| 激光打标自动上料系统的电磁兼容问题设计与实现 |
| 作者 ：阎涛1，魏泽鼎1，金桂芹2 | | 更新时间：2008-2-15 |
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（1 河北科技大学机械电子工程学院，河北石家庄，050054
摘要：在工作现场中，电器设备会受到来自系统内部及外部的电磁干扰。激光打标自动上料系统是一台专用设备，其控制系统同样会受到电磁干扰，在专用设备的设计制作中有必要进行电磁兼容性设计并通过有效的测试手段来保证。针对激光打标自动上料系统存在的电磁干扰，采取了一些措施，并对其控制系统进行了修正，现场应用效果表明，这些设计方法是可行的，而且对工作现场中的其他电器设备的电磁兼容设计有一定的指导意义。
关键词：激光打标机；电磁兼容；自动上料
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 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 electromagnetic 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 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
激光打标机又名激光标刻机等。激光打标机是利用高能量的激光束照射在物体表面，光能瞬时变成热能，使物体表面迅速产生蒸发，从而在物体表面上刻出任意所需要的文字、图形和图像，服务于各行各业。
石英晶体激光打标自动上料系统（专用于石英晶体振荡器的激光打标）可使石英晶体自动上料，自动打标，它是一台典型的机电一体化设备，在该设备的设计过程中，首先要考虑的是实现其必要的功能，主要是关于其工艺性的设计，但由于石英晶体的打标工序是该产品除包装、检验外的最后一道工序，有些厂家的检验工序甚至在打标之前，如果石英晶体在打标时出现质量问题，不仅会造成很大浪费，而且还会引起客户的投诉，所以必须保证该专用设备的工作可靠性。而对于机电一体化设备的可靠性的影响因素中，系统的电磁兼容问题是一个主要因素。如果这一问题处理得不好，将使系统产生很多随机的故障，严重影响系统的工作，所以，研究与解决其电磁兼容问题具有重要意义，而且，对于其他的机电一体化设备也具有一定的指导意义。
1 石英晶体激光打标自动上料系统的构成
图1 激光打标自动上料系统的构成
作者简介：阎涛，男，1970，河北石家庄，汉，工程师，硕士研究生，主要从事机电一体化方面的研究。
石英晶体激光打标自动上料系统主要由以下几部分组成：激光打标机、机头（主要包括电磁铁及光电检测等器件）、按键、中央控制板（主要包括CPU等器件）、驱动板（主要包括电源变换、光电隔离、报警器等器件）、振动料斗（主要包括电磁铁等器件）、振动料道（主要包括电磁铁和光电检测等器件）、箱体等，如图1所示。
2 石英晶体激光打标自动上料系统的电磁兼容设计与实现
2.1 电磁干扰源的分析
该自动上料系统采用单片机控制，单片机本身的抗干扰能力较差，且工作现场有大量的电子设备存在，同时激光打标机采用微型机来控制，也较容易受到外来干扰，所以该系统的电磁兼容问题成为在系统设计制作过程中必须考虑的问题。
激光打标机本身就是一个较大的干扰源，它的主要干扰为：
1）开关电源产生的高频干扰。激光打标机的激光电源一般采用开关电源, 开关电源转换效率高, 体积小。但由于开关电源在工作过程中会产生严重的高频干扰, 这对石英晶体激光打标自动上料系统的控制部分有较严重的影响。
2）静电。激光打标机的某些部位所带静电有2万伏以上。
石英晶体激光打标自动上料系统内部的主要干扰源为电磁铁，它为感性负载。
来自于工作现场其他设备的主要干扰源为电磁阀、继电器、晶闸管、电机以及大功率负载在接通瞬间所产生的冲击电流的干扰。
2.2 电磁兼容的一般设计方法
在石英晶体激光打标机的设计制作过程中，由于设计原则是为客户提供优质低价的产品，所以设计时最好针对现场的干扰情况采取措施，但是，由于干扰的测试手段不完善，测试成本也很高，所以在设计时只能依据经验采取一些必要的措施。一般说来，单片机应用系统的干扰源分为内部干扰源和外部干扰源，由于单片机往往处于较为恶劣、复杂的外部电磁环境，较强的外部干扰信号主要通过电源进入单片机系统内部。根据这些情况在设计时采取的主要措施分为硬件抗干扰技术和软件抗干扰技术。
2.3 本系统的电磁兼容设计与实现
通过合理的硬件电路设计，可以消除绝大部分电磁干扰，应用硬件抗干扰措施是经常采用的一种有效方法。硬件抗干扰技术主要包括滤波、接地以及屏蔽等。在这台设备中我们根据现场的干扰源采取的主要的硬件抗干扰方法是：
1) 使用电源滤波器，用于滤除电源线通过传导耦合的电磁噪声。
2) 采用分立式供电。因为系统中的的用电设备例如推拉电磁铁、下压电磁铁、振动料斗电磁铁、振动料道电磁铁、报警器等的接通和断开都会在供电电源中产生很严重的噪声，包括脉冲噪声、电压瞬时跌落、高频噪声等。为了尽量减少动力负载产生的噪声通过电源传导到计算机控制系统中，应该对计算机控制系统和动力负载分别供电，并单独设计印制电路板。
3) 合理使用接地技术。为防止共地线阻抗干扰，该设备中有三种接地线，一是以安全为目的的保护地线，与该设备的机箱相连，一个是为设备中的各个电路提供稳定的零基准电位的工作接地，还有就是为抑制噪声电缆等的屏蔽层的接地。
4) 使用双面板设计电路。在单面印制电路板上的高速逻辑电路一般较难保持正常和可靠的工作状态，为预防外来噪声和向外辐射噪声，宜采用多层结构的印制电路板。.
5) 使用光电耦合器件进行信号隔离。由于光电耦合器不是将输入侧和输出侧的电信号进行直接耦合，而是以光为媒介进行间接耦合，所以具有较高的电器隔离和抗干扰能力。
6) 信号线和电磁铁电源线分别引出，以减少线间串扰。
7）设置复位按键。
串入微机测控系统的干扰，其频谱往往很宽，且具有随机性，采用硬件抗干扰措施，只能抑制某个频率段的干扰，仍有一些干扰会侵入系统。因此，除了采用硬件抗干扰方法外，还要采取软件抗干扰措施。在该设备中，主要采取的软件抗干扰措施为：
1) 输入口信号重复检测方法。在该装置中，对于键盘输入信号，只有连续检测180次均为高电平才认为输入信号有效，只要中间有一次为低电平，系统则认为本输入信号无效，继续重新计数。
2) 软件陷阱技术。当乱飞的程序进入非程序区（如EPROM未使用的空间）或表格区时，采用冗余指令使程序纳入轨道条件便不满足，此时可以设定软件陷阱，拦截乱飞程序，将其迅速引向一个指定位置，在那里有一段专门对程序出错进行处理的程序。
在采取了上述措施后，经实际使用，在有的车间能够完全正常工作，而在有的车间单片机控制系统有时能正常工作，有时则处于非正常工作状态甚至完全瘫痪状态，具体现象为：通电后推拉电磁铁即伸出，不接受任何指令；计数器显示0，不接受任何指令；在工作中突然停机，按复位键后继续运行；时常出现漏打现象，平均为每打标100个晶体，便出现2-3个未打标晶体。
根据这些现象，可以看出，系统的电路原理是正确的，产生这些问题的原因主要是电磁兼容问题。系统是由于受到了内部或外部的干扰才产生了这些现象。我们分析这些干扰主要来自于以下几个方面：
1) 电磁铁的电源线相当于一个电磁波发射天线，而光电检测信号线相当于一个电磁波接收天线，会把干扰信号传递至控制系统。
2) 振动输送电磁铁以及振动料斗、推拉电磁铁也为干扰源，在其电源通断瞬间，会产生很高的反压，进而干扰控制系统。
3) 原设计的激光打标机控制方式把光电耦合器件装在了驱动板处，然后再通过引线连接至激光打标机控制电路处，这种接线方式的导致的结果是：此时，这根连线相当于一根天线，会把外部的干扰信号接收到激光打标机控制电路内部进而影响控制信号，严重时，在用激光打标机键盘输入信息时甚至使计算机出现乱码。
采取的主要措施：
1) 为电磁铁加装吸收电路。主要包括振动料斗、振动料道内的电磁铁以及推拉电磁铁和下压电磁铁。加装时，尽可能加在电磁铁的附近，原则是越近效果越好，在本设备中，我们加在了电磁铁的引线处。
2）重新设计电源滤波电路。
2) 把光电隔离器件由原来放至驱动板处改为放至激光打标机内部控制电路板处，这样便减少了较长信号线所带来的干扰，如图2所示。
图 2 激光打标控制方式的改进
3 工业现场的实施结果
通过不断改进，经在6个厂家的实际使用表明，该激光打标自动上料装置可以连续打标20万只以上而不出现质量问题，证明该激光打标机自动上料系统完全可以正常的工作于生产现场，使客户的生产效率得以提高，成本得以降低。
在设备的设计制作过程中，我们需要注意，即使周边为极为相似的设备，但是干扰源却不一样，表明有些设备本身也存在一定的电磁兼容问题，这就需要我们在检测仪器与手段不完善的情况下多分析，积累经验，少走弯路。
参考文献
…… 全科论文中心http://www.issncn.net
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