eng
Выпуск #3/2011
С.Полушкин
Эффективное управление комплексом лазерной гравировки. Часть 2
Эффективное управление комплексом лазерной гравировки. Часть 2
Просмотры: 3418
В первой части статьи были рассмотрены возможные подходы к решению задачи управления лазерным комплексом. Описаны два основных метода управления: непосредственное управление через порты ПК и управление посредством команд, исполняемых специализированным контроллером. Второй метод был признан более эффективным. В статье представлена реализация метода на примере устройства управления «LManager».
Командный метод управления подразумевает наличие устройства-исполнителя, которое выполняет последовательность команд, поступающих от программы, управляющей лазерным комплексом. Это устройство должно иметь интерфейс для подключения к управляющему ПК, через который оно получает команды от программы и передает обратно информацию о процессе выполнения задания, состоянии комплекса, ошибках и т.д. Назовем этот интерфейс интерфейсом управления. Кроме этого, устройство управления должно иметь интерфейсы, через которые происходит управление отдельными компонентами маркирующего комплекса. Назовем эти интерфейсы периферийными. Устройство управления содержит один интерфейс управления. Количество и типы периферийных интерфейсов продиктованы составом современных лазерных маркирующих комплексов. Устройство управления должно быть универсальным, т.е. иметь возможность работать с лазерными комплексами в различной конфигурации и на базе разных типов лазерных излучателей.
Современный комплекс лазерной гравировки может содержать различные устройства, которые служат для решения всевозможных задач и расширяют его функциональность. Самая простая конфигурация представляет собой источник лазерного излучения с устройством позиционирования луча – гальванометрическими сканаторами и программным обеспечением. Кроме этого опционально в состав комплекса могут входить 2- или 3-координатный стол, педаль управления, устройство вращения. Рассмотрим функциональное назначение каждого устройства, входящего в комплекс, а также особенности управления этими устройствами.
Лазерный излучатель
В лазерной маркировке и гравировке нашли широкое применение импульсные лазерные излучатели с длинами волн 10,6 мкм и 1,06 мкм. В первом случае это газовый CO2-лазер. Управление такими лазерами осуществляется, как правило, посредством единственного сигнала с широтно-импульсной модуляцией. Минимально возможная ширина импульса этого сигнала соответствует выключенному состоянию излучателя. Увеличивая ширину управляющего импульса, мы увеличиваем оптическую мощность на выходе. Лазеры с длиной волны 1,06 мкм, применяемые в лазерной гравировке, – это либо твердотельные с непрерывной накачкой, либо волоконные лазеры. Лазеры с непрерывной накачкой требуют управления мощностью накачки, а также сигнала управления акустооптическим затвором (q-switch), с помощью которого происходит включение-выключение лазерного излучения и формируется частота импульсов на выходе. Для управления мощностью, как правило, используется все та же широтно-импульсная модуляция. Включение и выключение затвора производится сигналом цифрового уровня. Устройство управления комплексом лазерной гравировки должно иметь возможность работы с перечисленными типами лазерных излучателей.
Гальванометрические сканаторы
Большая часть производимых в мире сканаторов управляется биполярным аналоговым напряжением [1]. Различие лишь в диапазоне этого напряжения. Два наиболее часто используемых диапазона – это ±5 В и ±10 В. Таким образом, устройство управления комплексом должно иметь цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) с биполярным выходом и возможностью перестройки диапазона выходного напряжения.
Координатный стол и устройство вращения
Для расширения круга решаемых задач и увеличения гибкости лазерные маркирующие комплексы могут оснащаться координатным столом и устройством вращения детали. Координатный стол позволяет автоматизировать процесс гравировки большого количества однотипных изделий, а также увеличивает зону обработки. В комплексах используются как 2-, так и 3-координатные столы. Устройство вращения позволяет наносить изображения на поверхности тел вращения. В координатных столах и в устройствах вращения обычно используются шаговые или серводвигатели. Управление шаговыми двигателями осуществляется посредством специальных драйверов. Большинство таких драйверов имеют протокол управления "шаг-направление" (Step-Direction). Многие контроллеры серводвигателей имеют режим эмуляции этого протокола. Реализация этого протокола в устройстве позволяет управлять координатными столами как в наиболее распространенном варианте на базе шаговых двигателей, так и в случае использования серводвигателей.
Теперь, когда мы определили необходимый функционал устройства управления комплексом лазерной гравировки, перейдем к рассмотрению его практической реализации на примере устройства «LManager».Блок управления «LManager» предназначен для управления комплексом лазерной гравировки. Он имеет все необходимые интерфейсы для управления перечисленными выше блоками, входящими в состав лазерного комплекса. Блок управления работает в командном режиме и имеет буферизацию команд для предотвращения остановок в процессе работы в результате прерываний операционной системы (см. первую часть статьи). Объема буфера достаточно для работы в автономном режиме до 1 мин. Все алгоритмы управления реализованы на аппаратном уровне в ПЛИС Altera Cyclone III. Структурная схема контроллера приведена на рис.1. В качестве интерфейса управления используется интерфейс USB. Устройство соответствует спецификации USB 2.0 и работает в режиме FullSpeed [2]. Этот интерфейс был выбран по ряду причин:
высокая пропускная способность;
возможность горячего подключения;
автоматическое конфигурирование устройства (Plug-and-Play);
высокая помехозащищенность.
Кроме того, интерфейс USB присутствует в любом современном компьютере или ноутбуке. Таким образом, для управления лазерным комплексом не нужно подбирать какой-то особенный компьютер, устанавливать в него специальные платы расширения и производить сложную настройку. Достаточно взять любой офисный ПК, установить на него ПО управления лазером и вставить кабель в порт USB. Устройство будет автоматически определено, сконфигурировано операционной системой, а программа управления определит наличие подключенного лазера и установит с ним соединение.
Взаимодействие с контроллером «LManager» производится по протоколу LScan.BufZ. Этот протокол поддерживается программным пакетом лазерной гравировки «LDesigner® » версии 4.0 и выше. Протокол является закрытым.
Блок управления «LManager» имеет следующие периферийные интерфейсы:
Интерфейс управления CO2-лазером. Управление осуществляется широтно-импульсной модуляцией через один-единственный сигнал – сигнал ШИМ. Сигнал управления газовым лазером выведен на разъем XS2 (рис.2). Временная диаграмма, поясняющая принцип работы этого интерфейса, приведена на рис.3.
Интерфейс управления волоконным и Nd:YAG-лазером. В блоке управления «LManager» реализован интерфейс управления волоконными лазерами производства НТО «ИРЭ-Полюс». Разъем управления волоконным лазером XP8 полностью совместим на уровне контактов с разъемом управления волоконными лазерами серии ИЛМИ. Сигналы этого интерфейса и их описание приведены в таблице. Более подробное описание этого интерфейса – в руководстве по эксплуатации приборов ИЛМИ.
Для управления Nd:YAG-лазером с непрерывной накачкой можно использовать сигналы, входящие в состав интерфейса волоконного лазера. Для задания мощности накачки подходит цифровой выход значения мощности или ШИМ-управление из интерфейса СО2-лазера. Если используемый блок питания лампы накачки использует аналоговый сигнал для задания уровня мощности, блок управления «LManager» может быть оснащен дополнительным модулем ЦАП для преобразования уровня мощности из цифровой в аналоговую форму. Для управления частотой импульсов и включения-выключения излучения используются соответствующие сигналы из интерфейса волоконного лазера. Интерфейс волоконного лазера имеет гальваническую развязку всех сигналов, обеспечивающую защиту управляющего ПК и ядра устройства от воздействия напряжения до 2500 В.
Интерфейс управления сканаторами. Как было указано выше, управление гальванометрическими сканаторами осуществляется биполярным аналоговым сигналом. В комплексах лазерной гравировки часто бывает так, что блок управления и сканаторная головка находятся на удалении друг от друга. Аналоговый сигнал управления при передаче по длинным проводам подвержен электромагнитным наводкам, которые могут существенно ухудшать качество работы системы и приводить к серьезным сбоям. Поэтому в блоке управления «LManager» цифроаналоговый преобразователь, используемый для управления сканаторами, выполнен в виде отдельной платы. Эта плата размещается в сканаторной головке в непосредственной близости к сканаторам. Провода, передающие аналоговые сигналы, в этом случае, могут быть максимально короткими. Информация о положении сканатора передается в цифровой форме в виде 16-разрядного целого числа со знаком (signed short int.). Запись данных в ЦАП производится в последовательной форме по интерфейсу SPI. Временная диаграмма работы интерфейса приведена на рис 4.
В устройстве управления «LManager» для передачи данных используются сигналы уровня LVDS (low-voltage differential signaling) – низковольтная дифференциальная передача сигналов. Это способ передачи электрических сигналов, позволяющий передавать информацию на высоких частотах при помощи соединений на основе витой пары [3]. В его основе лежит токовая петля. Использование витой пары в совокупности с токовым выходом позволяет передавать данные с большой частотой и увеличивает помехозащищенность. Протокол передачи информации, используемый в «LManager» аналогичен индустриальному стандарту XY2–100, но не совместим с ним. Сигналы интерфейса сканаторов выведены на разъем XP10 (см. рис.2). Все сигналы также имеют гальваническую развязку с защитой от бросков напряжения до 2500 В.
Интерфейс управления координатным столом. Блок управления «LManager» имеет интерфейс для управления устройствами позиционирования с приводом от шаговых двигателей. Для управления используется протокол "шаг-направление". Временная диаграмма, поясняющая принцип работы этого протокола, приведена на рис.5.
Этот протокол подразумевает наличие двух сигналов на каждый двигатель: “Шаг” и “Направление”. По фронту сигнала “Шаг” двигатель делает один шаг в направлении, заданном уровнем сигнала “Направление”. В большинстве драйверов шаговых двигателей на входе сигналов управления установлены оптроны для гальванической развязки. По этой причине выходы устройства управления целесообразно реализовывать по схеме “открытый коллектор”. Именно так реализованы выходы интерфейса управления координатным столом в контроллере «LManager». Этот интерфейс позволяет управлять тремя двигателями и имеет возможность опроса четырех концевых выключателей с программированием их функций.
Модули перемещения, используемые для вертикального перемещения, как правило, имеют фрикционный тормоз, управляемый электромагнитом. Этот тормоз предотвращает сползание полезной нагрузки вниз под действием силы тяжести при снятии напряжения с обмоток двигателя. Для управления электромагнитом необходимо предусмотреть дополнительный сигнал.
Для расширения функциональных возможностей, повышения удобства использования и гибкости контроллера следует ввести дополнительные сигналы управления:
сигнал состояния контура безопасности – при нарушении контура безопасности (открытии двери кабины, пересечении зоны безопасности, открытии кожуха излучателя) контроллер немедленно отключает излучение и передает в программу сообщение об ошибке контура. Программа прерывает процесс гравировки и информирует о событии пользователя;
сигнал запуска гравировки – при нажатии на соответствующую кнопку на панели управления происходит запуск процесса гравировки. Использование педали позволяет рукам оператора оставаться свободными, что повышает производительность работы;
сигнал прерывания-приостановки процесса гравировки;
сигнал индикации процесса гравировки – позволяет информировать оператора о выполнении процесса гравировки и о его окончании посредством световой или звуковой сигнализации;
цифровые входы-выходы – для синхронизации работы комплекса лазерной гравировки с внешними устройствами: загрузчиками, конвейером и т.п.
Таким образом, реализовав перечисленные выше функции в одном устройстве, мы получили контроллер для управления комплексом лазерной гравировки, который может работать с системами различной конфигурации, построенными на базе различных типов излучателей и содержащими в своем составе координатные столы и устройства вращения. Управление всеми блоками комплекса от одного контроллера позволяет получить идеальную синхронизацию работы всех составляющих комплекса. Синхронное функционирование устройств в составе комплекса существенно повышает качество нанесения изображения и увеличивает скорость гравировки.
Конструктивно устройство управления «LManager» представляет собой печатную плату, помещенную в металлический корпус из листовой стали. Внешний вид платы управления приведен на рис.6. Габариты блока: 115×100×27 мм. Масса не более 0,45 кг. Благодаря малым размерам и легкому весу устройство используется в малогабаритных переносных лазерных приборах (рис.7). Питание осуществляется двумя способами. Устройство может получать необходимое напряжение непосредственно с шины USB. Потребление составляет около 450 мА. Это близко к пределу нагрузочной способности одного порта, поэтому для питания рекомендуется использовать внешний источник напряжением 12–36 В и током не менее 1 А. Он подключается к разъему XP1 (см. рис.2). Выбор источника питания осуществляется автоматически. Если присутствуют оба напряжения, приоритетом обладает питание, подключенное к XP1.
Литература
Нестерук И.Н. Гальванометрические сканаторы для лазерных маркирующих комплексов.– Фотоника, 2007, №3
Universal Serial Bus Revision 2.0 specification. – http://www.usb.org/developers/docs
LVDS Owner’s Manual. – National Semiconductor Corporation, 2004.
Современный комплекс лазерной гравировки может содержать различные устройства, которые служат для решения всевозможных задач и расширяют его функциональность. Самая простая конфигурация представляет собой источник лазерного излучения с устройством позиционирования луча – гальванометрическими сканаторами и программным обеспечением. Кроме этого опционально в состав комплекса могут входить 2- или 3-координатный стол, педаль управления, устройство вращения. Рассмотрим функциональное назначение каждого устройства, входящего в комплекс, а также особенности управления этими устройствами.
Лазерный излучатель
В лазерной маркировке и гравировке нашли широкое применение импульсные лазерные излучатели с длинами волн 10,6 мкм и 1,06 мкм. В первом случае это газовый CO2-лазер. Управление такими лазерами осуществляется, как правило, посредством единственного сигнала с широтно-импульсной модуляцией. Минимально возможная ширина импульса этого сигнала соответствует выключенному состоянию излучателя. Увеличивая ширину управляющего импульса, мы увеличиваем оптическую мощность на выходе. Лазеры с длиной волны 1,06 мкм, применяемые в лазерной гравировке, – это либо твердотельные с непрерывной накачкой, либо волоконные лазеры. Лазеры с непрерывной накачкой требуют управления мощностью накачки, а также сигнала управления акустооптическим затвором (q-switch), с помощью которого происходит включение-выключение лазерного излучения и формируется частота импульсов на выходе. Для управления мощностью, как правило, используется все та же широтно-импульсная модуляция. Включение и выключение затвора производится сигналом цифрового уровня. Устройство управления комплексом лазерной гравировки должно иметь возможность работы с перечисленными типами лазерных излучателей.
Гальванометрические сканаторы
Большая часть производимых в мире сканаторов управляется биполярным аналоговым напряжением [1]. Различие лишь в диапазоне этого напряжения. Два наиболее часто используемых диапазона – это ±5 В и ±10 В. Таким образом, устройство управления комплексом должно иметь цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) с биполярным выходом и возможностью перестройки диапазона выходного напряжения.
Координатный стол и устройство вращения
Для расширения круга решаемых задач и увеличения гибкости лазерные маркирующие комплексы могут оснащаться координатным столом и устройством вращения детали. Координатный стол позволяет автоматизировать процесс гравировки большого количества однотипных изделий, а также увеличивает зону обработки. В комплексах используются как 2-, так и 3-координатные столы. Устройство вращения позволяет наносить изображения на поверхности тел вращения. В координатных столах и в устройствах вращения обычно используются шаговые или серводвигатели. Управление шаговыми двигателями осуществляется посредством специальных драйверов. Большинство таких драйверов имеют протокол управления "шаг-направление" (Step-Direction). Многие контроллеры серводвигателей имеют режим эмуляции этого протокола. Реализация этого протокола в устройстве позволяет управлять координатными столами как в наиболее распространенном варианте на базе шаговых двигателей, так и в случае использования серводвигателей.
Теперь, когда мы определили необходимый функционал устройства управления комплексом лазерной гравировки, перейдем к рассмотрению его практической реализации на примере устройства «LManager».Блок управления «LManager» предназначен для управления комплексом лазерной гравировки. Он имеет все необходимые интерфейсы для управления перечисленными выше блоками, входящими в состав лазерного комплекса. Блок управления работает в командном режиме и имеет буферизацию команд для предотвращения остановок в процессе работы в результате прерываний операционной системы (см. первую часть статьи). Объема буфера достаточно для работы в автономном режиме до 1 мин. Все алгоритмы управления реализованы на аппаратном уровне в ПЛИС Altera Cyclone III. Структурная схема контроллера приведена на рис.1. В качестве интерфейса управления используется интерфейс USB. Устройство соответствует спецификации USB 2.0 и работает в режиме FullSpeed [2]. Этот интерфейс был выбран по ряду причин:
высокая пропускная способность;
возможность горячего подключения;
автоматическое конфигурирование устройства (Plug-and-Play);
высокая помехозащищенность.
Кроме того, интерфейс USB присутствует в любом современном компьютере или ноутбуке. Таким образом, для управления лазерным комплексом не нужно подбирать какой-то особенный компьютер, устанавливать в него специальные платы расширения и производить сложную настройку. Достаточно взять любой офисный ПК, установить на него ПО управления лазером и вставить кабель в порт USB. Устройство будет автоматически определено, сконфигурировано операционной системой, а программа управления определит наличие подключенного лазера и установит с ним соединение.
Взаимодействие с контроллером «LManager» производится по протоколу LScan.BufZ. Этот протокол поддерживается программным пакетом лазерной гравировки «LDesigner® » версии 4.0 и выше. Протокол является закрытым.
Блок управления «LManager» имеет следующие периферийные интерфейсы:
Интерфейс управления CO2-лазером. Управление осуществляется широтно-импульсной модуляцией через один-единственный сигнал – сигнал ШИМ. Сигнал управления газовым лазером выведен на разъем XS2 (рис.2). Временная диаграмма, поясняющая принцип работы этого интерфейса, приведена на рис.3.
Интерфейс управления волоконным и Nd:YAG-лазером. В блоке управления «LManager» реализован интерфейс управления волоконными лазерами производства НТО «ИРЭ-Полюс». Разъем управления волоконным лазером XP8 полностью совместим на уровне контактов с разъемом управления волоконными лазерами серии ИЛМИ. Сигналы этого интерфейса и их описание приведены в таблице. Более подробное описание этого интерфейса – в руководстве по эксплуатации приборов ИЛМИ.
Для управления Nd:YAG-лазером с непрерывной накачкой можно использовать сигналы, входящие в состав интерфейса волоконного лазера. Для задания мощности накачки подходит цифровой выход значения мощности или ШИМ-управление из интерфейса СО2-лазера. Если используемый блок питания лампы накачки использует аналоговый сигнал для задания уровня мощности, блок управления «LManager» может быть оснащен дополнительным модулем ЦАП для преобразования уровня мощности из цифровой в аналоговую форму. Для управления частотой импульсов и включения-выключения излучения используются соответствующие сигналы из интерфейса волоконного лазера. Интерфейс волоконного лазера имеет гальваническую развязку всех сигналов, обеспечивающую защиту управляющего ПК и ядра устройства от воздействия напряжения до 2500 В.
Интерфейс управления сканаторами. Как было указано выше, управление гальванометрическими сканаторами осуществляется биполярным аналоговым сигналом. В комплексах лазерной гравировки часто бывает так, что блок управления и сканаторная головка находятся на удалении друг от друга. Аналоговый сигнал управления при передаче по длинным проводам подвержен электромагнитным наводкам, которые могут существенно ухудшать качество работы системы и приводить к серьезным сбоям. Поэтому в блоке управления «LManager» цифроаналоговый преобразователь, используемый для управления сканаторами, выполнен в виде отдельной платы. Эта плата размещается в сканаторной головке в непосредственной близости к сканаторам. Провода, передающие аналоговые сигналы, в этом случае, могут быть максимально короткими. Информация о положении сканатора передается в цифровой форме в виде 16-разрядного целого числа со знаком (signed short int.). Запись данных в ЦАП производится в последовательной форме по интерфейсу SPI. Временная диаграмма работы интерфейса приведена на рис 4.
В устройстве управления «LManager» для передачи данных используются сигналы уровня LVDS (low-voltage differential signaling) – низковольтная дифференциальная передача сигналов. Это способ передачи электрических сигналов, позволяющий передавать информацию на высоких частотах при помощи соединений на основе витой пары [3]. В его основе лежит токовая петля. Использование витой пары в совокупности с токовым выходом позволяет передавать данные с большой частотой и увеличивает помехозащищенность. Протокол передачи информации, используемый в «LManager» аналогичен индустриальному стандарту XY2–100, но не совместим с ним. Сигналы интерфейса сканаторов выведены на разъем XP10 (см. рис.2). Все сигналы также имеют гальваническую развязку с защитой от бросков напряжения до 2500 В.
Интерфейс управления координатным столом. Блок управления «LManager» имеет интерфейс для управления устройствами позиционирования с приводом от шаговых двигателей. Для управления используется протокол "шаг-направление". Временная диаграмма, поясняющая принцип работы этого протокола, приведена на рис.5.
Этот протокол подразумевает наличие двух сигналов на каждый двигатель: “Шаг” и “Направление”. По фронту сигнала “Шаг” двигатель делает один шаг в направлении, заданном уровнем сигнала “Направление”. В большинстве драйверов шаговых двигателей на входе сигналов управления установлены оптроны для гальванической развязки. По этой причине выходы устройства управления целесообразно реализовывать по схеме “открытый коллектор”. Именно так реализованы выходы интерфейса управления координатным столом в контроллере «LManager». Этот интерфейс позволяет управлять тремя двигателями и имеет возможность опроса четырех концевых выключателей с программированием их функций.
Модули перемещения, используемые для вертикального перемещения, как правило, имеют фрикционный тормоз, управляемый электромагнитом. Этот тормоз предотвращает сползание полезной нагрузки вниз под действием силы тяжести при снятии напряжения с обмоток двигателя. Для управления электромагнитом необходимо предусмотреть дополнительный сигнал.
Для расширения функциональных возможностей, повышения удобства использования и гибкости контроллера следует ввести дополнительные сигналы управления:
сигнал состояния контура безопасности – при нарушении контура безопасности (открытии двери кабины, пересечении зоны безопасности, открытии кожуха излучателя) контроллер немедленно отключает излучение и передает в программу сообщение об ошибке контура. Программа прерывает процесс гравировки и информирует о событии пользователя;
сигнал запуска гравировки – при нажатии на соответствующую кнопку на панели управления происходит запуск процесса гравировки. Использование педали позволяет рукам оператора оставаться свободными, что повышает производительность работы;
сигнал прерывания-приостановки процесса гравировки;
сигнал индикации процесса гравировки – позволяет информировать оператора о выполнении процесса гравировки и о его окончании посредством световой или звуковой сигнализации;
цифровые входы-выходы – для синхронизации работы комплекса лазерной гравировки с внешними устройствами: загрузчиками, конвейером и т.п.
Таким образом, реализовав перечисленные выше функции в одном устройстве, мы получили контроллер для управления комплексом лазерной гравировки, который может работать с системами различной конфигурации, построенными на базе различных типов излучателей и содержащими в своем составе координатные столы и устройства вращения. Управление всеми блоками комплекса от одного контроллера позволяет получить идеальную синхронизацию работы всех составляющих комплекса. Синхронное функционирование устройств в составе комплекса существенно повышает качество нанесения изображения и увеличивает скорость гравировки.
Конструктивно устройство управления «LManager» представляет собой печатную плату, помещенную в металлический корпус из листовой стали. Внешний вид платы управления приведен на рис.6. Габариты блока: 115×100×27 мм. Масса не более 0,45 кг. Благодаря малым размерам и легкому весу устройство используется в малогабаритных переносных лазерных приборах (рис.7). Питание осуществляется двумя способами. Устройство может получать необходимое напряжение непосредственно с шины USB. Потребление составляет около 450 мА. Это близко к пределу нагрузочной способности одного порта, поэтому для питания рекомендуется использовать внешний источник напряжением 12–36 В и током не менее 1 А. Он подключается к разъему XP1 (см. рис.2). Выбор источника питания осуществляется автоматически. Если присутствуют оба напряжения, приоритетом обладает питание, подключенное к XP1.
Литература
Нестерук И.Н. Гальванометрические сканаторы для лазерных маркирующих комплексов.– Фотоника, 2007, №3
Universal Serial Bus Revision 2.0 specification. – http://www.usb.org/developers/docs
LVDS Owner’s Manual. – National Semiconductor Corporation, 2004.
Отзывы читателей
