激光玻璃内雕刻机.doc

课程名称光机电一体化技术产品实例专 业机械制造及其自动化姓 名学 号教 师激光坡璃内雕刻机控制系统的设计一.绪论激光玻璃内雕技术是目前国际上最先进、最流行的玻璃内雕刻加工技术，它是将脉冲强激光在玻璃内部聚焦，产生微米级大小的汽化爆裂点，通过计算机控制爆裂点在玻璃体内的空间位置，构成绚丽多姿的立体图像，将玻璃等工件加工成惹人喜爱的工艺品。如图1所示为国内目前使用较广的激光玻璃内雕刻机：图1 目前国内使用较广的激光玻璃内雕刻机它主要有以下特点：1.工作幅面大、激光频率高，雕刻速度快； 2.自动化程度高，可靠性好，连续工作时间长； 3.使用的软件丰富，可制作各种平面、立体文字、图像等； 4.非接触式加工，保证材料表面原有的光洁度；5.使用材料广泛，不仅水晶可进行雕刻，一般装饰用普通玻璃、有机玻璃等同名材料都可雕刻； 6.雕刻的图像、文字灰度控制良好。使图像、文字高档、精致美观。激光玻璃内雕刻机主要由激光器、振镜控制器和两片振镜片、一台PC机、控制器以及由三台步进电机驱动的三维工件台和一个控制调试命令小键盘组成（如下图2所示）。系统采用脉冲激光器，可以自激励或外触发，雕刻时处于外触发状态，产生1.06*10-6m的调脉冲激光。图2 激光玻璃内雕机的基本结构雕刻机除了激光器和PC机之外的其他部分构成了控制系统。控制系统所要完成的任务是受PC机传递过来ude雕刻数据文件，可以根据该文件完成对雕刻工艺的过程控制，并且能够响应键盘发出的各种调试及控制命令。雕刻过程控制是控制频率为100Hz的激光脉冲的发送、控制激光光闸的开关、控制振镜的偏转角度以及驱动三台步进电机各任务的协同工作以完成雕刻任务。下面介绍一下整机的工作方式。国内机器目前多采用激光束聚焦位置不变，工件台带动工件移动来确定雕刻点位置，从而雕刻出不同物体的工作方式。这种方式的缺点在于雕刻过程中工件台的移动影响了加工速度，这一点正是投资者所不能接受的，同时也影响了机器的价格。考虑到如何克服这种缺点，我们在设计过程中采用振镜片扫描雕刻的方式，由于振镜的偏转和稳定所耗的时间是微秒级的，所以这种做法明显地提高了机器的加工效率。这种方法的具体内容是：物体分块雕刻（在PC机的专业软件中可以设定分块的大小,其值要考虑到振镜的扫描范围,不分块或分块少会提高加工效率),每块有各自的中心:每一块采用自下而上的逐层扫描雕刻方式。激光玻璃内雕刻机的工作过程如下：首先在PC机3Dmax等三维图形制作软件中将做好的三维图形保存为.Dxf文件,经过专用的图形处理软件处理成一定的数据格式文件输出到控制器,然后启动控制系统进行雕刻.PC机和控制器之间采用串行口传递数据。2.控制系统的设计2.1.硬件设计控制系统的核心部分控制器采用PC-104模板进行硬件设计。PC-104是符合IEEE996标准特性的总线，有104跟信号线，64Pin P1和40Pin P2，是一种紧凑嵌入式PC/AT结构，有CPU模板、VGA模板、Ad和IA2模板，可以层叠式嵌入连接，用于通讯、医疗、仪器、售货机等领域的产品开发。根据系统需要，控制系统选用一块24路I/O模板和一块双通道DA模板；一块CPU模板和合适大小的DOC（电子盘）分别作为处理器、程序存储器、数据存储器。在各个模块中，24路I/O模块的输出通道提供三台步进电机驱动器的脉冲信号（2.5kHz）和方向电子信号、激光脉冲信号（100Hz）和激光光闸电平（高电平开，低电平关）以及一些工作状态指示信号，输入通道提供小键盘和检测三维工件台限位开关状态，小键盘命令包括移动工件台的上、下、左、右、前、后命令按键可开始雕刻、停止按键。DA模块可提供两路，5/10V电压，系统选用-5-+5V电压范围；振镜偏转角度和所给电压呈线性关系压范围；振镜偏转角度和所给电压呈线性关系。2.2 软件结构控制软件采用结构化程序的设计方法，以TurboC 2.0为开发工具，运行于MS-DOS6.22下。控制器主程序首先完成系统的初始化工作，然后扫描输入口和串口，实现键盘响应和通信功能，其中最重要的也是最复杂的部分是雕刻过程控制模板。下面的图3表示了该模块的程序结构：图3 雕刻过程控制程序结构如上所述，系统雕刻过程是分块进行的，具体到每块又是逐层扫描方式工作的。系统对每块的工作过程和步骤如图4所示：图4 系统雕刻一块的程序结构2.3 通信模块的设计根据系统的需求，控制器的CPU板通常选用386SX便可满足要求；而PC机要完成大量的数据运算，所以选择较高档次的CPU。这就造成了上位PC机与下位PC机之间处理速度不协调的矛盾。这一点在它们之间串行通信实验中表现出来的问题是：如果通信电缆继续使用常规的2-3-5接法，软件上不加过多的处理或加上协调这一矛盾的程序语句，都出现丢失数据的现象。如何克服这一困难，最好的方法是用通信握手。这一方法分为软件握手和硬件握手。硬件握手体现在通信电缆的连接方法上，下图5说明了所采用的接法：图5 PCPC串行口接法下位机通信程序以Turbo C 2.0为开发工具，程序如下：上位机在C+ Builder 4.0 环境下采用WINDOWS