徐麗，李向東*，張延波，狄曉龍

(1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所，山東 濟(jì)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(tǒng)在激光打標(biāo)機(jī)領(lǐng)域經(jīng)歷了大幅面時(shí)代、轉(zhuǎn)鏡時(shí)代和振鏡時(shí)代，控制方式也完成了從軟件直接控制到實(shí)時(shí)處理、分時(shí)復(fù)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(xiàn)，又對(duì)光學(xué)過程控制提出了新的挑戰(zhàn)[1]。

國(guó)際上，Raylase公司、Scanlab公司和Scaps公司等聯(lián)合開發(fā)的系統(tǒng)可以根據(jù)導(dǎo)入的三維曲面模型的表面信息對(duì)Z軸的焦距進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦，在三維物體表面標(biāo)刻出清晰的圖形。Fraser等[2]開發(fā)了集成三維成像系統(tǒng)的三維激光標(biāo)刻機(jī)，通過獲得三維圖像，用激光控制器控制標(biāo)刻，解決了工件定位問題，簡(jiǎn)化了集成，提供了可用于質(zhì)量控制的表面三維數(shù)據(jù)。

而在國(guó)內(nèi)，大部分國(guó)產(chǎn)激光打標(biāo)機(jī)是靠人將工件放在打標(biāo)機(jī)上進(jìn)行標(biāo)記，自動(dòng)化程度低。在異形工件打標(biāo)方面，武漢測(cè)繪科技大學(xué)研制出集平面打標(biāo)和圓柱面打標(biāo)于一身的曲平面激光打標(biāo)機(jī)；南開大學(xué)實(shí)現(xiàn)了大幅面平面樣品以及曲面樣品的打標(biāo)。陳良輝等[3]研究了三維激光振鏡系統(tǒng)和兩軸數(shù)控回轉(zhuǎn)臺(tái)構(gòu)成的五軸數(shù)控三維曲面激光技術(shù)的基本原理和二維矢量紋理映射的技術(shù)方法，以實(shí)現(xiàn)三維模具紋理的精密精細(xì)加工。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在異形曲面打標(biāo)過程中主要存在兩個(gè)問題，一是打標(biāo)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(biāo)范圍的擴(kuò)大，打標(biāo)變形嚴(yán)重?？傊?，國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的研究起步較晚，關(guān)鍵性技術(shù)的突破還需要大量的工作。

本文在已有的平面打標(biāo)機(jī)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，通過紅外自動(dòng)對(duì)焦實(shí)現(xiàn)定位反饋，同時(shí)利用旋轉(zhuǎn)軸、分段軸、定位軸三軸聯(lián)動(dòng)，設(shè)計(jì)了一種新的對(duì)異形工件的打標(biāo)系統(tǒng)。

1 多異形三維激光打標(biāo)系統(tǒng)及設(shè)計(jì)

1.1 多異形三維激光打標(biāo)系統(tǒng)

多異形三維激光打標(biāo)系統(tǒng)，是在平面打標(biāo)機(jī)基礎(chǔ)上研制出來的。將紅外對(duì)焦與擴(kuò)展軸(旋轉(zhuǎn)軸、分段軸)融合，組成三軸聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)多異形工件打標(biāo),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，實(shí)物裝置如圖2所示。

圖2 多異形三維激光打標(biāo)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.2 Physical drawing of a multiabnormity three-dimensional laser marking system

多異形三維激光打標(biāo)系統(tǒng)主要由激光器、振鏡模塊、三軸聯(lián)動(dòng)模塊、打標(biāo)控制卡及打標(biāo)控制軟件等部分組成?？刂瓶ㄕ耒R信號(hào)以數(shù)字信號(hào)的方式傳輸至振鏡驅(qū)動(dòng)卡，其抗干擾能力強(qiáng)同時(shí)控制精度準(zhǔn)確。其中，打標(biāo)控制卡是打標(biāo)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)從上位機(jī)接收并轉(zhuǎn)化成打標(biāo)數(shù)據(jù)，完成整個(gè)下位機(jī)的控制工作。

1.2 三軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1 三軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)

基于異形打標(biāo)的研究，工件在打標(biāo)過程中不僅要完成上、下和前、后直線運(yùn)動(dòng)等，同時(shí)還要完成轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)采用數(shù)字化仿真建模[4]，通過改進(jìn)多軸運(yùn)動(dòng)的插補(bǔ)算法[5]，優(yōu)化機(jī)械受力的結(jié)構(gòu)[6]，計(jì)算三軸聯(lián)動(dòng)的參數(shù)[7]，設(shè)計(jì)了三軸聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)。三軸聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)包括X軸分段軸、Y軸自動(dòng)對(duì)焦軸、A軸旋轉(zhuǎn)軸、工作臺(tái)、樣品夾具以及底座。三軸聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 三軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural diagram of a three-axis linkage system

1.2.2 三軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

三軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)由X軸電機(jī)、Y軸電機(jī)、A軸電機(jī)、X軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、Y軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、A軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、現(xiàn)為可縮程邏輯門陣列FPGA(field programmable gate array)控制器和開關(guān)電源模塊、打標(biāo)控制卡中的擴(kuò)展軸控制模塊構(gòu)成，控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 三軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Structural diagram of a three-axis linkage control system

PCIE-FIBER 專用打標(biāo)控制卡發(fā)出指令,通過交流伺服驅(qū)動(dòng)器完成伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的所有細(xì)節(jié)(包括脈沖和方向的輸出、自動(dòng)升降帶的處理及原點(diǎn)和限位信號(hào)的檢測(cè)等)。同時(shí)，通過該卡的專用輸入、外接原點(diǎn)、限位等開關(guān)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)回原點(diǎn)、保護(hù)等功能。

2 打標(biāo)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

激光打標(biāo)機(jī)的上位機(jī)軟件是客戶端應(yīng)用程序，必須擁有界面友好、操作簡(jiǎn)單易懂的特點(diǎn)。系統(tǒng)在激光打標(biāo)控制軟件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

激光打標(biāo)機(jī)主要功能是用激光束在各種不同的物質(zhì)表面打上永久的標(biāo)記，這些標(biāo)記可以是文字、數(shù)字，或者是圖形[9]。用戶可以通過該軟件的客戶區(qū)進(jìn)行簡(jiǎn)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(shù)字等，另外也可以從外部導(dǎo)入已經(jīng)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(zhuǎn)換成控制卡需要的數(shù)據(jù)文件，然后傳輸給控制卡進(jìn)行打標(biāo)[10]。

根據(jù)軟件工程理論中結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)思想和自頂向下、逐步細(xì)分的設(shè)計(jì)原則，將軟件整體功能劃分為若干模塊，各個(gè)模塊再細(xì)分為子模塊。軟件設(shè)計(jì)的總體框圖如圖5所示。

圖5 打標(biāo)軟件系統(tǒng)功能模塊圖Fig.5 Laser marking software system function module diagram

軟件系統(tǒng)分為異形打標(biāo)模塊、打標(biāo)卡指令集模塊、字符數(shù)據(jù)庫(kù)模塊三大功能模塊。異形打標(biāo)模塊主要完成打標(biāo)圖形生成與處理、文件操作、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)傳輸與處理、打標(biāo)卡命令控制和打標(biāo)控制等6個(gè)功能；打標(biāo)卡指令集模塊主要完成打標(biāo)卡操作指令定義、存儲(chǔ)、調(diào)用功能；字符數(shù)據(jù)庫(kù)模塊則完成字符調(diào)用功能。

用戶在客戶區(qū)進(jìn)行繪制圖元、圖形屬性設(shè)置、填充處理或者文件操作，完成打標(biāo)圖形的繪制處理，并根據(jù)工件形狀通過系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊完成激光參數(shù)、紅光參數(shù)、位置參數(shù)和標(biāo)刻模式設(shè)置，啟動(dòng)軟件打標(biāo)功能。

上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)傳輸與處理模塊的數(shù)據(jù)，經(jīng)分析處理傳輸命令給打標(biāo)卡進(jìn)行大量復(fù)雜的運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，調(diào)用指令集指令、自動(dòng)編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光、振鏡掃描的實(shí)時(shí)控制，同時(shí)軟件在生產(chǎn)線模式下即飛行標(biāo)刻的模式，以10 μs的采樣速度，對(duì)傳輸帶的運(yùn)動(dòng)速度、方向進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采集的結(jié)果交給打標(biāo)卡進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，從而對(duì)位移實(shí)現(xiàn)變化的修正[11]。打標(biāo)結(jié)束后，啟動(dòng)結(jié)束打標(biāo)功能，對(duì)數(shù)據(jù)、字符、命令等緩存區(qū)進(jìn)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(diǎn)，提出相應(yīng)的算法。圓柱、弧面、球面這種異形面利用旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行標(biāo)刻，大幅面利用分段軸標(biāo)刻[12]，拉伸面、斜面、段差則可以紅外對(duì)焦、分段軸、旋轉(zhuǎn)軸融合三軸聯(lián)動(dòng)方式進(jìn)行融合標(biāo)刻。在控制軟件[13-14]上設(shè)置好異形面的參數(shù)，上位機(jī)依據(jù)設(shè)置的參數(shù)，將控制命令傳輸給打標(biāo)卡，打標(biāo)卡生成脈沖信號(hào)或開關(guān)信號(hào)，進(jìn)行打標(biāo)。

異形面打標(biāo)流程如圖6所示，包括如下步驟：

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

(1)操作人員在打標(biāo)控制軟件中繪制或打開需要打標(biāo)的圖形，設(shè)置激光器參數(shù)，設(shè)置工件形狀參數(shù)：工件長(zhǎng)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(shè)置其打標(biāo)圖案直徑d(mm)或周長(zhǎng)c(mm)；若工件形狀為斜面、段差，則設(shè)置斜面?zhèn)€數(shù)、角度、長(zhǎng)度、寬度。

(2)打標(biāo)之前設(shè)置工件形狀是否是異形。若否，發(fā)送平面打標(biāo)參數(shù)給打標(biāo)控制卡;若是，提示設(shè)置擴(kuò)展軸打標(biāo)，設(shè)置參數(shù)，并發(fā)送工件形狀、激光器等相關(guān)參數(shù)給打標(biāo)控制卡。

(3)打標(biāo)控制卡接收到打標(biāo)指令，檢測(cè)激光、自動(dòng)聚焦是否正常。若正常返回上位機(jī)“OK”，并開始打標(biāo)；設(shè)置錯(cuò)誤返回“Err”，提示激光、自動(dòng)聚焦有異常。

(4)控制卡分析打標(biāo)模式，若是異形打標(biāo)，控制卡則設(shè)置接收的異形打標(biāo)擴(kuò)展軸參數(shù)；若工件形狀為圓錐、球面、圓柱，設(shè)置擴(kuò)展軸為旋轉(zhuǎn)軸，發(fā)送旋轉(zhuǎn)標(biāo)刻命令；若工件為大幅面，設(shè)置擴(kuò)展軸為分段軸，發(fā)送分割標(biāo)刻命令；若工件形狀為斜面、段差，設(shè)置擴(kuò)展軸為旋轉(zhuǎn)軸和分段軸融合，發(fā)送聯(lián)動(dòng)標(biāo)刻命令。

(5)控制卡接收到旋轉(zhuǎn)標(biāo)刻命令，控制Y軸電機(jī)進(jìn)行自動(dòng)對(duì)焦，控制A軸按照設(shè)定方向、步長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行標(biāo)刻，標(biāo)刻結(jié)束后給上位機(jī)返回“OK”指令。

(6)控制卡接收到分割標(biāo)刻命令，控制Y軸電機(jī)進(jìn)行自動(dòng)對(duì)焦，控制X軸按照設(shè)定方向、步長(zhǎng)移動(dòng)，進(jìn)行標(biāo)刻，標(biāo)刻結(jié)束后給上位機(jī)返回“OK”指令。

(7)控制卡接收到聯(lián)動(dòng)標(biāo)刻命令，控制Y軸電機(jī)進(jìn)行自動(dòng)對(duì)焦，控制A軸按照設(shè)定方向、步長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)，控制Y軸按照設(shè)定方向、步長(zhǎng)左右移動(dòng)，進(jìn)行標(biāo)刻，標(biāo)刻結(jié)束后給上位機(jī)返回“OK”指令。

(8)標(biāo)刻過程中若有異常，則操作人員可以觸發(fā)停止鍵停止標(biāo)刻，返回到上位機(jī)處理單元進(jìn)行處理。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 異形工件樣品

應(yīng)用多異形三維激光打標(biāo)系統(tǒng)，采用旋轉(zhuǎn)打標(biāo)、分段打標(biāo)、聯(lián)合打標(biāo)的方式，在圓柱、弧面、球形、大幅面、拉伸、斜面工件上進(jìn)行圖案、文字打標(biāo)，實(shí)現(xiàn)異形工件打標(biāo)。工件如圖7所示。

圖7 異形工件樣本Fig.7 Abnormity samples

3.2 實(shí)驗(yàn)方案

應(yīng)用多異形三維激光打標(biāo)系統(tǒng)，采用旋轉(zhuǎn)打標(biāo)、分段打標(biāo)、聯(lián)合打標(biāo)方式標(biāo)刻。具體步驟為：

第一步，將工件放置在工作臺(tái)上；第二步，打開打標(biāo)系統(tǒng)和打標(biāo)控制軟件，進(jìn)行客戶繪制或者打開待標(biāo)刻的圖形或文件，設(shè)置打標(biāo)圖案長(zhǎng)度、寬度和激光功率、速度、頻率等，設(shè)置工件形狀是否為異形、異形種類，選擇打標(biāo)方式，并將這些參數(shù)發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)與打標(biāo)控制卡通信完成參數(shù)配置；第三步，打開紅光顯示，并將對(duì)焦定位系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)焦；第四步，點(diǎn)擊開始標(biāo)刻；第五步，打標(biāo)卡發(fā)送對(duì)應(yīng)標(biāo)刻命令，擴(kuò)展軸按照軟件設(shè)置步驟進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)操作，并進(jìn)行激光打標(biāo)；第六步，按照工件的形狀、打標(biāo)圖案重復(fù)第五步N次，完成打標(biāo)。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用旋轉(zhuǎn)打標(biāo)方式，在圓柱、球形、弧面工件上進(jìn)行打標(biāo)實(shí)驗(yàn)，打標(biāo)效果如圖8(a)所示；采用分段打標(biāo)方式，在大幅面工件上進(jìn)行打標(biāo)實(shí)驗(yàn)，打標(biāo)效果如圖8(b)中所示；采用聯(lián)合打標(biāo)方式，在拉伸、斜面工件上進(jìn)行打標(biāo)實(shí)驗(yàn)。調(diào)節(jié)激光的參數(shù)[15]、工件幅面、打標(biāo)深度、打標(biāo)密度等參數(shù)進(jìn)行了多次測(cè)試。圓柱、球形、弧面工件打標(biāo)效果如圖8(c)所示。從圖8中可以看出，該系統(tǒng)能夠在異形工作曲面上標(biāo)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(jié)論

本文在傳統(tǒng)的打標(biāo)機(jī)基礎(chǔ)上采用紅外對(duì)焦與擴(kuò)展軸融合方法以及多異形面打標(biāo)軟件設(shè)計(jì)，解決了傳統(tǒng)激光打標(biāo)無法自動(dòng)在大幅面、異形等工件打標(biāo)雕刻的缺陷，集成了激光檢測(cè)、自動(dòng)調(diào)焦、激光設(shè)備與自動(dòng)化的連接配合等設(shè)備，通過調(diào)節(jié)激光的參數(shù)、工件幅面、打標(biāo)深度、打標(biāo)密度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)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(biāo)，并且在打標(biāo)工件上解決了異形打標(biāo)圖形拉長(zhǎng)和傾斜等變形問題，讓刻印圖案更加接近原本形態(tài)。