多異形三維激光打標軟件設計與實現

徐麗，李向東*，張延波，狄曉龍

(1.齊魯工業大學(山東省科學院)山東省科學院自動化研究所，山東 濟南 250014；2. 臨沂市樂狄激光科技有限公司，山東 臨沂 276000)

激光控制系統在激光打標機領域經歷了大幅面時代、轉鏡時代和振鏡時代，控制方式也完成了從軟件直接控制到實時處理、分時復用的一系列演變。如今，CO2射頻激光器、光纖激光器、皮秒激光器、飛秒激光器、超快激光器的出現，又對光學過程控制提出了新的挑戰[1]。

國際上，Raylase公司、Scanlab公司和Scaps公司等聯合開發的系統可以根據導入的三維曲面模型的表面信息對Z軸的焦距進行自動調焦，在三維物體表面標刻出清晰的圖形。Fraser等[2]開發了集成三維成像系統的三維激光標刻機，通過獲得三維圖像，用激光控制器控制標刻，解決了工件定位問題，簡化了集成，提供了可用于質量控制的表面三維數據。

而在國內，大部分國產激光打標機是靠人將工件放在打標機上進行標記，自動化程度低。在異形工件打標方面，武漢測繪科技大學研制出集平面打標和圓柱面打標于一身的曲平面激光打標機；南開大學實現了大幅面平面樣品以及曲面樣品的打標。陳良輝等[3]研究了三維激光振鏡系統和兩軸數控回轉臺構成的五軸數控三維曲面激光技術的基本原理和二維矢量紋理映射的技術方法，以實現三維模具紋理的精密精細加工。經研究發現，在異形曲面打標過程中主要存在兩個問題，一是打標范圍受激光聚焦景深的限制，打出的字符、圖形模糊不清；二是隨著打標范圍的擴大，打標變形嚴重。總之，國內該領域的研究起步較晚，關鍵性技術的突破還需要大量的工作。

本文在已有的平面打標機平臺的基礎上，通過紅外自動對焦實現定位反饋，同時利用旋轉軸、分段軸、定位軸三軸聯動，設計了一種新的對異形工件的打標系統。

1 多異形三維激光打標系統及設計

1.1 多異形三維激光打標系統

多異形三維激光打標系統，是在平面打標機基礎上研制出來的。將紅外對焦與擴展軸(旋轉軸、分段軸)融合，組成三軸聯動，實現多異形工件打標,系統結構框圖如圖1所示，實物裝置如圖2所示。

圖2 多異形三維激光打標系統實物圖Fig.2 Physical drawing of a multiabnormity three-dimensional laser marking system

多異形三維激光打標系統主要由激光器、振鏡模塊、三軸聯動模塊、打標控制卡及打標控制軟件等部分組成。控制卡振鏡信號以數字信號的方式傳輸至振鏡驅動卡，其抗干擾能力強同時控制精度準確。其中，打標控制卡是打標系統的核心，負責從上位機接收并轉化成打標數據，完成整個下位機的控制工作。

1.2 三軸聯動系統設計

1.2.1 三軸聯動系統

基于異形打標的研究，工件在打標過程中不僅要完成上、下和前、后直線運動等，同時還要完成轉動運動。系統采用數字化仿真建模[4]，通過改進多軸運動的插補算法[5]，優化機械受力的結構[6]，計算三軸聯動的參數[7]，設計了三軸聯動結構。三軸聯動結構包括X軸分段軸、Y軸自動對焦軸、A軸旋轉軸、工作臺、樣品夾具以及底座。三軸聯動結構如圖3所示。

圖3 三軸聯動系統結構圖Fig.3 Structural diagram of a three-axis linkage system

1.2.2 三軸聯動控制系統設計

三軸聯動控制系統由X軸電機、Y軸電機、A軸電機、X軸電機驅動器、Y軸電機驅動器、A軸電機驅動器、現為可縮程邏輯門陣列FPGA(field programmable gate array)控制器和開關電源模塊、打標控制卡中的擴展軸控制模塊構成，控制系統框圖如圖4所示。

圖4 三軸聯動控制系統結構框圖Fig.4 Structural diagram of a three-axis linkage control system

PCIE-FIBER 專用打標控制卡發出指令,通過交流伺服驅動器完成伺服電機運動控制的所有細節(包括脈沖和方向的輸出、自動升降帶的處理及原點和限位信號的檢測等)。同時，通過該卡的專用輸入、外接原點、限位等開關信號，實現回原點、保護等功能。

2 打標軟件系統設計

激光打標機的上位機軟件是客戶端應用程序，必須擁有界面友好、操作簡單易懂的特點。系統在激光打標控制軟件設計中采用的是模塊化編程[8]，方便日后軟件的更新和修改。

2.1 軟件的主要功能和設計

激光打標機主要功能是用激光束在各種不同的物質表面打上永久的標記，這些標記可以是文字、數字，或者是圖形[9]。用戶可以通過該軟件的客戶區進行簡單圖形如直線、矩形、圓等的繪制，也可以輸入各種字體的文字、數字等，另外也可以從外部導入已經編輯好的矢量或位圖文件，再將這些文件或編輯好的圖形轉換成控制卡需要的數據文件，然后傳輸給控制卡進行打標[10]。

根據軟件工程理論中結構化程序設計思想和自頂向下、逐步細分的設計原則，將軟件整體功能劃分為若干模塊，各個模塊再細分為子模塊。軟件設計的總體框圖如圖5所示。

圖5 打標軟件系統功能模塊圖Fig.5 Laser marking software system function module diagram

軟件系統分為異形打標模塊、打標卡指令集模塊、字符數據庫模塊三大功能模塊。異形打標模塊主要完成打標圖形生成與處理、文件操作、系統參數設置、數據傳輸與處理、打標卡命令控制和打標控制等6個功能；打標卡指令集模塊主要完成打標卡操作指令定義、存儲、調用功能；字符數據庫模塊則完成字符調用功能。

用戶在客戶區進行繪制圖元、圖形屬性設置、填充處理或者文件操作，完成打標圖形的繪制處理，并根據工件形狀通過系統參數設置模塊完成激光參數、紅光參數、位置參數和標刻模式設置，啟動軟件打標功能。

上位機接收到數據傳輸與處理模塊的數據，經分析處理傳輸命令給打標卡進行大量復雜的運算，根據運算結果，調用指令集指令、自動編程，實現對激光、振鏡掃描的實時控制，同時軟件在生產線模式下即飛行標刻的模式，以10 μs的采樣速度，對傳輸帶的運動速度、方向進行實時監測，采集的結果交給打標卡進行實時處理，從而對位移實現變化的修正[11]。打標結束后，啟動結束打標功能，對數據、字符、命令等緩存區進行處理。

2.2 軟件流程

異形工件的形狀分為很多種，如斜面、段差、圓柱、圓錐、球面以及拉伸曲面，本文研究了4類異形的形狀，分析了各自的特點，提出相應的算法。圓柱、弧面、球面這種異形面利用旋轉軸進行標刻，大幅面利用分段軸標刻[12]，拉伸面、斜面、段差則可以紅外對焦、分段軸、旋轉軸融合三軸聯動方式進行融合標刻。在控制軟件[13-14]上設置好異形面的參數，上位機依據設置的參數，將控制命令傳輸給打標卡，打標卡生成脈沖信號或開關信號，進行打標。

異形面打標流程如圖6所示，包括如下步驟：

圖6 異形面打標軟件流程Fig.6 Abnormity-shaped laser marking software workflow

(1)操作人員在打標控制軟件中繪制或打開需要打標的圖形，設置激光器參數，設置工件形狀參數：工件長度l(mm)、工件寬度h(mm)、工件形狀s。若工件形狀為圓錐、球面、圓柱，則設置其打標圖案直徑d(mm)或周長c(mm)；若工件形狀為斜面、段差，則設置斜面個數、角度、長度、寬度。

(2)打標之前設置工件形狀是否是異形。若否，發送平面打標參數給打標控制卡;若是，提示設置擴展軸打標，設置參數，并發送工件形狀、激光器等相關參數給打標控制卡。

(3)打標控制卡接收到打標指令，檢測激光、自動聚焦是否正常。若正常返回上位機“OK”，并開始打標；設置錯誤返回“Err”，提示激光、自動聚焦有異常。

(4)控制卡分析打標模式，若是異形打標，控制卡則設置接收的異形打標擴展軸參數；若工件形狀為圓錐、球面、圓柱，設置擴展軸為旋轉軸，發送旋轉標刻命令；若工件為大幅面，設置擴展軸為分段軸，發送分割標刻命令；若工件形狀為斜面、段差，設置擴展軸為旋轉軸和分段軸融合，發送聯動標刻命令。

(5)控制卡接收到旋轉標刻命令，控制Y軸電機進行自動對焦，控制A軸按照設定方向、步長旋轉，進行標刻，標刻結束后給上位機返回“OK”指令。

(6)控制卡接收到分割標刻命令，控制Y軸電機進行自動對焦，控制X軸按照設定方向、步長移動，進行標刻，標刻結束后給上位機返回“OK”指令。

(7)控制卡接收到聯動標刻命令，控制Y軸電機進行自動對焦，控制A軸按照設定方向、步長旋轉，控制Y軸按照設定方向、步長左右移動，進行標刻，標刻結束后給上位機返回“OK”指令。

(8)標刻過程中若有異常，則操作人員可以觸發停止鍵停止標刻，返回到上位機處理單元進行處理。

3 實驗結果及分析

3.1 異形工件樣品

應用多異形三維激光打標系統，采用旋轉打標、分段打標、聯合打標的方式，在圓柱、弧面、球形、大幅面、拉伸、斜面工件上進行圖案、文字打標，實現異形工件打標。工件如圖7所示。

圖7 異形工件樣本Fig.7 Abnormity samples

3.2 實驗方案

應用多異形三維激光打標系統，采用旋轉打標、分段打標、聯合打標方式標刻。具體步驟為：

第一步，將工件放置在工作臺上；第二步，打開打標系統和打標控制軟件，進行客戶繪制或者打開待標刻的圖形或文件，設置打標圖案長度、寬度和激光功率、速度、頻率等，設置工件形狀是否為異形、異形種類，選擇打標方式，并將這些參數發送給上位機，上位機與打標控制卡通信完成參數配置；第三步，打開紅光顯示，并將對焦定位系統進行對焦；第四步，點擊開始標刻；第五步，打標卡發送對應標刻命令，擴展軸按照軟件設置步驟進行旋轉或移動操作，并進行激光打標；第六步，按照工件的形狀、打標圖案重復第五步N次，完成打標。

3.3 實驗結果

采用旋轉打標方式，在圓柱、球形、弧面工件上進行打標實驗，打標效果如圖8(a)所示；采用分段打標方式，在大幅面工件上進行打標實驗，打標效果如圖8(b)中所示；采用聯合打標方式，在拉伸、斜面工件上進行打標實驗。調節激光的參數[15]、工件幅面、打標深度、打標密度等參數進行了多次測試。圓柱、球形、弧面工件打標效果如圖8(c)所示。從圖8中可以看出，該系統能夠在異形工作曲面上標刻出圖案，并且圖案非常清晰，沒有變形。

(a)圓柱、球形、弧面工件樣本

(b)大幅面工件樣本

(c)拉伸、斜面工件樣本

4 結論

本文在傳統的打標機基礎上采用紅外對焦與擴展軸融合方法以及多異形面打標軟件設計，解決了傳統激光打標無法自動在大幅面、異形等工件打標雕刻的缺陷，集成了激光檢測、自動調焦、激光設備與自動化的連接配合等設備，通過調節激光的參數、工件幅面、打標深度、打標密度等參數，實現了斜面、段差、圓柱、圓錐、球面以及拉伸曲面等多種異形工作的打標，并且在打標工件上解決了異形打標圖形拉長和傾斜等變形問題，讓刻印圖案更加接近原本形態。