一種基于示教器和PLC的YLP激光剝線系統(tǒng)

陶 權(quán)

（大族激光科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司 CO2激光應(yīng)用發(fā)展總部，深圳 518000）

電線的應(yīng)用十分廣泛，如手機(jī)、計(jì)算機(jī)、平板、數(shù)碼相機(jī)以及電子詞典等。在使用電線時(shí)往往需要去除表皮外層，才能更好地滿足下一步的加工需求。

傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)中，一般采用機(jī)械式剝皮。機(jī)械式剝皮因鉗口接觸導(dǎo)線，會(huì)對(duì)金屬線芯產(chǎn)生一定的擠壓，導(dǎo)致金屬線芯損傷。如果鉗口不與金屬線接觸，則會(huì)導(dǎo)致絕緣皮不能剝切干凈。如果刀具選擇不合適或刀具損壞或操作不當(dāng)，可能損傷導(dǎo)體，導(dǎo)致出現(xiàn)加工精度低、產(chǎn)生廢料、質(zhì)量不穩(wěn)定等情況。激光剝線利用激光的熱分解效應(yīng)和破壞分子鏈效應(yīng)，對(duì)需要?jiǎng)兂^緣表皮的導(dǎo)線進(jìn)行加工，是一種非接觸式加工方式，不會(huì)損傷線材內(nèi)芯，控制精準(zhǔn)，效率高[1-2]。本文利用示教器人性化操作、控制器高精度運(yùn)動(dòng)控制、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）抗干擾性能強(qiáng)和編程靈活的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于示教器和PLC的YLP激光剝線系統(tǒng)。結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，安全可靠，效率高，操作簡(jiǎn)便，彌補(bǔ)了機(jī)械剝線的缺點(diǎn)。

1 控制系統(tǒng)布局

剝線控制系統(tǒng)主要由示教器部分、運(yùn)動(dòng)控制卡部分、驅(qū)動(dòng)部分、PLC控制部分、激光發(fā)生器以及安全輔助信號(hào)部分組成。示教器部分采用手持編程器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入/導(dǎo)出、路徑編輯等。運(yùn)動(dòng)控制卡部分將輸入的圖形或文件轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)伺服的運(yùn)動(dòng)指令，并負(fù)責(zé)與PLC通信。驅(qū)動(dòng)部分由3套伺服電機(jī)構(gòu)成，具體分配如圖1所示。PLC控制部分用來(lái)與運(yùn)動(dòng)控制卡通信，并控制激光器能量輸出[3-4]。激光發(fā)生器采用YLP激光器。安全輔助信號(hào)部分采用光電傳感器，用來(lái)限定各伺服軸的運(yùn)動(dòng)范圍。

圖1 控制系統(tǒng)布局

根據(jù)加工效率要求，伺服驅(qū)動(dòng)選用400 W交流伺服，實(shí)現(xiàn)高速、高精度運(yùn)動(dòng)控制。安全輔助信號(hào)采用EX-S652，具有穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

2 功能模塊

系統(tǒng)功能模塊主要包括激光器、PLC以及控制器3個(gè)部分。激光器采用的YLP系列50 W激光器，是IPG公司推出的一款緊湊型風(fēng)冷、免維護(hù)型MOPFA與Q開關(guān)脈沖摻鐿光纖激光器，輸出波長(zhǎng)為1.06 μm，具有體積小、光斑模式好以及功率穩(wěn)定等特點(diǎn)[5]。PLC采用Smart S7-200，是SIEMENS公司在中國(guó)市場(chǎng)推出的一款小型高性價(jià)比緊湊PLC，具有強(qiáng)化的內(nèi)置功能和靈活的可擴(kuò)展性，配備SIEMENS專用高速處理芯片，適用于較復(fù)雜的應(yīng)用?？刂破鞑捎肑TL-A4，是捷士公司的一款四軸控制系統(tǒng)，利用運(yùn)動(dòng)控制卡和示教器組合的方式實(shí)現(xiàn)。控制卡提供4 MHz的4軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。示教器為5英寸TFT顯示屏，支持圖形化編輯或使用U盤導(dǎo)入計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）程序，支持單切割和雙切割，可設(shè)置不同上、下線切割參數(shù)，實(shí)現(xiàn)脫機(jī)運(yùn)行[6]。

3 能量控制系統(tǒng)

3.1 激光能量控制

系統(tǒng)采用的YLP激光器通過(guò)機(jī)身自帶的DB25接口進(jìn)行能量控制，信號(hào)形式為晶體管-晶體管邏輯（Transistor-Transistor Logic，TTL）信號(hào)，具體功能分配如圖2所示[8-11]。Pin1～Pin8和Pin9用于功率設(shè)置。Pin1～Pin8用于設(shè)定激光功率，為8 bit總線形式，輸入范圍為十進(jìn)制0～255，對(duì)應(yīng)0%～100%的標(biāo)稱0～50 W功率輸出。Pin9為功率鎖存腳，用于將功率設(shè)定存儲(chǔ)到激光器內(nèi)。此外，Pin19為激光調(diào)制輸入（Booster放大器開/關(guān)輸入），Pin23為急停輸入，Pin18為主振蕩器（MO）開關(guān)信號(hào)，Pin20為脈沖重復(fù)頻率（同步）輸入，Pin16和Pin21為激光器報(bào)警輸出。

圖2 激光能量控制布局圖

使用PLC數(shù)字量輸出調(diào)制激光器的能量信號(hào)，具體信號(hào)對(duì)接如表1所示。

表1 PLC與激光脈沖控制口接口定義

3.2 通信參數(shù)設(shè)置

示教器與控制卡通過(guò)RS232連接，控制卡和PLC之間通過(guò)RS485連接，PLC與控制卡通過(guò)Modbus RTU方式通信。控制卡將功率值發(fā)送給PLC，PLC將接收的數(shù)值轉(zhuǎn)換為8 bit總線IO量輸出控制激光能量輸出?？刂瓶ㄍㄐ艆?shù)設(shè)置具體如圖3和圖4所示。

圖3 控制卡通信參數(shù)設(shè)置示例一

圖4 控制卡通信參數(shù)設(shè)置示例二

進(jìn)入示教器基本參數(shù)設(shè)置頁(yè)面，選擇（激光器類型YLP|Com1；YLP激光器協(xié)議Modbus）。在Modbus參數(shù)頁(yè)面設(shè)置串口Com1參數(shù)，即通信模式為“自定義”，波特率為“38400”，校驗(yàn)?zāi)Ｊ綖椤芭夹ｒ?yàn)”，停止位為“2”。

3.3 PLC通信指令設(shè)置

YLP激光能量控制包含激光功率和激光頻率兩個(gè)參數(shù)。在PLC中編寫通信指令接收控制卡發(fā)送的這兩個(gè)數(shù)據(jù)[12-14]，設(shè)置PLC為從機(jī)，控制卡為主機(jī)，PLC通信地址為2。此外，寄存器地址分配情況為激光功率40001，激光頻率40003。對(duì)于數(shù)據(jù)格式，主要涉及以下4個(gè)方面。第一，數(shù)據(jù)采用浮點(diǎn)數(shù)，3位整數(shù)和1位小數(shù)的形式。第二，激光功率單位為“W”，激光頻率單位為“kHz”。第三，高位數(shù)據(jù)在前，按照AB CD的格式。例如，浮點(diǎn)數(shù)15.2寫到激光頻率地址40003，則40003地址需要寫0x4173，40004地址需要寫0x3333。第四，發(fā)送實(shí)例，即按照RTU模式寫設(shè)備地址為2的激光頻率為15.2 kHz，此時(shí)控制卡發(fā)送數(shù)據(jù)（示例）為02 10 9C 43 00 02 04 41 73 33 33 F0 CA其中，PLC回復(fù)“02 10 9C 43 00 02 9E 7F”，表示數(shù)據(jù)發(fā)送成功。

4 結(jié)語(yǔ)

與傳統(tǒng)接觸式剝線方式相比，激光剝線特別適用于精細(xì)線材剝離，如電子、數(shù)碼行業(yè)排線、扁線、高清多媒體接口（High Definition Multimedia Interface，HDMI）以及通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）等線材線芯的剝離，發(fā)展空間廣闊。設(shè)計(jì)的激光剝線系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，效率高，不損傷線材，可以脫機(jī)生產(chǎn)，具有更高的可靠性和安全性，生產(chǎn)穩(wěn)定，客戶反響較好，可為企業(yè)和客戶帶來(lái)效益，有較大的推廣價(jià)值。