阵列式在线激光打标机的研制
|
摘要
激光打标机是集激光、光学、机械、电子和计算机等技术于一体的机电一体化设备。它利用高能量密度的激光束在物件表面制作永久性标记。已经在很多领域取代传统的打标方式而成为常规的加工方式，甚至形成新的工业标准。
目前在线激光打标有着很大的市场前景，国内外激光打标行业在此领域竞争十分激烈。当前在中低速激光打标领域国内激光打标行业和国外同行业不相上下，而速度高于250字／s的高速激光打标领域一直被国外所垄断，国外采用的阵列式在线激光打标机标记速度最高可达2000字／秒，能够满足速度为7m／s以上的生产线的打标需要。为了打破高速激光在线打标机市场被国外垄断的局面，我们在河南省高校杰出人才创新工程“高速在线CO_2激光打标机”项目经费的支持下，开始研制我们自己的具有自主知识产权的阵列式在线激光打标机。
本文对阵列式在线激光打标系统的研制过程进行了全面的讨论，着重介绍了打标机系统的整体设计以及字符采集模块和输出模块具体实现。主要内容如下：
1、分析了国内外激光加工业特别是激光打标机及其市场现状、发展趋势和市场前景。
2、对阵列式激光打标机系统进行了整体设计。
(1) 控制系统的设计
(2) 集成化光路传输耦合系统的设计
3、针对阵列式激光打标机采用字符的点阵信息打标的特点，开发从矢量字库提取字符的点阵信息的软件系统。实现了对不同字体、字号打标字符点阵信息的提取。
4、解决了WINDOWS下微秒级的精确定时问题，实现了用微机通过软件对激光器阵列的精确调制。保证了阵列式在线激光打标机输出稳定的高频率激光脉冲。
Laser marker is an electromechanical integrating equipment referring to laser, optics, mechanism, electricity, and computer, which makes permanent mark on the surface of the workpiece by high-density laser beam. Now it has been widely used in many fields of industry. Moreover, laser marking is required by the new industry standard.
At present, on-line laser marking has the best prospect in the laser marking market and the rivalry between the domestic and the foreign is drastic in the laser marking business. For the moment, the domestic is all square with the foreign in the middle and low velocity laser marking field, but the high velocity field that the velocity is higher than 250 character per second is monopolized by the foreign . Now arrayed laser marker, the new product of the foreign , can mark 2000 character per second, which can satisfy the user whose velocity of the product line is higher than 7 meters per second. In order to break the situation that the foreign controls the high velocity field, we begin to research our own high-velocity laser marker under the support of the outlay of "Innovation Project of the outstanding talents in High Academy in Henan Province" .
This article discusses the whole process of the research of the arrayed on-line laser marker. It mainly introduces the design of the whole system , the realization of the character collection module and the output module. The summary of this article is as follows:
l.The development of laser industry , the prospect and technically advantages of laser marking are reviewed.
2. The design of the whole system of the arrayed on-line laser maker.
(l)The design of the control system .
(2)The design of the integrating optical transport and coupling system.
3. The software was designed used to gain the lattice information of any character from the Windows vector font
base.
4. Realized the high-precision timing up to 122 microsecond and realized the accurate control to the laser array, ensure the laser marker to output the steady-going high frequency impulses.
目前在线激光打标有着很大的市场前景，国内外激光打标行业在此领域竞争十分激烈。当前在中低速激光打标领域国内激光打标行业和国外同行业不相上下，而速度高于250字／s的高速激光打标领域一直被国外所垄断，国外采用的阵列式在线激光打标机标记速度最高可达2000字／秒，能够满足速度为7m／s以上的生产线的打标需要。为了打破高速激光在线打标机市场被国外垄断的局面，我们在河南省高校杰出人才创新工程“高速在线CO_2激光打标机”项目经费的支持下，开始研制我们自己的具有自主知识产权的阵列式在线激光打标机。
本文对阵列式在线激光打标系统的研制过程进行了全面的讨论，着重介绍了打标机系统的整体设计以及字符采集模块和输出模块具体实现。主要内容如下：
1、分析了国内外激光加工业特别是激光打标机及其市场现状、发展趋势和市场前景。
2、对阵列式激光打标机系统进行了整体设计。
(1) 控制系统的设计
(2) 集成化光路传输耦合系统的设计
3、针对阵列式激光打标机采用字符的点阵信息打标的特点，开发从矢量字库提取字符的点阵信息的软件系统。实现了对不同字体、字号打标字符点阵信息的提取。
4、解决了WINDOWS下微秒级的精确定时问题，实现了用微机通过软件对激光器阵列的精确调制。保证了阵列式在线激光打标机输出稳定的高频率激光脉冲。
Laser marker is an electromechanical integrating equipment referring to laser, optics, mechanism, electricity, and computer, which makes permanent mark on the surface of the workpiece by high-density laser beam. Now it has been widely used in many fields of industry. Moreover, laser marking is required by the new industry standard.
At present, on-line laser marking has the best prospect in the laser marking market and the rivalry between the domestic and the foreign is drastic in the laser marking business. For the moment, the domestic is all square with the foreign in the middle and low velocity laser marking field, but the high velocity field that the velocity is higher than 250 character per second is monopolized by the foreign . Now arrayed laser marker, the new product of the foreign , can mark 2000 character per second, which can satisfy the user whose velocity of the product line is higher than 7 meters per second. In order to break the situation that the foreign controls the high velocity field, we begin to research our own high-velocity laser marker under the support of the outlay of "Innovation Project of the outstanding talents in High Academy in Henan Province" .
This article discusses the whole process of the research of the arrayed on-line laser marker. It mainly introduces the design of the whole system , the realization of the character collection module and the output module. The summary of this article is as follows:
l.The development of laser industry , the prospect and technically advantages of laser marking are reviewed.
2. The design of the whole system of the arrayed on-line laser maker.
(l)The design of the control system .
(2)The design of the integrating optical transport and coupling system.
3. The software was designed used to gain the lattice information of any character from the Windows vector font
base.
4. Realized the high-precision timing up to 122 microsecond and realized the accurate control to the laser array, ensure the laser marker to output the steady-going high frequency impulses.
引文
[1] 国外激光技工技术的发展和应用，http://www.863cims.net
[2] 激光加工的技术优势，http://www.hglaser.com.cn
[3] 洪崎正信(日本)，实用激光加工，北京电子工业出版社，1992，3-5
[4] 楼棋洪，激光在电子器件工业中的应用，电子器件，1999第22卷第1期，2—4
[5] 美国、日本、德国激光产业发展现状，http://www.china0v.org
[6] 我国激光加工市场状况分析，http://www.gznel.gov.cn
[7] 范滇元，中国激光技术发展回顾与展望，http://www.hglaser.com.cn
[8] 我国激光产业发展对策研究报告，http://www.hglaser.com.cn
[9].Ueda, Masahiro, Saitoh,Yoshikazu, Hachisuka, Hideki, Ishiqaki, Hiroyuki, Gokoh, Yukihiro, Mantani, Hiroshi, Studies on CO_2 laser marking, Optics and Lasers in Engineering, v 12, n 4, 1990, p 245-249
[10] koller, Kathleen, Hoang, Douq, White, Scott, Laser marking of plastic components, Semiconductor international, v 14, n 7, Jun, 1991, p 106-107
[11] Kuwabara, k, Yano, M, Nd:YAG laser marker utilizing a liquid-crystal-device mask, Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering, v 1223, 1990, p 47-53
[12] Takenaka H et al, Output Characteristics of Industrial YAG Lasers over 1kw Power In Cw and Quasi Cw Mode, SPIE Proc, vol. 1021, 1998
[13] Danielewicz E J, Sherman G H, Innovative optics for Shaping and Focusing Industrial C02 Lasers, SPIE ProC, vol. 1024, 1998
[14] Shen Yuming; Ye Jianhua; Wang Ying; Jiang Jiawen; Gong Huanming Mask Type Pulsed Nd:YAG Laser Marker, Applied Laser 1996.04
[15] Plinski, Edward F, Witkowski, Jerzy S, Abramski, Krzysztof M, Diffractive scanning mechanism for laser marker, Optics and Laser Technology, v 32, n 1, Feb, 2000, p 33-37
[16] Zhang, Pu, Development and industrial solutions of laser marking with a model on escutcheon of section bar, Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering, v 4222, 2000, p 345-348
[17] Bardin, VP, Sakin, IL, Sternik, YuL, Parallax-free optical-laser marker,
Metallurgist (English Translation of Metallurg), v 34, n 5-6, Jan, 1991, p 102-103
[18] Sun, Zhendong, Wu, Gengsheng,Focussing optical system of multimode fiber output for large size marker Laser Technology, v 20, n 1, Feb, 1996, p 41-43
[19] 周炳琨，激光原理(第4版)，国防工业出版社，2000，4-8
[20] 蓝信钜，激光技术，科技出版社，2001，3-6
[21] [美]Jan Axelson著，精英科技 那怡超 等译，《并行端口大全》，中国电力出版社，200l，2—3，14—17，38—39
[22] 林方等，《C语言的汉字处理与图文数据库技术》，西安交通大学出版社，1995，18—22
[23] 木森林，高峰霞，奚红宇，王世航，《Windows95实用编程与范例》，清华大学出版社，1997，212—230
[24] 王纪川，“Microsoft C 6.0中矢量字库文件的解析”，小型微型机系统，1995年 第16卷 第11期，57—60
[25] 汪锐，汪仁煌，“PC—E500汉字小字库与应用”，微电子学与计算机，2000年 第5期，38—41
[26] 王志伟，成倞媛，“SPDOS系统点阵字库结构的分析”，计算机应用，1994年 第3期，48—51
[27] 黄健青，王平，“TurboC矢量字库的分析和使用”，海南大学学报(自然科学版)，1995年 第13卷 第2期，152—154
[28] 顾景文，“不同西文和汉字字库点阵的获取与显示”，计算机应用，1995年 第15卷 第5期，22—23
[29] 段峰，段伟等，“单片机巧用WINDOWS矢量字库”，现代电子技术，2001年 第3期，55—56
[30] 刘树东，郎文鹏，“动态字库的维妒策略”，计算机工程，1994年，VOL20 No3，58—60
[31] 许文玉，冯林桥，“汉字、英文、希腊字母矢量字库的结构分析、读取及应用”，湘潭矿业学院学报，1997年 第12卷 第4期，36—40
[32] 李万龙，关键，朱红秀，“矢量字库存储结构分析及字形还原算注的设计”，吉林工学院学报，1995年 第16卷 第2期，48—52
[33] 陈刚，“用矢量字库在绘图仪十实现汉字输出”，煤矿自动化，1997年 第4期，37—38
[34] 张海棠，《Visual C++6.0编程指南》，航空工业出版社，1999，356-363
[35] Dayis Chapman著，骆长乐 译，．《学用Visual C++6.0．》，清华大学出版社，1999，177-192
[36] 钱能，《C++程序设计教程》，清华大学出版社，2000，245-248
[37] 钱澄海等，《微机中文信息处理实用技巧》，上海科学普及出版社，1995，128-137
[38] 叶欣然等，《Turbo C++库函数参考》，海洋出版社，1991，93-98
[39] 施小龙，葛玉宝，邓明辉编著，《Windows 3.X or Windows 95 API函数、数据结构和消息详解》，学苑出版社，1996，139-168
[40] 徐士良，《C常用算法程序集》，清华大学出版社，1994，89-93
[41] 卢有杰，《C语言高级程序设计》，清华大学出版社，1991，35-67
[42] 尹彦芝，《C语言常用算法与子程序》，清华大学出版社，1991，53-65
[43] 杨学平，《计算机绘图》，电力工业出版社，1980，192-200
[44] 洪锡军，陈彩贞，李从心，“windows下高精度定时的实现”，计算机应用研究，2000年第3期，96-97
[45] 汪振花，靳引利，汪桂平，“定时小断实时数据采集C语言程序设计”，现代电子技术，2002年 第2期，66-67
[46] 王未央，“高精度定时和计时的实现”，电脑技术，1999年12月，45-46
[44] 张国德，李红，“基于Windows的工业控制软件中的定时问题”，本溪冶金高等专科学校学报，1999年 第1卷 第3期，23-25
[47] 王纪成，“计算机定时自动播音系统”，河北师范大学学报，1999年 第23卷 第1期，30-32
[48] 郭小和，“计算机定时自动控制系统方法及其应用”，计算机与现代化，2002年第10期，67-68
[49] 姜勇，王莉娜，张泰山，“计算机控制系统高精度定时的实现”，2000年，第20卷 第9期，79-80
[50] 薛庆吉，杜太生，“计算机控制系统高精度定时研究”，微型电脑应用，2002年 第7期，36-37
[51] 郑沛峰，谢瑞和，“利用MFC实现Windows下工业控制的高精度定时”，现代计算机，2001年 第2期，76-77
[52] 王军，王永德，“利用PC机实现高速数据的精密定时采集”，数据采集与处理，1994年 第9卷 第3期，233-237
[53] 姜勇，王莉娜，张泰山，“利用未公开的Windows核心技术实现控制程序的高
精度定时”，微型机与应用，2000年第10期，33-35
[54] 柳泉，柳华伟，袁佳宁，“一种实现计算机高精度定时的方法”，微型电脑应用，2000年第16卷第11期，67-69
[55] 刘亚东，李从心，王小新，“用PC定时器实现步进电机控制脉冲微秒级精确定时的方法”，测控技术，2001年第20卷第10期，36-37
[56] 田振清，李改梅，“用PC机RT/CMOS周期中断实现定时间隔数据采集”，内蒙古师大学报(自然科学版)，2001年第30卷第3期，227-232
[57] 李文磊，康爱民，“用PC机定时中断开发精确定时系统”，电脑学习，1998年第6期，31-32
[58] 邢建春，“在PC机上实现任意定时的方法”，测控技术，1996年 第15卷 第5期，58-59
[59] 向阳，“在PC机上用软中断实现定时控制的方法”，自动化与仪器仪表，1994年第3期，24-26
[60] 沈玉明，叶建华，王颖，蒋加文，龚焕明，“掩模式脉冲YAG激光印标机”，应用激光，1996年第4期，45-47
[61] Karen Hazzah著，孙喜明 译，《windows Vxd与设备驱动程序权威指南》，中国电力出版社，2001，38-49，86-90
[62] Art Baker，Jerry Lozano著，施诺 等译，《Windows 2000设备驱动程序设计指南》，机械工业出版社，2001，113-129
[2] 激光加工的技术优势，http://www.hglaser.com.cn
[3] 洪崎正信(日本)，实用激光加工，北京电子工业出版社，1992，3-5
[4] 楼棋洪，激光在电子器件工业中的应用，电子器件，1999第22卷第1期，2—4
[5] 美国、日本、德国激光产业发展现状，http://www.china0v.org
[6] 我国激光加工市场状况分析，http://www.gznel.gov.cn
[7] 范滇元，中国激光技术发展回顾与展望，http://www.hglaser.com.cn
[8] 我国激光产业发展对策研究报告，http://www.hglaser.com.cn
[9].Ueda, Masahiro, Saitoh,Yoshikazu, Hachisuka, Hideki, Ishiqaki, Hiroyuki, Gokoh, Yukihiro, Mantani, Hiroshi, Studies on CO_2 laser marking, Optics and Lasers in Engineering, v 12, n 4, 1990, p 245-249
[10] koller, Kathleen, Hoang, Douq, White, Scott, Laser marking of plastic components, Semiconductor international, v 14, n 7, Jun, 1991, p 106-107
[11] Kuwabara, k, Yano, M, Nd:YAG laser marker utilizing a liquid-crystal-device mask, Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering, v 1223, 1990, p 47-53
[12] Takenaka H et al, Output Characteristics of Industrial YAG Lasers over 1kw Power In Cw and Quasi Cw Mode, SPIE Proc, vol. 1021, 1998
[13] Danielewicz E J, Sherman G H, Innovative optics for Shaping and Focusing Industrial C02 Lasers, SPIE ProC, vol. 1024, 1998
[14] Shen Yuming; Ye Jianhua; Wang Ying; Jiang Jiawen; Gong Huanming Mask Type Pulsed Nd:YAG Laser Marker, Applied Laser 1996.04
[15] Plinski, Edward F, Witkowski, Jerzy S, Abramski, Krzysztof M, Diffractive scanning mechanism for laser marker, Optics and Laser Technology, v 32, n 1, Feb, 2000, p 33-37
[16] Zhang, Pu, Development and industrial solutions of laser marking with a model on escutcheon of section bar, Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering, v 4222, 2000, p 345-348
[17] Bardin, VP, Sakin, IL, Sternik, YuL, Parallax-free optical-laser marker,
Metallurgist (English Translation of Metallurg), v 34, n 5-6, Jan, 1991, p 102-103
[18] Sun, Zhendong, Wu, Gengsheng,Focussing optical system of multimode fiber output for large size marker Laser Technology, v 20, n 1, Feb, 1996, p 41-43
[19] 周炳琨，激光原理(第4版)，国防工业出版社，2000，4-8
[20] 蓝信钜，激光技术，科技出版社，2001，3-6
[21] [美]Jan Axelson著，精英科技 那怡超 等译，《并行端口大全》，中国电力出版社，200l，2—3，14—17，38—39
[22] 林方等，《C语言的汉字处理与图文数据库技术》，西安交通大学出版社，1995，18—22
[23] 木森林，高峰霞，奚红宇，王世航，《Windows95实用编程与范例》，清华大学出版社，1997，212—230
[24] 王纪川，“Microsoft C 6.0中矢量字库文件的解析”，小型微型机系统，1995年 第16卷 第11期，57—60
[25] 汪锐，汪仁煌，“PC—E500汉字小字库与应用”，微电子学与计算机，2000年 第5期，38—41
[26] 王志伟，成倞媛，“SPDOS系统点阵字库结构的分析”，计算机应用，1994年 第3期，48—51
[27] 黄健青，王平，“TurboC矢量字库的分析和使用”，海南大学学报(自然科学版)，1995年 第13卷 第2期，152—154
[28] 顾景文，“不同西文和汉字字库点阵的获取与显示”，计算机应用，1995年 第15卷 第5期，22—23
[29] 段峰，段伟等，“单片机巧用WINDOWS矢量字库”，现代电子技术，2001年 第3期，55—56
[30] 刘树东，郎文鹏，“动态字库的维妒策略”，计算机工程，1994年，VOL20 No3，58—60
[31] 许文玉，冯林桥，“汉字、英文、希腊字母矢量字库的结构分析、读取及应用”，湘潭矿业学院学报，1997年 第12卷 第4期，36—40
[32] 李万龙，关键，朱红秀，“矢量字库存储结构分析及字形还原算注的设计”，吉林工学院学报，1995年 第16卷 第2期，48—52
[33] 陈刚，“用矢量字库在绘图仪十实现汉字输出”，煤矿自动化，1997年 第4期，37—38
[34] 张海棠，《Visual C++6.0编程指南》，航空工业出版社，1999，356-363
[35] Dayis Chapman著，骆长乐 译，．《学用Visual C++6.0．》，清华大学出版社，1999，177-192
[36] 钱能，《C++程序设计教程》，清华大学出版社，2000，245-248
[37] 钱澄海等，《微机中文信息处理实用技巧》，上海科学普及出版社，1995，128-137
[38] 叶欣然等，《Turbo C++库函数参考》，海洋出版社，1991，93-98
[39] 施小龙，葛玉宝，邓明辉编著，《Windows 3.X or Windows 95 API函数、数据结构和消息详解》，学苑出版社，1996，139-168
[40] 徐士良，《C常用算法程序集》，清华大学出版社，1994，89-93
[41] 卢有杰，《C语言高级程序设计》，清华大学出版社，1991，35-67
[42] 尹彦芝，《C语言常用算法与子程序》，清华大学出版社，1991，53-65
[43] 杨学平，《计算机绘图》，电力工业出版社，1980，192-200
[44] 洪锡军，陈彩贞，李从心，“windows下高精度定时的实现”，计算机应用研究，2000年第3期，96-97
[45] 汪振花，靳引利，汪桂平，“定时小断实时数据采集C语言程序设计”，现代电子技术，2002年 第2期，66-67
[46] 王未央，“高精度定时和计时的实现”，电脑技术，1999年12月，45-46
[44] 张国德，李红，“基于Windows的工业控制软件中的定时问题”，本溪冶金高等专科学校学报，1999年 第1卷 第3期，23-25
[47] 王纪成，“计算机定时自动播音系统”，河北师范大学学报，1999年 第23卷 第1期，30-32
[48] 郭小和，“计算机定时自动控制系统方法及其应用”，计算机与现代化，2002年第10期，67-68
[49] 姜勇，王莉娜，张泰山，“计算机控制系统高精度定时的实现”，2000年，第20卷 第9期，79-80
[50] 薛庆吉，杜太生，“计算机控制系统高精度定时研究”，微型电脑应用，2002年 第7期，36-37
[51] 郑沛峰，谢瑞和，“利用MFC实现Windows下工业控制的高精度定时”，现代计算机，2001年 第2期，76-77
[52] 王军，王永德，“利用PC机实现高速数据的精密定时采集”，数据采集与处理，1994年 第9卷 第3期，233-237
[53] 姜勇，王莉娜，张泰山，“利用未公开的Windows核心技术实现控制程序的高
精度定时”，微型机与应用，2000年第10期，33-35
[54] 柳泉，柳华伟，袁佳宁，“一种实现计算机高精度定时的方法”，微型电脑应用，2000年第16卷第11期，67-69
[55] 刘亚东，李从心，王小新，“用PC定时器实现步进电机控制脉冲微秒级精确定时的方法”，测控技术，2001年第20卷第10期，36-37
[56] 田振清，李改梅，“用PC机RT/CMOS周期中断实现定时间隔数据采集”，内蒙古师大学报(自然科学版)，2001年第30卷第3期，227-232
[57] 李文磊，康爱民，“用PC机定时中断开发精确定时系统”，电脑学习，1998年第6期，31-32
[58] 邢建春，“在PC机上实现任意定时的方法”，测控技术，1996年 第15卷 第5期，58-59
[59] 向阳，“在PC机上用软中断实现定时控制的方法”，自动化与仪器仪表，1994年第3期，24-26
[60] 沈玉明，叶建华，王颖，蒋加文，龚焕明，“掩模式脉冲YAG激光印标机”，应用激光，1996年第4期，45-47
[61] Karen Hazzah著，孙喜明 译，《windows Vxd与设备驱动程序权威指南》，中国电力出版社，2001，38-49，86-90
[62] Art Baker，Jerry Lozano著，施诺 等译，《Windows 2000设备驱动程序设计指南》，机械工业出版社，2001，113-129