激光打標(biāo)自動(dòng)上料系統(tǒng)的電磁兼容問題設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、激光打標(biāo)自動(dòng)上料系統(tǒng)的電磁兼容問題設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)    （1 河北科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，河北石家莊，050054    摘要：在工作現(xiàn)場(chǎng)中，電器設(shè)備會(huì)受到來自系統(tǒng)內(nèi)部及外部的電磁干擾。激光打標(biāo)自動(dòng)上料系統(tǒng)是一臺(tái)專用設(shè)備，其控制系統(tǒng)同樣會(huì)受到電磁干擾，在專用設(shè)備的設(shè)計(jì)制作中有必要進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計(jì)并通過有效的測(cè)試手段來保證。針對(duì)激光打標(biāo)自動(dòng)上料系統(tǒng)存在的電磁干擾，采取了一些措施，并對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行了修正，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明，這些設(shè)計(jì)方法是可行的，而且對(duì)工作現(xiàn)場(chǎng)中的其他電器設(shè)備的電磁兼容設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。 關(guān)鍵詞：激

2、光打標(biāo)機(jī)；電磁兼容；自動(dòng)上料    Design and Implementation of EMC in the auto-feeding system for laser marking YAN Tao1, WEI Ze-ding1, JIN Gui-qin2 (1 HeBei University of Science and Technology，ShiJiaZhuang，050054 2 ShiJiaZhuang Sprocket Factory ShiJiaZhuang 050031 ) Abstract: In the industrial

3、 enviornment, electrical equipment will be subject to internal and external interference from the system. The auto-feeding system for laser marking is a specialized equipment, and its control system will be subject to the interference of electromagnetic too. We must take account of the electromagnet

4、ic compatibility and ensure its reliability through effective testing means in the design process of the specialized equipment. We have taken a number of means against the electromagnetic interference existing in the auto-feeding system for laser marking, and we have amended its control system. The

5、effect shows that the design method is feasible after practical application, and it can be used as reference of EMC of designing other electrical equipments in the industrial environment. Keywords: Laser Marking; EMC; Auto-Feeding    引言    激光打標(biāo)機(jī)又名激光標(biāo)刻機(jī)等。激光打標(biāo)機(jī)是

6、利用高能量的激光束照射在物體表面，光能瞬時(shí)變成熱能，使物體表面迅速產(chǎn)生蒸發(fā)，從而在物體表面上刻出任意所需要的文字、圖形和圖像，服務(wù)于各行各業(yè)。 石英晶體激光打標(biāo)自動(dòng)上料系統(tǒng)（專用于石英晶體振蕩器的激光打標(biāo)）可使石英晶體自動(dòng)上料，自動(dòng)打標(biāo)，它是一臺(tái)典型的機(jī)電一體化設(shè)備，在該設(shè)備的設(shè)計(jì)過程中，首先要考慮的是實(shí)現(xiàn)其必要的功能，主要是關(guān)于其工藝性的設(shè)計(jì)，但由于石英晶體的打標(biāo)工序是該產(chǎn)品除包裝、檢驗(yàn)外的最后一道工序，有些廠家的檢驗(yàn)工序甚至在打標(biāo)之前，如果石英晶體在打標(biāo)時(shí)出現(xiàn)質(zhì)量問題，不僅會(huì)造成很大浪費(fèi)，而且還會(huì)引起客戶的投訴，所以必須保證該專用設(shè)備的工作可靠性。而對(duì)于機(jī)電一體化設(shè)備的可靠性的影響因素中，

7、系統(tǒng)的電磁兼容問題是一個(gè)主要因素。如果這一問題處理得不好，將使系統(tǒng)產(chǎn)生很多隨機(jī)的故障，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作，所以，研究與解決其電磁兼容問題具有重要意義，而且，對(duì)于其他的機(jī)電一體化設(shè)備也具有一定的指導(dǎo)意義。    1 石英晶體激光打標(biāo)自動(dòng)上料系統(tǒng)的構(gòu)成 圖1 激光打標(biāo)自動(dòng)上料系統(tǒng)的構(gòu)成    作者簡(jiǎn)介：閻濤，男，1970，河北石家莊，漢，工程師，碩士研究生，主要從事機(jī)電一體化方面的研究。 石英晶體激光打標(biāo)自動(dòng)上料系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：激光打標(biāo)機(jī)、機(jī)頭（主要包括電磁鐵及光電檢測(cè)等器件）、按鍵、中央控制板（主要包括CP

8、U等器件）、驅(qū)動(dòng)板（主要包括電源變換、光電隔離、報(bào)警器等器件）、振動(dòng)料斗（主要包括電磁鐵等器件）、振動(dòng)料道（主要包括電磁鐵和光電檢測(cè)等器件）、箱體等，如圖1所示。    2 石英晶體激光打標(biāo)自動(dòng)上料系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)    2.1 電磁干擾源的分析 該自動(dòng)上料系統(tǒng)采用單片機(jī)控制，單片機(jī)本身的抗干擾能力較差，且工作現(xiàn)場(chǎng)有大量的電子設(shè)備存在，同時(shí)激光打標(biāo)機(jī)采用微型機(jī)來控制，也較容易受到外來干擾，所以該系統(tǒng)的電磁兼容問題成為在系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作過程中必須考慮的問題。 激光打標(biāo)機(jī)本身就是一個(gè)較大的干擾源，它的主要干擾為：

9、1）開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻干擾。激光打標(biāo)機(jī)的激光電源一般采用開關(guān)電源, 開關(guān)電源轉(zhuǎn)換效率高, 體積小。但由于開關(guān)電源在工作過程中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的高頻干擾, 這對(duì)石英晶體激光打標(biāo)自動(dòng)上料系統(tǒng)的控制部分有較嚴(yán)重的影響。 2）靜電。激光打標(biāo)機(jī)的某些部位所帶靜電有2萬伏以上。 石英晶體激光打標(biāo)自動(dòng)上料系統(tǒng)內(nèi)部的主要干擾源為電磁鐵，它為感性負(fù)載。 來自于工作現(xiàn)場(chǎng)其他設(shè)備的主要干擾源為電磁閥、繼電器、晶閘管、電機(jī)以及大功率負(fù)載在接通瞬間所產(chǎn)生的沖擊電流的干擾。 2.2 電磁兼容的一般設(shè)計(jì)方法 在石英晶體激光打標(biāo)機(jī)的設(shè)計(jì)制作過程中，由于設(shè)計(jì)原則是為客戶提供優(yōu)質(zhì)低價(jià)的產(chǎn)品，所以設(shè)計(jì)時(shí)最好針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的干擾情況采取措施，但

10、是，由于干擾的測(cè)試手段不完善，測(cè)試成本也很高，所以在設(shè)計(jì)時(shí)只能依據(jù)經(jīng)驗(yàn)采取一些必要的措施。一般說來，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的干擾源分為內(nèi)部干擾源和外部干擾源，由于單片機(jī)往往處于較為惡劣、復(fù)雜的外部電磁環(huán)境，較強(qiáng)的外部干擾信號(hào)主要通過電源進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部。根據(jù)這些情況在設(shè)計(jì)時(shí)采取的主要措施分為硬件抗干擾技術(shù)和軟件抗干擾技術(shù)。 2.3 本系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 通過合理的硬件電路設(shè)計(jì)，可以消除絕大部分電磁干擾，應(yīng)用硬件抗干擾措施是經(jīng)常采用的一種有效方法。硬件抗干擾技術(shù)主要包括濾波、接地以及屏蔽等。在這臺(tái)設(shè)備中我們根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的干擾源采取的主要的硬件抗干擾方法是： 1) 使用電源濾波器，用于濾除電源線通過傳

11、導(dǎo)耦合的電磁噪聲。 2) 采用分立式供電。因?yàn)橄到y(tǒng)中的的用電設(shè)備例如推拉電磁鐵、下壓電磁鐵、振動(dòng)料斗電磁鐵、振動(dòng)料道電磁鐵、報(bào)警器等的接通和斷開都會(huì)在供電電源中產(chǎn)生很嚴(yán)重的噪聲，包括脈沖噪聲、電壓瞬時(shí)跌落、高頻噪聲等。為了盡量減少動(dòng)力負(fù)載產(chǎn)生的噪聲通過電源傳導(dǎo)到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，應(yīng)該對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和動(dòng)力負(fù)載分別供電，并單獨(dú)設(shè)計(jì)印制電路板。 3) 合理使用接地技術(shù)。為防止共地線阻抗干擾，該設(shè)備中有三種接地線，一是以安全為目的的保護(hù)地線，與該設(shè)備的機(jī)箱相連，一個(gè)是為設(shè)備中的各個(gè)電路提供穩(wěn)定的零基準(zhǔn)電位的工作接地，還有就是為抑制噪聲電纜等的屏蔽層的接地。 4) 使用雙面板設(shè)計(jì)電路。在單面印制電路板

12、上的高速邏輯電路一般較難保持正常和可靠的工作狀態(tài)，為預(yù)防外來噪聲和向外輻射噪聲，宜采用多層結(jié)構(gòu)的印制電路板。. 5) 使用光電耦合器件進(jìn)行信號(hào)隔離。由于光電耦合器不是將輸入側(cè)和輸出側(cè)的電信號(hào)進(jìn)行直接耦合，而是以光為媒介進(jìn)行間接耦合，所以具有較高的電器隔離和抗干擾能力。 6) 信號(hào)線和電磁鐵電源線分別引出，以減少線間串?dāng)_。 7）設(shè)置復(fù)位按鍵。 串入微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的干擾，其頻譜往往很寬，且具有隨機(jī)性，采用硬件抗干擾措施，只能抑制某個(gè)頻率段的干擾，仍有一些干擾會(huì)侵入系統(tǒng)。因此，除了采用硬件抗干擾方法外，還要采取軟件抗干擾措施。在該設(shè)備中，主要采取的軟件抗干擾措施為： 1) 輸入口信號(hào)重復(fù)檢測(cè)方法。在該

13、裝置中，對(duì)于鍵盤輸入信號(hào)，只有連續(xù)檢測(cè)180次均為高電平才認(rèn)為輸入信號(hào)有效，只要中間有一次為低電平，系統(tǒng)則認(rèn)為本輸入信號(hào)無效，繼續(xù)重新計(jì)數(shù)。 2) 軟件陷阱技術(shù)。當(dāng)亂飛的程序進(jìn)入非程序區(qū)（如EPROM未使用的空間）或表格區(qū)時(shí)，采用冗余指令使程序納入軌道條件便不滿足，此時(shí)可以設(shè)定軟件陷阱，攔截亂飛程序，將其迅速引向一個(gè)指定位置，在那里有一段專門對(duì)程序出錯(cuò)進(jìn)行處理的程序。 在采取了上述措施后，經(jīng)實(shí)際使用，在有的車間能夠完全正常工作，而在有的車間單片機(jī)控制系統(tǒng)有時(shí)能正常工作，有時(shí)則處于非正常工作狀態(tài)甚至完全癱瘓狀態(tài)，具體現(xiàn)象為：通電后推拉電磁鐵即伸出，不接受任何指令；計(jì)數(shù)器顯示0，不接受任何指令；在

14、工作中突然停機(jī)，按復(fù)位鍵后繼續(xù)運(yùn)行；時(shí)常出現(xiàn)漏打現(xiàn)象，平均為每打標(biāo)100個(gè)晶體，便出現(xiàn)2-3個(gè)未打標(biāo)晶體。 根據(jù)這些現(xiàn)象，可以看出，系統(tǒng)的電路原理是正確的，產(chǎn)生這些問題的原因主要是電磁兼容問題。系統(tǒng)是由于受到了內(nèi)部或外部的干擾才產(chǎn)生了這些現(xiàn)象。我們分析這些干擾主要來自于以下幾個(gè)方面： 1) 電磁鐵的電源線相當(dāng)于一個(gè)電磁波發(fā)射天線，而光電檢測(cè)信號(hào)線相當(dāng)于一個(gè)電磁波接收天線，會(huì)把干擾信號(hào)傳遞至控制系統(tǒng)。 2) 振動(dòng)輸送電磁鐵以及振動(dòng)料斗、推拉電磁鐵也為干擾源，在其電源通斷瞬間，會(huì)產(chǎn)生很高的反壓，進(jìn)而干擾控制系統(tǒng)。 3) 原設(shè)計(jì)的激光打標(biāo)機(jī)控制方式把光電耦合器件裝在了驅(qū)動(dòng)板處，然后再通過引線連接至激

15、光打標(biāo)機(jī)控制電路處，這種接線方式的導(dǎo)致的結(jié)果是：此時(shí)，這根連線相當(dāng)于一根天線，會(huì)把外部的干擾信號(hào)接收到激光打標(biāo)機(jī)控制電路內(nèi)部進(jìn)而影響控制信號(hào)，嚴(yán)重時(shí)，在用激光打標(biāo)機(jī)鍵盤輸入信息時(shí)甚至使計(jì)算機(jī)出現(xiàn)亂碼。 采取的主要措施： 1) 為電磁鐵加裝吸收電路。主要包括振動(dòng)料斗、振動(dòng)料道內(nèi)的電磁鐵以及推拉電磁鐵和下壓電磁鐵。加裝時(shí)，盡可能加在電磁鐵的附近，原則是越近效果越好，在本設(shè)備中，我們加在了電磁鐵的引線處。 2）重新設(shè)計(jì)電源濾波電路。 2) 把光電隔離器件由原來放至驅(qū)動(dòng)板處改為放至激光打標(biāo)機(jī)內(nèi)部控制電路板處，這樣便減少了較長信號(hào)線所帶來的干擾，如圖2所示。 圖 2 激光打標(biāo)控制方式的改進(jìn) 3 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)施結(jié)果