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1、 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) GRADUATION DESIGN(THESIS) 題 目： 小型激光雕刻機(jī)的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 學(xué) 院： 信息科學(xué)與工程學(xué)院 專業(yè)班級： 本科生院制 2016年6月 I 小型激光雕刻機(jī)的設(shè)計(jì) I 小型激光雕刻機(jī)的設(shè)計(jì) 摘要 隨著時(shí)代的發(fā)展，激光雕刻技術(shù)的應(yīng)用越來越廣。激光雕刻機(jī)是以數(shù)控技術(shù)為基礎(chǔ)，激光加工

2、為手段的一種加工方法，它具有與加工材料非接觸的特性，加工精度、效率高，適合多種材料的加工。 本次小型激光雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)，在對當(dāng)前激光加工和激光雕刻技術(shù)做了詳細(xì)了解后，完成了雕刻機(jī)的控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)、硬件電路和軟件算法的設(shè)計(jì)以及雕刻機(jī)的機(jī)械框架的設(shè)計(jì)。雕刻機(jī)用兩個(gè)42步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動XY兩軸的運(yùn)動，激光部分采用小功率激光筆，控制系統(tǒng)使用STM32作為主控芯片，采用主從式控制方式。整個(gè)控制流程為：上位機(jī)軟件完成圖像轉(zhuǎn)G代碼處理和G代碼發(fā)送功能，下位機(jī)通過串口通信模塊接收G代碼數(shù)據(jù)后，進(jìn)行G代碼的解析、插補(bǔ)算法處理，然后控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動和激光筆的開關(guān)，完成雕刻功能。 設(shè)計(jì)以較低的成本和較高的精度實(shí)現(xiàn)

3、雕刻機(jī)的常用功能，雕刻機(jī)體積小、使用方便，符制造設(shè)備微型化的發(fā)展趨勢，具有很好的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞：激光雕刻 主從式 G代碼解析 插補(bǔ)算法 步進(jìn)電機(jī) I Miniature laser engraving machine design Abstract With the development of technology, there is a new industry gradually developed, on many occasions the processing technology is

4、 to use it, that is laser engraving technology.In laser engraving technology, completed in the form of CNC laser engraving or cutting, because the laser engraving and carved objects without direct contact, so it has high efficiency, suitable for a variety of materials. This design of small laser e

5、ngraving based on a detailed investigation of the current laser processing and laser engraving technology.The design completed the design of control system framework of the overall design, hardware and software algorithms design .The design based on STM32 micro control chip,using a low-power laser h

6、ead.The control system can receive data from a computer serial port, the microcontroller parsing G-code and run the interpolation operation to control the motor movement, achieved an online, offline laser engraving function. The system at a lower cost, higher precision and stability achieved a reg

7、ular laser engraving machine’s processing characteristics. Engraving machine is small and easy to use,is in line with manufacturing equipment miniaturization trend, have good prospects for development. Key words：Laser engraving Client–servermodel G-code parser Interpolation algorithm Stepping

8、 motor II 目錄 第1章 緒論 ..1 1.1 前言 1 1.2 項(xiàng)目背景 1 1.2.1 激光加工概述 1 1.2.2 激光雕刻及激光雕刻機(jī) 2 1.3 激光雕刻機(jī)及其運(yùn)控技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 5 1.3.1 激光雕刻機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀 5 1.3.2 運(yùn)動控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 6 1.4 論文安排及主要內(nèi)容 7 第2章 系統(tǒng)總體方案的研究與設(shè)計(jì) 9 2.1 雕刻機(jī)的控制結(jié)構(gòu) 9 2.2 功能需求 9 2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程 10 2.4 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 2.4.1 傳動結(jié)構(gòu) 11 2.4.2 外形框架

9、12 2.4.3 整體搭建 12 第3章 系統(tǒng)硬件電路的研究與設(shè)計(jì) ..14 3.1 控制系統(tǒng)硬件電路總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14 3.2 控制芯片選擇 15 3.3 系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì) 16 3.4 電機(jī)及驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 3.4.1 步進(jìn)電機(jī)的選擇 18 3.4.2 電機(jī)驅(qū)動模塊 19 3.5 激光及驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20 3.6 LCD顯示模塊 21 3.7 鍵盤模塊設(shè)計(jì) 22 3.8 輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì) 23 第4章 系統(tǒng)軟件的研究與設(shè)計(jì) ..24 4.1 控制系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì) 24 4.1.1 控制系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境 24 4.1.2 控制

10、系統(tǒng)軟件總流程 24 4.2 初始化及對刀模式 25 4.3 串口數(shù)據(jù)接收程序設(shè)計(jì) 26 4.4 G代碼解析模塊 27 4.4.1 G代碼簡介 27 4.4.2 G代碼解析程序設(shè)計(jì) 28 4.5 插補(bǔ)控制介紹 30 4.5.1 逐點(diǎn)比較插補(bǔ)算法 30 4.5.2 直線插補(bǔ)實(shí)現(xiàn) 32 4.5.3 圓弧插補(bǔ)實(shí)現(xiàn) 33 4.6 步進(jìn)電機(jī)控制軟件設(shè)計(jì) 35 4.7 鍵盤模塊軟件設(shè)計(jì) 36 4.8 上位機(jī)軟件 37 4.8.1 圖形轉(zhuǎn)G代碼 37 4.8.2 G代碼發(fā)送 38 第5章 系統(tǒng)整體測試 ..39 5.1 系統(tǒng)參數(shù) 39 5.2

11、 激光雕刻機(jī)整機(jī)測試 40 5.2.1 測試流程 40 5.2.2 測試結(jié)果 40 第6章 總結(jié)與展望 ..42 致謝 43 參考文獻(xiàn) 44 IV 第1章 緒論 1.1 前言 激光的產(chǎn)生標(biāo)志著一個(gè)新興學(xué)科的產(chǎn)生，從上世紀(jì)六十年代開始，激光加工技術(shù)迅速發(fā)展。激光很多特點(diǎn)，如相干性高，單色性好，有很好的方向性和高能量密度，這些特點(diǎn)使激光在工業(yè)生產(chǎn)中有了很好的應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)中主要利用的也就是激光的高能量特性，一束激光經(jīng)過聚焦后能夠在工件表面形成很小的光點(diǎn)，直徑可達(dá)到幾十微米，所以具有很高的能力密度。在工業(yè)生產(chǎn)中激光技術(shù)主要的應(yīng)用包括

12、激光切割、焊接、雕刻、材料表面處理等。 隨著激光加工相關(guān)的研究不斷深入，各式激光工具也隨之誕生，激光的應(yīng)用領(lǐng)域也變得越廣，給社會帶來的經(jīng)濟(jì)效益更加明顯。激光雕刻是激光加工技術(shù)中最為常見的一種，主要是利用激光的高能量對工件進(jìn)行光化效應(yīng)、汽化效應(yīng)和溶蝕效應(yīng)以實(shí)現(xiàn)加工的目的。激光雕刻具有效率高、精度高、低污染、等特點(diǎn)，適應(yīng)與塑料、橡膠、木材、亞克力板等非金屬材料的加工，在服飾、印刷、工藝、廣告等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。[1-2] 1.2 項(xiàng)目背景 1.2.1激光加工概述 激光加工的原理是利用高能量密度的激光束在被加工工件表面照射，然后被照射區(qū)的溫度在很短的時(shí)間內(nèi)上升到很高，使材料表面發(fā)生汽化或熔化，

13、從而形成切縫達(dá)到切割或雕刻的效果。與傳統(tǒng)的刀具加工相比，激光加工技術(shù)在生產(chǎn)中具有很大的便捷性，所以激光技術(shù)已成為一種高新技術(shù)，改良傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)方式。現(xiàn)在激光加工已進(jìn)入諸多領(lǐng)域，如汽車制造、電子、鋼鐵、冶金、輕工等行業(yè)。 激光加工有相干性高，單色性好，方向性好和高能量密度等特點(diǎn)，設(shè)備將激光束聚集在工件表面后通過光熱效應(yīng)去除材料，因此也屬于非接觸加工。這些特點(diǎn)決定了它在工業(yè)生產(chǎn)中的以下優(yōu)勢： （1） 適應(yīng)材料種類多。由于激光經(jīng)過聚焦后具有很高的能量密度，該能量可加工多種高強(qiáng)度、高硬度、高熔點(diǎn)的材料，這也是刀具加工難以達(dá)到的。同時(shí)因?yàn)榧す獾窨虒儆诜墙佑|加工，加工工具與工件表面不接觸，所以該方式可

14、加工一些超軟材料，避免了接觸加工帶來的工件變形。 （2） 多功能。一臺激光加工設(shè)備通?？梢酝瓿汕懈睢⒌窨?、打孔等多種功能，完成生產(chǎn)中的多到工序，因此具有多功能特點(diǎn)。 （3） 加工精度高。一束激光經(jīng)過聚焦后能夠在工件表面形成很小的光點(diǎn)，直徑可達(dá)到幾十微米，所以加工可達(dá)到很高的精度。 （4） 加工效率高。由于激光的高能量密度特性，激光加工的速度可以達(dá)到很高，如用激光做深熔焊接時(shí)，加工效率是傳統(tǒng)焊接方式的二十多倍，所以激光加工效率是遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的方法。 1.2.2激光雕刻及激光雕刻機(jī) 緒論中已經(jīng)介紹激光雕刻的加工原理，就是利用激光的高能量密度特性是使被加工材料發(fā)生物理化學(xué)變化，從而達(dá)到燒刻效

15、果，得到加工圖案。激光雕刻一般有X、Y軸兩個(gè)方向的運(yùn)動臺，控制器控制這兩個(gè)軸的轉(zhuǎn)動帶動工件和激光的移動，同時(shí)控制器根據(jù)目標(biāo)圖像控制激光的開關(guān)，從而激光在工件表面有規(guī)律的雕刻形成目標(biāo)圖案?？梢赃@樣理解，激光頭的開光在對應(yīng)激光在工件表面的亮滅，這個(gè)亮滅狀態(tài)和黑白二值圖中的0、1值相對應(yīng)，控制器收到“1”值時(shí)控制激光打開；控制器收到“0”值時(shí)控制激光關(guān)閉；加工完一個(gè)點(diǎn)后激光按照控制移動到下一個(gè)點(diǎn)繼續(xù)加工，按此原理一直加工，最后可加工完整張圖片，得到目標(biāo)雕刻圖。所以不論圖像的復(fù)雜程度如何都能雕刻，對于具有層次感的圖片可通過控制雕刻的深淺實(shí)現(xiàn)，雕刻的深淺不一，圖片就具有層次感和過渡顏色的效果。 目前，

16、激光雕刻機(jī)的一般結(jié)構(gòu)如圖1-1所示，主要包括激光發(fā)射系統(tǒng)（激光發(fā)射電源和激光管以及光學(xué)反射系統(tǒng)）、控制器、控制軟件（上位機(jī)和下位機(jī)）、機(jī)械框架和驅(qū)動單元以及輔助系統(tǒng)等模塊。 圖1-1 激光雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)圖 因?yàn)榧す馐羌す獾窨痰墓ぞ撸约す獍l(fā)射器在整個(gè)系統(tǒng)中處于比較重要的地位，是整個(gè)系統(tǒng)的核心，對其穩(wěn)定性和可靠性的要求很高。雕刻機(jī)中使用的激光功率范圍從幾十到幾百瓦，但是與不同的加工方式，其功率需求不同，所以要求其輸出功率和能量、脈寬等參數(shù)可調(diào)。 激光系統(tǒng)就是將激光管發(fā)出的激光引到工作臺上的部分。主要是將激光經(jīng)過多個(gè)光學(xué)鏡的反射傳輸和聚焦處理，讓激光處于適合加工的位置和強(qiáng)度。 機(jī)械框架是

17、支撐加工工件的部分。雕刻時(shí)機(jī)械傳動部分控制激光束在工件上方移動動而進(jìn)行加工，所以雕刻的精度有一部分由機(jī)械系統(tǒng)的傳動精度和激光束運(yùn)動的精度決定。激光頭的運(yùn)動通常是由步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)和傳動帶構(gòu)成的進(jìn)給系統(tǒng)控制，然后按照控制器中的加工軌跡進(jìn)行加工。 控制系統(tǒng)是激光雕刻機(jī)最重要的部分，包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，主要工作是加工數(shù)據(jù)的傳輸，加工軌跡的處理，各模塊的驅(qū)動等，制軟件包括處理圖像數(shù)據(jù)的上位機(jī)軟件和控制各模塊運(yùn)行的下位機(jī)軟件，下位機(jī)控制軟件中運(yùn)動控制算法的設(shè)計(jì)也是雕刻機(jī)的重點(diǎn)，決定雕刻的精度。 激光雕刻機(jī)中一般還有一些輔助設(shè)備，如激光雕刻機(jī)工作時(shí)加工面、激光發(fā)射管都會產(chǎn)生大量熱量，常用水泵提供

18、冷卻水來穩(wěn)定激光發(fā)射管的溫度等。 1.3 激光雕刻機(jī)及其運(yùn)控技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 1.3.1激光雕刻機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀 從上世紀(jì)八十年代產(chǎn)生第一臺雕刻機(jī)開始，激光雕刻機(jī)主要經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段的發(fā)展： 最初的激光雕刻機(jī)其實(shí)是把激光作為一直加工工具，用一個(gè)手動控制的開關(guān)控制激光器的開關(guān)狀態(tài)，可以完成簡單的文字復(fù)制、人像和曲線圖像的繪制。所以最原始的激光雕刻機(jī)就是一種簡單的激光裝置，成本也是非常低。 第二代激光雕刻機(jī)的產(chǎn)生是用來雕刻木質(zhì)材料，制作木雕產(chǎn)品。雕刻機(jī)用簡單的單片機(jī)控制XY軸的運(yùn)動使激光束在工作臺上方運(yùn)動掃描。目標(biāo)圖像為黑白圖片，控制時(shí)在圖片亮處關(guān)閉激光，在圖片暗處打開激光，從而雕刻出黑白圖像

19、。第二代雕刻機(jī)容易操作、原理簡單，但是加工方式單一，原圖的色彩、大小等都不能改變。 第三代激光雕刻機(jī)出現(xiàn)了運(yùn)動控制卡，將運(yùn)動控制算法制成專用卡，與計(jì)算機(jī)結(jié)合使用的方式。同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的提高，處理圖片的能力也增強(qiáng)，控制系統(tǒng)可以處理多種類型的圖形，雕刻機(jī)也有多種加工方式選擇，但是這種雕刻機(jī)無法實(shí)現(xiàn)脫機(jī)雕刻，還是有不便之處。[3] 經(jīng)過這幾代雕刻機(jī)的發(fā)展，目前激光雕刻機(jī)在系統(tǒng)功能和性能上都有了很大的改善，能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)多元化的需求，上位機(jī)軟件也具有強(qiáng)大的圖片處理能力。激光雕刻機(jī)按照控制方式一般可以分為兩種，第一種是單機(jī)式的雕刻機(jī)，即將計(jì)算機(jī)作為控制系統(tǒng)的，在個(gè)人計(jì)算機(jī)上完成圖像處理、激

20、光參數(shù)的控制和整個(gè)運(yùn)動系統(tǒng)的控制等工作。另一種為主從式控制方式，整個(gè)控制系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)構(gòu)成，上位機(jī)為個(gè)人計(jì)算機(jī)上的軟件，完成圖像數(shù)據(jù)處理并將數(shù)據(jù)傳送至下位機(jī)，下位機(jī)則進(jìn)行運(yùn)動控制、系統(tǒng)電源電路控制、各驅(qū)動模塊控制等工作。目前運(yùn)用較多的是主從式控制模式，上位機(jī)設(shè)計(jì)大同小異，但下位機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)各不相同。按照下位機(jī)控制芯片的不同，可將系統(tǒng)分為以下3類： 1、 基于微處理器型控制系統(tǒng)，主要以8031、8096、stm32等芯片為控制部件，再加上存儲部分、編碼器、通信電路及D/A轉(zhuǎn)換電路等。此系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)就是成本低，但整個(gè)系統(tǒng)使用的元器件較多，硬軟件配置靈活較差。 2、 基于微型處理器設(shè)計(jì)的

21、專用控制集成電路，如HP公司自己設(shè)計(jì)生產(chǎn)的HCPL1100控制器。該方法可使用一塊芯片完成數(shù)據(jù)處理、運(yùn)控算法等多種功能，其硬軟件的配置的靈活性也相對較高，但較復(fù)雜的控制算法在這種系統(tǒng)中可能難以實(shí)現(xiàn)，而且專用芯片設(shè)計(jì)生產(chǎn)成本都比較高。 3、 基于DSP型，DSP也就是數(shù)字信號處理器在運(yùn)動控制中的應(yīng)用越來越多，主要是因?yàn)槠涓哌\(yùn)算能力，可以完成交復(fù)雜的控制算法和功能，而且芯片集成度也高。 雕刻機(jī)在發(fā)展中始終追求這高速、高精度的目標(biāo)。利用高性能控制芯片，進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動控制、高速多軸插補(bǔ)運(yùn)算、誤差補(bǔ)償計(jì)算、動力學(xué)計(jì)算等，讓雕刻機(jī)的控制精度更高，加工速度更快，運(yùn)動更加平穩(wěn)，保證系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性。[

22、6-7] 1.3.2運(yùn)動控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 數(shù)控運(yùn)動控制一直以高速、高精度為目標(biāo)發(fā)展。利用處理器強(qiáng)大的計(jì)算能力進(jìn)行運(yùn)動的前瞻處理、實(shí)時(shí)多軸插補(bǔ)、速度控制、誤差補(bǔ)償?shù)葟?fù)雜運(yùn)算，使運(yùn)動控制更加準(zhǔn)確、穩(wěn)定性更高、速度更快。 數(shù)控中如何控制刀具按照目標(biāo)曲線進(jìn)行雕刻是關(guān)鍵問題，尤其是對于曲線的運(yùn)動控制，要使雕刻路徑和目標(biāo)曲線完全一樣是不可能做到的，所以通常將曲線分割為一小段一小段的直線或者曲線去擬合工件的輪廓，這就是插補(bǔ)原理。實(shí)質(zhì)就是對于有限的信息完成數(shù)據(jù)密化得過程，有限的信息可以是一條線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)，一個(gè)圓弧的半徑、圓弧角等，通過插補(bǔ)算法計(jì)算出這些起點(diǎn)和終點(diǎn)之間的一些點(diǎn)，然后用直線、圓弧、橢圓

23、、拋物線等完成工件輪廓的擬合。從早期插補(bǔ)算法的提出到現(xiàn)在，插補(bǔ)算法不斷成熟，種類也變得很多。目前在數(shù)控中運(yùn)用比較多的有脈沖增量插補(bǔ)和數(shù)據(jù)采樣兩種。 脈沖增量插補(bǔ)的原理就是每個(gè)脈沖進(jìn)行一次插補(bǔ)，每次插補(bǔ)只在一個(gè)方向產(chǎn)生增量，插補(bǔ)過程就是控制器不斷向每個(gè)方向輸出脈沖，這些脈沖轉(zhuǎn)換為脈沖增量在每個(gè)坐標(biāo)軸完成相應(yīng)的位移。由于步進(jìn)電機(jī)也是通過脈沖序列進(jìn)行控制，所以這種插補(bǔ)方法適用于用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動裝置的數(shù)控系統(tǒng)。插補(bǔ)脈沖的數(shù)量決定了位移距離，脈沖頻率決定了加工速度。這種插補(bǔ)方法比較簡單，完成速度也很快，所以很容易實(shí)現(xiàn)，適用于經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控系統(tǒng)。但是精度只能達(dá)到中等精度（0.001mm），滿足不了精度要

24、求極高的系統(tǒng)。 數(shù)據(jù)采集插補(bǔ)的過程通常分為兩步，第一步為粗插補(bǔ)：將目標(biāo)曲線劃分為若干直線，用這些直線去擬合曲線，而且這些直線都是等長的，長度和進(jìn)給速度有關(guān)。第二步就是精插補(bǔ)，是在第一步劃分的若干線段上再進(jìn)行細(xì)分，由于第一步劃分的為直線，所以這一步屬于直線的脈沖增量插補(bǔ)。這種插補(bǔ)方法適用于交直流伺服電機(jī)為驅(qū)動裝置的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 以上就是目前常用的插補(bǔ)算法，很多企業(yè)將這些運(yùn)動控制算法制成運(yùn)動控制卡，控制器直接連接控制卡使用即可完成運(yùn)動控制。總體來時(shí)，控制卡功能強(qiáng)大，運(yùn)算速度快，有常用直線、圓弧插補(bǔ)等控制算法，但主要用于大型數(shù)控設(shè)備，對于小型設(shè)備、私人用戶就不太適用。 1.4 論文安排及主

25、要內(nèi)容 本論文將激光加工技術(shù)、嵌入式控制技術(shù)、數(shù)控技術(shù)等進(jìn)行了有效結(jié)合，設(shè)計(jì)了激光雕刻機(jī)硬件控制系統(tǒng)和運(yùn)動控制的方法，開發(fā)出了一款桌面式小型激光雕刻機(jī)。 本論文內(nèi)容安排如下： 第一章 在開始設(shè)計(jì)之前對大量國內(nèi)外相關(guān)資料調(diào)研的基礎(chǔ)上，總結(jié)分析出激光加工的行業(yè)背景及激光雕刻機(jī)的現(xiàn)狀，介紹目前激光雕刻機(jī)的一般組成及其運(yùn)動控制算法設(shè)計(jì)，然后介紹了本論文的研究內(nèi)容和意義。 第二章 確定雕刻機(jī)的控制結(jié)構(gòu)，分析系統(tǒng)的功能需求，規(guī)劃整個(gè)系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)，完成雕刻機(jī)機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 第三章 系統(tǒng)控制硬件平臺的設(shè)計(jì)搭建，完成基于STM32的控制系統(tǒng)、通信模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊、激光管功率控制電路等模

26、塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)。 第四章 介紹整個(gè)軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，包括下位機(jī)各控制模塊的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵控制算法的研究與設(shè)計(jì)和上位機(jī)具體功能介紹。 第五章 系統(tǒng)的軟件與硬件設(shè)計(jì)完成后，需要將系統(tǒng)整體搭建出來進(jìn)行最后的調(diào)試工作，完成雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)。 第六章 總結(jié)與展望。對本設(shè)計(jì)完成的各項(xiàng)工作做出總結(jié)，闡述設(shè)計(jì)過程中的重難點(diǎn)，提出目前沒有完成的功能和可以進(jìn)一步改進(jìn)的地方。 第2章 系統(tǒng)總體方案的研究與設(shè)計(jì) 2.1 雕刻機(jī)的控制結(jié)構(gòu) 目前，激光雕刻機(jī)控制方式一

27、般可以分為兩種，一種是單機(jī)式的控制方式，即將計(jì)算機(jī)作為控制系統(tǒng)的，在個(gè)人計(jì)算機(jī)上完成圖像處理、激光參數(shù)的控制和整個(gè)運(yùn)動系統(tǒng)的控制等工作。另一種為主從式控制方式，整個(gè)控制系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)構(gòu)成，上位機(jī)為個(gè)人計(jì)算機(jī)上的軟件，完成圖像數(shù)據(jù)處理并將數(shù)據(jù)傳送至下位機(jī)，下位機(jī)則進(jìn)行運(yùn)動控制、系統(tǒng)電源電路控制、各驅(qū)動模塊控制等工作。由于單機(jī)式控制系統(tǒng)的可靠性和完全性完全依賴于個(gè)人計(jì)算機(jī)，所以可靠性低，有一定維護(hù)難度，所以本次設(shè)計(jì)選用主從式控制結(jié)構(gòu)。總體控制結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示。 圖2-1 雕刻控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 這樣，雕刻系統(tǒng)的工作流程為：首先，在上位機(jī)通過圖像處理軟件把待加工的文字或圖像按要求

28、進(jìn)行處理，生成數(shù)控加工代碼即G代碼，然后通過數(shù)據(jù)傳輸接口將加工文件傳輸給下位機(jī)控制系統(tǒng)；下位機(jī)接收到的加工代碼后進(jìn)行解析、前瞻以及插補(bǔ)運(yùn)算等處理，以生成控制電機(jī)運(yùn)動的控制脈沖發(fā)送到XY軸，控制X、Y坐標(biāo)軸的運(yùn)動，自動完成雕刻加工。 2.2 功能需求 根據(jù)激光雕刻機(jī)的控制系統(tǒng)原理和應(yīng)用需求，控制系統(tǒng)的性能要求和主要功能如下： （1） G代碼的解析和預(yù)處理 G代碼的解析和預(yù)處理是下位機(jī)控制系統(tǒng)接收到加工代碼后的第一件工作，只有將數(shù)控代碼G代碼翻譯解析后，才能有后面的運(yùn)動控制。其主要工作是解析上位機(jī)傳送過來的G代碼，G代碼是數(shù)控指令，每個(gè)指令都代表一種運(yùn)動控制算法，這部分輸入的是加工代碼，輸

29、出為經(jīng)過解析、處理后的加工命令和數(shù)據(jù)。 （2） 插補(bǔ)計(jì)算 用小段直線或圓弧來逼近圖形的輪廓，然后根據(jù)每段曲線的起點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)及運(yùn)動軌跡，以一定的計(jì)算方法進(jìn)行數(shù)據(jù)密化，分解為各坐標(biāo)軸上的增量，最后再轉(zhuǎn)化為控制各坐標(biāo)軸運(yùn)動的命令。 （3） 雕刻控制 雕刻機(jī)的雕刻是通過X、Y兩個(gè)坐標(biāo)軸運(yùn)動和激光配合來完成的。雕刻控制系統(tǒng)根據(jù)上面解析處理得到的運(yùn)動控制命令并結(jié)合激光命令，控制各軸運(yùn)動，完成雕刻加工。 （4） 激光控制 激光的控制主要是在雕刻過程中根據(jù)目標(biāo)圖像在運(yùn)動過程中控制激光的開關(guān)狀態(tài)，本設(shè)計(jì)將激光的控制與運(yùn)動控制結(jié)合在一起，通過PWM控制激光的功率。 （5） 人機(jī)交互 本設(shè)計(jì)的人機(jī)

30、交互部分包括操作端和顯示端，通過鍵盤操作和LCD顯示屏顯示，可以讓用戶操作并且實(shí)時(shí)監(jiān)測雕刻的進(jìn)度，設(shè)計(jì)人性化的控制系統(tǒng)。 （6） 經(jīng)濟(jì)性 在保證激光雕刻機(jī)的速度、精度、性能穩(wěn)定的前提下，盡可能降低整體成本，使雕刻機(jī)有較高的性價(jià)比。 2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程為：首先對雕刻機(jī)一般控制系統(tǒng)進(jìn)行了解，熟悉相關(guān)技術(shù),然后進(jìn)行雕刻機(jī)控制系統(tǒng)軟硬件模塊的劃分,硬件電路原理圖的設(shè)計(jì)和電路板的制作、控制軟件的設(shè)計(jì)和程序編寫,最后完成雕刻機(jī)整體的調(diào)試,找出設(shè)計(jì)中的問題并進(jìn)行改進(jìn)。 2.3.1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)規(guī)劃 雕刻機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)一般包括：首先控制芯片的選型，根據(jù)設(shè)計(jì)

31、的需要，選擇能夠滿足設(shè)計(jì)所有功能需求及運(yùn)算的控制芯片；然后根據(jù)系統(tǒng)功能要求對控制芯片進(jìn)行外圍設(shè)備的配置,如鍵盤、顯示器、驅(qū)動器等。 為了保證設(shè)計(jì)盡可能的合理,硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)需遵循以下原則： （1）在各模塊電路設(shè)計(jì)時(shí)，盡量參考相關(guān)典型的電路,并符合控制器的使用參數(shù)。保證硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化。 （2）在設(shè)計(jì)擴(kuò)展電路與配置的外圍設(shè)備時(shí)盡量滿足系統(tǒng)的功能需求，并在電路中盡量留出空余,如多引出多引腳等，方便以后的二次開發(fā)。 （3）在硬件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量考慮軟件設(shè)計(jì)，因?yàn)橛布Y(jié)構(gòu)與軟件設(shè)計(jì)是相互配合工作的，有些功能在軟件中能夠?qū)崿F(xiàn)就盡量在軟件中設(shè)計(jì)，這樣就能夠是硬件電路相對簡單，如控制激光的開關(guān)，可

32、以在鍵盤上加開關(guān)按鈕，但是在程序中直接實(shí)現(xiàn)會更方便。但是有些功能用軟件實(shí)現(xiàn)的話會占用較大內(nèi)存和CPU時(shí)間，所以要注意權(quán)衡。 （4）在硬件電路設(shè)計(jì)中抗干擾設(shè)計(jì)是最重要也是必有的設(shè)計(jì)，如大功率的地線單獨(dú)接，I/0口等關(guān)鍵鏈接地方的抗干擾、短路等，提高電路的可靠性。 （5）像設(shè)計(jì)中電機(jī)驅(qū)動、激光驅(qū)動等電路設(shè)計(jì)是需考慮驅(qū)動能力。需設(shè)計(jì)合理的驅(qū)動電路驅(qū)動這些外設(shè)，盡量保證低功耗降低系統(tǒng)負(fù)載。 2.3.2控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)規(guī)劃 當(dāng)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)完成后，軟件部分就需要結(jié)合硬件電路的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先根據(jù)系統(tǒng)的功能需求將軟件設(shè)計(jì)劃分為幾個(gè)模塊，然后按照它們之間的聯(lián)系設(shè)計(jì)出相應(yīng)的軟件結(jié)構(gòu)，這樣軟件的設(shè)

33、計(jì)就變得簡單、清晰。 （1）按照功能需求將軟件模塊化，如設(shè)計(jì)中有G代碼解析模塊、電機(jī)控制模塊、鍵盤模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、LCD顯示模塊等，然后再各模塊根據(jù)需求詳細(xì)設(shè)計(jì)程序。 （2）確定這些模塊之間的聯(lián)系，設(shè)計(jì)軟件結(jié)構(gòu)圖和程序流程圖，有利于主程序與各模塊子程序的編寫。 （3）同硬件設(shè)計(jì)一樣，軟件設(shè)計(jì)也需要抗干擾設(shè)計(jì)，同時(shí)在設(shè)計(jì)程序是盡量使用最優(yōu)算法設(shè)計(jì)，這樣可以簡化程序。各子程序設(shè)計(jì)盡量詳細(xì)，這樣可降低主程序的復(fù)雜度，主程序中調(diào)用各子程序即可，提高控制系統(tǒng)的可靠性。 2.4機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.4.1傳動結(jié)構(gòu) 目前數(shù)控設(shè)備最常用的機(jī)械結(jié)構(gòu)是龍門銑床結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)原理簡單、使用方便，所以本設(shè)計(jì)

34、雕刻機(jī)也使用該結(jié)構(gòu)作為傳動結(jié)構(gòu)。頂梁作為X軸帶動激光頭的運(yùn)動，地梁作為Y軸帶的工作臺的運(yùn)動，工件固定在工作臺上。這兩個(gè)軸分別由兩個(gè)電機(jī)帶動控制。傳動器可選用傳動帶可傳動桿，由于傳動帶使用壽命短、易形變，所以本設(shè)計(jì)選用金屬推進(jìn)桿。這樣隨著X-Y軸的運(yùn)動可控制激光在工件表面運(yùn)動。 推進(jìn)桿采用圖2-2所示T8步進(jìn)電機(jī)絲桿 型號：T8-2-D8 參數(shù)：直徑8mm? 螺距2mm 導(dǎo)程8mm 絲桿長度300mm 圖2-2 推進(jìn)桿實(shí)物圖 2.4.2外形框架 雕刻機(jī)的外框架用于支撐整個(gè)傳動結(jié)構(gòu)，所以各模塊的設(shè)計(jì)需精密，框架材料需一定的硬度。采用金屬材料又不易加工，所以本設(shè)計(jì)框架使用目前產(chǎn)

35、品外殼設(shè)計(jì)常用的亞克力材料，亞克力板厚度為0.5mm。先用CAD軟件設(shè)計(jì)好整個(gè)框架圖，然后再使用大型切割機(jī)切出亞克力框架。CAD切割圖如2-3圖所示。 圖2-3 亞克力板切割圖 2.4.3整體搭建 按照上述外形框架的設(shè)計(jì)完成亞克力板的切割，然后按照機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)搭建組裝雕刻機(jī)，裝配完成如下圖2-4。 圖2-4 雕刻機(jī)整體裝配圖 第3章 系統(tǒng)硬件電路的研究與設(shè)計(jì)開發(fā) 3.1控制系統(tǒng)硬件電路總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在對激光雕刻機(jī)相關(guān)技術(shù)熟悉了解以后，設(shè)計(jì)出激光雕刻機(jī)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示，主要由以下幾

36、個(gè)部分組成： 1、 控制器模塊：本設(shè)計(jì)控制單元選用以STM32F103R為核心的開發(fā)，STM32F103R開發(fā)板包含了電源電路、復(fù)位電路、外部時(shí)鐘電路、接口電路組成等，為了方便開發(fā)，引出多個(gè)I/O引腳，足夠開發(fā)使用。 2、 電源模塊：由于雕刻機(jī)硬件結(jié)構(gòu)中含有多個(gè)驅(qū)動模塊和多個(gè)不同等級的用電模塊，所以需根據(jù)各模塊的額定參數(shù)設(shè)計(jì)相應(yīng)的供電電路。 2、通信模塊:通信模塊負(fù)責(zé)上位機(jī)與下位機(jī)之間的G代碼數(shù)據(jù)的傳輸，采用開發(fā)中常用的串口通信，方便數(shù)據(jù)的下載。 3、電機(jī)驅(qū)動模塊：由于設(shè)計(jì)選用的電機(jī)額定電壓及額定電流較高，開發(fā)板引腳電壓無法驅(qū)動電機(jī)的正常工作，所以需設(shè)計(jì)相應(yīng)的驅(qū)動電路，將電流放大以足夠

37、驅(qū)動電機(jī)。 4、激光控制模塊：在本設(shè)計(jì)中使用的激光器額定電流小，設(shè)計(jì)合理的限流模塊驅(qū)動激光筆工作，同時(shí)控制模塊采用三極管控制通斷的開關(guān)電路，并通過PWM控制激光筆的功率。 5、顯示模塊：根據(jù)功能需求，雕刻機(jī)需要人機(jī)顯示界面，顯示雕刻工作的實(shí)時(shí)進(jìn)度，選用一塊簡單的LCD顯示器實(shí)現(xiàn)該功能。 6、鍵盤模塊：鍵盤是人機(jī)交互設(shè)備的操作端,操作人員通過鍵盤控制雕刻機(jī)的工作，根據(jù)功能需求設(shè)計(jì)相應(yīng)的按鍵。 7、輔助系統(tǒng)：雕刻過程中還需一些輔助設(shè)備，如主控板的冷卻，工作區(qū)的照明等。 圖3-1 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 3.2控制芯片選擇 在嵌入式項(xiàng)目開發(fā)中，開發(fā)人員會經(jīng)常選用一些成型的元器件，如

38、封裝好的模塊、配置好常用接口的開發(fā)板，使用這些資源能加快我們的項(xiàng)目開發(fā)進(jìn)度，而且由于這些資源種類多，所以選擇性較多，成本也不會很高。所以本設(shè)計(jì)也采用這種方法，選擇一款符合本設(shè)計(jì)功能需求的開發(fā)板，加快開發(fā)進(jìn)度。 根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，對兩款常用的控制芯片進(jìn)行對比：MSC51單片機(jī)和STM32單片機(jī)。51系列單片機(jī)是一款最基礎(chǔ)的單片機(jī)，是一些小型開發(fā)的首選，也是應(yīng)用最廣的一種。51系列單片機(jī)有低功耗、廉價(jià)、穩(wěn)定的性能。STM32系列單片機(jī)是專為低成本、低功耗、高性能要求的嵌入式開發(fā)設(shè)計(jì)的單片機(jī)，也是目前比較流行的一款單片機(jī)，采用ARM Cortex-M內(nèi)核，根據(jù)內(nèi)核框架的不同STM32單片機(jī)分為很

39、多系列，所以選擇很多。最后考慮到本設(shè)計(jì)所需的內(nèi)存、接口需求、處理速度等性能的需求，決定選用STM32系列單片機(jī)。 STM32系列單片機(jī)有基本型、增強(qiáng)型、互聯(lián)型等多系列，價(jià)格差距不是很大，都在10元人民幣左右，所以根據(jù)所需開發(fā)引腳和代碼容量選則了一款64引腳的增強(qiáng)型單片機(jī)，控制芯片型號為STM32F103RCT6，開發(fā)板品牌為原子戰(zhàn)艦STM32開發(fā)板，開發(fā)板主板圖如圖3-2所示。 圖3-2 STM32F103R開發(fā)板主板圖 由主板實(shí)物圖可看出，開發(fā)板已將配置好很多接口，其中有些模塊是我們控制系統(tǒng)要用到的，所以直接使用即可，以后的設(shè)計(jì)中可省去這些模塊的設(shè)計(jì)。開發(fā)板資源中可用到的有： （

40、1） I/O引腳，開發(fā)板引出的PA與PB部分引腳，足夠開發(fā)使用。 （2） JTAG，開發(fā)板JTAG口可直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與仿真調(diào)試。 （3） SD卡電路，目前設(shè)計(jì)沒有SD卡功能，不過在后續(xù)的拓展設(shè)計(jì)中可能會有脫機(jī)工作模式，會用到SD卡電路。 （4） USB轉(zhuǎn)串口接口，本開發(fā)板使用CH340芯片將USB轉(zhuǎn)為串口，所以計(jì)算機(jī)可直接通過該接口用USB進(jìn)行串口數(shù)據(jù)傳輸，不需要串口工具。 （5） 顯示器接口，開發(fā)板中設(shè)計(jì)有顯示器接口，可直接將顯示器對應(yīng)引腳接入使用。 3.3系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì) 在雕刻機(jī)系統(tǒng)中，用電模塊有：單片機(jī)開發(fā)板、電機(jī)驅(qū)動模塊、激光筆、激光驅(qū)動電路及其他輔助設(shè)備。這些模塊和電

41、路所需的電壓等級不同，有12V、5V、3.3V等，所以需設(shè)計(jì)一個(gè)符合這些電壓等級的電源電路。由于所需最大電壓為12V，所以本設(shè)計(jì)使用一個(gè)220VAC-12VD開關(guān)電源作為總電源。 首先，單片機(jī)電壓和激光筆驅(qū)動電壓都是5V，而輸入電源為12V，所以需設(shè)計(jì)一個(gè)降壓穩(wěn)壓電路，將12V電壓降為5V。此處我們選用小型降壓電路中常使用的LM7805芯片如圖3-3所示，LM7805為一款三端穩(wěn)壓集成電路，三個(gè)引腳分別為輸入、輸出和接地端。使用時(shí)在輸入輸出端加入適當(dāng)濾波電容即可。 然后電機(jī)的驅(qū)動電路所需電壓較大，且不同電機(jī)所需電壓不同，需根據(jù)設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)電壓。所以為了使設(shè)計(jì)適合多鐘電機(jī)，本降壓模塊選擇一款輸出

42、電壓可調(diào)的降壓穩(wěn)壓模塊LM2596S模塊如圖3-4所示。該模塊是以LM2596S為核心芯片的BUCK電路，電路輸入電壓范圍為3.2V~46V，輸出電壓為1.25V~35V，符合系統(tǒng)需求。 圖3-3 LM7805穩(wěn)壓芯片 圖3-4 LM2596S降壓模塊 選好芯片以后整體電源電路設(shè)計(jì)如圖3-5所示。12V電源輸入，LM7805芯片兩端接入濾波電容，輸出便是5V電壓，兩個(gè)LM7805電路的輸出L_5V和D_5V分別給單片機(jī)和激光供電。LM2696S模塊只需將12V電源接到輸入口，然后可通過調(diào)節(jié)模塊上的可調(diào)電阻改變輸出電壓的大小。輸出最高12V，滿足多款電機(jī)。 圖3-5 系統(tǒng)電源電路圖 3.4電機(jī)及驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.4.1步進(jìn)電機(jī)的選擇 全套加微信18153987393 第15頁 共40頁