余冠洲，李始東，楊燦明

(廣東工業(yè)大學，廣東廣州 510006)

激光打標作為一種非接觸、對工件無損傷、無變形、對環(huán)境無污染的新型標記工藝，具有成本低、能耗小、打標速度快、標記清晰耐久等優(yōu)勢。特別是掃描式打標系統(tǒng)加工圖文靈活多樣，能夠在材料表面標記最細0.01 mm線寬的精細圖案，可有效防偽，被廣泛應用于產品包裝上［1］。

生產線上輸送的軸承、酒瓶蓋等形狀規(guī)則物品的定位打標較容易控制。用激光打標機在已經印好彩色圖文的覆鋁塑料薄膜的特定位置打制具備防偽作用的二維條碼，則需要解決在彩版長度存在伸縮變化的印刷膜上實現(xiàn)自動跟蹤定位與保證標記完成的延時問題，文中介紹綜合運用機械、光電協(xié)同控制的實現(xiàn)精確定位打標的設計思路。

1 版長偵測與控制的整體設計思路

薄膜在彩圖印刷過程中由于輸送、收卷張力的影響，造成彩印圖案的版長發(fā)生0～±3 mm左右的長度變形。如按固定的理論版長連續(xù)進行打標，積累的偏差足以使得標記偏離彩印圖案預留的空位，甚至使整個圖案被破壞。

光機電整合的跟蹤控制系統(tǒng)能夠在傳送機構設定有效作用區(qū)域內，通過光電跟蹤頭偵測覆鋁薄膜彩印圖案中的某一點，強制調控送料長度，保證激光機嚴格按印刷圖案的預定邊界打印精細防偽標記。

系統(tǒng)的整體設計思路是:(1)主傳動軸依打標時耗調整轉速范圍;(2)長度調節(jié)器控制送料行程;(3)機械曲柄送料末期開通機械同步信號;(4)光電頭偵測印刷版長的色標。兩組信號均處于有效選通狀態(tài)時，時基電路延時處理后發(fā)出推動信號，一路經過放大驅動執(zhí)行機構斷開動力，固定薄膜至送料周期結束等待打標加工，另一路傳給打標機作為啟動信號。系統(tǒng)結構框圖見圖1。

圖1 版長跟蹤與控制框圖

2 機械傳送調整與跟蹤區(qū)間控制

彩膜的送料機構采用偏心輪與連桿推動扇齒輪往復擺動，實現(xiàn)間歇式進給。主傳動軸轉動一圈，離合器控制送料輥半周送料、半周止動，從而保證精細復雜圖案的打標時耗?？紤]到包裝膜規(guī)格長短不一，設計了可調式機械連桿控制送料總長度。系統(tǒng)的機械傳動控制主要需調整:

式中:Td為主軸傳動周期，由主電機轉速Sm乘以皮帶輪三擋傳動比η;

ti為間歇期，ti必須調整到大于等于激光打標機響應期Rt與打標時耗Tl之和。

送料行程由長度調節(jié)器控制。根據要求的理論彩版長度，松開送料調節(jié)器 (圖2所示)上的手輪3，轉動調長螺桿1，按照指針4在標尺5的刻度，將連桿2調到合適位置。機械預調實際是通過改變連桿的回轉半徑來限定進給行程的，送料最長可達600 mm。如上所述，圖案長度一般都有±3 mm偏差，調整時必須將機械機構送料預長加5 mm，才能保證其后的定位控制和打標有效進行。

圖2 送料長度調節(jié)器

光電系統(tǒng)的跟蹤范圍以及其與機械送料周期的同步控制是由連在主傳動軸上的邏輯板 (Logical-Plate)實現(xiàn)的。邏輯盤按機器的送料周期同步旋轉一周。盤上開通角度α與版長關系如下 (參見圖3):

式中:α為邏輯盤開通角;

L為標準版長值。

調整時將主軸旋轉到標準版長位置，光電開關位于α的角平分線上［2］，這樣對被拉長或縮短的薄膜都能偵測。

3 光電跟蹤與延時控制

跟蹤系統(tǒng)電路圖如圖3所示。

圖3 跟蹤系統(tǒng)電路圖

3.1 觸發(fā)信號

主傳動軸帶動邏輯盤旋轉至送料周期末段時，邏輯盤工作角開通，邏輯盤兩側有一對紅外發(fā)射與接收管組成的光電開關，輸出一路動作信號至跟蹤電路，經過兩級與非門放大輸入TTL與非門的一腳。此時，機械開通指示燈D3亮。

由反射式光電跟蹤頭RS-120偵測到覆鋁薄膜上印刷圖案的版長標志而向與非門的另一輸入端發(fā)出開關信號。光電跟蹤頭本身靈敏度比較好，輸出信號強而且有暗通 (跟蹤點色度由明到暗)或亮通兩種反應方式，可以直接通過接口將信號傳入選通元件的輸入端［3］。與非門接收到兩個高電平到位信號后，產生低電平的觸發(fā)信號。

3.2 推動信號的延時保持

式中:tPL為放電時間;

tPH為充電時間;

VR2，R11，R12分別為校驗單元可調電阻和固定電阻;

C5為校驗單元電容。

調整多諧振蕩器的占空比，能產生頻率0.143～2.38 Hz的校驗方波。校驗頻率設定后，改變微調的阻值可以調節(jié)推動信號保持時間的長短。

與非門接收到兩個到位信號后，立即產生一個工作觸發(fā)信號。由于薄膜上版長的印刷標志很窄，光電跟蹤頭只能維持一個開始動作的瞬間高電平。為了使執(zhí)行機構將停止送料的機械響應一直保持到一個送料周期結束，系統(tǒng)中就必須設置延時保持電路。延時控制由時基555電路單元構成，當與非門低電平的觸發(fā)信號輸入圖3右端NE555工作定時器的2腳，比較器C輸出低電平觸發(fā)信號，基本RS觸發(fā)器翻轉，將工作信號保持，NE555的Q端3腳，輸出高電平推動信號。電路中VR1和R8、C4構成充電回路，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作中，電容C4充電所需的時間，即輸出脈寬tpo為:

改變電位器VR1的阻值 0～47 kΩ，可獲得52 ms～2.5 s的延時。

延時電路單元通過輔助的多諧振蕩器進行延時校驗。根據多諧振蕩器工作原理［4］，輸出觸發(fā)脈沖頻率為:

4 定位機構與激光打標

推動信號之一路經過功率放大后直接驅動電磁離合器與電磁壓膜機構執(zhí)行規(guī)定的動作，阻斷送料膠輥轉動，壓止膜料準確停在實際版長的待加工位置上。

打標系統(tǒng)采用深圳奧華AHL-DP50W激光打標機。送料膠輥間續(xù)將薄膜拉至位于激光焦距的工作面。啟動打標開始有兩種方式:(1)鼠標點擊Laser軟件中“雕刻”按鈕或按壓鍵盤上的空格鍵;(2)踩壓腳踏開關發(fā)出工作起始信號。該系統(tǒng)利用時基555電路腳3的一路推動信號連入腳踏開關的觸發(fā)端自動觸發(fā)打標指令。工作信號的觸發(fā)方式必須設為高電位出光?！霸O置”菜單下點擊“激光類型設置”選項，輸入廠家授權密碼，進入圖4所示界面，勾選“高電位出光”［5］。

圖4 激光打標機觸發(fā)信號設置

公式 (1)表明:激光打標機響應Rt和打標用時Tl必須在送料間歇——即主傳動軸半周期1/2Td內完成。圖案復雜打標時耗較長時，主機應掛轉速較低的皮帶輪擋位，給完成打標留夠時間。

5 結論

從上述對柔性膜料的版長精確調控的機制可以看出:綜合運用光、機、電一體化協(xié)同控制，能夠實現(xiàn)較為智能化的自動跟蹤與加工，這點對有類似控制要求的應用也有一定借鑒價值。

【1】戚祖敏.激光打標技術及其在包裝工業(yè)中的應用［C］//五省一市光學聯(lián)合年會、十三省市光學聯(lián)合年會論文集，2008:88－89.

【2】余冠洲.薄膜封切機同步跟蹤方法［J］.電氣自動化，2000(3):66.

【3】余冠洲.包裝機械中的光機電［J］.機械開發(fā)，1999(1):50－51.

【4】閻石.數(shù)字電子技術基礎(上冊)［M］.北京:人民教育出版社，1981.

【5】深圳奧華激光科技有限公司.AHL-DP50W激光雕刻使用說明書(V4.0版)［M］，2007:12－14.