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物联网标识多单元的智能激光标刻系统

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资料介绍

针对当前系统存在输出波长与激光的光功率稳定性、可靠性差的问题,提出了物联网标识多单元的智能激光标刻系统,该系统包括激光器控制单元、红光指示器单元、振镜扫描单元和控制单元,激光器控制单元提供具有一定能量密度的激光光束,红光指示器用来指示激光加工区域,振镜扫描将物联网标识标刻对象转换成振镜扫描单元能够识别的驱动信号,实现物联网标识的激光标刻.测试结果证明,本文系统能够保证激光标刻过程中物联网标识信号波长协调性能的可靠性和稳定性,能够满足物联网标识的激光标刻使用要求.

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吴颖等：物联网标识多单元的智能激光标刻系统

152

《激光杂志}2018年第39卷第10期LASER JOURNAL(V01．39，No．10，2018)

物联网标识多单元的智能激光标刻系统

吴

颖，王艳阁

(中原工学院信息商务学院，郑州450000)

摘要：针对当前系统存在输出波长与激光的光功率稳定性、可靠性差的问题，提出了物联网标识多单元

的智能激光标刻系统，该系统包括激光器控制单元、红光指示器单元、振镜扫描单元和控制单元，激光器控制单

元提供具有一定能量密度的激光光束，红光指示器用来指示激光加工区域，振镜扫描将物联网标识标刻对象转

换成振镜扫描单元能够识别的驱动信号，实现物联网标识的激光标刻。测试结果证明，本文系统能够保证激光

标刻过程中物联网标识信号波长协调性能的可靠性和稳定性，能够满足物联网标识的激光标刻使用要求。

关键词：REC技术；物联网；智能控制；激光标刻系统

中图分类号：TN248

文献标识码：A

DOI编码：10．14016／j．cnki．jgzz．2018．10．152

intelligent ^lasermarking system

Ying．WANG Yange

IoT identification multi-unit

Institute of

Information&Business，Zhongyuan

450000，China)

(College

Technology，Zhengzhou

of the

view

the

and _reliability

and laser

in current

power

Abstract：In

poor stability

laser

problems

output wavelength

multi-unit

based

REC _technologyis

includes the laser

the laser control

unit，and

system，a

control

intelligent

marking system

proposed，which

red

indicator

minor

unit and the control

the red indicator is used to indicate

light

unit，the

unit，the vibrating

light

scanning

element

laser beam with

certain

single．The

the laser

provides

energy density，and

area．The vibration mirror scan converts the

of the IOT identification to the

processing

marking object

driving

of the lOT test resuhs

logo．The

that can be identified

the milTor

unit and realizes the laser

signal

scanning

marking

and _stabilityof the

show that the

can ensure the

coordination

the IOT identification

of the IOT _logo．

marking

wavelength

system

the laser

reliability

can

sig—

meet the

of the laser

nal

during

marking process，and

requirements

words：REC

control；laser

marking system

Key

technology；Internet

Things(IoT)；intelligent

近年来，由于计算机控制技术的日新月异、光学

器件可靠性的不断提高，以及各种类型激光器的不断

设计、研发和投入使用，激光标刻技术正逐步取代传

统的标刻技术，应用规模逐渐扩大，对环境适应能力

强，已成为行业的主流技术，走在整个行业的前沿【5]。

有学者提出一种基于嵌人式的物联网标识多单元智

能标刻系统设计方法∞o，该方法以MCU与

RTL8019AS芯片构建的嵌人式以太网实现物联网标

识数据的传输，通过MCU I／O接口的分时复用对

SRAM进行扩展，并实现对系统激光器和扫描振镜的

同时控制，实现物联网标识的点阵扫描式激光标刻。

实验结果显示，该方法设计的激光器输出的激光波长

和光功率存在可靠性和稳定性较差的问题。

引言

激光标刻机是综合了激光、光学、电子元件、计算

机控制技术，以及精密器械等技术手段于一体的光电

一体化系统，在激光加工领域应用最为广泛。物联网

标识的激光标刻是指利用具有高能量密度的激光光

束，在各种不同类型的物质表面产生光化学反应或物

理反应，同时在物质表面留下永久性标记的一种技术

手段¨ ‘21。这种技术手段可以用于加工多种金属及非

金属材料，例如汽车零件、金银首饰、电子元件、物联

网标识等，尤其适合那些对加工精密度和精细度较高

的工件¨ ‘41。

收稿日期：2018—03—30

针对当前存在的问题，设计物联网标识多单元的

智能激光标刻系统，并测试了其性能。

基金项目：2018年度河南省科技攻关项目(No．182102210511)

作者简介：吴颖(1987一)，女(汉族)，河南南阳人，硕士研究生，讲师，主

要研究方向：物联网、大数据及云计算。

http：／／www．1aserjournal．ca

万方数据

吴颖等：物联网标识多单元的智能激光标刻系统

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《激光杂志}2018年第39卷第10期LASER JOURNAL(V01．39，No．10，2018)

拟两种方式施行Y2—100协议¨ 1|。

2物联网标识多单元的智能激光标刻

(4)系统控制单元设计。物联网标识多单元智能

激光标刻系统的控制中心，是标刻软件和控制卡的安

装载体，能够实现物联网标识图形、文字的绘制和编

辑，通过控制系统的标刻卡，将物联网标识标刻对象

系统

2．1

多单元智能激光标刻系统的总体结构

物联网标识多单元智能激光标刻系统是由基于

REC技术的激光器控制单元、红光指示器单元、振镜

扫描单元和控制单元集成的，其总体系统设计框架如

图1所示。

2|。对基

转换成振镜扫描单元能够识别的驱动信号【1

于REC技术的物联网标识多单元智能激光标刻系统

的控制是通过计算机对系统振镜扫描单元控制卡的

控制实现的。系统扫描振镜单元是由伺服控制卡和

摆动电机两部分构成的高精度私服控制单元，在该单

元中输入一个物联网标识驱动信号后，摆动电机会按

照一定角度和一定电压的转换比例呈相应角度摆

动‘131。

r—01

罕里1

]描系统r]示器r]光器

广j藿丽而舔孬F1H电源I

聚集

土

主

墼堂陬蘅玑陌菇n网

图1物联网标识多单元智能激光标刻系统结构

2．3系统工作流程

基于REC技术的物联网标识多单元智能激光标

刻系统工作流程描述为：为了将设计的物联网标识相

关的文字、图形，根据系统扫描式标刻的基本原理，将

系统输入的物联网标识标刻内容转换为扫描振镜控

制数据，采用系统中的扫描振镜对激光标刻的位置进

行精确定位，同时控制系统激光器的激光能量密度，

在物联网标识标刻整个过程中，最重要的步骤即是系

统对物联网标识标刻激光光路的规划和激光标刻参

2．2系统各个单元的功能设计

(1)激光器控制单元设计。激光器作为激光光

源是多单元智能激光标刻系统的核心部件之一，能够

为整个系统提供具有一定能量密度的激光光束"1。

REC技术是指利用重构的方式，通过激光光栅的反射

谱实现其折射率调制，从而利用等效啁啾的方式，获

得激光光栅的采样函数和切趾函数，最终获得具有系

统所需反射谱的激光光栅，从设计角度出发，REC技

术直接面对系统反射响应，能够同时实现系统中激光

反射谱和激光相位谱的要求而放宽其具体形式的限

^{数的控制¨ 引，系统工}际^作流荪^程如翮^{图2所示。}

制，从而实现物联网标识激光标刻过程中各种频率信

号的处理；就实验角度而言，采用REC技术的激光器

是基于均匀DFB结构的，由于其拥有大尺度的周期

结构，能够实现物联网标识标刻信号的等效相位移

动[81。

刚叁墨里I，倒

激光器卜_——1扫描位置控制信号

图2物联网标识多单兀智能激光标刻流程

(2)系统的红光指示器单元设计。该单元能够表

示出需要被标刻的物联网标识图像的轮廓和外框，用

来表示系统激光加工区域，方便对物联网标识激光标

刻位置的准确定位 J。

2．4系统控制程序设计

基于REC技术的物联网标识多单元智能激光标

刻系统控制程序设计主要包括计算机控制程序设计、

物联网标识标刻的光学轨迹计算程序、扫描振镜驱动

设计和激光滞后补偿设计。

(3)系统振镜扫描控制单元设计。基于REC技

术的物联网标识多单元智能激光标刻系统采用一款

高速数字扫描振镜，利用激光振镜专用的速度为

(1)系统的计算机控制程序设计。在对基于

REC技术的物联网标识多单元智能激光标刻系统进

2Mibt／s的20位数据串行接口的Y2—100协议与振镜

扫描控制器进行通讯¨ 0|。Y2—100协议采用包括时

钟信号、同步信号、x信号和Y信号的4路差分信号，

其中前3路信号表示系统控制命令，最后1路差分信

号表示系统奇偶校验位，剩余的16位数据是物联网

标识坐标信息，考虑到系统中没有专门的Y2—100协

议串行接口，该单元设计之初采用硬件模拟和软件模

行联机使用时，由激光标刻软件生成的物联网标刻数

据传输给系统控制器单元，并暂时存储在缓冲器单元

中，将这些物联网标识标刻点的标刻参数按照给定的

顺序和规定的时间间隔逐点进行数／模转换输出，控

制系统扫描振镜的移动，同时调节系统扫描振镜的x

轴和Y轴的偏转、系统的激光加工功率以及系统激光

器的出光与关光等动作；在基于REC技术的物联网

http：／／www．1aseoournal．cn

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吴颖等：物联网标识多单元的智能激光标刻系统

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《激光杂志))2018年第39卷第10期LASER JOURNAL(V01．39，No．10，2018)

标识多单元智能激光标刻系统进行脱机使用时，可以

将已经由激光标刻软件生成的物联网标刻数据传输

并保存到系统控制器单元的非易失性存储器中，使得

系统控制单元能够脱离计算机进行单独工作，同时可

以通过系统控制单元的键盘输入指令以及LCD显示

对非易失性存储器的物联网标识标刻内容进行标刻

数据文件类型选择、修改标刻参数、开始标刻和放弃

标刻等一系列操作¨ 5|。

(a)各通道中心波长光谱

(2)物联网标识标刻的光学轨迹计算程序设计。

采用市面上最流行的F—Theta透镜、扫描振镜和聚焦

透镜，掌握三者的曲面数据，通过对物联网标识激光

标刻光路的计算，以及物联网标识标刻图形的数据，

计算扫描振镜与聚焦透镜之间的相对距离，并输出给

系统扫描振镜单元的驱动器，控制系统伺服电机的运

动‘1 6|。

(3)扫描振镜驱动设计。系统扫描振镜单元的驱

动程序主要由RS232串行通信电路、系统伺服电机驱

动电路、物联网标识数据存储电路、激光标刻键盘／显

示电路等四部分构成，其中RS232串行通信电路主要

负责接收系统传送来的物联网标识数据，系统激光器

发出的控制指令经过伺服电机驱动电路，控制系统光

电隔离器，使得物联网标识信号经过光电隔离器之后

被送入系统放大器单元进行信号放大处理，通过驱动

系统伺服电机控制扫描电镜运动，在激光标刻平面获

得最佳聚焦¨ “。

(b)各通道人P—I特性曲线

图3

系统激光器各通道波长光谱和P—I特性曲线

由于物联网标识的激光标刻需要系统激光器输

出激光波长的长时间稳定才能保障激光标刻完整性

和标刻效果，对系统激光器所标定通道的物联网标识

信号输出波长与激光光功率进行长达400min的稳定

性测试，测试结果如图3所示。观察图3可以发现，

系统激光器输出的物联网标识激光波长漂移小于

± 2pm，输出激光的光功率最大值与最小值之间的差

小于0．02dBm，无跳变现象，稳定性较好，能够满足物

联网标识的激光标刻使用要求。

(4)扫描振镜驱动设计和激光滞后补偿设计。系

统激光器从接通电源到输出具有额定功率的激光光

束需要一段时间，当系统激光器停止工作后，再次启

动重新出光还需要一段时间，这段时间即为激光滞后

补偿，通常情况下，激光标刻系统激光器在停止工作

50ms滞后就需要进行激光滞后补偿，才能保证物联

网标识激光标刻的正常进行。

3系统性能测试

(a)物联网标识的信号波长

对通电老化过后的系统激光器控制单元进行测

试，使得测试时的工作温度保持在25℃，在工作温度

不发生变化的情况下对系统激光器控制单元各通道

进行物联网标识信号电流驱动，对各个通道形成的物

联网标识信号波形特性与P—I特性进行测试。测试

结果如图2所示。从图3(a)中可以看出，系统激光

器控制单元各通道中心波长值呈良好线性，物联网标

识信号波长间隔和平均边膜抑制比分别为3．12mm

和43dB。从图3(b)可以看出，4个阈值基本都稳定

在30mA左右，系统激光器各通道P—I特性良好。

(b)激光的光功率

图4激光器输出的激光变化情况

http：／／www．1aserjournal．cn

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《激光杂志}2018年第39卷第10期LASERJOURNAL(V01．39，No．10，2018)

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读取，以此种方法采用REC技术对同一物联网标识

信号波长的调谐结果进行检测，可以检验系统激光器

控制单元对物联网标识信号波长调谐的可靠性与稳

定性。具体测试结果显示如图5所示。从图5中可

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4结束语

针对物联网标识过程中存在的问题，设计了基于

REC技术的物联网标识多单元智能激光标刻系统，仿

真测试结果表明，相邻激光器控制单元之间的中心波

长间隔等距均匀，物联网标识信号波长具有可调谐

性，能够根据系统激光标刻的不同需求动态选取不同

波长的激光输出。

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