激光打标控制原理及嵌入式系统设计

激光打标是一种利用激光束在物体表面进行标记的技术，广泛应用于电子元件、医疗器械、汽车制造等多个领域。射频(RF)激励CO2激光器因其长寿命、高功率密度、低工作电压和易于智能化调节的特点，在激光打标市场中占据重要位置。控制原理的核心在于射频激励功率的控制和振镜扫描的精确性。 激光打标系统的控制主要包括两部分：激光器输出功率的实时控制和振镜扫描控制。在多灰度图像打标过程中，需要精确控制激光器输出的功率，以满足不同标记效果的需求。射频激励CO2激光器的电源系统由五个基本部分构成：直流电源、输入回路、振荡电路、控制电路和放大电路。直流电源为振荡电路供电，振荡电路将电流转换成特定频率的射频信号。该信号通过控制电路进行调制，放大后输出所需功率的射频能量。射频能量通过匹配网络输入激光放电室。 振镜扫描是通过高速振镜扫描器实现的X-Y扫描。振镜扫描控制的目的是根据待打标图案的信息控制振镜的扫描动作。通过D/A转换器将数字信号转换为模拟信号，进而控制电机驱动电路，实现对反射镜的精确控制。振镜扫描系统的设计目的是消除扫描过程中可能出现的枕形和桶形失真现象，提高标记的精度。 PC/104模块被用于设计嵌入式激光打标控制系统。PC/104是一种小型、堆栈式结构的计算机模块，广泛应用于嵌入式系统中。它具有体积小、接口多、稳定可靠的特点。基于PC/104的嵌入式系统设计中，使用现场可编程门阵列(FPGA)技术设计外围模块和PC/104接口数字电路，实现多种功能，如脉冲宽度调制(PWM)控制、计数器功能以及中断处理等。 脉冲宽度调制(PWM)是一种利用数字信号控制模拟电路的技术，通过调整脉冲的宽度来控制输出功率。在激光打标系统中，PWM信号被用于调节激光器的功率输出。控制信号的占空比对激光器输出功率的影响是显著的，占空比越高，激光器的输出功率越大，但达到一定值后，功率趋于饱和。同时，控制信号的时钟频率对激光器的输出光功率稳定性也有较大影响，时钟频率越高，光功率稳定性越好。 激光打标控制系统的设计还包括硬件结构设计。PC/104模块作为主控部分，使用外围模块和接口电路来实现系统功能。例如，产生PWM信号用于调节激光器功率，实现计数器功能和产生中断，以及为16位D/A转换器提供信号输入和缓存。此外，振镜扫描系统的设计要能实现高速扫描，确保在快速移动的产品表面进行精确标记。 在多台激光打标机的车间应用中，该系统可以实现脱机打标，即上位机PC完成复杂的图像处理后，将处理后的文件下载到控制器中，以实时控制激光打标过程。这不仅节省了成本，还能提高系统实时性和稳定性。 通过将PC/104嵌入式计算机设计为激光打标控制器，可以在不需要高速图像处理的场合下，实现精准且高效率的激光打标。系统主控部分的设计旨在为激光打标过程中的实时控制提供足够的硬件支持和软件功能，如稳定的数据传输、高效的任务调度和精确的执行控制，以满足生产现场对高速度、高精度和高可靠性的要求。