小型激光雕刻机的设计(毕业设计)

本科毕业设计(论文)GRADUATION DESIGN(THESIS)主题：小型激光雕刻机设计学生姓名：指导教师：学院：信息科学与工程学院专业课：本科医院制度2016年6月小型激光雕刻机设计摘要信息随着时代的发展，激光雕刻技术的应用越来越广泛。激光雕刻机是基于NC技术以激光加工为手段的加工方法，具有不接触加工材料的特性，加工精度高，适合多种材料加工。这次小型激光雕刻机的设计在详细了解了当前的激光加工和激光雕刻技术后，完成了雕刻机的控制系统总体设计，硬件电路和软件算法的设计，雕刻机的机器框架设计。雕刻机使用两个42步进电动机驱动XY轴运动，激光部分使用低功耗激光笔，控制系统使用STM32作为主芯片，使用主从控制方法。完全控制过程包括PC软件完成图像切换g码处理和g码传输功能，子计算机通过串行通信模块接收g码数据后，g码分析、插值算法处理、步进电动机动作和激光笔开关控制，以及完成雕刻功能。设计以低成本高精度实现雕刻机的一般功能，雕刻机小，使用方便，符号制造设备的小型化发展趋势，具有良好的应用前景。关键词：激光雕刻主从g码分析插补算法步进电机miniatrure laser engraving machine designAbstractWith the development of technology，there is a new industry gradually developed，on many occasions the processing technology is to use itin laser engraving technology，completed in the form of CNC laser engraving or cutting，Because the laser engraving and carved objects withingthis design of small laser engraving based on a detailed investigation of the current laser processing and laser engraving technology . the design coolThe design based on STM 32 micro control chip，Using a low-power laser head . The control system can receive data from a computer serial port，The design based on STM 32 micro control chipThe system at a lower cost，Higher precision and stability achieved a regular laser engraving machine s processing character istics。engraving machine Is small and easy to use，Is in line with manufacturing equipment miniatur virtual ization trend，have good prospects forkeywords:laser engraving client服务器模式g-code parser interpolation algorithm stepping motor目录第一章简介.11.1前缀11.2项目背景11.2.1激光加工概述11.2.2激光雕刻和激光雕刻机21.3激光雕刻机和运输控制技术发展现状51.3.1激光雕刻机的开发现状51.3.2运动控制技术发展现状61.4论文准备和主要内容7第二章系统总体方案研究与设计92.1雕刻机控制结构92.2功能要求92.3控制系统设计过程102.4机械结构设计112.4.1变速器结构112.4.2外形规格框架122.4.3全面建设12第三章系统硬件电路的研究与设计.143.1控制系统硬件电路总体结构设计143.2控制芯片选择153.3系统电源电路设计163.4电动机和驱动系统设计183.4.1选择步进电动机183.4.2马达驱动模组193.5激光和驱动系统设计203.6液晶屏模块213.7键盘模块设计223.8辅助系统设计23第四章系统软件的研究与设计.244.1控制系统软件的总体设计244.1.1控制系统软件开发环境244.1.2控制系统软件通用过程244.2初始化和刀具模式254.3串行数据接收程序设计264.4 g代码解析模块274.4.1 g代码简介274.4.2 g代码分析编程284.5插值控制简介304.5.1逐点比较插值算法304.5.2线性插值实现324.5.3圆弧插补实现334.6步进电动机控制软件设计354.7键盘模块软件设计364.8 PC软件374.8.1图形切换g代码374.8.2 g代码传输38第五章全系统测试.395.1系统参数395.2激光雕刻机整机测试405.2.1测试流程405.2.2测试结果40第六章总结和展望.42谢谢43参考文献44第一章简介1.1前缀激光生成标志着20世纪60年代以来激光加工技术迅速发展的新学科的出现。高一致性、好单色、好方向和高能量密度等激光的许多特征使激光能很好地应用于工业生产。主要用于工业生产的激光射线的高能量特性，一束激光聚焦后，工件表面可以形成微小的光点，直径可达数十微米，容量密度高。激光技术在工业生产中的主要应用包括激光切割、焊接、雕刻、材料表面处理等。随着激光加工相关研究的深入，各种激光工具诞生了，应用激光的领域越来越广，给社会带来的经济效果也进一步提高。激光雕刻是激光加工技术中最常见的，主要使用激光能量加工对毛坯的光泽效果、蒸发效果和溶解效果。激光雕刻效率高，准确度高，污染低，适合与塑料、橡胶、木材、腈纶板等非金属材料加工，在服装、印刷、工艺、广告等方面应用广泛。1-21.2项目背景1.2.1激光加工概述激光加工的原理是，使用高能量密度的激光束照射到加工的工件表面，然后照射区域的温度在很短的时间内上升到高，使材料表面汽化或熔化，达到切割或雕刻的效果。激光加工技术与传统刀具加工相比在生产上非常方便，因此激光技术已经成为先进技术，改善了现有的工业生产方式。目前激光加工已进入汽车制造、电子、钢铁、冶金、轻工业等很多领域。激光加工具有一致性高、单色好、方向性好、能量密度高等特点，设备将激光束收集到工件表面，然后用光热效果去除材料，因此也是非接触处理。这些特性决定了工业生产中的以下优点：(1)适应材料种类很多。激光集中后能量密度高，可以加工刀具加工所无法获得的高强度、高硬度、熔点等多种材料。此外，由于激光雕刻属于非接触加工，加工刀具与工件表面不接触，因此，为了防止接触加工引起的工件变形，可以加工一些硬质材料。(2)多功能。一台激光加工设备具有多功能特性，一般完成切割、雕刻、冲孔等多种功能，从生产到多台完成工艺。(3)加工精度高。激光束可以通过聚焦在工件表面形成小光点，直径可达数十微米，加工非常精确。(4)加工效率高。由于激光具有高能量密度特性，激光加工速度比传统焊接方法快20倍以上，因此激光加工效率比传统方法高得多。1.2.2激光雕刻和激光雕刻机介绍已经介绍了激光雕刻的加工原理。是利用激光的高能密度特性对加工的材料进行物理化学变化，获得刻录效果，获得加工模式。激光碎片通常具有x，y轴两个方向的移动台，控制器控制这两个轴的旋转以驱动工件和激光的移动，同时控制器控制激光相对于目标图像的开关，使激光在工件表面形成规则的碎片化目标图案。激光头对应于工作曲面的激光亮度解除，此值对应于黑白二值的0，1值，控制器接收到值“1”时控制激光亮度的值。控制器接收到值“0”时，控制激光关机。加工一点后，激光按照控制移动到下一点继续加工，按照这个原理加工，然后最终加工整张图片，得到目标雕刻图片。因此，无论图像的复杂程度如何，都可以雕刻，对于图层感的图像，可以通过控制雕刻的深度来实现，如果雕刻的深度不同，则绘画具有图层感和转换颜色效果。目前，激光雕刻机的一般结构如图1-1所示，主要包括激光发射系统(激光发射电源和激光管和光反射系统)、控制器、控制软件(主机计算机和子系统)、机器框架和驱动设备以及辅助系统等模块图1-1激光雕刻机结构激光是雕刻激光的工具，因此激光发射器在整个系统中处于比较重要的位置，是整个系统的核心，对其稳定性和可靠性要求很高。雕刻机使用的激光功率范围为数十到数百瓦特，但是不同的处理方法对功率要求不同，需要能够调整输出和能量、脉冲宽度等参数。激光系统是激光管发出的激光引导工作台的部分。主要使激光在多个光学镜面的反射传输及聚焦处理中处于适合加工的位置和强度。机器框架是支撑毛坯的部分。雕刻时，机械驱动部分控制激光束移动到工件上进行加工，因此雕刻精度的一部分取决于机械系统的传输精度和激光束运动的精度。激光秃头的运动通常由步进电动机或伺服电动机和驱动带组成的进给系统控制，然后根据控制器的加工轨迹进行加工。控制系统包括激光雕刻机最重要的部分硬件系统和软件系统，主要任务包括加工数据的传输、加工轨迹的处理、每个模块的驱动等，系统软件包括处理图像数据的主机计算机软件和控制每个模块运行的子系统软件，子系统控制软件的运动控制算法的设计也是决定雕刻精度的雕刻机的焦点。激光雕刻机一般在激光雕刻机工作时，加工面、激光发射管产生大量的热量，一般还有泵供给冷却水稳定激光发射管温度等辅助设备。1.3激光雕刻机和运输控制技术的发展1.3.1激光雕刻机的发展现状自20世纪80年代出现第一台雕刻机以来，激光雕刻机主要经历了以下几个阶段的发展。第一台激光雕刻机使用激光作为加工工具，通过手动操纵开关调节激光的开关状态，完成了简单的文字复制、人物、曲线图像绘制。所以最原始的激光雕刻机是简单的激光装置，成本也很低。第二代激光雕刻机用于雕刻木制材料，制作木雕产品。雕刻机用简单的微控制器控制XY轴的移动，允许激光束在工作台上移动的扫描。目标图像是黑白图片，控制时，在图片亮部分关闭激光，在图片暗部分打开激光，雕刻黑白图像。第二代雕刻机易于操作，原理简单，但加工方法单一，原件的颜色、尺寸等都不能改变。在第三代激光雕刻机中，出现了将运动控制算法制作成专用卡并与计算机一起使用的方法。随着计算机计算能力的提高，照片处理能力也有所提高，控制系统可以处理多种图形，雕刻机也可以选择多种加工方法，但这种雕刻机不能脱机雕刻，仍然有不便之处。3随着这几代雕刻机的发展，现在激光雕刻机在系统功能和性能上有了很大提高，可以满足工业生产多样化的需要，PC软件也具有强大的照片处理能力。激光雕刻机根据控制方式可分为两大类，第一种是单独型雕刻机。也就是说，计算机充当控制系统，在个人计算机上执行图像处理、激光参数控制、全运动系统的控制等。另一种主从属控制方法，整个控制系统由PC和子机构组成，PC是PC的软件，完成图像数据处理，将数据传输到子系统，子系统执行运动控制、系统电源电路控制、控制每个驱动器模块等任务。目前使用了很多主从控制模式，主机计算机设计是大同小异的，但