一种激光打标控制卡的制作方法
【专利摘要】本发明属于激光打标设备领域，涉及一种激光打标控制卡，尤其涉及金属零部件直接部件标印、条码识读与验证系统。本发明提供的激光打标控制卡能够提供对激光打标机、条码识读设备、工装转台综合控制，使得零部件实现从条码标刻结束立即获得条码质量检验结果，便宜人们发现金属零部件条码标印的质量问题，改善条码标印工艺，而且零部件的条码标印工艺参数与质量检验结果等信息实现无缝关联，从根本上解决了现有的直接部件标印系统的直接部件标印设备和条码识读与检验设备的分离控制、他们各自的应用软件无法交互数据、信息化程度不高的问题。
【专利说明】一种激光打标控制卡
【技术领域】
[0001]本发明属于激光打标设备领域，涉及一种激光打标控制卡，尤其涉及金属零部件直接部件标印、条码识读与验证系统。
【背景技术】
[0002]传统的条码标印手段是通过条码打印机将标印信息打印在标签后附在产品上。由于标签易于出现污损、丢失，以及零件太小无法粘贴标签的情况，限制其在恶劣环境下的应用；相对于标牌标签等间接标印方法，直接部件标印技术能够制作在产品全寿命周期内可方便准确识读的条码标印。零件直接标印技术能够直接在零件表面制作永久的图形和文字，实现零件的永久性标识，用于产品和零部件全寿命周期的跟踪和追溯。应用零件直接标印技术制作二维条码，能够实现数据的自动采集，提高产品跟踪管理和质量追溯的效率。直接标印技术越来越广泛地应用于航空航天、电子与半导体、汽车、军队枪械和资产管理、制药和医疗保健等行业。
[0003]如果生产商要实现直接部件标印技术的益处，关键是直接部件标印设备能够在部件表面加工出产品全寿命周期具有高识读率的标识。在下游的生产或者供应链运作的每个期望的步骤如果无法读取产品永久性标识，可能会导致制造错误、产品报废或者停产。条码验证提供客观确定标识质量的方法，该方法通过已经建立的规范或者标准比较部件标识的质量等级。验证的目标是保证所标印的条码具有最高的质量等级。标识验证同时可以监视直接部件标印设备的性能。验证系统能够立即报告标印设备的可能出现的问题，比如部件的夹具差、点阵式设备因磨损或者折断的损坏、标识材料表面发生变化或者部件更换后机器设置不正确等。
[0004]一种常见的直接部件标印系统通常由激光蚀刻、点针式打点、喷墨或者化学腐蚀原理在产品零部件表面加工永久性标识。
[0005]一种常见的条码验证系统包括固定安装的相机、光学部件、部件夹具和条码验证软件工具。直接部件标印验证系统能够适用于被标印产品表面材料的不同状况。具有嵌入式验证软件的智能相机读取标识符号并与规范比较，生成一个关于规范中每个参数的报告，并最终给出标识质量的等级。验证与表面颜色、表面光洁度和标印技术相关。
[0006]目前，所使用的直接部件标印、识读与验证系统组成为:直接部件标印设备和固定安装式或者手持式条码识读与验证设备。条码标识标印设备和识读与验证设备可以放置在同一工作车间，通过USB或者以太网与同一台计算机或者不同计算机连接，由主机端各自不同的软件控制设备的操作。使用方法如下，技术员使用条码标识标印设备在产品表面制作永久性标识，然后再使用条码识读与验证设备对产品标识进行验证。该方式需要繁杂的人工操作，比如产品在标识标印工作台夹具的设置到条码识读工作台夹具设置的移动与转换，该方式效率低不高，自动化程度低下，已经成为了直接部件标印系统的提高生产率的瓶颈，且数据在条码标识标印软件和条码识读与验证软件之间无法进行交互，制约了产品生产线的信息化。目前，尚且没有支持直接部件标印的控制系统，完全地解决产品标识标印及条码识读与验证设备分离、工作效率低下的问题。
【发明内容】
[0007]为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是:提供一种能够为激光打标机、条码识读设备、工装转台进行控制的激光打标控制卡。
[0008]本发明采用的技术方案是:
[0009]打标控制卡包括王控制器、USB2.0微控制器、存储单兀、光稱隔尚单兀、差分彳目号驱动单元、工装转台控制单元、I/O接口单元，主控制器实现USB设备接口控制，激光发生器模块控制，二维振镜控制以及存储单元的读写操作；USB2.0控制器实现控制卡与计算、条码识读设备的通讯；光耦隔离单元将主控制器输出的激光发生器模块控制信号进行隔离，并实现LVTTL电平到TTL电平的信号转换；差分信号驱动单元将主控制器输出的单端二维振镜控制信号转换为差分信号；工装转台控制单元实现对工装转台的运动控制；存储单元存储打标数据、打标参数以及条码检验结果；I/O接口单元实现通用的输入输出信号控制。
[0010]激光打标控制卡的工作步骤:
[0011]步骤I，控制卡USB微控制器接收计算机发出的启动打标指令；
[0012]步骤2，控制卡根据打标计数器的计数值跳转到各个子流程:如果对第一个零部件打标，则转入初次打标子流程；如果对最后一个零部件打标，则转入末次打标子流程；如果连续对多个零部件打标，则转入连续打标子流程；
[0013]步骤3，控制卡发出关闭所有设备工作指令，停止打标；其中，
[0014]a)初次打标子流程的工作步骤:
[0015]步骤1，控制卡的I/O接口单元触发外部机械装置放置等待打标的零部件；
[0016]步骤2，控制卡的工装转台控制单元输出控制信号，驱动工装转台步进90度角；
[0017]步骤3，控制卡的USB微控制器接收计算机传输过来的打标数据，控制卡的光耦隔离单元输出激光发生器的控制信号，驱动激光发生器开关光，控制卡的差分信号输出二维振镜的偏移信号，驱动二维振镜运动，激光通过光路系统及二维振镜的运动实现在零部件标刻条码；
[0018]步骤4，控制卡的工装转台控制单元输出控制信号，驱动工装转台再次步进90度角；
[0019]步骤5，控制卡的USB微控制器发出指令，触发条码识读设备检验零部件所标刻的条码并回读条码检验结果；
[0020]步骤6，控制卡的工装转台控制单元输出控制信号，驱动工装转台再次步进90度角；
[0021]步骤7，控制卡的I/O接口单元触发外部机械装置取走标刻结束的零部件；
[0022]步骤8，控制卡的工装转台控制单元输出控制信号，驱动工装转台再次步进90度角；
[0023]步骤9，控制卡的主控制器判断是否要结束打标，如果要结束打标则关闭打标机、条码识读设备、工装转台；如果要继续打标，打标计数器的计数值加1，然后判断下一次打标是否为末次打标，如果下一次打标是末次打标则转入末次打标流程，否则转入连续打标流程；[0024]b)连续打标流程:
[0025]步骤1，控制卡正常工作，即在每次转台步进90度角的步进周期内要完成四项任务:控制卡的I/O接口单元触发外部机械装置放置零部件，控制卡启动激光打标机对零部件标刻条码，控制卡的USB微控制器发出指令触发条码识读设备检验零部件所标刻的条码并回读条码检验结果，控制卡的I/O接口单元触发外部机械装置取走打标结束的零部件；
[0026]步骤2，控制卡的工装转台控制单元输出控制信号，驱动工装转台步进90度角；
[0027]步骤3，打标计数器的计数值加1，然后判断下一次打标是否为末次打标，如果下一次打标是末次打标则转入末次打标流程，否则继续保持在连续打标流程；
[0028]c)末次打标流程:
[0029]步骤1，控制卡的I/O接口单元触发外部机械手放置零部件；
[0030]步骤2，控制卡的工装转台控制单元输出控制信号，工装转台步进90度角；
[0031]步骤3，控制卡在步进周期内完成四项任务:控制卡的I/O接口单元触发外部机械装置停止放置零部件操作，控制卡启动打标机工作，控制卡的USB微控制器发出指令触发条码识读设备检验零部件所标刻的条码并回读条码检验结果，控制卡的IO接口单元触发外部机械装置取走打标结束的零部件；
[0032]步骤4，控制卡的工装转台控制单元输出控制信号，工装转台再次步进90度角；
[0033]步骤5，控制卡在步进周期内同时完成三项任务:控制卡停止打标机工作，控制卡的USB微控制器发出指令触发条码识读设备检验零部件所标刻的条码并回读条码检验结果，控制卡的IO接口单元触发外部机械装置取走打标结束的零部件；
[0034]步骤6，控制卡的工装转台控制单元输出控制信号，工装转台再次步进90度角；
[0035]步骤7，控制卡在步进周期内同时完成两项任务:控制卡停止条码识读设备工作，并触发外部机械装置取走最后一个零部件；
[0036]步骤8，打标结束，停止所有设备工作。
[0037]本发明具有的优点和有益效果，
[0038]本发明提供的激光打标控制卡能够提供对激光打标机、条码识读设备、工装转台综合控制，使得零部件实现从条码标刻结束立即获得条码质量检验结果，便宜人们发现金属零部件条码标印的质量问题，改善条码标印工艺，而且零部件的条码标印工艺参数与质量检验结果等信息实现无缝关联，从根本上解决了现有的直接部件标印系统的直接部件标印设备和条码识读与检验设备的分离控制、他们各自的应用软件无法交互数据、信息化程度不高的问题。
[0039]本发明提供的方法支持零部件下料、零部件条码标、零部件条码质量检验和零部件取走的流水线操作，解决了现有直接部件标印系统需要人工操作打标、人工检验条码质量、零部件在直接部件标印设备和条码检验设备之间需要更换工装夹具等繁琐操作的问题，提高了零部件的条码标刻效率。
[0040]本发明采用嵌入式处理器和USB微控制器，增强了控制卡的通讯速率和打标数据处理速度，满足工业生产线对更高加工速度要求；同时其低功耗、系统控制能力强、可靠性与集成度高、成本低廉等特点具有很强的市场竞争力。
【专利附图】
【附图说明】[0041]图1为激光打标、条码识读与检验系统组成示意图；
[0042]图2为激光打标控制卡组成示意图。
[0043]图3是本发明操作步骤流程图。
【具体实施方式】
[0044]采用低成本，低功耗ARM处理器作为主控制器。控制卡作为从设备时，主控制器对USB微控制器进行读周期控制，接收来至计算机的打标数据并存储于存储单元。打标时，主控制器生成激光发生器的控制逻辑，从存储单元取出打标数据并产生二维振镜X轴、Y轴电机的控制逻辑。控制卡作为主设备时，对USB接口控制器进行读写控制，与条码识读设备建立通讯连接，触发条码识读设备采集条码图像，进行条码标识质量的验证与质量等级评定，回传检验结果并上传给主控制器。控制卡提供工装转台的步进控制。工装转台能够循环圆周逆时针转动，转台上具有4个相同的均匀分布的工作台，用于金属铭牌和零部件的夹紧固定。工作台支持周围设备的四种主要操作:外部机械装置放置部件、激光打标机的条码标印、条码识读与质量检验和外部机械装置取走部件。工装转台的步进周期为上述四种操作的最大工作周期，控制卡提供转台步进控制及其周围设备的同步操作。
[0045]低功耗、高度集成的USB2.0微控制器，具有通用可编程接口和主机/从属端点FIFO (8-bit或者16-bit数据总线宽度)工作模式，为上述主控制器提供与计算机、条码识读设备通讯的接口，控制卡的最大数据传输速率可达24MB/S。
[0046]快速异步静态随机存储单元，存储器采用高性能、低功耗的CMOS工艺，访问时间IOns0控制卡内置两片16b itsX IM的静态随机存储器SRAM-1和SRAM-2，上述主控制器对两片SRAM进行乒乓读写操作。当SRAM-1存满打标数据时，对SRAM-2进行写操作，主控制器同时从SRAM-1读取打标数据；当SRAM-2存满打标数据，SRAM-1读取完毕，则从SRAM-2读取打标数据，转而向SRAM-1写入新的待打标的数据。这样，实现对这两片SRAM乒乓读写操作，提闻了系统的效率。
[0047]光耦隔离单元。具有4路光电隔离通道，对上述主控制器输出的激光发生器控制信号进行隔离，提供由LVTTL电平到TTL电平的信号转换。控制信号能够对激光发生器的输出功率、脉冲占空比、脉冲重复频率、激光器开启时间和激光器关闭时间等参数进行设置。
[0048]差分信号驱动单元。具有4路差分信号输出通道，对上述微控制器输出的二维振镜的X轴电机位移信号、Y轴电机位移信号、同步信号、时钟信号由单端变换为差分信号，实现二维振镜X轴振镜和Y轴振镜的偏转控制。
[0049]工装转台控制单元。上述微控制器输出PWM脉宽调制信号，提供对转台步进控制。具有光电编码器检测转台位置，根据转台位置输出同步信号同步周围设备工作。
[0050]IO接口单元。具有16路IO接口电路，作为通用的控制功能。
[0051]供电单元。包括5V直流输入、过压保护、过流保护电路，低压差线性稳压器电路。低压差线性稳压器负责给上述逻辑控制单元、USB微控制器提供电源。
[0052]此外，还包括上述主控制器的程序下载电路、系统复位电路、配置电路。
[0053]图1为本发明的所应用的激光打标、条码识读与检验系统结构，包括激光打标机
1、条码识读设备2和工装转台3。工装转台3周围的设备布置:打标机在转台y轴正方向上，条码识读设备在X轴负方向上，外部机械装置取走部件工位在I轴负方向上，外部机械装置放置部件工位在X轴正方向上。
[0054]图2为本发明的激光打标控制卡结构组成，控制卡包括与激光发生器11连接的激光发生器接口 21，与二维振镜12连接的二维振镜接口 22，与工装转台13连接的工装转台接口 23，光电隔离单元24，差分驱动单元25，工装转台控制单元26，配置电路27，USB微控制器28，主控制器29，第一片SRAM30，第二片SRAM32，USB设备接口 32，USB OTG接口 33，USB微控制器34，通用IO接口 35，调试电路36，电源电路37。
[0055]主控制器29负责控制逻辑的实现，包括USB设备接口控制，激光发生器逻辑控制，二维振镜X轴、Y轴电机偏转控制，SRAM乒乓缓存逻辑控制的实现。
[0056]主控制器29与计算机14通过USB进行通讯。选用USB2.0接口微控制器28，该器件集成USB2.0收发器、SIE串行接口引擎、增强的8051微控制器以及可编程的外部接口。USB设备接口 32连接器选用USB B Type类型，满足USB设备的通用规范。由于主控制器29具有强大的逻辑控制能力，所以将USB2.0微控制器配置于Slave FIFO模式，即主控制器29产生读写USB微控制器FIFO的时序逻辑，并输出频率最大可达48MHz的脉冲信号作为读写同步时钟源。启动打标数据传输时，主控制器29查询USB接口微控制器28的数据输出端点2的EF (Empty Flag)标志，如果EF为“I”表示端点2的FIFO有数据，那么主控制器29依次读取打标数据并存入存储单元(30，31)中，直至打标数据传输完毕。计算机14与控制卡的打标数据传输格式的定义如表1所不。
[0057]表1打标数据传输格式定义
[0058]
【权利要求】
1.一种激光打标控制卡，其特征是，打标控制卡包括主控制器、USB2.0微控制器、存储单元、光耦隔离单元、差分信号驱动单元、工装转台控制单元、I/O接口单元，主控制器实现USB设备接口控制，激光发生器模块控制，二维振镜控制以及存储单元的读写操作；USB2.0控制器实现控制卡与计算、条码识读设备的通讯；光耦隔离单元将主控制器输出的激光发生器模块控制信号进行隔离，并实现LVTTL电平到TTL电平的信号转换；差分信号驱动单元将主控制器输出的单端二维振镜控制信号转换为差分信号；工装转台控制单元实现对工装转台的运动控制；存储单元存储打标数据、打标参数以及条码检验结果；1/0接口单元实现通用的输入输出信号控制； 激光打标控制卡的工作步骤: 步骤1，控制卡USB微控制器接收计算机发出的启动打标指令； 步骤2，控制卡根据打标计数器的计数值跳转到各个子流程:如果对第一个零部件打标，则转入初次打标子流程；如果对最后一个零部件打标，则转入末次打标子流程；如果连续对多个零部件打标，则转入连续打标子流程； 步骤3，控制卡发出关闭所有设备工作指令，停止打标；其中， a)初次打标子流程的工作步骤: 步骤1，控制卡的I/O接口单元触发外部机械装置放置等待打标的零部件； 步骤2，控制卡的工装转台控制单元输出控制信号，驱动工装转台步进90度角； 步骤3，控制卡的USB微控制器接收计算机传输过来的打标数据，控制卡的光耦隔离单元输出激光发生器的控制信号，驱动激光发生器开关光，控制卡的差分信号输出二维振镜的偏移信号，驱动二维振镜运动，激光通过光路系统及二维振镜的运动实现在零部件标刻条码； 步骤4，控制卡的工装转台控制单元输出控制信号，驱动工装转台再次步进90度角；步骤5，控制卡的USB微控制器发出指令，触发条码识读设备检验零部件所标刻的条码并回读条码检验结果； 步骤6，控制卡的工装转台控制单元输出控制信号，驱动工装转台再次步进90度角； 步骤7，控制卡的I/O接口单元触发外部机械装置取走标刻结束的零部件；步骤8，控制卡的工装转台控制单元输出控制信号，驱动工装转台再次步进90度角；步骤9，控制卡的主控制器判断是否要结束打标，如果要结束打标则关闭打标机、条码识读设备、工装转台；如果要继续打标，打标计数器的计数值加1，然后判断下一次打标是否为末次打标，如果下一次打标是末次打标则转入末次打标流程，否则转入连续打标流程; b)连续打标流程: 步骤1，控制卡正常工作，即在每次转台步进90度角的步进周期内要完成四项任务:控制卡的I/O接口单元触发外部机械装置放置零部件，控制卡启动激光打标机对零部件标刻条码，控制卡的USB微控制器发出指令触发条码识读设备检验零部件所标刻的条码并回读条码检验结果，控制卡的I/O接口单元触发外部机械装置取走打标结束的零部件； 步骤2，控制卡的工装转台控制单元输出控制信号，驱动工装转台步进90度角； 步骤3，打标计数器的计数值加1，然后判断下一次打标是否为末次打标，如果下一次打标是末次打标则转入末次打标流程，否则继续保持在连续打标流程；c)末次打标流程: 步骤1，控制卡的I/o接口单元触发外部机械手放置零部件； 步骤2，控制卡的工装转台控制单元输出控制信号，工装转台步进90度角； 步骤3，控制卡在步进周期内完成四项任务:控制卡的I/O接口单元触发外部机械装置停止放置零部件操作，控制卡启动打标机工作，控制卡的USB微控制器发出指令触发条码识读设备检验零部件所标刻的条码并回读条码检验结果，控制卡的I/O接口单元触发外部机械装置取走打标结束的零部件； 步骤4，控制卡的工装转台控制单元输出控制信号，工装转台再次步进90度角； 步骤5，控制卡在步进周期内同时完成三项任务:控制卡停止打标机工作，控制卡的USB微控制器发出指令触发条码识读设备检验零部件所标刻的条码并回读条码检验结果，控制卡的I/O接口单元触发外部机械装置取走打标结束的零部件； 步骤6，控制卡的工装转台控制单元输出控制信号，工装转台再次步进90度角； 步骤7，控制卡在步进周期内同时完成两项任务:控制卡停止条码识读设备工作，并触发外部机械装置取走最后一个零部件； 步骤8，打标结束，停止所有设备工作。`
【文档编号】B41J29/393GK103612491SQ201310671385
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年12月10日 优先权日:2013年12月10日
【发明者】宫磊, 董洪飞, 陈肇江, 张利伟 申请人:中国航空综合技术研究所