一种激光飞行打标硬件补偿方法及电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种激光飞行打标硬件补偿方法及电路，将加工数据发送到控制卡内的DSP中，当外部信号输入的光电触发信号有效时，DSP解析加工数据，插补成微线段并发送到FPGA中，FPGA开始控制轴运动输出及激光输出，并且对生产流水线运动加以补偿，将补偿后的X/Y位置实时更新到当前位置寄存器；DSP中断读取X/Y当前位置，经过DAC转换成模拟信号控制振镜系统偏转，本发明采用硬件补偿的方式，实时将生产流水线的位移叠加到与生产流水线平行的振镜的输出位移上，从而保证打标位置不会因工件的移动而发生变化，在激光飞行打标过程中，保证流水线运动补偿精度的前提下，进一步提高打标速度，从而提高生产效率。
【专利说明】一种激光飞行打标硬件补偿方法及电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光打标领域，具体的说，是一种激光飞行打标硬件补偿方法及电路。
【背景技术】
[0002]激光打标作为激光加工领域的一个重要分支，是综合激光、光学、精密机械、电子和计算机等技术于一体的先进标记制作方法。目前，随着激光振镜扫描技术的发展，振镜式激光打标已经成为国内外激光打标的主流方式,而其核心部件即为激光标记控制系统。飞行打标，是指工件在生产流水线上的传送带上快速移动状态下打标。
[0003]激光飞行打标设备，与一般激光打标设备的区别在于增加了两个同步装置:一般用光电触发系统及位移测量装置，用于流水线的同步。激光飞行打标设备设有:(1)控制柜；(2)生产流水线:一般的包装生产线；(3)位移测量装置:一般用编码器，精确反馈生产流水线的位移给控制卡进行位移补偿；(4)振镜扫描头及激光器:用于产生激光并将激光光束定位到工作幅面内的指定位置；(5)光电触发系统:检测工件是否到达打标位置，工件到达打标位置后反馈打标开始信号给控制卡；以及生产流水线上待打标的工件。
[0004]激光飞行打标与一般激光打标的不同之处在于,一般激光打标所标记的工件是静止的，而激光飞行打标所标记的工件随着生产流水线在移动，所以在打标过程标记会因生产流水线的运动发生变形失真，生产流水线速度越快变形失真越大，要在生产流水线上的工件表面打出精美的标记，关键在于如何实现对生产流水线的位移进行补偿。图4为因生产流水线运动而产生失真的图形，图5为对生产流水线位移加以补偿后的图形。
[0005]现有补偿方案为:采用上位机补偿工件在流水线上运动造成的标记变形。上位机软件通过控制卡获取编码器反馈量，然后通过上位机软件计算补偿，将补偿后的指令发送到控制卡进行打标，这样控制的缺点是:由于通信及补偿计算的延迟，补偿及时性不高，导致打标精度不高；上位机软件每次指令间隔时间需要加上读取编码器反馈及补偿计算的时间，导致不能高速打标。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种激光飞行打标硬件补偿方法及电路，采用硬件补偿的方式，实时将生产流水线的位移叠加到与生产流水线平行的振镜的输出位移上，从而保证打标位置不会因工件的移动而发生变化，在激光飞行打标过程中，保证流水线运动补偿精度的如提下，进一步提闻打标速度，从而提闻生广效率。
[0007]本发明通过下述技术方案实现:一种激光飞行打标硬件补偿方法，将加工数据发送到控制卡内的DSP中，当外部信号输入的光电触发信号有效时，DSP解析加工数据，插补成微线段并发送到FPGA中，FPGA开始控制轴运动输出及激光输出，并且对生产流水线运动加以补偿，将补偿后的X/Y位置实时更新到当前位置寄存器；DSP中断读取X/Y当前位置，经过DAC转换成模拟信号控制振镜系统偏转；采用硬件补偿的方式，实时将生产流水线的位移叠加到与生产流水线平行的振镜的输出位移上，从而保证打标位置不会因工件的移动而发生变化，在激光飞行打标过程中，保证流水线运动补偿精度的前提下，进一步提高打标速度，从而提高生产效率。
[0008]为更好的实现本发明，在技术方案的基础上更进一步的设计一种实施方案，包括以下具体步骤:
步骤A、脉冲当量设置:将上位机软件生成的加工数据脉冲当量与生产流水线脉冲当量一致，通过测量或者计算来确定编码器的脉冲当量，即编码器反馈一个脉冲，确定一个脉冲对应的生产流水线运动的长度；上位机软件也采用此脉冲当量计算并发出指令；
步骤B、运动控制:FPGA接收DSP发送的指令，并实现运动控制，将X轴、Y轴当前位置脉冲计数刷新到X轴、Y轴当前位置寄存器R5、R6中；
步骤C、流水线速度补偿:生产流水线与振镜X的方向保持一致，FPGA在每个时钟周期读取编码器反馈脉冲，将反馈脉冲叠加到X轴；X轴当前位置寄存器R5将更新寄存器值，作为新的X轴当前位置寄存器R5值，以便DSP读取控制振镜运动；
步骤D、振镜位置更新:DSP读取的X轴当前位置寄存器R5、Y轴当前位置寄存器R6值为脉冲计数，由于加工数据使用的为编码器的脉冲当量，此处读取的脉冲数的脉冲当量也为编码器的脉冲当量，输出时将编码器的脉冲当量转换成以振镜控制脉冲当量，并为振镜控制脉冲当量下的脉冲数进行计数；DSP通过定时中断，将振镜控制脉冲当量下的脉冲数经过DA转换变成模拟信号控制振镜偏转，实现振镜的位置更新。
[0009]为更好的实现本发明，在技术方案的基础上更进一步的设计一种实施方案:所述将编码器的脉冲当量转换成以振镜控制脉冲当量，并为振镜控制脉冲当量下的脉冲数进行计数，具体转换过程为:
1)在静态打标情形下，计算出振镜控制的脉冲当量；
2)计算出编码器的脉冲当量下的脉冲数转化为振镜控制脉冲当量下的脉冲数。
[0010]一种激光飞行打标硬件补偿电路，包括控制卡，所述控制卡内设置有FPGA、DSP、SRAM、FLASH、EPROM、光耦电路、DAC、总线接口电路，所述总线接口电路通过PCI局部总线分别连接FPGA和DSP，所述DSP分别连接SRAM和FLASH，所述FPGA分别连接EPR0M、光耦电路和 DAC。
[0011]为更好的实现本发明，进一步设计出一种优选方案:所述光耦电路包括高速光耦A、高速光耦B和普通光耦，所述FPGA分别连接高速光耦A、高速光耦B和普通光耦。
[0012]为更好的实现本发明，进一步设计出另一种优选方案:所述总线接口电路包括PCI总线接口和PCI总线控制器，所述PCI总线接口连接PCI总线控制器，所述PCI总线控制器连接PCI局部总线。
[0013]为更好的实现本发明，进一步设计出另一种优选方案:还包括上位机、光电开关、激光飞行打标设备、编码器、生产流水线，所述上位机通过PCI总线接口与控制卡连接，所述光电开关连接控制卡的光耦电路，所述编码器连接控制卡的光耦电路，所述控制卡连接激光飞行打标设备的振镜扫描系统。
[0014]本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果:
(I)本发明采用硬件补偿的方式，实时将生产流水线的位移叠加到与生产流水线平行的振镜的输出位移上，从而保证打标位置不会因工件的移动而发生变化，在激光飞行打标过程中，保证流水线运动补偿精度的前提下，进一步提高打标速度，从而提高生产效率。
[0015](2)本发明通过FPGA实现流水线速度的硬件补偿。
[0016](3)本发明通过DSP读取FPGA寄存器值更新振镜位置来实现振镜控制方式。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1本发明的电路结构框图。
[0018]图2为本发明所述控制卡及信号连接原理框图。
[0019]图3为激光振镜扫描示意图。
[0020]图4为因生产流水线运动而产生失真的图形。
[0021]图5为对生产流水线位移加以补偿后的图形。
[0022]其中，1-激光束,2-第一振镜镜片,3-第一振镜控制电机,4-第二振镜镜片,5-第二振镜控制电机，6-f- Θ聚焦透镜，7-聚焦后的激光束，8-打标坐标平面。
【具体实施方式】
[0023]本 申请人:自认为【技术领域】内技术员结合现有公知技术，并根据本申请文件所公开的内容即可实现本发明。
[0024]下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0025]在进行本发明中将涉及到振镜扫描系统及其控制:振镜扫描系统是一种高精度、高速度和高重复性的光学扫描器，由扫描反射镜、θ聚焦透镜、位置传感器、扫描电机及伺服电路几部分组成。振镜扫描系统是一个典型的随动系统。固定在扫描电机轴上的反射镜片即为被控对象，在执行机构——扫描电机的驱动下按输入指令旋转，位置传感器中的电容式角位移传感器检测出电机轴的角位移，将位移信号转换为电压信号，反馈到伺服电路的输入端与从计算机控制卡输入的位置指令信号比较，产生的偏差信号经过伺服电路中的校正电路和放大电路后驱动电机转动指定的角度。
[0026]如图3所示，激光振镜扫描，第一振镜控制电机3、第二振镜控制电机5，利用模拟电压控制其转动，当模拟电压发生改变时，第一振镜控制电机3带动第一振镜镜片2发生一定角度的偏转，第二振镜控制电机5带动第二振镜镜片4发生一定角度的偏转，从而使两振镜镜片反射的激光束I分别在Χ、Υ方向扫描，通过两振镜镜片反射的激光束I透过Θ聚焦透镜6后，聚焦后的激光束7聚焦到打标坐标平面8的某一点。若两振镜控制电机的模拟电压按预定值连续变化，则聚焦后的激光束7可在打标坐标平面内按预定轨迹加工出图形。
[0027]振镜控制信号生成:
通常，振镜接受-5V+5V电压值，对应其摆动角度在-22.5+22.5°，同时也对应激光束扫描的边界范围。控制中，FPGA输出的是脉冲数，采用18位DA转换芯片来将脉冲数字量转换成模拟量，最小脉冲数-16383对应-5V电压，振镜偏转到负向最大角度，扫描达到最小边界；最大脉冲数16383对应5V电压，振镜偏转到正向最大角度，扫描达到最大边界。
[0028]实施例1:
一种激光飞行打标硬件补偿方法，将加工数据发送到控制卡内的DSP中，当外部信号输入的光电触发信号有效时，DSP解析加工数据，插补成微线段并发送到FPGA中，FPGA开始控制轴运动输出及激光输出，并且对生产流水线运动加以补偿，将补偿后的X/Y位置实时更新到当前位置寄存器；DSP中断读取X/Y当前位置，经过DAC转换成模拟信号控制振镜系统偏转；采用硬件补偿的方式，实时将生产流水线的位移叠加到与生产流水线平行的振镜的输出位移上，从而保证打标位置不会因工件的移动而发生变化，在激光飞行打标过程中，保证流水线运动补偿精度的前提下，进一步提高打标速度，从而提高生产效率。
[0029]实施例2:
本实施例是在实施例1的基础上采用的一种优选的具体实施方案，包括以下具体步骤:
步骤A、脉冲当量设置:为了保证FPGA能够对生产流水线的速度进行准确补偿，将上位机软件生成的加工数据脉冲当量与生产流水线脉冲当量一致，编码器与生产流水线通过滚轮摩擦传动，运动同步，此脉冲当量也即为编码器的脉冲当量；通过测量或者计算来确定编码器的脉冲当量，即编码器反馈一个脉冲，确定一个脉冲对应的生产流水线运动的长度；上位机软件也采用此脉冲当量计算并发出指令；脉冲当量=编码器的脉冲当量=编码器每转动一圈流水线移动距离/编码器每转脉冲数；
步骤B、运动控制:FPGA接收DSP发送的指令，并实现运动控制，将X轴、Y轴当前位置脉冲计数刷新到X轴、Y轴当前位置寄存器R5、R6中，R5为FPGA编程定义的X轴当前位置寄存器，R6为FPGA编程定义的Y轴当前位置寄存器；
步骤C、流水线速度补偿:生产流水线与振镜X的方向保持一致，FPGA在每个时钟周期读取编码器反馈脉冲，将反馈脉冲叠加到X轴；X轴当前位置寄存器R5将更新寄存器值，作为新的X轴当前位置寄存器R5值，以便DSP读取控制振镜运动；
步骤D、振镜位置更新:DSP读取的X轴当前位置寄存器R5、Y轴当前位置寄存器R6值为脉冲计数，由于加工数据使用的为编码器的脉冲当量，此处读取的脉冲数的脉冲当量也为编码器的脉冲当量，输出时将编码器的脉冲当量转换成以振镜控制脉冲当量，并为振镜控制脉冲当量下的脉冲数进行计数；DSP通过定时中断，将振镜控制脉冲当量下的脉冲数经过DA转换变成模拟信号控制振镜偏转，实现振镜的位置更新。
[0030]实施例3:
本实施例是在实施例1的基础上采用的一种优选的具体实施方案:所述将编码器的脉冲当量转换成以振镜控制脉冲当量，并为振镜控制脉冲当量下的脉冲数进行计数，具体转换过程为:
1)在静态打标情形下，计算出振镜控制的脉冲当量，即:
振镜控制脉冲当量=打标范围/DA转换范围；
2)计算出编码器的脉冲当量下的脉冲数转化为振镜控制脉冲当量下的脉冲数:
振镜控制脉冲当量下的脉冲数=(编码器脉冲当量下的脉冲数/编码器脉冲当量)*振镜控制脉冲当量，编码器脉冲当量下的脉冲数指X、Y当前位置R5、R6的值。
[0031]实施例4:
一种激光飞行打标硬件补偿电路，如图2所示，包括控制卡，所述控制卡内设置有FPGA, DSP、SRAM、FLASH、EPROM、光耦电路、DAC、总线接口电路，所述总线接口电路通过PCI局部总线分别连接FPGA和DSP，所述DSP分别连接SRAM和FLASH，所述FPGA分别连接EPR0M、光耦电路和DAC。
[0032]PCI总线接口:上位机与DSP之间的通信接口，负责将计算机中的打标数据及控制命令发送到DSP中；
DSP:(I)接收上位机下传的加工数据并解析、插补为微线段并发送到FPGA运动控制寄存器，保证高速打标中指令的衔接，设计两级缓冲结构；(2)读取FPGA当前位置寄存器脉冲计数，即读取轴脉冲数字信号在FPGA中的计数，经过DAC进行DA转换为模拟信号控制振镜偏转；
FPGA:内部设计有振镜的运动控制电路，激光器控制电路、飞行打标补偿电路，用于轴运动控制、激光开关光控制、飞行打标补偿；
DAC:DA转换芯片，将DSP输出的轴脉冲数字信号转换成模拟信号，控制振镜偏转； 外部信号输入:用于接收光电触发系统产生的打标启动信号，并触发一次打标；
编码器反馈输入:用于接收生产流水线的编码器反馈信号；
激光控制器输出:用于输出信号控制激光开关光及激光功率。
[0033]EPROM:可擦写可编程只读存储器，用于存放FPGA固件，控制卡上电时，读取EPROM中FPGA固件，配置FPGA硬件电路。
[0034]FLASH:闪存，用于保存系统参数，如工艺参数、设备参数等。
[0035]SRAM:静态随机存取存储器，用于提供控制卡指令缓冲存储。
[0036]光电触发系统产生的打标启动信号和生产流水线的编码器反馈信号，分别通过外部信号输入好编码器反馈输入经光耦电路耦合输入到FPGA中，当光电触发信号，即光电触发系统产生的打标启动信号和生产流水线的编码器反馈信号输入有效时，DSP解析加工数据，插补成微线段并发送到FPGA，FPGA开始控制轴运动输出及激光输出，并且对生产流水线运动加以补偿，将补偿后的X/Y位置实时更新到当前位置寄存器；DSP中断读取X/Y当前位置，经过DA转换转换成模拟信号控制振镜偏转，从而实现飞行打标及其补偿；其中，DSP优选1us中断读取方式。
[0037]实施例5:
本实施例是在上述实施例的基础上，如图2所示，进一步设计出的一种优选方案的实施方式:包括控制卡，所述控制卡内设置有FPGA、DSP、SRAM、FLASH、EPROM、光耦电路、DAC、总线接口电路，所述总线接口电路通过PCI局部总线分别连接FPGA和DSP，所述DSP用存储器连接DSP，所述FPGA分别连接EPR0M、光耦电路和DAC ;所述光耦电路包括高速光耦A、高速光耦B和普通光耦，所述FPGA分别连接高速光耦A、高速光耦B和普通光耦。
[0038]实施例6:
本实施例是在实施例4的基础上，如图2所示，进一步设计出的另一种优选方案的实施方式:所述总线接口电路包括PCI总线接口和PCI总线控制器，所述PCI总线接口连接PCI总线控制器，所述PCI总线控制器连接PCI局部总线。
[0039]实施例7:
本实施例是在实施例4的基础上，如图1、图2所示，进一步设计出的另一种优选方案的实施方式:还包括上位机、光电开关、激光飞行打标设备、编码器、生产流水线，所述上位机通过PCI总线接口与控制卡连接，所述光电开关连接控制卡的光耦电路，所述编码器连接控制卡的光耦电路并且通过摩擦滚轮与流水线摩擦传动，所述控制卡连接激光飞行打标设备的振镜扫描系统。
[0040]飞行打标工作原理:1、上位机:提供激光飞行打标专用软件，该软件与控制卡通过PCI总线接口通信，利用该软件，可以设置控制卡参数，生成加工数据并发送到控制卡，启动或者停止飞行打标过程。
[0041]利用软件生成加工数据前，必须将脉冲当量设置为与编码器脉冲当量一致，启动飞行打标时，软件将加工数据发送到控制卡中的SRAM缓存。
[0042]2、被打标工件跟随生产流水线运动，当光电系统检测到生产流水线上的工件时，产生打标触发信号，控制卡通过外部输入信号接口(普通光耦)，检测到光电系统中的触发系统产生的打标触发信号时，触发一次打标。
[0043]3、打标触发后，控制卡通过编码器反馈信号(高速光耦B)接口，读取编码器的脉冲计数，获得生产流水线位移，控制卡对生产流水线位移进行补偿，然后输出控制振镜偏转，同时控制激光输出，实现生产流水线上当前工件的打标。
[0044]本发明采用硬件补偿的方式，实时将生产流水线的位移叠加到与生产流水线平行的振镜的输出位移上，从而保证打标位置不会因工件的移动而发生变化，在激光飞行打标过程中，保证流水线运动补偿精度的前提下，进一步提高打标速度，从而提高生产效率。
[0045]以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种激光飞行打标硬件补偿方法，其特征在于:将加工数据发送到控制卡内的DSP中，当外部信号输入的光电触发信号有效时，DSP解析加工数据，插补成微线段并发送到FPGA中，FPGA开始控制轴运动输出及激光输出，并且对生产流水线运动加以补偿，将补偿后的X/Y位置实时更新到当前位置寄存器；DSP中断读取X/Y当前位置，经过DAC转换成模拟信号控制振镜系统偏转。
2.根据权利要求1所述的一种激光飞行打标硬件补偿方法，其特征在于:包括以下具体步骤: 步骤A、脉冲当量设置:将上位机软件生成的加工数据脉冲当量与生产流水线脉冲当量一致，通过测量或者计算来确定编码器的脉冲当量，即编码器反馈一个脉冲，确定一个脉冲对应的生产流水线运动的长度； 步骤B、运动控制:FPGA接收DSP发送的指令，并实现运动控制，将X轴、Y轴当前位置脉冲计数刷新到X轴、Y轴当前位置寄存器R5、R6中； 步骤C、流水线速度补偿:生产流水线与振镜X的方向保持一致，FPGA在每个时钟周期读取编码器反馈脉冲，将反馈脉冲叠加到X轴当前位置寄存器R5，实现生产流水线对X轴运动输出的补偿，以便DSP读取控制振镜运动； 步骤D、振镜位置更新:DSP读取的X轴当前位置寄存器R5、Y轴当前位置寄存器R6值为脉冲计数，由于加工数据使用的为编码器的脉冲当量，此处读取的脉冲数的脉冲当量也为编码器的脉冲当量，输出时将编码器的脉冲当量转换成以振镜控制脉冲当量，并为振镜控制脉冲当量下的脉冲数进行计数；DSP通过定时中断，将振镜控制脉冲当量下的脉冲数经过DA转换变成模拟信号控制振镜偏转，实现振镜的位置更新。
3.根据权利要求2所述的一种激光飞行打标硬件补偿方法，其特征在于:所述将编码器的脉冲当量转换成以振镜控制脉冲当量，并为振镜控制脉冲当量下的脉冲数进行计数，具体转换过程为: 1)在静态打标情形下，计算出振镜控制的脉冲当量； 2)计算出编码器的脉冲当量下的脉冲数转化为振镜控制脉冲当量下的脉冲数。
4.一种激光飞行打标硬件补偿电路，其特征在于:包括控制卡，所述控制卡内设置有FPGA, DSP、SRAM、FLASH、EPROM、光耦电路、DAC、总线接口电路，所述总线接口电路通过PCI局部总线分别连接FPGA和DSP，所述DSP分别连接SRAM和FLASH，所述FPGA分别连接EPR0M、光耦电路和DAC。
5.根据权利要求4所述的一种激光飞行打标硬件补偿电路，其特征在于:所述光耦电路包括高速光耦A、高速光耦B和普通光耦，所述FPGA分别连接高速光耦A、高速光耦B和普通光耦。
6.根据权利要求4所述的一种激光飞行打标硬件补偿电路，其特征在于:所述总线接口电路包括PCI总线接口和PCI总线控制器，所述PCI总线接口连接PCI总线控制器，所述PCI总线控制器连接PCI局部总线。
7.根据权利要求4所述的一种激光飞行打标硬件补偿电路，其特征在于:还包括上位机、光电开关、激光飞行打标设备、编码器、生产流水线，所述上位机通过PCI总线接口与控制卡连接，所述光电开关连接控制卡的光耦电路，所述编码器连接控制卡的光耦电路，所述控制卡连接激光飞行打标设备的振镜扫描系统。
【文档编号】G05B19/414GK104267670SQ201410457171
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月10日 优先权日:2014年9月10日
【发明者】陈鸿, 苏诗捷 申请人:成都乐创自动化技术股份有限公司