小型激光雕刻机的设计(毕业设计)

本科毕业设计(论文) 本科生院制2016年6月中南大学I小型激光雕刻机的设计的设计。雕刻机用两个42步进电机驱动XY两轴的运动，激光部分采用小功率激光笔，软件完成图像转G代码处理和G代码发送功能，下位机通过串口通信模块接收G代码关键词：激光雕刻主从式G代码解析插补算法步进电机中南大学IWiththedevelopmentoftechnology,thereisanewindustrygraduthelaserengravingandcarvedobjectswithoutdprocessingandlaserengravingtechnology.Thedesigncompletedthedesignofcontroldatafromacomputerserialport,themicrocontrollerpoperationtocontrolthemotormovement,Thesystematalowercostengravingmachine'sprocessingcharacteristiinlinewithmanufacturingequipmenKeywords:LaserengravingClient-servermodelG-codeparserInterp小型激光雕刻机的设计目录 1 11.2项目背景 11.2.1激光加工概述 11.2.2激光雕刻及激光雕刻机 21.3激光雕刻机及其运控技术发展现状 51.3.1激光雕刻机发展现状 51.3.2运动控制技术的发展现状 61.4论文安排及主要内容 7第2章系统总体方案的研究与设计 92.1雕刻机的控制结构 92.2功能需求 92.3控制系统设计过程 2.4机械结构设计 2.4.1传动结构 2.4.2外形框架 2.4.3整体搭建 第3章系统硬件电路的研究与设计 3.1控制系统硬件电路总体结构设计 3.2控制芯片选择 3.3系统电源电路设计 3.4电机及驱动系统设计 3.4.1步进电机的选择 3.4.2电机驱动模块 3.5激光及驱动系统设计 3.6LCD显示模块 3.7键盘模块设计 3.8辅助系统设计 第4章系统软件的研究与设计 4.1控制系统软件的总体设计 4.1.1控制系统软件开发环境 4.1.2控制系统软件总流程 4.2初始化及对刀模式 4.3串口数据接收程序设计 4.4G代码解析模块 4.4.1G代码简介 4.4.2G代码解析程序设计 4.5插补控制介绍 4.5.1逐点比较插补算法 4.5.2直线插补实现 4.5.3圆弧插补实现 4.6步进电机控制软件设计 4.7键盘模块软件设计 364.8上位机软件 4.8.1图形转G代码 4.8.2G代码发送 第5章系统整体测试 5.1系统参数 5.2激光雕刻机整机测试 5.2.1测试流程 5.2.2测试结果 第6章总结与展望 42 43 44第1页共40页激光加工有相干性高，单色性好，方向性好和高能量密度等(1)适应材料种类多。由于激光经过聚焦后具有很高的能量密度，该能量可加工第2页共40页(2)多功能。一台激光加工设备通常可以完成切(3)加工精度高。一束激光经过聚焦后能够在(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达到很高，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以及光学反射系统)、控制器、控制软件(上位机和下位机)、机械框架和驱动单元以及辅助系统等模块。口X向图1-1激光雕刻机结构图从上世纪八十年代产生第一台雕刻机开始，激光雕最初的激光雕刻机其实是把激光作为一直加工工具第三代激光雕刻机出现了运动控制卡，将运动控制算法制第4页共40页为以下3类：上存储部分、编码器、通信电路及D/A转换电路等。此系统的优点就是成本雕刻机在发展中始终追求这高速、高精度的目标。利用高性能更高，加工速度更快，运动更加平稳，保证系统的实用性和可靠性。[0数控运动控制一直以高速、高精度为目标发展。利用数控中如何控制刀具按照目标曲线进行雕刻是关键问题型的数控系统。但是精度只能达到中等精度(0.001mm),满足不了精度要求极高的系本论文将激光加工技术、嵌入式控制技术、数控技术等第一章在开始设计之前对大量国内外相关资料调研的基础第6页共40页第四章介绍整个软件系统的结构，包括下位机各控制模块第五章系统的软件与硬件设计完成后，需要将系统整体搭第二章系统总体方案的研究与设计从式控制结构。总体控制结构图如图2-1所示。向成图片图2-1雕刻控制系统总体结构这样，雕刻系统的工作流程为：首先，在上位机通过图或图像按要求进行处理，生成数控加工代码即G代码，然后通过数据传输接口将加工文(2)插补计算用小段直线或圆弧来逼近图形的轮廓，然后根据每段(3)雕刻控制雕刻机的雕刻是通过X、Y两个坐标轴运动和激(4)激光控制(5)人机交互(6)经济性在保证激光雕刻机的速度、精度、性能稳定的前提下，尽可(2)在设计扩展电路与配置的外围设备时尽量(4)在硬件电路设计中抗干扰设计是最重(1)按照功能需求将软件模块化，如设计中有G代码解析模块、电机控制模块、键2.4机械结构设计 为Y轴带的工作台的运动，工件固定在工作台推进杆采用图2-2所示T8步进电机丝杆图2-2推进杆实物图雕刻机的外框架用于支撑整个传动结构，所以各模块的设计需第11页共40页2.4.3整体搭建按照上述外形框架的设计完成亚克力板的切割，然后按照机械传动结构搭建组装雕刻机，装配完成如下图2-4。图2-4雕刻机整体装配图第12页共40页第三章系统硬件电路的研究与设计开发在对激光雕刻机相关技术熟悉了解以后，设计出激光雕刻机如图3-1所示，主要由以下几个部分组成：2、电源模块：由于雕刻机硬件结构中含有多个驱动模块第13页共40页中南大学显示器键盘图3-1控制系统的硬件结构采用ARMCortex-M内核，根据内核框架的不同STM32单片机分为很多系列，所以选10元人民币左右，所以根据所需开发引脚和代码容量选则了一款64引脚的增强型单片板主板图如图3-2所示。中南大学由主板实物图可看出，开发板已将配置好很多接口，其中有些模块是我们控制系统要用到的，所以直接使用即可，以后的设计中可省去这些模块的设计。开发板(1)I/O引脚，开发板引出的PA与PB部分引脚，足够开发使用。(2)JTAG,开发板JTAG口可直接进行数据传输与仿真调试。(3)SD卡电路，目前设计没有SD卡功能，不过在后续的拓展设计中可能会有脱机工作模式，会用到SD卡电路。(4)USB转串口接口，本开发板使用CH340芯片将USB转为串口，所以计算机可直接通过该接口用USB进行串口数据传输，不需要串口工具。(5)显示器接口，开发板中设计有显示器接口，可直接将显示器对应引脚接入3.3系统电源电路设计在雕刻机系统中，用电模块有：单片机开发板、电机驱动模块、激光笔、激光驱动电路及其他辅助设备。这些模块和电路所需的电压等级不同，有12V、5V、3.3V等，所以需设计一个符合这些电压等级的电源电路。由于所需最大电压为12V,所以本设计使用一个220VAC-12VD开关电源作为总电源。首先，单片机电压和激光笔驱动电压都是5V,而输入电源为12V,所以需设计一个降压稳压电路，将12V电压降为5V。此处我们选用小型降压电路中常使用的LM7805芯片如图3-3所示，LM7805为一款三端稳压集成电路，三个引脚分别为输入、输出和第15页共40页然后电机的驱动电路所需电压较大，且不同电机所需电LM2596S模块如图3-4所示。该模块是以LM2596S为核心芯片的BUCK电路，电路输图3-3LM7805稳压芯片图3-4LM2596S降压模块入滤波电容，输出