迷你激光雕刻机毕业设计说明书

编号： 毕业设计说明书题 目： 迷你激光雕刻机的 设计与实现 学 院： 信息与通信学院 专 业： 电子信息工程 姓 名： 蓝蕾 学 号： 1061170103 指导教师单位： 信息对抗系 姓 名： 武小年 职 称： 副教授 题目类型： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发2014 年 5 月 20 日桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 I摘要激光雕刻技术随着时代的发展，日新月异，其应用的范围也是十分的广泛。激光雕刻是以数控为基本，激光加工为媒介的一种加工方法，它的特点是和所雕刻材料的表面没有直接接触，不会受到机械运动的影响，表面也不会变形。本文采用 Arduino 单片机和 Delphi 语言设计和实现了一个可直接进行雕刻的迷你激光雕刻机系统。本系统的设计中主要包括的模块为串口通信模块、中央处理模块、电机驱动模块、激光器驱动模块、机械传动结构模块、外型框架模块等部分，具有弱光定位、在非金属物体表面烧刻出由计算机传输的图案、重复雕刻、印章阴阳雕刻等功能。系统主要采用 Arduino UNO 型单片机构成中央处理系统模块，通过串口通信模块与上位机软件进行通信，利用上位机软件对雕刻机系统完成包括手动进行前后左右移动、开关激光器、自动雕刻图案等功能。机械传动结构部分采用 3D 打印技术制作而成的滑块，通过与步进电机的结合，实现高精度的传动。关键词：Arduino 单片机；激光雕刻技术；步进电机；3D 打印技术桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 IIAbstractn modern times, there is a new industry gradually developed, on many occasions the processing technology is 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 as not to cause like props processing deformation and loss.This paper adopts the Arduino microcontroller and Delphi language was designed and implemented a mini laser engraving machine can be directly to engraving system.Modules of this system includes mainly for serial communication module, central processing module, motor drive module, laser driver module, the structure of the mechanical transmission module, the exterior framework module part, has a weak light positioning, burn carved in non-metallic surfaces by computer transmission design, repeat engraving, seal carving, Yin and Yang, and other functions.System mainly adopts the Arduino UNO type single chip module, central processing system software to communicate via a serial port communication module and the upper machine, using the PC software for engraving machine system includes complete manually moving around, automatic switch laser, carvings, and other functions.Mechanical transmission structure parts produced by using 3 d printing technology of the sliding block, with the combination of the stepper motor, high precision of transmission.Key words: Arduino; laser engraving technology; stepper motor; 3D printing technology桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 III目录引言 .11 设计要求 .21.1 毕业设计题目 .21.2 设计的主要功能 .22 工作原理和系统结构 .23 硬件设计 .33.1 系统总电路图 .33.2 控制和数据处理模块 .43.3 串口通信电路 .103.4 电机驱动模块 .153.5 激光管驱动模块 .183.6 机械传动结构模块 .193.6.1 3D 打印件 .193.6.2 二相四线步进电机 .213.6.3 亚克力面板 .243.6.4 滑台 .244 系统软件设计 .264.1 Arduino IDE 介绍 .264.2 Delphi7 软件简介 .264.3 系统主程序设计 .274.4 各个模块的软件设计 .284.3.1 系统初始化模块 .284.3.2 控制协议分析模块 .294.3.3 指令任务执行模块 .314.4 上位机控制软件设计与实现 .345 系统测试 .365.1 测试工具和环境 .365.2 激光雕刻机整机调试 .365.3 测试流程 .376 总结 .40致 谢 .41参考文献 .42桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 1 页 共 41 页引 言激光在 20 世纪 60 年代问世之后，在生产中很快得到了应用，而后，对其相关的基本理论研究不断的加深。各种各样的激光器逐步的发展起来，使得激光的应用领域也不断的被拓宽，规模也逐渐的被扩大，产生的社会与经济效益也更加的显著。激光技术得到了各个科技发达国家的高度重视，并且也得到了许多发展中国家的高度重视，同时也给与了大量的投入。在二十世纪的科学技术发展中，新兴科技之一的激光技术成为了那个时代重要的发展标志。而自二十世纪八十年代至今，激光技术被全球的很多国家及政府作为国家级别的建设发展计划。例如, 英国的阿维尔计划, 美国的激光核聚变计划，日本的激光研究五年计划等。因为这些计划的实施使得激光技术迅速的发展起来，并且形成了一个生气盎然的新兴产业。大量的学科技术，多样的生产水平因为激光技术的发展而得到了提高。激光技术作为高新的加工工艺，广泛的被用来进行雕刻切割的处理，同时其得到了非常快速的发展。由于激光雕刻切割技术的机械传动结构搭建起来方便灵巧，并且低噪，低损耗，高精度，拥有广泛的适用性，对于控制软件的开发设计十分方便易于控制。因为在高能量激光聚焦后，能够将被加工件瞬间气化，以此获得雕刻切割的效果，这样被加工的材料表面受到的影响较小，不会造成加工材料的刮痕或变形等，加工的缝隙也较小，尤其是对亚克力材料，切口较为整齐，无接触的加工所以不会产生加工接触力，无刀具的损耗，无模具，工件也无需特别装夹。而对激光雕刻技术的原理学习了解，及如何实现高精度雕刻等等，可以促进激光雕刻产业的发展。因此，迷你型激光雕刻机系统的设计是让更多人接触到激光雕刻技术的一项重要课题。市面上动辄几千上万的激光雕刻切割机器是普通人无法轻易尝试的，这对于那些想要接触激光技术的人们来说，无疑是一道很高的门槛，而本设计的迷你型激光雕刻机系统，将激光雕刻技术从工业大型设备转变为家用小型设备，降低了激光雕刻技术的学习成本，使得更多有兴趣的人参与到激光雕刻技术的学习研究中。通过开发傻瓜型的控制软件，将机械传动部分小型化，采用功率较小的激光器，使得激光雕刻机变得简便易携带，操作也极为简单，同时也支持使用 CNC 机床的 Gcode 控制代码，因而能够对本机器进行二次开发学习。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 42 页1 设 计 要 求1.1 毕业设计题目 迷你激光雕刻机的设计与实现1.2 设计的主要功能本设计以 Arduino UNO 型单片机为核心，制作一个迷你激光雕刻机的设计和实现的主要功能如下：（1）实现弱光定位，通过 PWM 的调节，将激光的强度降至一个较低的数值，以便于雕刻前的定位设置。（2）在非金属的物体表面烧刻出由计算机传输的图案，由上位机的控制软件发送指令至单片机进行动作。（3）支持重复雕刻，在一次雕刻完成之后，雕刻机会自动返回雕刻初始位置，此时不移动电机位置，直接生成指令，可以再次在同样的位置进行雕刻，以达到修补首次雕刻时未出雕刻效果的部分区域。（4）支持印章的阴阳雕刻，在光敏垫或部分胶皮材质上进行印章的雕刻，雕刻成型后即可上油墨进行盖印。（5）可通过电脑端软件控制进行手动的上下左右移动，开光激光器等行为。（6）使用由 Arduino UNO 型单片机构成的中央处理模块，完成对指令的发送接收，数据的处理以及进行控制。2 工 作 原 理 和 系 统 结 构根据设计的要求，本课题的迷你激光雕刻机的设计与实现主要系统分为六个模块：串口通信模块、中央处理模块、电机驱动模块、激光器驱动模块、机械传动结构模块、外型框架模块，系统结构如图 2-1 所示。图 2-1 系统结构框图桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 3 页 共 42 页1) 中央处理模块主要采用 Arduino UNO 型单片机设计，为本设计的核心模块，主要负责对其他部分进行数据处理和控制。2) 串口通信模块采用 PL2303HXD 芯片，对 RS232 电平与 USB 电平进行转换，负责电脑与单片机的实时通信传输。3) 电机驱动模块该模块使用了 L9110S 电机驱动芯片，该芯片主要是为了控制和驱动电机而设计。该芯片有两个 TTL/CMOS 兼容电平的输入，故每驱动一个步进电机，则需要两枚 L9110S芯片来提供二相四线步进电机所需要的线序脉冲。4) 激光器驱动模块使用 SS8050 NPN 型三极管构建控制激光器的开关电路，单片机通过发送高低电平信号，来控制三极管的通断。5) 机械传动结构模块由 3D 打印件、二相四线步进电机、亚克力面板组成，亚克力面板作为底板承载支架与电机，3D 打印件与步进电机接合之后，步进电机能够带动 3D 打印件进行移动，以此达到机械传动的目的。6) 外型框架模块外型框架模块主要使用亚克力面板，通过螺丝的接合，制成搭载机械传动结构模块和电路板等物件的支架。3 硬 件 设 计3.1 系统总电路图由 Arduino UNO 型单片机构成的中央处理模块；由 PL2303HXD 构成的串口通信模块，四枚 L9110S 电机驱动芯片构成电机驱动模块；SS8050 NPN 三极管构成激光器驱动电路，系统总电路图如图 3-1 所示。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 4 页 共 42 页图 3-1 系统总电路图3.2 控制和数据处理模块控制和数据处理模块采用 Arduino UNO 型单片机构成，由于 Arduino 单片机拥有运算能力较强，并且软件编程控制方便，功耗低，体积小、I/O 口资源丰富、内置 AD模数转换、通用性强和成本较低等优点。通过外界变压器提供的+5V 电压供电，有源晶振输入时钟，控制模块能够正常工作；通过与串口通信模块连接上位机，可实现程序的下载，支持在线调试程序，并能使用上位机软件给单片机发送指令，从而控制各个模块正常工作。控制和数据模块电路如图 3-2 所示。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 5 页 共 42 页图 3-2 控制与数据处理模块 Arduino，是一个开源的软硬件平台，通过对 AVR 单片机的二次封装开发，简化了单片机引脚的使用，并且有专用的开发编程语言。这个著名的开源硬件项目，诞生于意大利的一所设计学校。马西莫的学生经常抱怨找不到一个物美价廉好用的单片机来对机器人进行控制。之后，马西莫和朋友大卫讨论了这个问题，他们决定设计自己的电路板，并邀请学生大卫梅利斯设计编程语言。一个星期后，设计完成。电路板被命名为 Arduino，来自学生经常去附近的一个酒吧。聪明的马西莫认为开源能够产生更广泛的传播效应，给 Arduino 带来更多的关注。于是，他将设计数据发布到网上。正如马西莫所设想的那样，在短短几个月的时间，Arduino 的发展快速增长，而且充满激情的爱好者也提出了很多改进电路和程序语言的建议。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 6 页 共 42 页表 3-1 主要性能参数工作电压 1.8V-5.5V外部供电电压 7V-12V最大外部供电电压（不推荐） 20V数字输入/输出口 14PW