激光打标机使用方法使用说明书下载半导体激光打标机使用方法使用说明

目录

绪论 3
1　激光打标简介 4
1.1　激光的产生 4
1.2　激光的特点及应用 4
1.3　激光打标机的控制 5
2　全自动激光打标机系统设计 8
2.1　全自动激光打标机设计要求 8
2.2　全自动激光打标机整体设计方案 8
2.3 全自动激光打标机控制系统架构 8
2.4　激光器电气连接 10
2.5　自动控制系统 11
2.6  激光器、PLC、电脑之间的通讯 13
3  全自动激光打标机软件系统设计 15
3.1　自动控制流程 15
3.2　全自动激光打标机PLC程序编写 16
3.3  人机界面程序编写 19
４ 全自动激光打标机整机调试 22
4.1　打标对接信号的编辑 22
4.2  自动运行操作 23
结论 25
致谢 26
参考文献 27








    

绪论

激光打标自七十年代中后期以来，发展迅猛。1988年，它已占整个工业激光应用的29%，是最大的激光应用之一。在航空航天、自动化、电子、机械、核、食品，医药等工业应用广泛，销售数量和销售额都呈连续增长趋势。激光打标技术之所以发展如此之快，大约有三方面的原因：激光打标标性能可靠，打标质量高、速度快、灵活性强，易于自动化，集成化；激光器的小型化、商品化和价格降低，大大推动了激光达标技术的发展；其他相关技术如计算机技术、光学技术、机械扫描技术等提供了不可缺少的条件。
激光打标是利用高能量密度的激光束对目标作用,使目标表面发生物理或化学的变化 ,从而获得可见图案的标记方式。激光打标技术主要解决的问题有激光的散热问题；激光打标控制卡作为独立的运动控制卡，如何与其他自动化设备进行配合控制；最重要的是根据产品材料的特点选择好合适的激光器并且做好自动送料的电气控制。

1　激光打标简介

  

1.1　激光的产生

激光是一种特殊光，是一种电磁波，同样它是一种物质。
激光产生必须具备三个条件：有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质； 有外界激励源,使激光上下能级之间产生集居数反转；形成激光的内在依据有激光谐振腔，使受激辐射的光能够在谐振腔内维持振荡。如图1-1，激光物质是激光产生的首要条件，在外界激励下激光物质发生能级跃迁，从而产生光子；产生的光子在谐振镜的作用下来回振荡使激光能量增加，最后通过部分透射镜输出。


　　　　　　　　　　　　　　　图1-1　激光产生原理

1.2　激光的特点及应用

与一般光相比，激光具有四个特点： 
（1）亮度高 
由于激光的发射能力强和能量的高度集中，所以亮度很高，它比普通光源高亿万倍，比太阳表面的亮度高几百亿倍。 
（2）方向性好 
激光发射后发散角非常小，激光射出20公里，光斑直径只有20——30厘米，激光射到38万公里的月球上，其光斑直径还不到2公里。 
（3）单色性好 
激光的波长基本一致，谱线宽度很窄，颜色很纯，单色性很好。由于这个特性，激光在通信技术中应用很广。 
（4）相干性好 
普通光是自发辐射光，不会产生干涉现象。激光不同于普通光源，它是受激辐射光，具有极强的相干性，所以称为相干光。
　  激光广泛用于测距，生活中，农业，加工， 医疗，通信，舞台与唱片，科学研究，军事。激光打印机、激光清洗钻孔、切割、焊接以及淬火，是加工金属材料时最常用的操作。

1.3　激光打标机的控制 

激光的控制参数很多，如频率、波长、步长、方向和开光 实际应用中主要控制激光的开关、频率和方向。激光的这些参数都可以通过专业的激光控制卡和软件来实现改变。

1.3.1　金橙子激光打标卡
      金橙子激光打标卡是专业激光控制卡。包括的功能有： Laser 信号可设置可设为高电平有效，也可设为低电平有效。 PWM信号提供了差分驱动方式。 总共有 10 路通用输入信号；7 路通用输出信号，一路  Start  信号。其中，输入信号分为两组，一组需要在外部提供电源，另外一组不需要提供电源（开关形式）。输出 扩展轴 1、扩展轴2 步进电机控制信号。输出两路模拟量控制功率／频率。各个输入输出口的位置布置如图1-2 ：

图1-2 金橙子打标卡卡输入输出管脚

1.3.2 输入输出插座管脚定义 

CON1：DB15 振镜输出 
    振镜信号为数字信号，可以直接连接至数字振镜。由于数字振镜所用的数字信号传输协议不完全一样，所以，需要确认是数字振镜使用何种传输协议。如果振镜采用模拟信号，则需要接模拟 的转接板，通过该转换板转成模拟信号输出连接到模拟振镜。

 　CON2：DB25电源/IO 插座
该接口的1,14引脚为脉宽输出端，用于CO2或者YAG激光器的脉宽调制。3,4引脚为激光器的开始标刻信号控制口。当3,4引脚短路时，激光器开始标刻选中的内容。5,6,17，18引脚分别为SGIN0，SGIN1，SGIN2，SGIN3的输入口，且为开关型输入信号。24,25引脚分别为+5VDC电源与GND输入口。

CON3：DB9 飞标编码器
  　此端口在旋转标刻时使用，一般情况很少用到。

CON4：扩展IO 插座
1号引脚为S45GND,是通用信号4、5的负极性端。2,9引脚通用信号4、5的正极性端。3,11引脚为通用型号 6、7的正极性端。10引脚为通用型号6、7的负极性端。7、14、15引脚分别为通用输出信号4、5、6。


（3） 硬件连线说明
  　无源输入接法：如图1-3所示，当使用控制卡上的无源信号接入口时，只需要在外部接一个开关即可实现。该端口常用于外部脚踏开关的接入口。

图1-3　无源输入内部结构

有源输入接法：如图1-4所示有源信号接入口内部不带5V电源，需要在外部接入一个有源信号。该端口用于PLC信号的输入口。
  
图1-4　有源输入内部结构

1.3.3   EzCad2.1软件功能
EZCAD2.1软件是金橙子激光控制卡的配套实用软件。通过该软件用户可以自由编辑图案从而实现在物件上标刻。软件具有以下主要功能：自由设计所要加工的图形图案;支持TrueType字体，单线字体（JSF），SHX字体，点阵字体（DMF），一维条形码和二维条形码;灵活的变量文本处理，加工过程中实时改变文字,可以直接动态读写文本文件和Excel文件;可以通过串口直接读取文本数据;还有自动分割文本功能，可以适应复杂的加工情况;强大的节点编辑功能和图形编辑功能，可进行曲线焊接，裁剪和求交运算;支持多达256支笔（图层），可以为不同对象设置不同的加工参数;兼容常用图像格式。

2　全自动激光打标机系统设计

2.1　全自动激光打标机设计要求

实现双轨道打标，送料机自动将需要打标的料送料进入轨道，到达打标区域固定位子；每次打标十个，打完之后自动下料，并且对打标产品可以计数；具有故障报警功能，方便用户的故障解决；出现故障时停止工作，故障解决后自动进入下一步过程；打标过程的每个步骤可以实现手动控制；对于打标的内容能方便的改变。

2.2　全自动激光打标机整体设计方案

根据用户打标材料的不同选择合适的激光器，本案例采用半导体激光器，模拟振镜。用专业的激光控制卡金橙子LMC卡来实现对激光器的控制。用PLC控制送料轨道上的气缸实现自动送料、放料，同时由光纤放大器检测信号来计数、报警功能。由振盘来删选材料并送入打标轨道。文本显示器作为人机界面。

2.3 全自动激光打标机控制系统架构

全自动激光打标机所需要的元器件主要包括激光器、开关电源、人机界面、PLC、气动阀、电脑、及控制卡。详细清单如表2-1：

                      表2-1  全自动打标机元件清单

序号	元件名称	数量	型  号	生产厂家	备    注
1	四芯航插	1	P29J29-P20K		大四芯
2	五芯航插	1			小五芯，接振盘
3	九芯航插	1			接光纤激光机
4	保险丝座	1	HJ-102A	常州豪家电器	带φ6*30保险丝（10A）
5	滤波器	1	DL－6A1	常州国耀电子	大6A滤波器
6	轴流风扇	1	113FZY	苏州电讯	散热风扇
7	钥匙开关	1	LA39E-20YJ/K	上海二工	小钥匙开关
8	开关电源	1	S145-24	明纬	传感器电源
9	开关电源	1	S-350-27	明纬	激光器电源
10	开关电源	1	S-201-27	明纬	扫描头电源
11	三眼插头	1	T3-10	南京鸿雁	AC250V 10A三眼插头
12	蜂鸣器	1	AD16（24Vφ16）	上海二工	24V黑色长方形断续发声
13	文本显示器	1	MD204L	eView	作为人机界面
14	数据线	1	MD2-FX2N	eView	文本与三菱PLC这间通讯线
15	交流接触器	1	CJX2-1810	天正集团
16	固态继电器	2	JGX-1 D4810	浙江美格尔	控制振盘的通断
17	光纤放大器	4	FS-V11	Keyence	用于料子计数
18	光纤放大器	2	FF-11	嘉准电子	振盘控制
19	PLC	1	FX1S－30MT	三菱	自动控制器
20	冷水箱	1套		东露阳水箱	激光冷却
21	扫描头	2	6230	西安扫描头	激光的走向
22	打标控制卡	1	LMC	北京金橙子	激光的控制
23	电脑	1	联想E1311	联想
24	电磁阀	8	4V210-08 DC24V	亚德客	气动元件
25	气缸	6		亚德客	启动元件
25	振盘	2			整理料子送到道标轨道
26	四孔接线端子	2

                     

2.3.1　全自动激光打标机电气原理图
全自动激光打标机是通过Ezcad软件控制激光的功率，及编辑所需要的标刻内容。控制卡接收电脑传输过来的信息通过CON2口的14 ，3引脚来控制声光Q开光的PWM信号。同时控制卡通过CON1口控制扫描头的X-Y轴电机来控制激光在平面内的运动，配合激光的开关来绘制图画。由PLC来控制所需标刻的物品的送料，定位，及发送打标信号给控制卡和接受控制的结束信号。用专门定制的振盘来删选标刻物品，同时将物品送入打标轨道。由PLC检测光纤放大器信号来对打标物品进行计数。自动送料通过文本显示器来操作。如图2-2：

                           图2-2 全自动激光打标机原理图

2.4　激光器电气连接

激光器主要包括电源系统，光路系统，冷却系统，运动控制系统。
电源系统：
扫描头电机电源（±27VDC）：这两个电机用于控制激光在二维平面内的移动。该电源由两个27VDC电源组成。半导体（激光棒）电源（30VDC）:该电源给半导体内部氙灯供电，由此光子激发半导体产生所需要的激光。该电源从专业电源箱后部电源输出口接出，连接至半导体的电源线两端。控制卡电源（5VDC）：该电源用于控制卡供电。由控制卡的CON2 的24,25引脚接入。
光路系统：
 光路系统主要由激光棒，声光开关，谐振腔组成。
冷却系统（水冷）
  激光棒在工作的时候内部的氙灯会产生大量的热，若不采取降温设施，容易产生爆炸危险；声光开关本身不产生热，但在它工作的过程中，振荡晶体会将部分的激光散射到开关内部，从而产生热量需要冷却。
运动控制系统:
 运动控制系统就是控制扫面头里面的两个电机转动。电机的转动范围在±15度之间，当电机转动时，电机头部的镜片将激光体产生的激光经过二次的反射，从而达到控制激光运动的目的。
准值灯为光路辅助元件，对找好焦距的平面进行标记位置，方便用户找到焦距。激光器只有在焦距上才能标刻，在离焦状态无法达到打标效果。

2.5　自动控制系统

(1)主电源接线
主电源通过4芯航插接入，有钥匙开关和急停按钮来控制整个自动控制电路的电源通断情况。
进线电源首先给电脑、接触器线圈、及轴流电机、PLC供电。
总电源通过滤波器滤波，在给给个开关电源供电，以保证电源的稳定性。
由24VDC电源给光纤放大器提供工作电源。

（2）PLC 输入输出点控制表如图2-3 I/O表
                          
 表2-3  PLC I/O表

输入	作用	输出	作用
X0	打标卡OUT1	Y0	打标卡INPUT1
X1	打标卡OUT4	Y1	打标卡INPUT4
X2	里面导轨下料检测光纤	Y2	外轨推料气缸
X3	里面导轨料盒计数检测光纤	Y3	里面轨道吹气
X4	外面导轨下料检测光纤	Y4	外面轨道吹气
X5	外面导轨料盒计数检测光纤	Y5	蜂鸣器
X6	里面导轨上料检测光纤	Y6	里面轨道料子上定位气缸
X7	外面导轨上料检测光纤	Y7	里面轨道料子分料气缸
X10	里面导轨料满检测光纤	Y10	里面轨道料子下定位气缸
X11	外面导轨料满检测光纤	Y11	外面轨道料子上定位气缸
X12	里面导轨上定位气缸检测磁簧	Y12	外面轨道料子分料气缸
X13	里面导轨分料气缸检测磁簧	Y13	外面轨道料子下定位气缸
X14	里面导轨下定位气缸检测磁簧	Y14	里面轨道振盘控制
X15	外面导轨上定位气缸检测磁簧	Y15	外面轨道振盘控制
X16	外面导轨分料气缸检测磁簧
X17	外面导轨下定位气缸检测磁簧

（3）PLC输入
X0，X1为打标结束信号输入端。在激光打标结束后会输出一个30ms的脉冲，当PLC接到这个脉冲时，控制送料部分气缸开始下料。X2，X3为里轨下料计数光纤输入口。X2，X3采用高速脉冲计数方式。X4，X5为外轨道下料计数光纤信号输入口。X4,X5采用高数脉冲计数方式。X6，X7 分别为里轨道外轨道上料计数光纤信号输入口。该信号用于上料控制气缸开关作用。X10，X11为轨道料满信号输入口。当检测到料满时，通过控制固体继电器来控制振盘的通断。X12，X13，X14，X15,X16，X17分别为气缸上的磁簧开关信号。该信号用于检测行程气缸动作是否到位。
（4） PLC输出
Y0、Y1为打标控制信号。当轨道上料子定位完成时，PLC发送一个脉冲信号给激光控制卡。激光控制卡接到该信号时才开始标刻。Y2，Y6，Y7，Y10-Y13为电磁阀控制信号。当该信号接通时，电磁阀动作同时对应的气缸动作。Y5 是蜂鸣器控制信号。当打标过程出现异常情况时，蜂鸣器报警。Y3,Y4为吹起阀控制信号。在激光标刻过程中会有灰尘产生，利用气流将这些灰尘吹走，避免灰尘污染振镜。Y14,Y15是固体继电器控制信号。当轨道上料子满时，需要将振盘管段。而振盘内部接有很大的电感元件，频繁的通断会对控制卡信号照成干扰，影响打标效果。利用固体继电器来控制振盘通断是为了尽量减少振盘对电路的干扰。

2.6  激光器、PLC、电脑之间的通讯

控制卡是激光器的核心控制部分。电脑中的图案文本等数据信号，通过USB线传给控制卡。由控制卡负责将这些数据转换成电流信号从而实现对激光扫描头的控制。扫描头信号由CON1输出。因为CON1输出为数字信号，扫描头电机接受的是模拟信号所以需要通过D/A转换板来实现控制。
Q驱后面的9芯（8、9引脚）为外控信号口，可以通过控制卡C0N2口（1,14引脚）输出的PWM信号来控制激光的频率。
当要实现全自动打标时，控制卡的“开始打标”信号就不在是认为触发的了。这时需要PLC给控制卡一个 开始信号。从控制卡的引脚定义可以知道，控制卡提供了专门的输入输出信号口，其中CON3口6，2引脚为信号INT9输入口，CON4口2，1为信号INT5输入口，14，15，8引脚为信号OUT5,OUT6输出口。利用这些输入输出口即可实现由PLC来控制“开始打标”信号。
由于PLC所用的是24VDC而控制卡所用的是5VDC，因此在信号对接时要注意限流保护。同时本方案可编程控制器为三菱生产，信号为低电平有效，在与控制卡信号对接时需要加一个三极管来转换信号电平。
详细接线方法如图2-4：


图2-4   打标卡信号控制接线图

3  全自动激光打标机软件系统设计

3.1　自动控制流程 

PLC为送料打标部分的主要控制器。控制要求为：初始状态下，轨道上档料气缸关闭，中间定位气缸打开，下面放料气缸打开。按下“启动”按钮，设备进入自动工作状态。上挡料气缸打开，开始放料。当光纤放大器检测到十个料子的时候关闭上挡料气缸。上档料气缸到位后，中间定位气缸动作，将料子固定。定位到位，PLC向打标机发送开始打标信号，激光器开始打标。打标结束后，激光器向PLC发送打标结束信号。PLC接收到该结束信号时，打标轨道下挡料气缸打开，开始放料。光纤放大器检测到十个料子放完随即关闭下挡料气缸。同时打开上挡料气缸，开始新一次的送料、打标。自动控制流程图见图3-1：

图3-1 自动控制流程图






 打标过程中，对出现的异常情况需要进行报警，并且PLC能准确的判断是那部分出现的异常。异常报警情况如下：
（1） PLC已经发出气缸动作信号，但是PLC没有接收到气缸磁簧阀的到位信号，此时文本显示器显示气缸动作异常提示，并且蜂鸣器报警。
（2）送料气缸打开，在规定的时间内没有料子送入打标区域，进行上料异常报警
（3） 打标已经结束，下料气缸动作，光纤放大器没有检测到，或者没有计数满，在规定时间后进行下料异常报警。
   自动过程中，轨道最上方有一个光纤放大器作为振盘通断的信号检测。当轨道上料子满时，关闭振盘；无料时打开振盘。

 编程注意点：
（1） 因为是双轨道打标，激光某一时刻只可能发出一束激光，所以一个轨道上正在标刻时，另一个需等待对方标刻结束才能进行打标。YO与Y1之间需要互锁。
（2）下料速度为毫秒级，不能使用普通的信号输入来计数。应该使用高数计数器（X2-X5）来进行准确的计数。
（3）打标结束信号由控制卡输出，且信号高电平时间很短，PLC采用中断标志位来实现信号的接受。X0，M8170，X1，M8171。
（4）PLC所用电源为24VDC，控制卡所用电源为5VDC，信号对接时应特别注意限流，防止控制卡烧坏。
（5）气缸等控制对象之间步骤的先后顺序明确，所以采用步进梯形图编写程序。S0,S1为起始步。

3.2　全自动激光打标机PLC程序编写

3.3  人机界面程序编写

文本显示器是自动控制系统中常用的人机界面。本方案使用文本显示器作为人机界面，通过显示器上预定义的按钮功能来来对设备进行控制。
在文本显示器的域内可以任意的编辑用户所需要的的界面。主要功能有：指示灯，读取PLC内部的触点的通断情况；功能按钮，可以指定界面上的任意按键，对应PLC内部的触点打开或者关闭；页面跳转，指定按下某个按键时跳转到哪一个界面；报警列表，当设定PLC软元件M100为异常报警标志时，M100为ON时，界面自动显示 异常报警。
(1）新建项目设置PLC参数：PLC类型 FX1S，通信波特率9600，数据位 7，停止位 1，偶校验 ，RS232通讯。设置界面如图 3-2：

图3-2 文本显示器参数设置
(2） 编辑手动操作界面
定义好按钮命令，当按下“7”按钮时，轨道开始上料。同理按下“4”按钮时，轨道开始下料。在图示中设定“7”按钮按下时软元件 M50 瞬时ON；“4”对应 M51 瞬时ON；“9”对应  M54 瞬时ON；“6” M55瞬时ON；如图3-3：

图 3-3  显示器手动界面


(3) 编辑自动控制界面
按下“”时 M1为ON，设备开始进入自动状态；按下“”时，M1为OFF；按下“1”时，离轨道复位；按下“3”时外轨道复位。“7”，“9”为单个轨道工作使能控制按钮。如图3-4：




图 3-4  显示器自动控制界面

(4)  下载程序到文本显示器
将文本显示器下载口与电脑下载口通过RS232连接线可靠连接，点击下载，文本程序即可下到显示器里面。
当PLC程序与文本程序都下载好后，连接通讯线，文本显示器即可对PLC中软元件置位或复位。

４ 全自动激光打标机整机调试

4.1　打标对接信号的编辑

在打标软件中作图时，分为里外两个轨道，里面轨道打标输入口为IN5，输了信号为OUT5（脉宽30ms）。外面轨道打标的输入口为IN9，输出信号为OUT6（脉宽 30ms）。 
在生产时，先调出要打标的图形，使用软件进入标刻状态，然后启动自动送料，进行自动标刻。 
下面以一个例子说明具体一次作图的过程。注意对像列表中内容的变化。 
里面轨道打标内容为11.0592，阵列为1 行10列。 
外面轨道打标内容为22.1184。阵列为1 行10列。 
（1）输入文本 11.0592，设定好字体和字的大小，点修改菜单下的陈列项，设好陈列个数和间距，按确定，调整好打标位置。
（2） 选择阵列好的10个文本，可以在对象列表中框选。点工具栏上的群组功能。进行群组。
（ 3） 添加里面轨道输出口，输出口设为OUT5，输出设定为脉冲形式，脉宽30ms。完成后，如图4-1所示：

图4-1 打标信号输出信号设置
（4） 把里轨道文本的群组和里轨道输出口进行群组，设置里面轨道输入口为IN5，如图4-2至此里轨作图结束。

图4-2 打标输入信号设置
（6）  接下来是外面轨道的打标作图过程，与里面轨道作图过程相近。

4.2  自动运行操作

在主菜单界面,按下按钮后，进入自动界面，如图4-3。

图 4-3  自动运行界面
此时，按下后设备开始自动运行,振盘起振开始送料。需要注意的是，在开始自动打标前,必须先开启激光器,并打开打标软件，设置好打标文字，参考上述打标软件设置说明。否则当料子布满轨道时，会停在等待打标状态。
如果设置全部正确，设备进入自动打标状态，持续、高速的进行生产。在此过程中，如果出现上料、下料等等异常报警，请检查光纤、轨道、振盘等，排除异常后，按下相应轨道的复位钮（里轨，外轨），设备重新自动运行。
如果要停止自动运行，按下停止按钮后即可停止自动运行。

结论

本方案主要解决了激光如何按照客户的要求来实现打标图案，主要难点在于激光控制卡的信号如何与PLC之间实现通讯。同时信号的输出方式（高、低电平有效）决定了实物接线方式，实际应用中要特别的注意。在控制卡和PLC对接时，因为各自工作电压不同，切不可直接对接，需加中间隔离。对于图案的打标效果是需要通过操作者一定的时间和经验慢慢调试到最佳。在整机调试过程中经常会出现信号无法正确接受的情况，这时需要从原理图上找到原因，从而逐步的解决问题。 
在自动控制系统设计过程中，电气设备与机械设备的配合是需要技术人员在平时设计过程中相互的交流来实现控制的效果，机械是实现自动化不可缺少的部分。因为专业知识有限对于机械设计部分本方案中没有给出实现方法还有待改进。

参考文献

1  初航 《三菱 FX系列编程及应用》 电子工业出版社 2011
2 《TP 200 编程手册》 2011
3 《USB_LMC1 打标控制卡硬件指导》   北京金橙子公司 
4  陈鹤鸣 《激光原理及应用》 电子工业出版社 2009
5  中国国际工程设计研究院 《电气设计50》 北京机械工业出版社 2005
6  冯如 《 Auto cad 2008自学手册》 人民邮电出版社 2008