激光打标机数控系统控制原理

　　激光打标机主要用于金属、非金属固体材料表面刻划出字符和图形，在许多行业中都有着广泛的应用。例如，在活塞环上打出工厂的商标；在程控电话机的塑料接插件上打上编号；在集成电路上打上型号及厂标等。没有激光打标机，通常使用钢印或印刷做上标记，这种方法易破坏工件，且易受到非法厂家的假冒。而激光打标机，不仅打标美观，且具有较强的防伪性。目前，进口的激光打标机功能先进齐全，但价格昂贵；国内也有类似产品，虽然价格低廉（进口产品的五分之一），但功能单一，可靠性也不尽人意。

　　激光打标机数控系统控制原理

　　激光打标机由激光电源、激光器、两座标工作台及数控系统四部分组成。数控系统根据用户输入的程序及打标工艺参数，控制工作台作相应的移动。在走到某一字符或图案点处便发出激光打标机命令，激光器接收到该命令后发射出脉冲激光，激光束通过光学反射镜组聚焦在被加工物表面。在强功率激光作用下，使物体表面熔融或蒸发而形成痕迹。这些点阵组合起来就是要刻划的字或图案。原理图如图1所示。根据工作台的移动方式，激光打标机可分为三类：

　　1、扫描式打标；

　　2、笔顺式打标；

　　3、路径优化式打标。

　　图1激光打标机原理图

　　系统的软硬件设计

　　激光打标机数控系统的控制器选用以8031单片微机为例，硬件框图如图2所示。

　　图2数控系统硬件构图

　　系统软件包括用户图标编辑、用户自定义图案库生成、打标计算及控制、图标程序管理、工件计数、程序校验等，如图3所示。本文对如何用单片机语言编写系统软件不做赘述，主要对前三种功能的实现方法进行讨论。

　　图3系统软件

　　（1）图标程序编辑

　　由于系统采用单片机控制，数码管显示，所以图标程序采用格式化提示性输入。一个图标程序由若干字段组成，每个字段又由该字符（或图案）的所有打标信息组成。例如要打标"1998"，字符1、9、9、8组成了该程序的各个字段。一个字段包括6个信息元素：（1）字符标识符，（2）字符类型，（3）X坐标，（4）Y坐标，（5）点间距，（6）重打次数。采用该结构并按提示方式编辑图标程序，易输入、修改，不易出错。

　　（2）自定义图案

　　用户需要打标特殊文字或图案时，由于内部字库无法提供，所以采用自定义图案方式生成自己的图案库，每个自定义图案包括三部分信息：（1）字符类型，（2）字符标识符，（3）点阵代码。点阵代码的输入按图案点阵从左到右、从上到下顺序进行，每次输入一个字节的点阵。图案较大时，可以分块定义。

　　（3）打标控制

　　根据图表程序按字符标识符和字符类型调入字符点阵，并构成字符位图，由位图经过路径优化转化成工作台的到达指定位置并输出打标信号，完成一点打标。其中路径优化是打标控制需要解决的关键问题。

　　众所周知，路径优化是一世界性难题，目前尚无最优解，最邻近算法是最广泛采用的方法，编程简单、容易理解，可靠性也较高，可以获得良好的结果。由于该算法近似精度为a≤1/2（InN+1），算法计算复杂性为0（nXn），所以这种方法有时也可能很差，达不到优化目的，在数据点较多时，具有较高的计算发杂性。作者以最邻近算法为基础并依据点阵位图，将其演化成本文的算法。该算法的步骤如下：

　　①、位图中找出第一个点（I，J）,并转换成位移量，同时将该店在点阵位图中设置为零。

　　②、在（I，J）的相邻点（I+i,J）、（I-i,J）、(I,J+j)、(I,J-j)、（I+i,J+j）、（I-i,J,J+j）、（I-i,J-j）、（I+i,J-j）按顺序找出下一个打标点（I,J）(i和j的取值为1、2、3…,受点阵位图边界控制)。将（I,J）转换成位移量，同时将该店在点阵位图中置为零。

　　③、判断点阵位图中是否还有为1的位，仍有为1的位时，则以（I,J）为新的起点，返回步骤②，否则优化完成。在步骤②中，由于图案点阵是按字节从左到右、从上到下顺序排列，所以该算法可以最快找到最邻近点，无须遍历所有点。因此大大提高了优化速度，这在本文打标的实时控制中尤其重要。