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激光打标是用激光束在各种待打标的材料表面打上永久的图形或文字。激光打标技术具有速度快、效率高、精度高、打标内容丰富,与材料无机械接触、无污染、成本低等优点。由于扫描振镜响应速度快、定位精度高,因此振镜式激光打标已成为激光打标的主要发展方向。
高速、高精度是振镜式激光打标努力方向,其决定因素主要有三方面:
(1)响应速度快,扫描精度高,抗干扰能力强的数字振镜;
(2)光斑直径小、圆度高、轮廓规则清晰的激光器;
(3)高速高精度的数字振镜控制系统。
在分析和比较各种打标机控制系统的基础上,本文提出了“PC机(上机位)+数字控制板卡(下位机)”的数字控制系统,其中数字控制板卡是控制系统的核心。国内公司的数字控制板卡采用“模拟控制板卡+DA板”方式,容易引入干扰,控制精度受到模拟控制板卡制约,并不是真正意义的数字控制板卡。本论文的主要内容就是设计一款真正意义上的数字控制板卡,直接输出数字信号以控制数字振镜和光纤激光器,实现高速高精度的激光打标。
为了设计激光打标数字控制板卡,采用DSP芯片作为控制板卡的主处理器,运算速度快,实时性高;使用具有高传输速率和支持热插拔的USB总线进行上位机与数字控制板的通信;打标图形的数据处理算法由具有高速运算能力的DSP完成,并将包含控制信息的信号传输到CPLD芯片;控制信号由具有强大逻辑控制功能的CPLD芯片按规定的时序输出,以减轻DSP芯片的负担;使用能传输差分信号且传输速度快、距离远的RS-485总线进行控制板卡与数字振镜和激光器的通信。
二维振镜物镜前扫描系统能够方便地校正离焦误差,使得激光束能够聚焦在同一焦平面上,但是会产生“桶-枕失真”。为了校正此失真,采用最小二乘曲线拟合的方法,在详细分析失真产生的原因的基础上,计算得到一个用扫描点坐标(x,y)表示的误差补偿多项式,对振镜的偏转角度进行一定的校正。
通过实验仿真可得,经过失真校正之后,可以将打标点的最大误差由3.2mm降至20um以内,同时还可以大幅减少系统误差的积累。结果表明,该打标控制系统可以实现高速、高精度的打标。