下傳。

③實時跟蹤功能，能夠實時查看打印是否正確和打印的進度；故障修復繼續打印功能，外部傳感器檢測遇到故障時打標機能自動暫停，故障排除后，上電能夠繼續打印使得打標機更安全、穩定、可靠。

④打標機采用原裝光驅機芯結構，精度高，運行穩定，壽命長。激光打標通過激光灼燒表面，留下痕跡實現雕刻，應用范圍更廣，幾乎可以用于各種材料的雕刻，同時，精度更高，工作過程更安全，使用壽命更長。

1 新型激光打標系統結構設計

如圖1所示，該打標系統由上位機命令模塊、信息采集和處理模塊、控制模塊以及打標模塊組成。其中信息采集和處理模塊由USB接口芯片、通信單片機、雙端FIFO存儲器、測距傳感器、位置傳感器、外部故障傳感器組成；控制模塊由控制單片機、Flash存儲器組成。

圖1 系統結構圖

1.1 上位機

主要用于用戶從電腦上的交互界面上進行工作模式的設置和命令的下達，包括對初始點的設置、是否進行曲面打印、開始、暫停和繼續等等。電腦通過USB接口、通信單片機連接到控制單片機和打標機，從而完成控制。同時，每一命令進行編號，命令一旦下達便按照該編號將打印的軌跡和位置顯示在上位機上，完成實時跟蹤軌跡。

1.2 USB接口芯片

采用Cypress EZ-USB。USB2.0速度可以達每秒480M/s，可以實現數據的實時上傳及下傳。

1.3 通信單片機

主要用于數據和命令的上傳和下達，以及采集測距傳感器的數據。首先，上位機的數據和命令要由通信單片機通過雙端FIFO存儲器下達到控制單片機完成打印。其次，打標機打印的數據和具體位置由控制單片機實時地反饋到通信單片機，從而傳到上位機。當外部傳感器檢測到故障時，如果是機械故障，由打印控制處理器記錄故障發生時的針頭運行軌跡來提供排除故障所需的信號，若無法自動檢測和排除故障，打標系統暫停工作，通過掉電保護功能的flash芯片把當前針頭的位置數據存儲在flash存儲器中，而在重新上電后，此前打印斷點的位置數據從flash存儲器中取到控制單片機中，再由通信單片機上傳到上位機中，由上位機發出命令，從而實現斷點處繼續打印。最后，當實現曲面打印時，測距傳感器將當前針頭與曲面的距離傳到通信單片機中與標準打標距離進行比較，來判斷針頭上升或者下降，當當前距離達到標準距離時進行打印，然后進行下一個點的打印。從而實現曲面打印。

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

1.4 測距傳感器

主要用于曲面打印時，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行距離檢測，通過檢測針頭與打印面的距離使針頭上下移動進行調整，實現曲面打印。能在-25～+70℃的溫度，直流12～30V的電壓下工作，檢測距離達到200～1300mm，分辨率達到1mm，精度比較高。

1.5 雙端FIFO存儲器

主要用于連接通信單片機和控制單片機，為通信單片機下達命令到控制單片機開辟一條專用的通道，區別控制單片機上傳數據到通信單片機，使得二者相互通信的效率更高。該存儲器采用IDT7132雙端口RAM芯片，邏輯簡潔明了，并且訪問效率非常高，而且雙端口RAM不容易發生沖突，可靠性也很高，足夠滿足控制要求，同時，價格也便宜。

1.6 控制單片機

主要控制打標機針頭的前后、上下、左右的三維移動以及激光筆是否工作以及工作時間。它接收通信單片機通過雙端FIFO存儲器下達的指令，直接控制打標機打印，并將針頭的位置數據實時上傳。同時，采集外部傳感器的數據，通過進行故障的實時檢測并記錄故障發生時的針頭運行軌跡來提供排除故障所需的信號，在故障無法排除時，將數據存儲到flash存儲器中，為故障排除后的斷點繼續打印提供起點。

所述控制單片機，選用STC11f32微控制器，它是增強型8051內核，速度比普通8051快8到12倍，采用低功耗設計，功耗低。芯片內EEPROM功能；它有2個16位定時器，1個獨立波特率發生器，一個獨立的通用全雙工異步串行口。在滿足控制要求的同時價格也低廉。

1.7 外部故障傳感器

圖2 新型激光打標系統軟件流程圖

通過捕捉打標機工作時的振動情況判斷打標機是否出現故障。擬采用MPU6050傳感器進行故障檢測。MPU-6000（6050）的角速度全格感測范圍為±250、±500、±1000與±2000°/sec（dps），可準確追蹤快速與慢速動作，并且，用戶可程式控制的加速器全格感測范圍為±2g、±4g±8g與±16g。它的優點在于：體積小，重量輕，價格低，完全能夠達到本系統的功能要求。

1.8 打標機

采用原裝光驅機芯結構，精度高，運行穩定，壽命長。通過激光灼燒表面，留下痕跡實現雕刻，應用范圍更廣，幾乎可以用于各種材料的雕刻，同時，精度更高，工作過程更安全，使用壽命更長。

2 系統軟件設計

系統軟件主要是包括通信單片機信息采集處理環節和控制單片機控制環節，整個軟件控制流程圖如圖2所示：

新型激光打標系統，在上電，和電腦連接并成功驅動后，打開上位機，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，設置打印起點，X軸坐標和Y軸坐標。然后，再傳入要打印的圖案。最后，點擊“開始”。打標系統即開始工作，同時，打標機右側的圖形窗口開始對針頭打印的運動軌跡進行實時跟蹤。

當系統出現故障時，判斷是否能夠自動排除故障，如果不能，系統立即斷電，并記錄斷點，同時上位機上的跟蹤窗口也實時顯示針頭暫停運動。當排除故障后，上電，并且點擊“開始”，系統則自動從斷點處開始繼續打印，上位機跟蹤窗口進行更新，針頭繼續運動。

在打印過程中，可以點擊“暫停”，暫停打印，此時斷點位置也存儲到flash存儲器中，再點擊“開始”，則斷點繼續打印。也可以點擊“停止”，終止此次打印。

3 結語

本文設計的打標系統是一種相對目前市場更加穩定、更加可靠、更加個性化的新型激光打標系統，新增斷點打印，任意點開始，故障修復繼續打印、曲面打印、實時跟蹤等個性化功能，該系統不僅可以滿足不同層次用戶的需求，而且更加人性化，更穩定、更安全、更方便。同時該打標系統是小型家用型打標系統，而且成本比較低，具有很高的實用性和市場價值。

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