丁蘊(yùn)豐 王丹丹 鞏 略 趙彥碩

(長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022)

基于運(yùn)動(dòng)控制器的多工位激光標(biāo)刻設(shè)備控制系統(tǒng)研究

丁蘊(yùn)豐 王丹丹 鞏 略 趙彥碩

(長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)多工位激光標(biāo)刻設(shè)備中二維工作臺(tái)的自動(dòng)控制，設(shè)計(jì)了基于運(yùn)動(dòng)控制器的控制方案，以G代碼為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了二維工作臺(tái)的控制程序，從而實(shí)現(xiàn)了在生產(chǎn)流水線上非平面材料表面激光標(biāo)刻的智能控制加工，達(dá)到了工業(yè)自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)，提高了應(yīng)用性及工作效率。

運(yùn)動(dòng)控制器；激光標(biāo)刻；G代碼

0 引言

激光加工是充分體現(xiàn)光、機(jī)、電一體化的現(xiàn)代加工工藝。與傳統(tǒng)的機(jī)械加工技術(shù)相比，激光標(biāo)刻的特點(diǎn)是具有永久性、精度高，標(biāo)刻時(shí)能一次成型，且使用激光標(biāo)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(biāo)刻在標(biāo)刻領(lǐng)域有著巨大的開(kāi)發(fā)潛力和樂(lè)觀的發(fā)展前景[1]。隨著激光標(biāo)刻技術(shù)的發(fā)展，如今其已被應(yīng)用于生產(chǎn)線上輸送的形狀規(guī)則物品的定位打標(biāo)，但對(duì)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(biāo)刻加工還有待進(jìn)一步研究。因此，本文將雷賽SMC6490運(yùn)動(dòng)控制器應(yīng)用到多工位的激光標(biāo)刻控制系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)備中，能對(duì)二維工作臺(tái)的位置、速度等進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，使其按照預(yù)期的軌跡和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)完成相應(yīng)動(dòng)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(biāo)刻機(jī)的實(shí)際應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)硬件概述

1.1 激光標(biāo)刻介紹

激光標(biāo)刻機(jī)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(biāo)的工作原理是將激光光束射到兩運(yùn)動(dòng)的振鏡上，通過(guò)控制沿X軸和Y軸這2個(gè)方向振鏡的運(yùn)動(dòng)，從而使得激光光束進(jìn)行掃描，利用具有一定功率密度的激光光束在被打標(biāo)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(biāo)記。對(duì)于多工位激光標(biāo)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(zhǎng)度變化的問(wèn)題。本文研究的就是如何通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)振鏡系統(tǒng)自動(dòng)定位，以保證激光標(biāo)刻精細(xì)清晰。

1.2 工作臺(tái)機(jī)械部分介紹

工作臺(tái)的機(jī)械部分是激光標(biāo)刻設(shè)備的重要組成部分。在圖2中可以看到，二維工作臺(tái)的機(jī)械部分主要由X向、Z向傳動(dòng)系統(tǒng)組成，采用了滾珠絲桿副直線的傳動(dòng)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(guò)X向、Z向伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲桿副，X向伺服電機(jī)控制絲桿副上Z向的水平運(yùn)動(dòng)，Z向伺服電機(jī)控制激光器及振鏡的運(yùn)動(dòng)。

圖1 振鏡原理示意圖

圖2 二維工作臺(tái)機(jī)械部分簡(jiǎn)圖

1.3 基于運(yùn)動(dòng)控制器的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

二維工作臺(tái)控制系統(tǒng)基本配置如下：運(yùn)動(dòng)控制器、伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、二維工作臺(tái)機(jī)械部分、激光器、振鏡系統(tǒng)、各軸的限位開(kāi)關(guān)和電源等。

運(yùn)動(dòng)控制器收到控制指令后發(fā)出脈沖信號(hào)控制伺服驅(qū)動(dòng)器，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、方向等[3]。二維工作臺(tái)到達(dá)指定位置后，將到位信號(hào)發(fā)給打標(biāo)控制卡，然后打標(biāo)控制卡發(fā)出激光標(biāo)刻的指令，完成一個(gè)工位的激光標(biāo)刻。通過(guò)工作臺(tái)機(jī)械部分的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)透鏡與不同工位零件的焦距變化，從而標(biāo)刻出精確清晰的圖案和文字。運(yùn)動(dòng)控制器有16路通用數(shù)字輸入(可以擴(kuò)展到32路)、8路通用數(shù)字輸出(可以擴(kuò)展到24路)，可連接各軸限位信號(hào)、原點(diǎn)信號(hào)以及其他設(shè)備的輸入量等?？刂破鱅/O信號(hào)接口的用途是接收各軸的行程開(kāi)關(guān)信號(hào)和報(bào)警信號(hào)，當(dāng)讀取到這個(gè)信號(hào)后使電機(jī)停止，避免機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)超出導(dǎo)軌范圍發(fā)生碰撞危險(xiǎn)。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(yùn)動(dòng)控制器的軟件設(shè)計(jì)

2.1 SM C6490運(yùn)動(dòng)控制器介紹

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

圖4 運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)物圖

2.2 系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)

基于SMC6490運(yùn)動(dòng)控制器的軟件開(kāi)發(fā)具有良好的開(kāi)放性，控制器支持C/C++、BASIC、G代碼等語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，可在這些環(huán)境下進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)工作。本文是基于G代碼進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)的。

本系統(tǒng)中，在決定采用G代碼進(jìn)行程序開(kāi)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(shí)現(xiàn)二維工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的功能。依照?qǐng)D5，使用G代碼對(duì)整個(gè)流程進(jìn)行編程。打標(biāo)控制卡發(fā)出的控制指令由運(yùn)動(dòng)控制器接收，并完成相應(yīng)動(dòng)作，控制器的操作流程分以下幾步：(1) 運(yùn)動(dòng)控制器初始化。在編寫(xiě)程序代碼之前，首先要確?？刂破饕呀?jīng)與PC機(jī)通過(guò)網(wǎng)口或串口連接，并且安裝好Motion6490測(cè)試軟件。啟動(dòng)調(diào)試軟件，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制功能的簡(jiǎn)單測(cè)試，以確保運(yùn)動(dòng)控制器軟、硬件工作正常。(2) 設(shè)置參數(shù)，運(yùn)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(dāng)量、回零速度、定位速度等?？蛇M(jìn)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(yùn)行。(3) 在調(diào)試軟件的程序編輯下在界面中導(dǎo)入程序，并運(yùn)行程序測(cè)試運(yùn)行結(jié)果，最終實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制器的脫機(jī)運(yùn)行。

圖5 順序控制流程圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于運(yùn)動(dòng)控制器搭建了一個(gè)多工位激光標(biāo)刻二維工作臺(tái)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)了不同工位透鏡與工件位置的自動(dòng)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(zhǎng)度智能變化的問(wèn)題，使得多工位激光標(biāo)刻加工更能滿足連續(xù)快速的要求，達(dá)到了激光標(biāo)刻精細(xì)清晰的預(yù)期效果，具有可靠的穩(wěn)定性及實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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

[2]申遠(yuǎn).大面積高精度衍射光柵刻劃?rùn)C(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與控制研究[D].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2012

[3]項(xiàng)小東，白國(guó)振.基于運(yùn)動(dòng)控制卡的伺服控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究[J].機(jī)電工程技術(shù)，2010(11)

2014-07-03

丁蘊(yùn)豐(1954—)，男，吉林長(zhǎng)春人，碩士研究生，副教授，研究方向：光機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)與系統(tǒng)集成、激光加工技術(shù)。