【论文】激光雕刻机控制系统设计.docx

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1、摘要近年来，随着激光和计算机技术的迅猛发展，激光雕刻技术在加工领域得到了广泛的应用。激光雕刻技术是激光应用最有发展前途的领域，其发展速度之快，应用之广，是除微电子技术之外的其他技术无法相比的。激光雕刻技术为无接触加工，其主要特点也就是无惯性，因此其加工速度快、无噪声。由于光束的能量和光束的移动速度都是可以调节的，因而可以实现各种复杂面型的高精度加工。本文主要阐述了设计开发激光雕刻控制系统。该系统采用微机控制，分为运动控制部分和激光雕刻部分，运动控制部分主要通过人机界面，实现图像预览、实时雕刻轨迹的动态跟踪和控制指令的生成、X,Y坐标实时显示以及缓停、急停、继续、速度设定与变更、沿原路径返回、位

2、置记忆、工作时间记录等功能；激光雕刻部分则是通过设计一个工作电路来控制激光输出功率的大小，这样就能根据各个像素的灰度值的大小，在相应位置上雕刻出深浅不一的点，最终得到一件成品。关键词：激光雕刻，图像处理，控制系统AbstractInrecentyears,withtherapiddevelopmentofthelaserandcomputertechnique,laser-carvingtechniquehasgotmoreextensiveapplicationintheprocessingfield.1.aser-carvingtechniqueisthemostpromisingarea

3、soflaserapplication,thespeedofdevelopment,thebreadthofapplicationexceedothertechnologyexceptmicroelectronictechnology.1.aser-carvingtechniqueisthenon-contactprocessing,Themainfeatureofwhichisnon-habitual,thereforeitsprocessingspeed,noise-free?Astheenergyandthespeedofbeamcanbeadjusted,high-precisionm

4、achiningofallkindsofcomplicatedfacecanbeachieved.Thisarticlefocusesonthedesignofalaser-carvingcontrolsystem.Thissystemadoptsmicrocomputercontrol,anditconsistsofmotioncontrolpartandlasercarvingpart.Inthemotioncontrolpart,thefunctionswhichincludeimagepreview,dynamicaltrackingofcarvingtrajectoryinrealt

5、ime,generationofcontrolinstructions,indicationofcarvingpositioninrealtime,slowstop,suddenstop,goingon,settinguporchangingspeed,returningalongtheoriginalpathandrecordingthestoppingpositionsorworkingtimewererealized.Inthelasercarvingpart,anelectriccircuitwasdesignedtocontroltheoutputpowerofthelaser.Ac

6、cordingtothegraydegreevalueofeachpixel,thecorrespondentdotcanbecarvedindifferentdepthtoobtainafinishedproduct.Keyword:1.aser-carving,ProcessingImage,ControlSystem激三刻机控制系统设计目录第一章绪论11.1 课题背景11.2 激光雕刻系统的基本原理及构成11.3 国内外激光雕刻机发展概况21.4 本文的研究内容和意义5第二章激光雕刻机的总体结构62.1 计算机62.2 电气控制箱62.3 伺服电机系统72.4 激光器9第三章激光雕刻机控

7、制系统的设计113.1 机械平台的设计113.2 电气系统的设计123.3 硬件控制的设计193.4 运动控制软件的设计26第四章BMP格式图形扫描及雕刻394.1 程序流程图394.2 BMP格式图像处理程序404.3 逐点比较法插补流程图504.4 BMP格式图像雕刻程序51第五章结论与展望525.1 本文总结525.2 经济性分析525.3 激光雕刻机的研究展望53参考文献54致谢55附录56声明70激光雕刻机控制系统设计第一章绪论1.1 选题背景激光雕刻机是综合应用激光、电子、计算机、机械等技术的机电一体化设备，因其具有加工速度快、图像清晰永久、无污染、无磨损等优点，被广泛应用于军工、

8、机电、汽车、广告、美术、纪念品加工等众多领域，在市场上应用相当广泛，市场需求量很大。本文主要介绍激光雕刻控制系统的软件设计以及主要端口的接特性，激光雕刻机的运动控制属于两轴的运动控制，采用基于ISA总线的计算机控制，对机械传动装置中电机位置、速度进行实时的控制管理，使运动部件按照预期的轨迹和规定运动参数完成相应的动作。本系统主要控制工作台的运动，使其按照预定的轨迹和运动参数完成激光雕刻任务1.21。1.2 激光雕刻系统的基本原理及构成激光雕刻机通常是由二氧化碳激光器、专用激光雕刻软件、自动控制系统和精密机械组成，它能够以很快的速度和很高的精度对各种材料进行大功率和小功率加工.有雕刻速度快、操作

9、方便、效果好和手工无法实现的立体效果等一系列的优点。它广泛运用于广告、装饰、装璜、做字、标牌、建筑模型、模具、工艺品加工等行业。如在牛角、塑料、有机、木头、储墨垫、原子印章、橡胶等材料上方便地刻制各类印章；雕刻、切割各类标牌；在竹板或木头上雕刻各类文字、图形等。激光雕刻机系统主要由上位机的图像处理软件和作为下位机的激光雕刻机构成。图像处理软件的主要作用是对要雕刻的图像进行处理，使之适合于雕刻，显示出雕刻的效果，同时将图像数据进行编码，转换成符合激光雕刻机工作要求的数据格式，然后通过计算机接口传送给雕刻机。激光雕刻机本身则是一个微机控制系统，它根据上位机传来的雕刻数据，去控制两个步进电机，使激光

10、器移动到相应的位置，并控制激光的强度，进而实现雕刻功能。激光雕刻机的结构框图如图IT所示：图1-1激光雕刻机的结构框图除简单图案激光雕刻机可采用矢量雕刻方式外，大幅面二维雕刻机主要采用扫描方式上传，若不采取措施，需要存储的数据量将是十分惊人的，本系统设计了一种可变长度的扫描命令格式：（起始标志、X坐标、Y坐标、步长、激光强度值、步长、激光强度值、结束标志）。这样的安排可有效缩减数据量，也可方便地解决单片机存储容量的扩展问题。1.3 国内外激光雕刻机发展概况1.3.1 激光雕刻的现状激光是本世纪的重大发明之一，具有巨大的技术潜力。激光加工是激光应用最有发展前途的领域，其发展速度之快，应用之广，是

11、除微电子技术之外的其他技术无法相比的。激光被誉为“万能加工工具”，为材料加工业提供了一种经济效益十分显著而生产效率又相当高的生产技术。激光加工技术的应用已遍及各行各业，在航空、航天、电子、舰船、兵工、汽车、机械和轻工等部门都占有重要的地位。现在，激光加工技术已从特殊用途的加工技术变为通用的具有多种加工能力的精加工技术。目前，国外探索的激光应用项目有20多项。工业发达国家都把激光加工技术作为提高生产效率和竞争能力的手段之一，希望能在进入光技术全盛时代的21世纪初期，在光技术领域处于世界领先地位，因此投入大量的人力和物力展开激烈的竞争。例如，德国大量投资于商品化激光加工机的生产线，目前有650家企

12、业研究和应用激光加工技术，到2000年将增至300家。据预测，日本激光加工机床的产值到2000年将为1980年的178倍。目前，日本已进入激光加土技术的普及时代。在美国，激光加工技术应用最多的是航空、航天、电子、汽车等行业，直接或间接从事航空航天工业的3000多家公司均采用了激光加工技术。国外激光加工机床在80年代发展极为迅速。例如，激光加工机床的品种在1981年仅有4种，而到了1985年就增加到了19种，1980年激光加工机床的销售额仅为1970年的11.7倍，而1982年就猛增到了1970年的20.7倍。1984年，美国拥有6000台激光加工机床，预计到2000年将达到3.5万台。国外激光

13、加工机床的销售量，每年平均增长2000,这在机床工业史上是罕见的卜-8o1.3.2 我国激光雕刻的发展近况我国有关部委自六五、七五一直到八五攻关任务中，一直都把激光加工列入了发展计划，也取得了一大批有水平的科研成果；近一两年由国家计委设立了激光加工工程中心，其任务是将成果转化为中试产品；由国家科委设立了固体激光加工中心，其重点是推动固体激光加工的应用，特别是在微电子学中的应用，国家经贸委设立了激光加工成套设普产业化的产学研工程项目，其任务是将科研高校和企业联合起来，推动激光加工设备的产业化。于今年初由计委、经贸委、科委联合确定将“制造技术”列为国家七大重点发展项目，而又把激光技术列为制造技术的

14、第二项，可见激光加工技术已受到我国政府部门的高度重视。于此同时.，北京、上海、广州、湖北、辽宁等省市以及有关工业部都对把激光加工技术列为重点发展的项目给予了很大重视和实际支持。与传统的机械加工技术相比较，激光加工技术有许多特点：它可以对多种金属、非金属加工，特别是可加工高硬度脆性及高熔点的材料；它加工所用工具是激光束，无“刀具”磨损，在加工过程切削力对工件无影响它加工时能量注入速度高，工件的热变形很小，对材料的热影响区小；还可通过透明介质对密闭容器内零件进行加工；它加工速度快，无噪音，无污染；激光束易于导向，聚焦作各多方向变换，且极易与数控系统结合，作复杂形状的零件加工；在较多场合下，经济效益

15、明显；由于其加工特点，可改进产品结构，使原来只适合用机械加工的零件变得简单，可靠。表1-1在激光加工的各种应用中，以下列销售分类可看出都在相应发展（1993年统计值）热处理13.8%切割14.4%打标12.6%焊接16.0%打孔1.8%微调3.6%划片3.6%其它34.2%表1-2激光加工在各工业领域应用情况：（1990年统计情况）钢铁5.9%有色金属4.6%化工9.1%纺织5.2%机械14.8%电子11.5%汽车8.9%精密仪器6.9%其他29.5%在近十年中，国内各行各业引进的固体激光器及固体激光加工机超过53台套。其引进国有英国JK系列，日本东芝系列，美国ES1.FoX公司以及西德、瑞士产品。引进CO2激光器及CO2激光加工机超过23台套，其引进国为美Spectra-Physics,美Coherent,澳大利亚1.aSer1.ab,美国PRC公司。德国Hearans,美Synrad,日本FanUCs,赤外线，MaxakAmada等，ISraeI激光器，于带土Bystronics等，以上多数在研究、教学单位应用9-11。1.3.3 COZ激光雕刻机的发展情况20世纪70年代后期，Buekley和JenkinS开始研制激光雕刻网纹辑。在此之前，大部分采用气体二氧化碳作为激光介质，用CO?激光器雕刻陶瓷网纹辐。二氧化碳激光雕刻的