一种基于示教器和PLC的YLP激光剥线系统

陶 权

（大族激光科技产业集团股份有限公司 CO2激光应用发展总部，深圳 518000）

电线的应用十分广泛，如手机、计算机、平板、数码相机以及电子词典等。在使用电线时往往需要去除表皮外层，才能更好地满足下一步的加工需求。

传统的工业生产中，一般采用机械式剥皮。机械式剥皮因钳口接触导线，会对金属线芯产生一定的挤压，导致金属线芯损伤。如果钳口不与金属线接触，则会导致绝缘皮不能剥切干净。如果刀具选择不合适或刀具损坏或操作不当，可能损伤导体，导致出现加工精度低、产生废料、质量不稳定等情况。激光剥线利用激光的热分解效应和破坏分子链效应，对需要剥除绝缘表皮的导线进行加工，是一种非接触式加工方式，不会损伤线材内芯，控制精准，效率高[1-2]。本文利用示教器人性化操作、控制器高精度运动控制、可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）抗干扰性能强和编程灵活的特点，设计了一种基于示教器和PLC的YLP激光剥线系统。结果显示，设计的系统运行平稳，安全可靠，效率高，操作简便，弥补了机械剥线的缺点。

1 控制系统布局

剥线控制系统主要由示教器部分、运动控制卡部分、驱动部分、PLC控制部分、激光发生器以及安全辅助信号部分组成。示教器部分采用手持编程器实现数据导入/导出、路径编辑等。运动控制卡部分将输入的图形或文件转化为驱动伺服的运动指令，并负责与PLC通信。驱动部分由3套伺服电机构成，具体分配如图1所示。PLC控制部分用来与运动控制卡通信，并控制激光器能量输出[3-4]。激光发生器采用YLP激光器。安全辅助信号部分采用光电传感器，用来限定各伺服轴的运动范围。

图1 控制系统布局

根据加工效率要求，伺服驱动选用400 W交流伺服，实现高速、高精度运动控制。安全辅助信号采用EX-S652，具有稳定性好、抗干扰能力强的特点。

2 功能模块

系统功能模块主要包括激光器、PLC以及控制器3个部分。激光器采用的YLP系列50 W激光器，是IPG公司推出的一款紧凑型风冷、免维护型MOPFA与Q开关脉冲掺镱光纤激光器，输出波长为1.06 μm，具有体积小、光斑模式好以及功率稳定等特点[5]。PLC采用Smart S7-200，是SIEMENS公司在中国市场推出的一款小型高性价比紧凑PLC，具有强化的内置功能和灵活的可扩展性，配备SIEMENS专用高速处理芯片，适用于较复杂的应用。控制器采用JTL-A4，是捷士公司的一款四轴控制系统，利用运动控制卡和示教器组合的方式实现。控制卡提供4 MHz的4轴插补运动。示教器为5英寸TFT显示屏，支持图形化编辑或使用U盘导入计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）程序，支持单切割和双切割，可设置不同上、下线切割参数，实现脱机运行[6]。

3 能量控制系统

3.1 激光能量控制

系统采用的YLP激光器通过机身自带的DB25接口进行能量控制，信号形式为晶体管-晶体管逻辑（Transistor-Transistor Logic，TTL）信号，具体功能分配如图2所示[8-11]。Pin1～Pin8和Pin9用于功率设置。Pin1～Pin8用于设定激光功率，为8 bit总线形式，输入范围为十进制0～255，对应0%～100%的标称0～50 W功率输出。Pin9为功率锁存脚，用于将功率设定存储到激光器内。此外，Pin19为激光调制输入（Booster放大器开/关输入），Pin23为急停输入，Pin18为主振荡器（MO）开关信号，Pin20为脉冲重复频率（同步）输入，Pin16和Pin21为激光器报警输出。

图2 激光能量控制布局图

使用PLC数字量输出调制激光器的能量信号，具体信号对接如表1所示。

表1 PLC与激光脉冲控制口接口定义

3.2 通信参数设置

示教器与控制卡通过RS232连接，控制卡和PLC之间通过RS485连接，PLC与控制卡通过Modbus RTU方式通信。控制卡将功率值发送给PLC，PLC将接收的数值转换为8 bit总线IO量输出控制激光能量输出。控制卡通信参数设置具体如图3和图4所示。

图3 控制卡通信参数设置示例一

图4 控制卡通信参数设置示例二

进入示教器基本参数设置页面，选择（激光器类型YLP|Com1；YLP激光器协议Modbus）。在Modbus参数页面设置串口Com1参数，即通信模式为“自定义”，波特率为“38400”，校验模式为“偶校验”，停止位为“2”。

3.3 PLC通信指令设置

YLP激光能量控制包含激光功率和激光频率两个参数。在PLC中编写通信指令接收控制卡发送的这两个数据[12-14]，设置PLC为从机，控制卡为主机，PLC通信地址为2。此外，寄存器地址分配情况为激光功率40001，激光频率40003。对于数据格式，主要涉及以下4个方面。第一，数据采用浮点数，3位整数和1位小数的形式。第二，激光功率单位为“W”，激光频率单位为“kHz”。第三，高位数据在前，按照AB CD的格式。例如，浮点数15.2写到激光频率地址40003，则40003地址需要写0x4173，40004地址需要写0x3333。第四，发送实例，即按照RTU模式写设备地址为2的激光频率为15.2 kHz，此时控制卡发送数据（示例）为02 10 9C 43 00 02 04 41 73 33 33 F0 CA其中，PLC回复“02 10 9C 43 00 02 9E 7F”，表示数据发送成功。

4 结语

与传统接触式剥线方式相比，激光剥线特别适用于精细线材剥离，如电子、数码行业排线、扁线、高清多媒体接口（High Definition Multimedia Interface，HDMI）以及通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）等线材线芯的剥离，发展空间广阔。设计的激光剥线系统操作简单，效率高，不损伤线材，可以脱机生产，具有更高的可靠性和安全性，生产稳定，客户反响较好，可为企业和客户带来效益，有较大的推广价值。