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基于p c 并口的激光雕刻机控制系统研制 摘要 二氧化碳激光雕刻机属于激光加工的切割范畴，它作为典型的光、机、电 一体化产品具有加工效率高、加工精度好等特点，并广泛地应用于印刷、模型 制造、广告牌制作等行业。基于p c 并口的激光雕刻机控制系统利用p c 的并口 输入输出特性作为其硬件基础，采用3 2 位汇编语言内嵌于v c 的编程方法实现 控制软件的编制。通过图形处理生成走刀路径文件后，经过再处理得到插补数 据，利用汇编语言编写的半步偏差一几何最优法插补程序实现对x 、y 轴步进电 机和激光电源的控制，从而实现雕刻加工。本文在分析研究了激光雕刻机的发 展概况和现状的基础上，提出了基于p c 并口的激光雕刻机单机控制系统的总体 设计方案，并从软件和硬件两个方面完成了研制过程。研制的激光雕刻机能分 别实现清扫、勾边、位图三种加工方式，加工过程稳定可靠，效果优良。 关键词：激光雕刻机控制系统计算机并口半步偏差几何最优法 r e s e a r c ha n dm a n u f a c t u r eo nc o n t r o ls y s t e mo fl a s e r e n g r a v i n g m a c h i n eb a s e do i lp cp a r a l l e lp o r t a b s t r a c t c a r b o nd i o x i d e ( c 0 2 ) l a s e re n g r a v i n gm a c h i n eb e l o n g st ot h er a n g eo fi n c i s i o n o fl a s e rp r o c e s s i n g a sat y p i c a lp r o d u c to f i n t e g r a t i o no f m e c h a n i c a le l e c t r o n i ca n d o p t i ct c c h n o l o g i e s ，i th a sg r e a te f f i c i e n c ya n ds p e e da n dh i g hp r e c i s i o n i th a sa l s o b e e nu s e d w i d e l yi np r i n t ，m o d e lm a k i n g ，b i l l b o a r dm a k i n g e t c t h ec o n t r o ls y s t e mo fl a s e re n g r a v i n gm a c h i n eb a s e do np cp a r a l l e lp o r tu s e s t h ec h a r a c t e ro f i n p u ta n do u t p u to f p c p a r a l l e lp o r ta st h eb a s i so f h a r d w a r e t h e s o f t w a r ei s p r o g r a m m e di n v i s u a lc + + 6 0e m b e d d e dw i t hm a s m 3 2 w e n l ：a i e r e a t e sf i l e so ft h ew a yt ot h el a s e rb e a da n dt h ed a t ao ft h ei n t e r p o l a t i o na r eg i v e n a f t e rt r c a t m e n ta g a i n a n dt h e nt h ep r o g r a mo f i n t e r p o l a t i o no fh a l fd e v i a t i o n - b e s t g e o m e t r i c a lw a yb y m a s m 3 2r e a l i z e st h ec o n t r o lo ft h es t e pm o t o r si nx ya n dt h e p o w e ro f l a s e lo n t h eb a s i s0 f 也e s e t h em a c h i n ei sa b l et ow o r k i nt h ef o u n d a t i o no fr e s e a r c ho nt h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o na n dt r e n do fl a s e r e n g r a v i n gm a c h i n e t h ew h o l es c h e m eo f t h ec o n t r o is y s t e mo fs t a n d a l o n eo fl a s e r e n g r a v i n gm a c h i n ei se s t a b l i s h e da n dt h ep r o c e s so f r e s e a r c ha n dm a n u f a c t u r i n go f t h em a c h i n ei s c o m p l e t e db yt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h em a c h i n em a d ec a n a c c o m p l i s ht h em o d eo fs c a n n i n g ，r o u t ew o r k i n g ，b i t m a pw o r k i n g t h ep r o c e s so f w o r k i n g i ss t e a d ya n dr e l i a b l ea n dt h ee f f e c t i v ei sg o o d k e yw o r d s ：l a s e re n g r a v i n gm a c h i n e ，c o n t r o ls y s t e m ，p c p a r a l l e l p o r t ，h a l f d e v i a t i o n b e s t g e o m e t r i c a lw a y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的她方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得金毽王些盔堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文储签名：碑咩 签字啉细中年，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金罂王业盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权鱼 鲤王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文储签名僻咩 签字日期：1 肼年f 月f 日 鬻嚣芋嚣幡上断拊工作单位：日圭椿式食杜j r 髟上嗨代删 通讯地址：上鸯千沛象新瑟谚确菇弦孵 2 i | i 坟报1 7 博 翮躲尹s 诹 签字日期：o 耷年锋月 1 日 电话：刎一占研绷 邮编：- 沙l z o 致谢 本人在近三年的硕士研究生课程学习和撰写学位论文的过程中，自始至终 得到了导师尹志强副教授的悉心指导，无论从课程学习、论文选题、课题研制， 还是到资料收集、论文成稿，都倾注了尹老师的心血，由衷感谢他在学业指导 及各方面所给予我的关怀以及从言传身教中学到的为人品质和道德情操。尹老 师广博的学识、严谨的治学作风、诲人不倦的教育情怀和对事业的忠诚，将是 我终身学习的榜样。 同时，真诚感谢机电教研室的刘志峰、丁苏赤、苏梅峻、朱华炳、陈苏欣 等老师们为课题的研究提供意见和思路，并创造了许多必要条件和学习机会。 在课题的研究和论文的撰写过程中，得到了绿色设计与制造工程研究所黄 海鸿的合作及建议，以及机电教研室张怀、董艳萍、庄旭、赵晓玲、马世典、 闰真才、袁帅、李付军、柳欣和绿色设计与制造工程研究所王淑旺、潘晓勇、 唐涛、郭伟祥、刘蕾、戚云辉、潘君齐等所有同学的帮助，在此表示一一感谢。 最后感谢在我求学期间一直在生活上、学习上默默支持我的父母和姑父、 姑母以及其他亲戚朋友们。 日 瓠铀& 晖f 博 作姒老吁例 意荐 符号清单 个人计算机 弧度( 角度单位) 瓦每厘米( 辐射度单位) 瓦( 功率单位) 电荷耦合器件 中央处理器 米每分钟( 速度单位) 直线插补数据 整步步距角 细分数 齿轮齿数 齿轮分度圆直径 传动比 脉冲当量 脉宽调制 ，效率 功率 v c v i s u a l c + + 6 0 i r q ，中断请求 d m a 直接存储器存取 l p t 打印机接口 d o d 7 并口数据寄存器位 s 3 s 7 并口状态寄存器位 c 0 c 3 并口控制寄存器位 i o 输入输出 v b v i s u a lb a s i c6 0 r o m 只读存储器 b i o s ( b a s i e i n p u t o u t p u t s y s t e m ) 基本输入输出系统 m a 毫安( 电流单位) 1 v r l ( t r a n s i s t o r - t r a n s i s t o rl o g i c ) 晶体管晶体管逻辑( 电路) q 欧姆( 电阻单位) h z 赫兹( 频率单位) c p ，时钟信号 d a 数模转换 s 微秒( 时间单位) u f ，微法( 电容单位) e 水平偏差 垂直偏差 d x 、d v 走步方式 f 计算偏差 ) ( c ，y 。直线终点坐标 s 盯 ! j j!融；j；洳!； 一一一一u啦一一一一一一m一一黑黧薰黧 一一一一一一 第1 章绪论 1 1 激光加工及其发展状况 自2 0 世纪6 0 年代第一台红宝石激光器发明以来，随着激光器的不断发展 和完善，人类对激光的特性有了充分的认识，并且论证了激光加工材料的可行 性，使激光的应用领域越来越广泛。现在激光已广泛遗应用于各种材料的加工， 这是由于激光的热影响区小、光束方向性好、光束斑点能聚焦到波长级、能进 行选择性加工及精密和超精密加工。概括起来，激光主要具有以下四大特性： ( 1 ) 单色性激光具有其他光源的光所难以达到的、极高的单色性。激光 是受激发射的，它的频率宽度窄，比普通光源( 如氖灯) 的频率宽度要窄几个 数量级。因此，激光单色性比普通光源单色性要好得多。 ( 2 ) 相干性这是区别激光与普通光源的重要特性。当两列振动方向相同、 频率相同、相位固定的单色波迭加后，光的强度在迭加区不是均匀分布的，而 是在一些地方有极大值，一些地方有极小值。各发光中心是相互密切联系的， 在较长时间内有恒定的相位差，能形成稳定的干涉条纹，所以激光的相干性比 其他光源好。 ( 3 ) 方向性主要是指光线的发散度小，这是因为从谐振腔发出的只能是 反射镜多次反射后无法显著偏离谐振腔轴线的光波。由于不同激光器的工作物 质类型和均匀性、光腔类型和腔长、激励方式以及激光器的工作状态不同，其 方向性也不同。一般气体激光器由于工作物质有良好的均匀性，并且腔长一般 比较大，所以有最好的方向性，发散角可以达到1 0 3 t a d ：固体激光器方向性较 差，发散角一般在1 0 - 2 r a d 数量级。 ( 4 ) 高能量密度激光通过凸透镜或金属反射镜聚焦后。可以将激光的巨 大能量聚焦到直径为波长级的光斑上，形成极高的能量密度，例如可产生 1 0 5 1 0 1 3 w c m 的功率密度( 辐射度) 。这是激光的主要特性，也是激光加工各 种材料的前提条件。 激光加工就是将激光束照射到加工物体的表面。用以去除或熔化材料以及 改变物体表面性能，从而达到加工的目的。它属于无接触加工，其主要特点有“： ( 1 ) 加工方法多，适应性强。在同一台设备上可完成切割、打孔、焊接、 表面处理等多种加工：既可分步加工，又可在几个工位上同时进行加工。可加 工各种材料，包括高硬度、高熔点、高强度及脆性、柔性材料。既可在空气中， 也可在真空中进行加工。 ( 2 ) 加工精度高，质量好。由于高能量密度和非接触加工，以及作用时间 短，即能量注入速率高，所以工件热变形小，且无机械变形，这就对精密小零 件的加工很有利。 ( 3 ) 加工效率高，经济效益好。以激光切割为例，在某种情况下可提高效 率8 2 0 倍。在雕刻行业中，传统的方法是利用手工进行雕刻，显然其效率没 有激光雕刻机的效率高。虽然激光雕刻机的一次投资几万元，但从长远利益讲 无论是加工效率还是经济效益都优于手工雕刻。 ( 4 ) 节约能源与材料，无公害，无污染。激光束的能量利用率为常规热加 工工艺的1 0 b 1 0 0 0 倍。激光切割可节省材料1 5 3 0 。激光束不会产生像电 子束那样的射线，无加工污染。 ( 5 ) 加工用的是激光束。无“刀具”磨损及切削力影响等问题。由于利用 不可见光代替了传统的机械刀，激光头的机械部分与工件无接触，因此不会划 伤工件表面，没有切削力，加之切缝窄，切口光滑，不怕材料脆、硬、柔等特 点，是一般加工方法不能取代的。 对于激光加工的分类，按照光与物质相互作用的机理大体可分为激光热加 工和光化学反应加工两类。激光热加工系指激光束加于物体所起的快速热效应 的各种加工过程；激光光化学反应加工系指激光束加于物体，借助高密度高能 光子引发或控制光化学反应的各种加工过程，也称为冷加工。热加工和冷加工 均可对金属材料和非金属材料进行切割、打孔、刻槽、标记等。热加工对金属 材料进行焊接、表面改性、合金化、切割均极有利：冷加工则对光化学沉积、 激光刻蚀、掺杂和氧化很合适。一般前者多采用红外激光器作为光源，如二氧 化碳激光器等；后者多采用紫外激光器作为光源，如准分子激光器等。 在国外，激光加工发展很快，按照加工时采用激光器的不同可分为以下二 个阶段： ( 1 ) 固体激光器加工阶段这一阶段激光多应用于微型件的焊接、切割、 打孔等。随着激光材料质量的提高，激光器的功率也增大了。以美国i n t e r n a t i o n a l l a s e r m a c h i n e c 公司为例，它的激光功率就有1 0 0 w 、2 0 0 w 、4 0 0 w 、8 0 0 w 和 1 6 0 0 w 五个档次。由于功率和能量的增加，激光加工机也开始中型零件的加工， 甚至要与气体激光加工相竞争。 ( 2 ) 气体激光器加工阶段这一阶段始于2 0 世纪7 0 年代，到了8 0 年代 出现了快速流动横流和轴流激光器后，才在激光n t 领域得到广泛的应用。其 中主要以二氧化碳激光器研究和应用为标志，其主要方向是高频激光激励、甚 高频激励、连续和脉冲运行、快速横流等。如发展最快的、世界上最大的激光 器生产厂r 0 f ms i n a r 生产的激光器就具有以上功能。 2 0 世纪7 0 年代我国在研制第一批激光器后开始着手研究其应用，但真正 的发展开始于8 0 年代。随着y a g 激光器进行焊接实验成功、大功率二氧化碳 激光器研制成功等，使激光加工才进入实用阶段。目前，国内已有了批二坐 标、三坐标、五坐标激光加工机和热处理专用设备，同时，还有了必要的外光 路系统和圆偏振片等配套器件。我国在微型激光焊接、大功率激光加工、激光 2 切割等几个方面都积累不少经验，且都成功地应用于生产。 1 2 激光雕刻机加工机理及其构成 激光雕刻机作为典型的光、机、电一体化产品具有加工效率高、加工精度 好等特点，可分别实现清扫、勾边、位图三种加工方式。对橡胶板、有机板、 塑料板、亚克力板、皮革、织物等非金属材料均能实现加工，已广泛地应用于 印刷、模型制造、广告牌制作等行业。 1 2 1 加工机理及其发展状况 激光雕刻属于激光切割加工的范畴，其加工机理是热效应，即当能量密度 极高的激光束照射在工件表面上时，一部分从材料表面反射，一部分进入材料 内，其光能被吸收，并转换成热能，使照射区域的温度迅速升高、汽化而去除 材料，其中也伴随氧化反应0 1 。 自2 0 世纪8 0 年代中期诞生第一台二氧化碳激光雕刻机以来，激光雕刻机 的发展主要经历了以下几个阶段”】： 第一代二氧化碳激光雕刻机实际上是用激光作为光笔的放大尺，用一脚踩 开关控制光笔工作，可以用来复制书法、曲线图像和人像。这是一种简单的原 始的二氧化碳激光雕刻机，成本低廉。 第二代二氧化碳激光雕刻机是用来雕刻木刻图形的，用单扳机控制光斑在 x 、y 平台上逐线扫描。在原稿亮处激光器关闭，原稿暗处激光器打开，从而加 工出黑白图形。这种雕刻机加工方式单一，无法解决图像的放大与缩小。 为了克服图像的明暗灰色层次，解决图像的放大与缩小，解决对立体图像 与大幅图像的阅读以及对多幅图像的信息存储和处理，研制了第三代二氧化碳 激光雕刻机，用个人计算机代替单板机或个人计算机与单片机相结合的方式， 因而称之为微机控制的二氧化碳激光雕刻机。由于个人计算机对图形处理能力 的增强，这代二氧化碳激光雕刻机可以处理各种图形，并具有清扫、勾边、位 图三种加工方式。在图形处理过程中，将图形处理成各个像点和灰度等级，经 抖动法处理将不同等级的灰度转变成黑点子密度，从而使信息容量大为压缩。 加工工件时，遇到图像上黑点的位置计算机打开激光器开关，发出一个激光脉 冲并在工件上打上一个黑点子，从而得到十分相似由明暗的点子组成的图像。 1 2 2 激光雕刻机的主要构成 二氧化碳激光雕刻机的主要构成有：激光器、光路系统、加工机、控制系 统、辅助设备五个部分。 ( 1 ) 激光器是整个加工系统的核心。对其要求是稳定、可靠，只有长期稳 定运行的激光器才能承担加工任务。激光雕刻机多采用二氧化碳激光器，所以 也称为二氧化碳激光雕刻机，其功率分为4 0 w 、6 0 w 、8 0 w 、1 0 0 w 甚至更大， 要求具备连续和脉冲运行的能力，根据加工方式不同还要求输出功率和能量、 脉宽等参数可调。 ( 2 ) 光路系统是激光器和加工机的连接部分。光路系统包括光束的直线传 输通道、光束的折射或反射部分、聚焦或发散系统。激光雕刻机的直线传输通 道采用空气传输通道，经过反射部分的反射，再由透镜聚焦后到达工件表面。 ( 3 ) 加工机是承受加工件的部分。工件与激光束作相对运动而进行加工， 因此加工的精度在很大程度上决定于加工机的精度和激光束运动时的可调节精 度。激光雕刻机采用工件固定激光束运动的加工方式，激光束的运动是由步 进电机或伺服电机和齿轮构成的进给系统来加以控制，从而按照加工轨迹的要 求进行各种方式的加工。 ( 4 ) 控制系统是激光雕刻机的“大脑”。它负责何时读取加工数据，何时 进行插补运算，何时读取操作人员的命令等，以便使激光雕刻机的各个组成部 分之间以及激光雕刻机与操作人员之间协调工作。 ( 5 ) 在激光雕刻机中还有一些辅助工艺，因此需要一些辅助设备。如采用 水泵提供冷却水来稳定二氧化碳激光管的温度，利用输气系统为激光头提供助 燃气体等。 1 3 激光雕刻机控制系统结构简述 控制系统对激光雕刻机而言犹如大脑对人体那样重要，没有控制系统激光 雕刻机的各个组成部分就不能协调工作，也就无法实现清扫、勾边、位图多种 加工方式。 控制系统的优劣也直接影响激光雕刻机的加工性能、工件的加工精度、废 品率等。目前的激光雕刻机多为第三代，其控制系统结构多为单机结构或主从 式结构u 】，如图1 1 和图1 2 所示。 单机系统结构通过计算机c p u 直接控制和管理整个激光雕刻机系统，一切 行动和功能都由个人计算机实现。在图1 1 中，通过分时处理的方式由个人计 算机负责图形处理、何时步进电机进给、何时激光电源打开来控制激光管的发 光、何时读取操作人员的键盘命令，从而合理地完成雕刻加工。 在主从式系统结构中，上位机采用个人计算机，下位机采用单片机。上位 机处于主导地位，主要负责图形处理和加工数据的传输以及对下位机的控制； 下位机只能接受上位机的控制命令和加工数据或向上位机发出请求信息以获得 帮助，同时在得到加工命令后负责步进电机的进给、激光电源的开关、读取操 作键盘的命令等工作。在图1 2 中，上下位机之间的通讯协议多采用r s - 2 3 2 c 、 r s 4 2 2 、r s 4 8 5 标准6 】 。 4 图1 - 1单机系统结构示意图 系统 图1 - 2 主从式系统结构示意图 1 4 课题的来源和研究日的 本课题来源于我校机械与汽车工程学院机电教研室承担的激光雕刻机控 制系统研究开发企业委托项目。 二氧化碳激光雕刻机已广泛地应用于纸箱印刷和广告制作等行业。目前， 国内在这一行业做的比较好的有北京开天、广东粤铭、浙江博业和安徽力宇等 单位。这些激光雕刻机的控制系统多采用主从式结构，个人计算机负责图形处 理和数据的传送，下位机接收数据后，通过插补计算进行雕刻加工，但是，在 雕刻加工时，有时会出现加工数据的丢失，稳定性比较差。这是因为： ( 1 ) 上、下位机之间的通讯协议一般采用r s 2 3 2 c 异步串行通讯接口，其 通讯速度和通讯距离受到一定的限制，而且在通讯环境恶劣的情况下，抗干扰 能力有所下降。 ( 2 ) 下位机硬件电路设计复杂，下位机系统的稳定性得不到保证。 鉴于此，委托方希望开发一种稳定性好、结构简单且成本低廉的激光雕刻 机控制系统。我们承接这一课题，结合该公司实际制定了“基于计算机并口的 激光雕刻机控制系统”方案，决定采用单机控制系统结构，希望达到以下目的： ( 1 ) 激光雕刻机加工过程稳定可靠，能够实现清扫、勾边、位图三种加工 方式。 ( 2 ) 适当改进机械结构，在机械结构允许的条件下寻找一种先进的插补方 法来提高加工速度，提高生产效率，使其达到国内领先水平。 ( 3 ) 降低成本，简化控制系统，加快产品的开发生产周期，为该公司带来 定的经济效益。 ( 4 ) 在开发过程中，对软、硬件进行模块化划分，各个模块相互独立研究、 开发和完善，最后通过接口形成整体。 第2 章总体方案研究设计 2 1 总体设计思路 2 1 1 激光雕刻机的工作流程 文泰图形处理 1 0 走刀路径文件再处理 上 键盘操作输入命令 上 l激光雕刻加工 上 键盘二次操作输入命令 上 清洗工件 图2 - 1 激光雕刻机工作流程示意图 如图2 - 1 所示是激光雕刻机的主要工作流程，大体分为五个阶段： ( 1 ) 图形处理阶段图形处理主要是由专门开发的处理软件来完成的，采 用文泰激光雕刻软件将操作人员输入给计算机的文字、图形、图像转换成走刀 路径文件( g 代码文件格式或二维h p g l 文件格式) ，以便激光雕刻机进行插补 运算。 ( 2 ) 走刀路径文件再处理阶段图形处理阶段生成的g 代码格式或二维 h p g l 格式的走刀路径文件并不能直接适合激光雕刻机进行加工，必须将其转 换成激光雕刻机插补所需数据信息，主要是x 、y 轴直线插补数据( a x 、a y ) 和激光电源开关数据( o 或1 ) 。 ( 3 ) 键盘输入操作命令读取操作人员输入的外部命令，如步进电机的向 上、向下、向左、向右等命令或加工开始命令，以便更好地确定加工起始点。 这些命令都是配合计算机控制软件的用户操作界面上的命令共同执行的。 ( 4 ) 雕刻加工阶段按照清扫、勾边、位图三种加工方式中的一种方式进 行加工，若希望执行加工暂停等操作必须再次配合操作键盘使用。 ( 5 ) 工件清洗加工完毕后，在工件的表面会黏附有加工时被氧化的产物 7 以及其他杂质等，用汽油或肥皂液对加工幅面清洗，留做印刷等用。 以上五个阶段基本涵盖了激光雕刻机所有的工作流程，每个阶段为后一阶 段提供前提和保障，缺一不可。 2 1 2 激光雕刻机的具体组成及其设计原则 图2 2 是基于p c 并口的激光雕刻机具体组成示意图，它主要是由光学系统、 机械系统、计算机控制系统组成。图中可以看出激光雕刻机的加工主要是通过 激光头相对工件运动来完成，光学系统为激光头提供加工所需的激光，x 、y 轴 步进电机由计算机通过直线插补方法控制激光头进给，在进给过程中随着激光 电源的开、关在工件上雕刻出文字、图形、图像。 图2 - 2 激光雕刻机组成示意图 如前所述，光学系统为激光头提供激光，由激光电源打开激光管，通过反 射系统传输到激光头上。激光管的功率和出光效率、反射系统的反射率和反射 效率都会直接影响激光雕刻机的雕刻深度。因此，设计时必须遵循以下几个原 则： 在激光电源和激光功率一定的情况尽量选用出光效率高的激光管。 激光管的直线度应能满足激光雕刻机清扫、勾边、位图三种加工方式的 要求。 选用反射效率高的反射镜，并保持其镜面洁净。 各反射镜的中心两两之间应保持在同一直线上。 合理布局，使激光管、反射镜、激光头相互之间的传输距离最短，尽量 减少在传输过程中激光功率的损耗。 进给系统是由步进电机驱动器、步进电机、齿轮、同步带组成的，以预定 的脉冲当量使激光头进行进给。步进电机及其驱动器的质量会影响步距角，齿 轮之间及齿轮与同步带之间的传动比会影响脉冲当量的精确度。因此，进给系 统主要影响的是激光雕刻机的加工精度，只有提高进给系统的精度才能提高工 件的加工精度，所以设计时应把握以下几个原则： 尽量选用与步进电机配套的驱动器产品，以提高步进电机工作时的 稳定性、可靠性。 合理选用传动比，在满足进给精度的前提下尽量使脉冲当量为整数 级。 激光头是通过同步带在导轨上进给的，导轨的刚度、直线度、平行 度必须满足加工要求，尽量选用直线导轨。 齿轮、步进电机、同步带、导轨都安装在工作台上，选用工作台时 必须考虑刚度、平面度的要求。 控制系统主要是通过软件的作用使激光雕刻机硬件协调工作来完成三种加 工方式，其硬件控制都是建立在计算机并口输入输出特性基础上的，属于计算 机在控制系统中的在线应用。对于激光雕刻机控制系统软硬件的设计应建立在 以下几个原则之上： 在走刀路径文件再处理时，搞清数据类型，寻找最适合的数据结构 及其算法。 软件的设计模块化，每个模块完成一个任务，确定每个模块的输入、 输出信息以及与其他模块之间的联系。各模块之间的接口尽量简单。 硬件电路设计时增加抗干扰设计，如光电隔离、印刷电路板中的抗 干扰设计、软件抗干扰设计等。 在整个设计中应将稳定性、可靠性始终置于第一位。 综上所述，激光雕刻机的设计主要集中在光学系统、进给系统和控制系统 三个方面，每个系统设计的好坏都会直接影响工件的加工精度，其中控制系统 的设计是整个激光雕刻机设计的核心。 2 2 迸给系统的布局及脉冲当量的计算哺1 对于激光雕刻机必须保证在雕刻加工时，工件固定在工作台上，而激光头 相对于工件作横向( x 向) 和纵向( y 向) 运动，所以需要有x 向和y 向的进 给驱动。本激光雕刻机采用步迸电机进给系统，通过与机械驱动结构组合来实 现所要求的功能，即驱动机构将步进电机产生的转矩传递给激光头，从而带动 激光头按要求的条件运行。步进电机进给系统是由步进电机本体、驱动器以及 机械驱动结构所组成，如图2 3 所示。 广 广1 厂i l驱动器卜叫步进电机卜叫机械驱动结构l - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - _ ji i ii 图2 - 3 步进电机进给系统组成框图 9 i 删“ 二 1 09 1 1 ，唧 ， 6 陌 一 8 u 2 图2 4 进给系统布局示意图 1 一y 向步进电机2 一y 向主动齿轮3 一y 向被动齿轮4 一y 向驱动齿轮5 一同步带 6 一x 向步进电机7 一滚动导轨8 一固定滑轮9 一激光头1 0 一横梁 1 1 一x 向主动齿轮1 2 一传动杆 图2 - 4 是整个激光雕刻机的进给系统在工作台上布局示意图。激光雕刻机 的y 向进给工作过程是通过步进电机带动主动齿轮将步进电机的转动传递给被 动齿轮，后者带动传动杆上的驱动齿轮转动，从而再由同步带使安装在其上的 横梁上下移动，这样，安装在横梁上的激光头便完成了纵向进给。激光雕刻机 的x 向进给工作过程比较简单，直接由安装在横梁上的步进电机带动同步带， 再由同步带带动激光头做左右移动，完成横向进给。当激光雕刻机的步进电机 同时工作时，x 、y 向进给装置便配合插补程序实现各种几何图形( 直线、圆弧 等) 的加工( 本激光雕刻机中主要是直线进给，因为文泰图形处理软件将文字、 图形、图像都处理成直线插孙) 。 图2 4 中，已知：步进电机( 1 、6 ) 型号：5 7 b y g 0 2 7 ；步进电机整步步距 角( aa ) ：0 9 。1 8 。；细分数( f ) ：1 、2 、4 、8 、1 6 、3 2 、6 4 ：主动齿轮( 2 、 1 1 ) ：齿数z 2 = z l i = 2 0 、d z = d 1 1 = 1 2 7 3 r a m ；y 向被动齿轮( 3 ) ：z 3 = 3 3 、d 3 = 2 0 8 4 m m ； y 向驱动齿轮( 4 ) ：7 4 = 3 3 、d 4 = 2 0 5 m m ；同步带( 5 ) ：型号m x l ，与各个配合 齿轮的传动比i = l 。 根据以上数据和进给系统示意图我们得到y 向进给脉冲当量计算公式和x 向进给脉冲当量计算公式。 y 向： a a id ， a 2 、 a 2d 2 i z - t ) 式中：ad 。一细分后的步进电机步距角( 单位：度) ； 1 0 o 2 一y 向被动齿轮在步进电机步距角q 。作用下所转动的角度 ( 单位：度) ； 而 t l = o2 o h 2 1 8 0 ( 2 2 ) 式中：t ，一y 向脉冲当量( 单位：m m ) 。 所以，由式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 得到 t 。= x a o t , d 2 d 4 ( 2 - 3 ) 3 6 0 d 3 x 向： t 2 = a i d z 2 1 8 0 ( 2 - 4 ) 式中：at ：_ x 向脉冲当量( 单位：m m ) 。 当采用整步步距角c l = 1 8 4 ，细分数f = 8 驱动步进电机时， q 。= 等( 2 5 ) j 从而得到d 。= 0 2 2 5 。，分别代入式( 2 3 ) 、( 2 - 4 ) ，圆整后得到y 向、x 向 的脉冲当量为 t l = o 0 2 5 m m a t 2 = o 0 2 5 m m 2 3 光学系统的布局设计9 川们 光学系统是影响激光雕刻质量的重要因素之一，其作用是产生激光然后把 激光引入聚焦物镜并聚焦在加工工件上，主要由激光器、激光电源、反射镜、 激光头等几部分组成。 激光器又称激光发生器，作用是将电能转变成光能，产生所需要的激光束。 其种类很多，根据产生激光材料种类不同，可分为固体激光器、气体激光器、 液体激光器和半导体激光器。在激光雕刻机中，激光器多采用气体激光器。即 小功率的二氧化碳激光器。它是将一定比例的二氧化碳一氮一氮等气体封入抽 成真空的玻璃管中，管的两端各装一块反射镜，形成谐振腔，在端部封入电极， 通入千伏以上的高电压，产生气体放电，图2 - 5 为二氧化碳激光器的结构示意 图。 激光电源是为激光器提供所需要能量的。在二氧化碳激光雕刻机中，多采 用与激光器配套的开关电源，如d j g l 0 7 a - 2 0 2 0 等，这些电源采用p w m 半桥 高频高压开关模式，同时采用特殊电流型控制方式，使之具有较宽的输入范围， 并获得较佳恒流匹配效果，以满足激光雕刻时激光器的工作要求。 反射镜是用来传输激光的，其表面涂有反射材料以增加反射率，将其安装 在设计好的光路中，便能将激光束传输到激光头上。反射镜安装在飞行光路中 4 l 一交流电源 r 图2 - 5 二氧化碳激光器结构示意图 2 一进水口3 一红外材料4 一反射镜5 一电极 6 一冷却水7 一放电管8 一出水口 的反射架上，通过其上的旋转螺母来调节光路使反射镜的中心两两对齐，达到 最佳的传输效果。 激光头不仅配合步进电机进行插补进给，同时在进给中聚焦激光到工件的 加工部位，完成扫描、勾边、位图三种雕刻方式。它主要由聚焦镜、供气、调 节三部分组成，聚焦镜通过调节装置改变焦距以达到合理的加工焦距，供气装 置提供助燃或保护气体使雕刻加工正常进行。 合理选用以上各个部件并最优化地安装在工作台上便形成了光学系统的布 局设计，如图2 - 6 所示是普通激光雕刻机的光学系统布局示意图。 1 图2 - 6 光学系统布局不葸图 1 一激光管2 一反射镜3 一聚焦镜4 一工件5 一工作台 值得注意的是在光学系统中存在着能量损耗问题，交流电源所提供的能量 ( 电能) 并没有完全地转换成光能并传递到加工件表面。光学系统中对能量的 影响因素主要有： ( 1 ) 二氧化碳激光管的转换效率因为激光器的工作气体温度升高会导致 激光增益系数下降，输出功率迅速衰减，所以二氧化碳激光器的转换效率n1 约 为1 5 2 0 ，大部分放电能转换成热能。 ( 2 ) 反射镜表面反射效率应用于光学系统中的反射镜虽然表面涂有增加 反射率的材料，但由于材料本身特性和反射镜的吸收问题，其反射率无法实现 1 0 0 ，一般n2 = o 9 2 o 9 6 。 ( 3 ) 激光在传输过程中对空间的辐射问题激光束是一种强光，具有高能 量的特性，因此传输距离越大，辐射损耗也越大。在激光雕刻机光学系统设计 中，在满足机械安装条件的前提下必须使传输距离最小。一般满足激光束辐射 后的传输效率r i3 - - 0 9 5 。 ( 4 ) 聚焦镜的透射率聚焦镜是凸透镜，使激光束经过后集中在焦点上， 即集中在加工件的表面进行雕刻加工。一般聚焦镜的透射率r t 4 = o 9 3 o 9 7 。 如图2 - 6 所示，当交流电源的输入功率为p ，经过光学系统后，到达工件表 面的功率p7 可通过下式计算得到： p = t li nz 3 n3 n4 p( 2 6 ) 由此可见，要得到满意的加工效果，在进行雕刻加工前需要使输入功率一 定，然后反复地调节光学系统，使雕刻深度最深。在雕刻最深深度稳定后，则 可以通过调节输入功率来达到所需的加工深度。 2 4 控制系统的设计 本激光雕刻机控制系统采用单机系统结构，由p c 通过对并口输入输出信息 的控制来完成激光雕刻机各个功能。p c 并口又称打印机接口，与其他通用i 0 口性质完全一样，它由一个2 5 芯的d 型接口提供订l 输入和输出信号。一般 它有1 2 个输出口和5 个输入口可供利用，能够满足激光雕刻机i 0 信号的要求， 即利用程序通过输出多通道数字波形实现对混合式步进电机和激光电源的控 制，以及通过键盘信号实现操作人员与控制系统的交互。与采用主从式控制系 统结构相比，激光雕刻机采用单机控制系统结构使其自身具有以下几个特性： ( 1 ) 成本低廉、实现简单。 ( 2 ) 传输效率高、对数据处理能力强。 ( 3 ) 可以配合v c 等面向对象编程语言编制操作界面，实现良好的人机交 互。 ( 4 ) 由于省去了下位机环节，无需设计上、下位机的通讯协议和下位机硬 件电路，减少了加工时的出错率，提高了激光雕刻机的稳定性和可靠性。 ( 5 ) 利用p c 进行插补计算时，速度高且计算准确，从而对提高加工速度 和加工精度有着明显的优势。 2 4 1 控制系统的工作原理 激光雕刻机控制系统的工作原理比较简单，首先，将文泰图形处理软件生 成的二维h p g l 格式的走刀路径文件转换成插补程序所需的数据格式：其次， 通过插补程序将进给数据( a x ，a y ) 以及激光电源开、关数据( i 0 ) 从并i s l 的 数据寄存器经外围放大电路输出，从而来控制步迸电机的进给和激光电源的开 关。对工作流程的控制( 如加工原点的确定，加工开始、结束、暂停，重新加 工等) 是通过操作键盘来输入信号的，这些信号经编码后通过并口的状态寄存 器输入控制系统，由键盘扫描程序读入。 图2 - 7 主控流程图 图2 7 是控制系统的主控流程示意图，程序的编制主要采用v c 嵌3 2 位汇 编语言的方法，在数据加工和参数输入等方面采用v c 编制，而键盘扫描、手 动调整以及加工过程的插补过程采用汇编语言编制子程序，以满足加工的实时 性要求。 图2 7 中的流程图主要表示激光雕刻机在正常情况下一次雕刻加工的过程。 在实际的雕刻加工中。常常会出现突发事件( 如激光电源断电、水泵不出水等) 以及人为因素( 下班、交班等) ，因此，必须使其具有处理突发事件的能力。只 要在操作面板加入一个“暂停”键，键盘扫描子程序2 便会查询到此键，向控 制系统发出信号停止加工，转而进入数据保存子程序，这种方法类似“中断处 理”。在图2 8 中显示了数据保存子程序的处理过程。当需要继续加工时，可通 过计算机操作界面上的选项以及键盘扫描子程序l 中的“确认”键来调用继续 1 4 加工子程序，如图2 - 9 所示。 打开走刀路径文件 0 找到加工段号和 加工数据 0 创建新文件( x f t x t ) ， 保存段号和加工数据 0 i l 关闭文件c x f t x t ) 和 走刀路径文件 打开文件( x f , t x t ) 上 找到加工段号和 加工数据 i ， 与上次走刀路径文件比较， 找到上次插补直线 上 关闭文件( x f t x t ) 。并以走刀 文件数据进行插补处理 上 调用插补子程序继续加工 图2 8 数据保存子程序框图图2 - 9 继续加工子程序框图 2 4 2 控制系统的研究内容 本激光雕刻机的控制系统主要是建立在计算机并口输入输出特性的基础 上，充分利用并口的系统资源，即利用并行端口内部的数据寄存器、状态寄存 器、控制寄存器作为输入输出口。主要集中解决以下问题： ( 1 ) 利用计算机并口控制混合式步进电机和激光电源。在掌握计算机并口 输入输出特性的基础上，合理分配并口硬件资源，利用3 2 位汇编语言编制程序， 通过并口的数据寄存器输出多通道数字波形来实现对混合式步进电机的速度、 方向和激光电源开、关的控制。 ( 2 ) 编制直线插补程序。采用半步偏差一几何最优法的插补方式，其插补 误差不超过半个脉冲。插补时间短，而且整个插补过程包括衔接点都具有不超 过半步误差的安全性。此法不但可以提高插补精度，而且再用3 2 位汇编语言编 写程序也可提高实时性。 ( 3 ) 编制键盘扫描程序。设计硬件电路，为每个按键都安排一个键值，计 算机通过查询方式来获取操作人员的加工命令。 ( 4 ) 走刀路径文件的再处理。对文泰图形处理软件生成的激光雕刻走刀路 径文件进行二次加工，产生本控制系统软件所需的走刀路径文件。 ( 5 ) 用v i s u a lc + + 6 0 编制控制系统软件。主要是将各个程序合理地组合 实现分时处理加工，并编制操作界面以实现良好的人机交互，如读取二次d h q - 的走刀路径文件、设定雕刻速度、自检加工、设定加工方式等。 1 6 第3 章并行端口实验研究及控制系统硬件设计 硬件电路是激光雕刻机控制系统的基础，软件有其支持才能各尽其职，此 外，硬件电路的设计对系统工作的稳定性也起到至关重要的作用，其设计内容 主要包括：并口输入输出外围电路、键盘扫描电路、抗干扰电路、混合式步进 电机驱动电路等。 3 1 并1 2 资源的研究1 1 川2 1 在计算机领域中，接口是微处理器或c p u 用来与其他组件之间进行数据交 换的一组信号线。接口的典型应用是连接打印机、调制解调器、键盘、显示器 等除系统存储器之外的几乎所有组件和设备。大多数计算机接口都是数字式的， 也就是说，每个信号或者说位，要么是o ，要么是1 。并口即打印机接口，它和 r s 一2 3 2 端口一起构成p c 机通信的主要途径。在一些新型p c 机中，可能还有 s c s i 、u s b 、i r d a 等其他端口，但传统并口应用的广泛性和灵活性使其仍然是 每台p c 机中不可或缺的部分。 3 1 1 并口的种类 随着p c 机设计的快速发展，生产厂商推出了几种改进型的并口。这些新型 的并口与原始设计兼容，同时加入一些主要以提高速度为目的的新功能。 p c 机与外围设备的速度不断提高，它们所完成的工作越来越复杂，所要交 换的信息日益增加，因此，并口的速度也就日益重要。传统并口的速度对于向 点阵、菊花链式打印机传送代表a s c i i 字符的字节而言，已经绰绰有余。但是， 现在的打印机要完成在一页中用不同颜色打印出不同字体、细致的图表之类的 工作，就必须从p c 机得到更多的信息，p c 机向打印机传送这些信息的速度越 快，打印机就能越迅速地开始处理和打印结果。更快的并口还可以使用户能用 便携的、以外设形式出现的设备代替传统方式下只能内置于计算机的组件。如 并口磁带机或磁盘驱动器可以方便地从一个系统移至另一个系统。 目前，并口