光機(jī)電協(xié)同激光打標(biāo)的精確定位控制實(shí)現(xiàn)

余冠洲，李始東，楊燦明

(廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州 510006)

激光打標(biāo)作為一種非接觸、對(duì)工件無損傷、無變形、對(duì)環(huán)境無污染的新型標(biāo)記工藝，具有成本低、能耗小、打標(biāo)速度快、標(biāo)記清晰耐久等優(yōu)勢(shì)。特別是掃描式打標(biāo)系統(tǒng)加工圖文靈活多樣，能夠在材料表面標(biāo)記最細(xì)0.01 mm線寬的精細(xì)圖案，可有效防偽，被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品包裝上［1］。

生產(chǎn)線上輸送的軸承、酒瓶蓋等形狀規(guī)則物品的定位打標(biāo)較容易控制。用激光打標(biāo)機(jī)在已經(jīng)印好彩色圖文的覆鋁塑料薄膜的特定位置打制具備防偽作用的二維條碼，則需要解決在彩版長(zhǎng)度存在伸縮變化的印刷膜上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤定位與保證標(biāo)記完成的延時(shí)問題，文中介紹綜合運(yùn)用機(jī)械、光電協(xié)同控制的實(shí)現(xiàn)精確定位打標(biāo)的設(shè)計(jì)思路。

1 版長(zhǎng)偵測(cè)與控制的整體設(shè)計(jì)思路

薄膜在彩圖印刷過程中由于輸送、收卷張力的影響，造成彩印圖案的版長(zhǎng)發(fā)生0～±3 mm左右的長(zhǎng)度變形。如按固定的理論版長(zhǎng)連續(xù)進(jìn)行打標(biāo)，積累的偏差足以使得標(biāo)記偏離彩印圖案預(yù)留的空位，甚至使整個(gè)圖案被破壞。

光機(jī)電整合的跟蹤控制系統(tǒng)能夠在傳送機(jī)構(gòu)設(shè)定有效作用區(qū)域內(nèi)，通過光電跟蹤頭偵測(cè)覆鋁薄膜彩印圖案中的某一點(diǎn)，強(qiáng)制調(diào)控送料長(zhǎng)度，保證激光機(jī)嚴(yán)格按印刷圖案的預(yù)定邊界打印精細(xì)防偽標(biāo)記。

系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路是:(1)主傳動(dòng)軸依打標(biāo)時(shí)耗調(diào)整轉(zhuǎn)速范圍;(2)長(zhǎng)度調(diào)節(jié)器控制送料行程;(3)機(jī)械曲柄送料末期開通機(jī)械同步信號(hào);(4)光電頭偵測(cè)印刷版長(zhǎng)的色標(biāo)。兩組信號(hào)均處于有效選通狀態(tài)時(shí)，時(shí)基電路延時(shí)處理后發(fā)出推動(dòng)信號(hào)，一路經(jīng)過放大驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)斷開動(dòng)力，固定薄膜至送料周期結(jié)束等待打標(biāo)加工，另一路傳給打標(biāo)機(jī)作為啟動(dòng)信號(hào)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

圖1 版長(zhǎng)跟蹤與控制框圖

2 機(jī)械傳送調(diào)整與跟蹤區(qū)間控制

彩膜的送料機(jī)構(gòu)采用偏心輪與連桿推動(dòng)扇齒輪往復(fù)擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)間歇式進(jìn)給。主傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，離合器控制送料輥半周送料、半周止動(dòng)，從而保證精細(xì)復(fù)雜圖案的打標(biāo)時(shí)耗?？紤]到包裝膜規(guī)格長(zhǎng)短不一，設(shè)計(jì)了可調(diào)式機(jī)械連桿控制送料總長(zhǎng)度。系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)控制主要需調(diào)整:

式中:Td為主軸傳動(dòng)周期，由主電機(jī)轉(zhuǎn)速Sm乘以皮帶輪三擋傳動(dòng)比η;

ti為間歇期，ti必須調(diào)整到大于等于激光打標(biāo)機(jī)響應(yīng)期Rt與打標(biāo)時(shí)耗Tl之和。

送料行程由長(zhǎng)度調(diào)節(jié)器控制。根據(jù)要求的理論彩版長(zhǎng)度，松開送料調(diào)節(jié)器 (圖2所示)上的手輪3，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)長(zhǎng)螺桿1，按照指針4在標(biāo)尺5的刻度，將連桿2調(diào)到合適位置。機(jī)械預(yù)調(diào)實(shí)際是通過改變連桿的回轉(zhuǎn)半徑來限定進(jìn)給行程的，送料最長(zhǎng)可達(dá)600 mm。如上所述，圖案長(zhǎng)度一般都有±3 mm偏差，調(diào)整時(shí)必須將機(jī)械機(jī)構(gòu)送料預(yù)長(zhǎng)加5 mm，才能保證其后的定位控制和打標(biāo)有效進(jìn)行。

圖2 送料長(zhǎng)度調(diào)節(jié)器

光電系統(tǒng)的跟蹤范圍以及其與機(jī)械送料周期的同步控制是由連在主傳動(dòng)軸上的邏輯板 (Logical-Plate)實(shí)現(xiàn)的。邏輯盤按機(jī)器的送料周期同步旋轉(zhuǎn)一周。盤上開通角度α與版長(zhǎng)關(guān)系如下 (參見圖3):

式中:α為邏輯盤開通角;

L為標(biāo)準(zhǔn)版長(zhǎng)值。

調(diào)整時(shí)將主軸旋轉(zhuǎn)到標(biāo)準(zhǔn)版長(zhǎng)位置，光電開關(guān)位于α的角平分線上［2］，這樣對(duì)被拉長(zhǎng)或縮短的薄膜都能偵測(cè)。

3 光電跟蹤與延時(shí)控制

跟蹤系統(tǒng)電路圖如圖3所示。

圖3 跟蹤系統(tǒng)電路圖

3.1 觸發(fā)信號(hào)

主傳動(dòng)軸帶動(dòng)邏輯盤旋轉(zhuǎn)至送料周期末段時(shí)，邏輯盤工作角開通，邏輯盤兩側(cè)有一對(duì)紅外發(fā)射與接收管組成的光電開關(guān)，輸出一路動(dòng)作信號(hào)至跟蹤電路，經(jīng)過兩級(jí)與非門放大輸入TTL與非門的一腳。此時(shí)，機(jī)械開通指示燈D3亮。

由反射式光電跟蹤頭RS-120偵測(cè)到覆鋁薄膜上印刷圖案的版長(zhǎng)標(biāo)志而向與非門的另一輸入端發(fā)出開關(guān)信號(hào)。光電跟蹤頭本身靈敏度比較好，輸出信號(hào)強(qiáng)而且有暗通 (跟蹤點(diǎn)色度由明到暗)或亮通兩種反應(yīng)方式，可以直接通過接口將信號(hào)傳入選通元件的輸入端［3］。與非門接收到兩個(gè)高電平到位信號(hào)后，產(chǎn)生低電平的觸發(fā)信號(hào)。

3.2 推動(dòng)信號(hào)的延時(shí)保持

式中:tPL為放電時(shí)間;

tPH為充電時(shí)間;

VR2，R11，R12分別為校驗(yàn)單元可調(diào)電阻和固定電阻;

C5為校驗(yàn)單元電容。

調(diào)整多諧振蕩器的占空比，能產(chǎn)生頻率0.143～2.38 Hz的校驗(yàn)方波。校驗(yàn)頻率設(shè)定后，改變微調(diào)的阻值可以調(diào)節(jié)推動(dòng)信號(hào)保持時(shí)間的長(zhǎng)短。

與非門接收到兩個(gè)到位信號(hào)后，立即產(chǎn)生一個(gè)工作觸發(fā)信號(hào)。由于薄膜上版長(zhǎng)的印刷標(biāo)志很窄，光電跟蹤頭只能維持一個(gè)開始動(dòng)作的瞬間高電平。為了使執(zhí)行機(jī)構(gòu)將停止送料的機(jī)械響應(yīng)一直保持到一個(gè)送料周期結(jié)束，系統(tǒng)中就必須設(shè)置延時(shí)保持電路。延時(shí)控制由時(shí)基555電路單元構(gòu)成，當(dāng)與非門低電平的觸發(fā)信號(hào)輸入圖3右端NE555工作定時(shí)器的2腳，比較器C輸出低電平觸發(fā)信號(hào)，基本RS觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，將工作信號(hào)保持，NE555的Q端3腳，輸出高電平推動(dòng)信號(hào)。電路中VR1和R8、C4構(gòu)成充電回路，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作中，電容C4充電所需的時(shí)間，即輸出脈寬tpo為:

改變電位器VR1的阻值 0～47 kΩ，可獲得52 ms～2.5 s的延時(shí)。

延時(shí)電路單元通過輔助的多諧振蕩器進(jìn)行延時(shí)校驗(yàn)。根據(jù)多諧振蕩器工作原理［4］，輸出觸發(fā)脈沖頻率為:

4 定位機(jī)構(gòu)與激光打標(biāo)

推動(dòng)信號(hào)之一路經(jīng)過功率放大后直接驅(qū)動(dòng)電磁離合器與電磁壓膜機(jī)構(gòu)執(zhí)行規(guī)定的動(dòng)作，阻斷送料膠輥轉(zhuǎn)動(dòng)，壓止膜料準(zhǔn)確停在實(shí)際版長(zhǎng)的待加工位置上。

打標(biāo)系統(tǒng)采用深圳奧華AHL-DP50W激光打標(biāo)機(jī)。送料膠輥間續(xù)將薄膜拉至位于激光焦距的工作面。啟動(dòng)打標(biāo)開始有兩種方式:(1)鼠標(biāo)點(diǎn)擊Laser軟件中“雕刻”按鈕或按壓鍵盤上的空格鍵;(2)踩壓腳踏開關(guān)發(fā)出工作起始信號(hào)。該系統(tǒng)利用時(shí)基555電路腳3的一路推動(dòng)信號(hào)連入腳踏開關(guān)的觸發(fā)端自動(dòng)觸發(fā)打標(biāo)指令。工作信號(hào)的觸發(fā)方式必須設(shè)為高電位出光?！霸O(shè)置”菜單下點(diǎn)擊“激光類型設(shè)置”選項(xiàng)，輸入廠家授權(quán)密碼，進(jìn)入圖4所示界面，勾選“高電位出光”［5］。

圖4 激光打標(biāo)機(jī)觸發(fā)信號(hào)設(shè)置

公式 (1)表明:激光打標(biāo)機(jī)響應(yīng)Rt和打標(biāo)用時(shí)Tl必須在送料間歇——即主傳動(dòng)軸半周期1/2Td內(nèi)完成。圖案復(fù)雜打標(biāo)時(shí)耗較長(zhǎng)時(shí)，主機(jī)應(yīng)掛轉(zhuǎn)速較低的皮帶輪擋位，給完成打標(biāo)留夠時(shí)間。

5 結(jié)論

從上述對(duì)柔性膜料的版長(zhǎng)精確調(diào)控的機(jī)制可以看出:綜合運(yùn)用光、機(jī)、電一體化協(xié)同控制，能夠?qū)崿F(xiàn)較為智能化的自動(dòng)跟蹤與加工，這點(diǎn)對(duì)有類似控制要求的應(yīng)用也有一定借鑒價(jià)值。

【1】戚祖敏.激光打標(biāo)技術(shù)及其在包裝工業(yè)中的應(yīng)用［C］//五省一市光學(xué)聯(lián)合年會(huì)、十三省市光學(xué)聯(lián)合年會(huì)論文集，2008:88－89.

【2】余冠洲.薄膜封切機(jī)同步跟蹤方法［J］.電氣自動(dòng)化，2000(3):66.

【3】余冠洲.包裝機(jī)械中的光機(jī)電［J］.機(jī)械開發(fā)，1999(1):50－51.

【4】閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)(上冊(cè))［M］.北京:人民教育出版社，1981.

【5】深圳奧華激光科技有限公司.AHL-DP50W激光雕刻使用說明書(V4.0版)［M］，2007:12－14.