在線高速CO₂激光打碼機的制作方法

專利名稱：在線高速CO₂激光打碼機的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及產品包裝編碼與標記技術，激光加工設備與加工技
術，具體涉及一種在線高速C02激光打碼機。
背景技術：
傳統的產品及包裝編碼與標記技術是使用油墨、傳輸編碼或貼標，包 括熱傳輸打碼機、機械壓印系統、噴墨打印系統和打印-貼標系統。盡管他 們各有所長并均有各自特定的應用領域，但是激光打碼作為一種新的技術 進入編碼與標記行業，為制造商提供了又一個選擇。
激光打碼是利用高能量密度的激光束對目標作用使目標表面發生物 理或化學的變化從而獲得可見圖案的標記方式。激光打碼技術用燒灼和蝕 刻的工藝。燒灼是將印刷包裝上的表層如油墨去除，該過程使用恰如其分 的能量使油墨中的水分揮發，將油墨從基質上燒蝕掉。蝕刻是使用適量的
激光能在PET (如汽水瓶)、PS和PP等材料上熔蝕或者蝕刻出一個細槽。 燒灼和蝕刻技術所產生的編碼都是高質的、永久的、瞬時的。
在各種打碼方式中，振鏡式打碼因其應用范圍廣，可進行矢量打碼， 也可以標記點陣字符，且標記范圍可調，標記速度也較快，因而已成為目 前打碼方式的主流。
現有的激光打碼機一般采用計算機來控制。采用步進電機控制振鏡偏 轉，電壓信號決定其偏轉角度，-5￥偏轉到負方向最大，+5￥偏轉到正方 向最大。-5V— +5￥之間偏轉角度與電壓成正比，需采用模擬信號對其進 行控制。計算機輸出的是數字信號，所以采用數模卡將數字信號轉換為模 擬信號。目前常用數模卡的電壓輸出范圍都有-5V— +5V，所以一般數模卡均能滿足要求。但是數模卡有一定的輸出精度，有8位、10位、12位 及16位等，其輸出信號精度直接影響到振鏡的控制精度。
實用新型內容
本實用新型為了克服以上現有技術存在的不足，'提供了一種節約成 本、精度高、體積小的在線高速C02激光打碼機。
本實用新型的目的通過以下的技術方案實現本在線高速C02激光打 碼機，其特征在于包括遠程控制器、主控單元和打碼機，所述打碼機為 C02激光器打碼機，所述遠程控制器與主控單元信號連接，主控單元與打 碼機信號連接。
所述遠程控制器包括ARM微處理器、LCD顯示屏、矩陣鍵盤、DSPC 口、 RS232驅動模塊、閃存FlashROM、存儲器SRAM、存儲器NVSRAM 和外部總線擴展，ARM微處理器分別與LCD顯示屏、矩陣鍵盤、DSPC 口 、RS232驅動模塊連接，ARM微處理器通過總線分別與閃存FlashROM、 存儲器SRAM、存儲器NVSRAM連接，總線與外部總線擴展連接。
所述主控單元包括DSP微處理器、X數模轉換模塊、Y數模轉換模塊、 PWM驅動模塊、控制I/O模塊、HPI 口 、 RS232驅動模塊、閃存FlashROM、 存儲器SRAM、存儲器NVSRAM和外部總線擴展，DSP微處理器分別與 X數模轉換模塊、Y數模轉換模塊、PWM驅動模塊、控制I/0模塊、HPI 口、 RS232驅動模塊連接，DSP微處理器通過總線分別與閃存FlashROM、 存儲器SRAM、存儲器NVSRAM連接，總線與外部總線擴展連接。
所述DSPC 口與HPI 口通過HPIB接口連接。
所述打碼機包括C02激光器、擴束鏡、反射鏡、X方向振鏡驅動單元、 X方向掃描振鏡、Y方向掃描振鏡、Y方向振鏡驅動單元和平場聚光鏡； 激光器、擴束鏡、反射鏡、X方向掃描振鏡、Y方向掃描振鏡和平場聚光 鏡依照光路的傳遞路線依次排列，X方向振鏡驅動單元與X方向掃描振 鏡信號連接，Y方向振鏡驅動單元與Y方向掃描振鏡信號連接。所述C02激光器含風冷結構，波長l(^m ll|_im, C02激光器連接供 電電源；激光功率10W;供電電源輸入AC220V, 10%，輸出DC30V@6A， +15V@1A， -15V@1A，輸出功率210W。
所述反射鏡為兩個。
所述主控單元與激光器、X方向振鏡驅動單元、Y方向振鏡驅動單元 信號連接。
本在線高速C02激光打碼機的工作原理如下
由主控單元負責激光打碼機的系統控制與協調工作。DSP微處理器通 過X數模轉換模塊、Y數模轉換模塊將數字控制信號轉換成-5V +5V的模 擬電壓送入X方向振鏡驅動單元、Y方向振鏡驅動單元放大后驅動X方 向掃描振鏡和Y方向掃描振鏡兩個相互垂直方向的掃描振鏡工作。PWM 驅動模塊對激光器進行功率調節以控制激光能量。遠程控制器采用以 ARM微處理器為核心的嵌入式系統，構成激光打碼機的人機界面，負責 激光打碼機系統參數的設定，以及打碼內容和格式等的輸入，并與主控單 元通信實現激光打碼機的遠程控制。
主控單元的核心是DSP微處理器，內核為一個32位的數字信號處理 器，峰值指令執行速度達到150MIPS。主控單元其內集成32KW零等待周 期的隨機存儲器SRAM、 NVSRAM和256KW閃存FlashROM,其外圍控 制接口包括PWM驅動模塊、控制I/O模塊、外部總線擴展、HPI 口 、 RS232 驅動模塊。控制I/O模塊連接位置傳感器、速度傳感器、安全門開關等傳 感器信號，以實時監測生產線上產品的位置、運動速度等信息和控制生產 線的運轉，并反饋到DSP微處理器，DSP處理器針對這些數據信息作算 法處理后，對打碼機的X、 Y方向掃描振鏡偏轉進行調節，X、 Y方向掃 描振鏡將對激光束焦點進行高速振動。主控單元起著與遠程控制器、掃描 振鏡和激光器之間的硬件接口的作用，主控單元使得激光控制和掃描系統 的運動同步起來，并且完成圖像的校正，保證其掃描字符沒有枕形、桶形畸變，而且掃描的速度恒定不變。 ，
打碼物體可以是相對靜止的，即靜態打碼；也可以是在線連續運動的， 即動態打碼。當在生產線上進行動態打碼時，要考慮到產品的移動速度對 編碼形狀產生的影響，這樣主控單元就需要根據反饋回的生產流水線的傳 感信號計算出流水線上被加工工件由于運動所產生的位移偏差，對掃描振 鏡進行實時的修正來補償這個位移和速度。PWM驅動模塊對激光功率、 能量進行調節，閃存Flash ROM、存儲器SRAM和存儲器NVSRAM擴展 DSP微處理器的存儲空間，用于保存控制參數和打碼圖樣、數據等文件內 容。通過HPI 口可以實現DSP微處理器與遠程控制器內ARM微處理器的 通信，當遠程控制器把打碼機參數設定后或打碼文件編輯后通過兩者通信 可以實現信息的傳遞。
遠程控制器是一個以ARM微處理器為核心的嵌入式系統，構成了激 光打碼機的人機界面。ARM微控制器通過擴展LCD顯示屏和矩陣鍵盤來 完成用戶操作交互輸入輸出。ARM微處理器與DSP微處理器的溝通接口 是透過HPIB (Host Port Interface Bridge)接口來連接的，ARM微處理器 與DSP微處理器的16位并行接口 HPI 口相連，可以直接高速訪問DSP 微處理器的內部存儲空間，包括閃存FlashROM、存儲器SRAM和存儲器 NVSRAM，來完成ARM微處理器與DSP微處理器雙核的雙向通信，即 ARM微處理器向主控單元傳輸打碼文件和打碼機系統參數修改等信息， 主控單元把打碼機在線運轉狀況反饋給ARM微控制器并在LCD顯示屏顯 示出來以提醒用戶，如當前打碼的文件名，當前已完成打碼的產品數量， 當前生產線移動速度等，尤其重要的是當出現故障時，主控單元將對遠程 控制器通信以便及時產生報警信號通知用戶。RS232驅動模塊用于與臺式 機或手提PC相連進行數據上傳或下載。閃存FlashROM、存儲器SRAM 和存儲器NVSRAM用于擴展ARM微處理器的存儲空間，保存控制參數 和打碼數據、圖樣等文件。外部總線擴展預留總線接口，為擴展USB接口和網絡接口做準備。
本實用新型相對于現有技術具有如下的優點:近年來由于DSP技術發
展迅速，打碼機的振鏡偏轉的控制功能完全可以由DSP來完成，所以本實 用新型采用了 32位的DSP微處理器作為主控單元核心，對DSP微處理器 進行軟件程序的編寫，經多次調試成功后把程序刷寫到存儲器中。借助 DSP微處理器強大的數據運算和處理功能，把復雜的算法放到控制系統上 完成，便于控制算法的優化和提高，系統的功能和性能也得到提高，解決
了激光打碼機運動控制過程中的高速信息問題。因DSP微處理器自帶有數 模轉換功能(也就是X數模轉換模塊、Y數模轉換模塊)，所以無需采用 數模卡，自帶的D/A數模轉換單元不僅精度高，轉換速度快，而且因其集 成于主控單元內部，不易受到其他信號的干擾。經過DSP微處理器算法處 理后，X和Y兩個方向掃描振鏡偏轉角度實現了精密控制。同時DSP微 處理器還能對外部設備進行控制，如流水線上傳感器的限位信號，速度信 號，激光器信號和水溫水位信號等，DSP通過軟件編程來響應不同的外部 信號，從而完成相應的控制操作。而且與傳統的激光打碼機相比，本實用 新型用DSP主控系統嵌入式軟件控制方式取代了 PC機控制方式，節省了 用PC機控制的成本，減小了整個打碼機的體積，機器變得輕巧靈活，可 以方便地拆裝搬移，適應各種商品流水線。
本在線高速CCV激光打碼機用于非金屬材料表面雕刻，通過激光與物 質的作用，在物體表面形成清晰的編碼或標記，并且能夠方便快捷地對編 碼的內容進行制作、編排、輸出和更改，進一步滿足在線打碼的需要。與 其它的打碼技術相比，激光打碼無油墨，干凈無污染，無耗材成本，維修 費用低，系統誤工時間短，而且激光打碼技術的標記清晰、瞬時和永久。 本實用新型使用低功率射頻二氧化碳激光器和風冷式結構，電光轉換 效率高，光束質量好，維修少，環境污染小，重量輕。采用DSP微處理器 為核心的主控單元來控制激光器單元，同時DSP微處理器還通過精確的算
8法處理來調節X、 Y方向掃描振鏡的偏轉以實現在線打碼位置的精確性。 光點的移動通過X、 Y方向掃描振鏡的轉動來實現，打標速度可以提高到 3084mm/s，每分鐘可以完成30-40個生產日期的打碼，打標精度達到 O.lmm，分辨率達到0.1mm。標記內容可以多樣化，標記內容的制作可以 智能化。基于ARM微處理器的嵌入式遠程控制器可以完成編碼文件內容 的編輯、修改和保存，以及打碼時激光參數的設定等工作。通過ARM微 處理器與主控單元的雙向通信可以完全實現激光打碼機的人機交互，極大 的方便了激光打碼工作人員的操作。系統采用ARM微處理器+DSP微處 理器的控制模式，無須運用PC機，節約激光打碼機控制系統成本的同時， 系統具有良好的可擴展性、靈活性、穩定性、實時性和低功耗性的特點， 而且滿足尺寸小、重量輕、性能高、結構緊湊等要求。本實用新型適用于 許多行業產品的生產包裝線上，并能極大地提高生產線上商品在線打碼的 效率，具有廣泛的應用發展前景。

圖1是本實用新型的在線高速C02激光打碼機的結構總框圖。
圖2是圖1的主控單元的結構框圖。 圖3是圖1的遠程控制器的結構框圖。 圖4是圖2的主控單元與圖3的遠程控制器的連接框圖。 圖5是圖1的在線高速C02激光打碼機的結構示意圖。
具體實施方式

以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。
如圖1所示的在線高速C02激光打碼機，包括遠程控制器、主控單元 和打碼機，所述打碼機為C02激光器打碼機，所述遠程控制器與主控單元
信號連接，主控單元與打碼機信號連接。
如圖3所示，所述遠程控制器包括ARM微處理器、LCD顯示屏、矩 陣鍵盤、DSPC 口、 RS232驅動模塊、閃存FlashRO&、存儲器SRAM、存儲器NVSRAM和外部總線擴展，ARM微處理器分別與LCD顯示屏、 矩陣鍵盤、DSPC 口、 RS232驅動模塊連接，ARM微處理器通過總線分別 與閃存FlashROM、存儲器SRAM、存儲器NVSRAM連接，總線與外部 總線擴展連接。
如圖2所示，所述主控單元包括DSP微處理器、X數模轉換模塊、Y 數模轉換模塊、PWM驅動模塊、控制I/O模塊、HPI 口、 RS232驅動模塊、 閃存FlashROM、存儲器SRAM、存儲器NVSRAM和外部總線擴展，DSP 微處理器分別與X數模轉換模塊、Y數模轉換模塊、PWM驅動模塊、控 制I/0模塊、HPI口、 RS232驅動模塊連接，DSP微處理器通過總線分別 與閃存FlashROM、存儲器SRAM、存儲器NVSRAM連接，總線與外部
總線擴展連接。 '
如圖4所示，所述DSPC 口與HPI 口通過HPIB接口連接。 如圖5所示，所述打碼機包括C02激光器1、擴束鏡2、兩個反射鏡3、 X方向振鏡驅動單元4、 X方向掃描振鏡5、 Y方向掃描振鏡6、 Y方向 振鏡驅動單元7和平場聚光鏡8，圖中9為工件;激光器1、擴束鏡2、 反射鏡3、 X方向掃描振鏡5、 Y方向掃描振鏡6和平場聚光鏡8依照光 路的傳遞路線依次排列，X方向振鏡驅動單元4與X方向掃描振鏡5信 號連接，Y方向振鏡驅動單元7與Y方向掃描振鏡6信號連接。
激光器采用C02激光器1 (含風冷結構)，C02^光器l連接供電電 源，激光功率10W (連續)，激光波長10.62 ym;掃描振鏡X軸和Y軸 各一個，與之配套X方向振鏡驅動單元4、 Y方向振鏡驅動單元7。 DSP 微處理器采用型號為TMS320C54X， ARM微處理器采用型號為ARM-7。 供電電源輸入AC220V， 10%，輸出DC30V@6A， +15V@1A, -15V@1A， 輸出功率210W。
所述主控單元與激光器l、 X方向振鏡驅動單元4、 Y方向振鏡驅動 單元7信號連接。本在線高速C02激光打碼機的工作原理如下
由主控單元負責激光打碼機的系統控制與協調工作。DSP微處理器通 過X數模轉換模塊、Y數模轉換模塊將數字控制信號哼換成-5V—5V的模 擬電壓送入X方向振鏡驅動單元4、 Y方向振鏡驅動單元7放大后驅動X 方向掃描振鏡5和Y方向掃描振鏡6兩個相互垂直方向的掃描振鏡工作。 PWM驅動模塊對激光器1進行功率調節以控制激光能量。遠程控制器采 用以ARM微處理器為核心的嵌入式系統，構成激光打碼機的人機界面， 負責激光打碼機系統參數的設定，以及打碼內容和格式等的輸入，并與主 控單元通信實現激光打碼機的遠程控制。
主控單元的核心是DSP微處理器，內核為一個32位的數字信號處理 器，峰值指令執行速度達到150MIPS。主控單元其內集成32KW零等待周 期的隨機存儲器SRAM、 NVSRAM和256KW閃存FlashROM，其外圍控 制接口包括PWM驅動模塊、控制I/O模塊、外部總線擴展、HPI 口 、 RS232 驅動模塊。控制I/O模塊連接位置傳感器、速度傳感器、安全門開關等傳 感器信號，以實時監測生產線上產品的位置、運動速享等信息和控制生產 線的運轉，并反饋到DSP微處理器，DSP處理器針對這些數據信息作算 法處理后，對打碼機的X方向掃描振鏡5、 Y方向掃描振鏡6偏轉進行調 節，X方向掃描振鏡5、 Y方向掃描振鏡6將對激光束焦點進行高速振動。 主控單元起著與遠程控制器、掃描振鏡和激光器之間的硬件接口的作用， 主控單元使得激光控制和掃描系統的運動同步起來，并且完成圖像的校 正，保證其掃描字符沒有枕形、桶形畸變，而且掃描的速度恒定不變。
打碼物體可以是相對靜止的，即靜態打碼；也可以是在線連續運動的， 即動態打碼。當在生產線上進行動態打碼時，要考慮fj產品的移動速度對 編碼形狀產生的影響，這樣主控單元就需要根據反饋回的生產流水線的傳 感信號計算出流水線上被加工工件9由于運動所產生的位移偏差，對掃描 振鏡進行實時的修正來補償這個位移和速度。PWM驅動模塊對激光功率、能量進行調節，閃存Flash ROM、存儲器SRAM和存儲器NVSRAM擴展 DSP微處理器的存儲空間，用于保存控制參數和打碼圖樣、數據等文件內 容。通過HPI 口可以實現DSP微處理器與遠程控制器內ARM微處理器的 通信，當遠程控制器把打碼機參數設定后或打碼文件編輯后通過兩者通信 可以實現信息的傳遞。
遠程控制器是一個以ARM微處理器為核心的嵌入式系統，構成了激 光打碼機的人機界面。ARM微控制器通過擴展LCD顯示屏和矩陣鍵盤來 完成用戶操作交互輸入輸出。ARM微處理器與DSP微處理器的溝通接口 是透過HPIB (Host Port Interface Bridge)接口來連接的，ARM微處理器 與DSP微處理器的16位并行接口 HPI 口相連，可以直接高速訪問DSP 微處理器的內部存儲空間，包括閃存Flash ROM、存儲器SRAM和存儲器 NVSRAM，來完成ARM微處理器與DSP微處理器雙核的雙向通信，即 ARM微處理器向主控單元傳輸打碼文件和打碼機系統參數修改等信息， 主控單元把打碼機在線運轉狀況反饋給ARM微控制器并在LCD顯示屏顯 示出來以提醒用戶，如當前打碼的文件名，當前已完成打碼的產品數量， 當前生產線移動速度等，尤其重要的是當出現故障時，，主控單元將對遠程 控制器通信以便及時產生報警信號通知用戶。RS232驅動模塊用于與臺式 機或手提PC相連進行數據上傳或下載。閃存FlashROM、存儲器SRAM 和存儲器NVSRAM用于擴展ARM微處理器的存儲空間，保存控制參數 和打碼數據、圖樣等文件。外部總線擴展預留總線接口，為擴展USB接 口和網絡接口做準備。
激光器1輸出的激光依次經過X方向掃描振鏡5、Y方向掃描振鏡6、 平場聚焦鏡8會聚到生產線的工件9表面上，通過控制X方向掃描振鏡5、 Y方向掃描振鏡6的轉動可以控制激光束在材料表面的X軸方向(平行于 生產線方向)和Y軸方向(垂直于生產線方向)上任意移動。而不管X 方向掃描振鏡5、 Y方向掃描振鏡6的角度是多少，平場聚焦鏡8總能把準直激光束聚焦到同一個平面，從而打出相應的標記。.通過使用振鏡掃描
系統，避免了工具的機械磨損，能夠在工件9上為激光束快速而精確地定
位，因而具備很高的動態范圍、處理速度及靈活性，實現高速打標。
上述具體實施方式
為本實用新型的優選實施例，并不能對本實用新型 的權利要求進行限定，其他的任何未背離本實用新型的技術方案而所做的 改變或其它等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內。
權利要求1、在線高速CO2激光打碼機，其特征在于包括遠程控制器、主控單元和打碼機，所述打碼機為CO2激光器打碼機，所述遠程控制器與主控單元信號連接，主控單元與打碼機信號連接。
2、 根據權利要求1所述的在線高速C02激光打碼機，其特征在于所述遠程控制器包括ARM微處理器、LCD顯示屏、矩陣鍵盤、DSPC 口、 RS232驅動模塊、閃存FlashROM、存儲器SRAM、存儲器NVSRAM和 外部總線擴展，ARM微處理器分別與LCD顯示屏、矩陣鍵盤、DSPC 口、 RS232驅動模塊連接，ARM微處理器通過總線分別與閃存FlashROM、存 儲器SRAM、存儲器NVSRAM連接，總線與外部總線擴展連接。
3、 根據權利要求2所述的在線高速C02激光打碼機，其特征在于 所述主控單元包括DSP微處理器、X數模轉換模塊、Y數模轉換模塊、PWM 驅動模塊、控制I/0模塊、HPI 口、 RS232驅動模塊、閃存FlashROM、存 儲器SRAM、存儲器NVSRAM和外部總線擴展，DSP微處理器分別與X 數模轉換模塊、Y數模轉換模塊、PWM驅動模塊、控制I/O模塊、HPI 口、 RS232驅動模塊連接，DSP微處理器通過總線分別與閃存FlashROM、 存儲器SRAM、存儲器NVSRAM連接，總線與外部總線擴展連接。
4、 根據權利要求3所述的在線高速C02激光打碼機，其特征在于 所述DSPC 口與HPI 口通過HPIB接口連接。 ，
5、 根據權利要求3所述的在線高速C02激光打碼機，其特征在于 所述打碼機包括C02激光器、擴束鏡、反射鏡、X方向振鏡驅動單元、X 方向掃描振鏡、Y方向掃描振鏡、Y方向振鏡驅動單元和平場聚光鏡；激 光器、擴束鏡、反射鏡、X方向掃描振鏡、Y方向掃描振鏡和平場聚光鏡 依照光路的傳遞路線依次排列，X方向振鏡驅動單元與X方向掃描振鏡 信號連接，Y方向振鏡驅動單元與Y方向掃描振鏡信號連接。
6、 根據權利要求5所述的在線高速C02激光打碼機，其特征在于 所述C02激光器含風冷結構，波長10^im ll^im， C02激光器連接供電電 源；激光功率10W;供電電源輸入AC220V， 10%,輸出DC30V@6A， +15V@1A， -15V@1A，輸出功率2薩。
7、 根據權利要求5所述的在線高速C02激光打碼機，其特征在于所述反射鏡為兩個。
8、 根據權利要求5所述的在線高速C02激光打碼機，其特征在于 所述主控單元與激光器、X方向振鏡驅動單元、Y方向振鏡驅動單元信號 連接。
專利摘要本實用新型公開了一種在線高速CO₂激光打碼機，包括遠程控制器、主控單元和打碼機，所述打碼機為CO₂激光器打碼機，所述遠程控制器與主控單元信號連接，主控單元與打碼機信號連接。本在線高速CO₂激光打碼機通過激光與物質的作用，在物體表面形成清晰的編碼或標記，并且能夠方便快捷地對編碼的內容進行制作、編排、輸出和更改，進一步滿足在線打碼的需要。與其它的打碼技術相比，激光打碼無油墨，干凈無污染，無耗材成本，維修費用低，系統誤工時間短，而且激光打碼技術的標記清晰、瞬時和永久。
文檔編號B41J2/475GK201300587SQ20082020431
公開日2009年9月2日 申請日期2008年11月28日 優先權日2008年11月28日
發明者敏 周, 陽 李, 楊永強 申請人:華南理工大學