本科论文机械专业-小型激光雕刻机设计研究.doc
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本科毕业设计（论文）
GRADUATIONDESIGN（THESIS）
题目：
小型激光雕刻机的设计
学生姓名：
指导教师：
学院：
信息科学与工程学院
专业班级：
年月
I
I
小型激光雕刻机的设计
摘要
随着时代的发展，激光雕刻技术的应用越来越广。
激光雕刻机是以数控技术为基础，激光加工为手段的一种加工方法，它具有与加工材料非接触的特性，加工精度、效率高，适合多种材料的加工。
本次小型激光雕刻机的设计，在对当前激光加工和激光雕刻技术做了详细了解后，完成了雕刻机的控制系统整体设计、硬件电路和软件算法的设计以及雕刻机的机械框架的设计。
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，控制系统使用STM32作为主控芯片，采用主从式控制方式。
整个控制流程为：
上位机软件完成图像转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代码数据后，进行G代码的解析、插补算法处理，然后控制步进电机的运动和激光笔的开关，完成雕刻功能。
设计以较低的成本和较高的精度实现雕刻机的常用功能，雕刻机体积小、使用方便，符制造设备微型化的发展趋势，具有很好的应用前景。
关键词：
激光雕刻主从式G代码解析插补算法步进电机
I
Miniaturelaserengravingmachinedesign
Abstract
Withthedevelopmentoftechnology,thereisanewindustrygraduallydeveloped,onmanyoccasionstheprocessingtechnologyistouseit,thatislaserengravingtechnology.Inlaserengravingtechnology,completedintheformofCNClaserengravingorcutting,becausethelaserengravingandcarvedobjectswithoutdirectcontact,soithashighefficiency,suitableforavarietyofmaterials.
Thisdesignofsmalllaserengravingbasedonadetailedinvestigationofthecurrentlaserprocessingandlaserengravingtechnology.Thedesigncompletedthedesignofcontrolsystemframeworkoftheoveralldesign,hardwareandsoftwarealgorithmsdesign.ThedesignbasedonSTM32microcontrolchip,usingalow-powerlaserhead.Thecontrolsystemcanreceivedatafromacomputerserialport,themicrocontrollerparsingG-codeandruntheinterpolationoperationtocontrolthemotormovement,achievedanonline,offlinelaserengravingfunction.
Thesystematalowercost,higherprecisionandstabilityachievedaregularlaserengravingmachine’sprocessingcharacteristics.Engravingmachineissmallandeasytouse,isinlinewithmanufacturingequipmentminiaturizationtrend,havegoodprospectsfordevelopment.
Keywords：
LaserengravingClient–servermodelG-codeparserInterpolationalgorithmSteppingmotor
II
目录
第1章绪论 ..1
1.1前言 1
1.2项目背景 1
1.2.1激光加工概述 1
1.2.2激光雕刻及激光雕刻机 2
1.3激光雕刻机及其运控技术发展现状 5
1.3.1激光雕刻机发展现状 5
1.3.2运动控制技术的发展现状 6
1.4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 9
2.1雕刻机的控制结构 9
2.2功能需求 9
2.3控制系统设计过程 10
2.4机械结构设计 11
2.4.1传动结构 11
2.4.2外形框架 12
2.4.3整体搭建 12
第3章系统硬件电路的研究与设计 ..14
3.1控制系统硬件电路总体结构设计 14
3.2控制芯片选择 15
3.3系统电源电路设计 16
3.4电机及驱动系统设计 18
3.4.1步进电机的选择 18
3.4.2电机驱动模块 19
3.5激光及驱动系统设计 20
3.6LCD显示模块 21
3.7键盘模块设计 22
3.8辅助系统设计 23
第4章系统软件的研究与设计 ..24
4.1控制系统软件的总体设计 24
4.1.1控制系统软件开发环境 24
4.1.2控制系统软件总流程 24
4.2初始化及对刀模式 25
4.3串口数据接收程序设计 26
4.4G代码解析模块 27
4.4.1G代码简介 27
4.4.2G代码解析程序设计 28
4.5插补控制介绍 30
4.5.1逐点比较插补算法 30
4.5.2直线插补实现 32
4.5.3圆弧插补实现 33
4.6步进电机控制软件设计 35
4.7键盘模块软件设计 36
4.8上位机软件 37
4.8.1图形转G代码 37
4.8.2G代码发送 38
第5章系统整体测试 ..39
5.1系统参数 39
5.2激光雕刻机整机测试 40
5.2.1测试流程 40
5.2.2测试结果 40
第6章总结与展望 ..42
致谢 43
参考文献 44
IV
第一章绪论
1.1前言
激光的产生标志着一个新兴学科的产生，从上世纪六十年代开始，激光加工技术迅速发展。
激光很多特点，如相干性高，单色性好，有很好的方向性和高能量密度，这些特点使激光在工业生产中有了很好的应用。
在工业生产中主要利用的也就是激光的高能量特性，一束激光经过聚焦后能够在工件表面形成很小的光点，直径可达到几十微米，所以具有很高的能力密度。
在工业生产中激光技术主要的应用包括激光切割、焊接、雕刻、材料表面处理等。
随着激光加工相关的研究不断深入，各式激光工具也随之诞生，激光的应用领域也变得越广，给社会带来的经济效益更加明显。
激光雕刻是激光加工技术中最为常见的一种，主要是利用激光的高能量对工件进行光化效应、汽化效应和溶蚀效应以实现加工的目的。
激光雕刻具有效率高、精度高、低污染、等特点，适应与塑料、橡胶、木材、亚克力板等非金属材料的加工，在服饰、印刷、工艺、广告等领域广泛应用。
[1-2]
1.2项目背景
1.2.1激光加工概述
激光加工的原理是利用高能量密度的激光束在被加工工件表面照射，然后被照射区的温度在很短的时间内上升到很高，使材料表面发生汽化或熔化，从而形成切缝达到切割或雕刻的效果。
与传统的刀具加工相比，激光加工技术在生产中具有很大的便捷性，所以激光技术已成为一种高新技术，改良传统工业生产方式。
现在激光加工已进入诸多领域，如汽车制造、电子、钢铁、冶金、轻工等行业。
激光加工有相干性高，单色性好，方向性好和高能量密度等特点，设备将激光束聚集在工件表面后通过光热效应去除材料，因此也属于非接触加工。
这些特点决定了它在工业生产中的以下优势：
（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，该能量可加工多种高强度、高硬度、高熔点的材料，这也是刀具加工难以达到的。
同时因为激光雕刻属于非接触加工，加工工具与工件表面不接触，所以该方式可加工一些超软材料，避免了接触加工带来的工件变形。
（2）多功能。
一台激光加工设备通常可以完成切割、雕刻、打孔等多种功能，完成生产中的多到工序，因此具有多功能特点。
（3）加工精度高。
一束激光经过聚焦后能够在工件表面形成很小的光点，直径可达到几十微米，所以加工可达到很高的精度。
（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，如用激光做深熔焊接时，加工效率是传统焊接方式的二十多倍，所以激光加工效率是远高于传统的方法。
1.2.2激光雕刻及激光雕刻机
绪论中已经介绍激光雕刻的加工原理，就是利用激光的高能量密度特性是使被加工材料发生物理化学变化，从而达到烧刻效果，得到加工图案。
激光雕刻一般有X、Y轴两个方向的运动台，控制器控制这两个轴的转动带动工件和激光的移动，同时控制器根据目标图像控制激光的开关，从而激光在工件表面有规律的雕刻形成目标图案。
可以这样理解，激光头的开光在对应激光在工件表面的亮灭，这个亮灭状态和黑白二值图中的0、1值相对应，控制器收到“1”值时控制激光打开；控制器收到“0”值时控制激光关闭；加工完一个点后激光按照控制移动到下一个点继续加工，按此原理一直加工，最后可加工完整张图片，得到目标雕刻图。
所以不论图像的复杂程度如何都能雕刻，对于具有层次感的图片可通过控制雕刻的深浅实现，雕刻的深浅不一，图片就具有层次感和过渡颜色的效果。
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。
图1-1激光雕刻机结构图
因为激光是激光雕刻的工具，所以激光发射器在整个系统中处于比较重要的地位，是整个系统的核心，对其稳定性和可靠性的要求很高。
雕刻机中使用的激光功率范围从几十到几百瓦，但是与不同的加工方式，其功率需求不同，所以要求其输出功率和能量、脉宽等参数可调。
激光系统就是将激光管发出的激光引到工作台上的部分。
主要是将激光经过多个光学镜的反射传输和聚焦处理，让激光处于适合加工的位置和强度。
机械框架是支撑加工工件的部分。
雕刻时机械传动部分控制激光束在工件上方移动动而进行加工，所以雕刻的精度有一部分由机械系统的传动精度和激光束运动的精度决定。
激光头的运动通常是由步进电机或伺服电机和传动带构成的进给系统控制，然后按照控制器中的加工轨迹进行加工。
控制系统是激光雕刻机最重要的部分，包括硬件系统和软件系统，主要工作是加工数据的传输，加工轨迹的处理，各模块的驱动等，制软件包括处理图像数据的上位机软件和控制各模块运行的下位机软件，下位机控制软件中运动控制算法的设计也是雕刻机的重点，决定雕刻的精度。
激光雕刻机中一般还有一些辅助设备，如激光雕刻机工作时加工面、激光发射管都会产生大量热量，常用水泵提供冷却水来稳定激光发射管的温度等。
1.3激光雕刻机及其运控技术发展现状
1.3.1激光雕刻机发展现状
从上世纪八十年代产生第一台雕刻机开始，激光雕刻机主要经历了以下几个阶段的发展：
最初的激光雕刻机其实是把激光作为一直加工工具，用一个手动控制的开关控制激光器的开关状态，可以完成简单的文字复制、人像和曲线图像的绘制。
所以最原始的激光雕刻机就是一种简单的激光装置，成本也是非常低。
第二代激光雕刻机的产生是用来雕刻木质材料，制作木雕产品。
雕刻机用简单的单片机控制XY轴的运动使激光束在工作台上方运动扫描。
目标图像为黑白图片，控制时在图片亮处关闭激光，在图片暗处打开激光，从而雕刻出黑白图像。
第二代雕刻机容易操作、原理简单，但是加工方式单一，原图的色彩、大小等都不能改变。
第三代激光雕刻机出现了运动控制卡，将运动控制算法制成专用卡，与计算机结合使用的方式。
同时随着计算机运算能力的提高，处理图片的能力也增强，控制系统可以处理多种类型的图形，雕刻机也有多种加工方式选择，但是这种雕刻机无法实现脱机雕刻，还是有不便之处。
[3]
经过这几代雕刻机的发展，目前激光雕刻机在系统功能和性能上都有了很大的改善，能够满足工业生产多元化的需求，上位机软件也具有强大的图片处理能力。
激光雕刻机按照控制方式一般可以分为两种，第一种是单机式的雕刻机，即将计算机作为控制系统的，在个人计算机上完成图像处理、激光参数的控制和整个运动系统的控制等工作。
另一种为主从式控制方式，整个控制系统由上位机和下位机构成，上位机为个人计算机上的软件，完成图像数据处理并将数据传送至下位机，下位机则进行运动控制、系统电源电路控制、各驱动模块控制等工作。
目前运用较多的是主从式控制模式，上位机设计大同小异，但下位机控制系统的设计各不相同。
按照下位机控制芯片的不同，可将系统分为以下3类：
1、基于微处理器型控制系统，主要以8031、8096、stm32等芯片为控制部件，再加上存储部分、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低，但整个系统使用的元器件较多，硬软件配置灵活较差。
2、基于微型处理器设计的专用控制集成电路，如HP公司自己设计生产的HCPL1100控制器。
该方法可使用一块芯片完成数据处理、运控算法等多种功能，其硬软件的配置的灵活性也相对较高，但较复杂的控制算法在这种系统中可能难以实现，而且专用芯片设计生产成本都比较高。
3、基于DSP型，DSP也就是数字信号处理器在运动控制中的应用越来越多，主要是因为其高运算能力，可以完成交复杂的控制算法和功能，而且芯片集成度也高。
雕刻机在发展中始终追求这高速、高精度的目标。
利用高性能控制芯片，进行复杂的运动控制、高速多轴插补运算、误差补偿计算、动力学计算等，让雕刻机的控制精度更高，加工速度更快，运动更加平稳，保证系统的实用性和可靠性。
[6-7]
1.3.2运动控制技术的发展现状
数控运动控制一直以高速、高精度为目标发展。
利用处理器强大的计算能力进行运动的前瞻处理、实时多轴插补、速度控制、误差补偿等复杂运算，使运动控制更加准确、稳定性更高、速度更快。
数控中如何控制刀具按照目标曲线进行雕刻是关键问题，尤其是对于曲线的运动控制，要使雕刻路径和目标曲线完全一样是不可能做到的，所以通常将曲线分割为一小段一小段的直线或者曲线去拟合工件的轮廓，这就是插补原理。
实质就是对于有限的信息完成数据密化得过程，有限的信息可以是一条线段的起点和终点，一个圆弧的半径、圆弧角等，通过插补算法计算出这些起点和终点之间的一些点，然后用直线、圆弧、椭圆、抛物线等完成工件轮廓的拟合。
从早期插补算法的提出到现在，插补算法不断成熟，种类也变得很多。
目前在数控中运用比较多的有脉冲增量插补和数据采样两种。
脉冲增量插补的原理就是每个脉冲进行一次插补，每次插补只在一个方向产生增量，插补过程就是控制器不断向每个方向输出脉冲，这些脉冲转换为脉冲增量在每个坐标轴完成相应的位移。
由于步进电机也是通过脉冲序列进行控制，所以这种插补方法适用于用步进电机作为驱动装置的数控系统。
插补脉冲的数量决定了位移距离，脉冲频率决定了加工速度。
这种插补方法比较简单，完成速度也很快，所以很容易实现，适用于经济型的数控系统。
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统。
数据采集插补的过程通常分为两步，第一步为粗插补：
将目标曲线划分为若干直线，用这些直线去拟合曲线，而且这些直线都是等长的，长度和进给速度有关。
第二步就是精插补，是在第一步划分的若干线段上再进行细分，由于第一步划分的为直线，所以这一步属于直线的脉冲增量插补。
这种插补方法适用于交直流伺服电机为驱动装置的闭环数控系统。
以上就是目前常用的插补算法，很多企业将这些运动控制算法制成运动控制卡，控制器直接连接控制卡使用即可完成运动控制。
总体来时，控制卡功能强大，运算速度快，有常用直线、圆弧插补等控制算法，但主要用于大型数控设备，对于小型设备、私人用户就不太适用。
1.4论文安排及主要内容
本论文将激光加工技术、嵌入式控制技术、数控技术等进行了有效结合，设计了激光雕刻机硬件控制系统和运动控制的方法，开发出了一款桌面式小型激光雕刻机。
本论文内容安排如下：
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上，总结分析出激光加工的行业背景及激光雕刻机的现状，介绍目前激光雕刻机的一般组成及其运动控制算法设计，然后介绍了本论文的研究内容和意义。
第二章确定雕刻机的控制结构，分析系统的功能需求，规划整个系统软硬件的设计，完成雕刻机机械传动结构的设计。
第三章系统控制硬件平台的设计搭建，完成基于STM32的控制系统、通信模块、步进电机驱动模块、激光管功率控制电路等模块的详细设计。
第四章介绍整个软件系统的结构，包括下位机各控制模块的设计，关键控制算法的研究与设计和上位机具体功能介绍。
第五章系统的软件与硬件设计完成后，需要将系统整体搭建出来进行最后的调试工作，完成雕刻机的设计。
第六章总结与展望。
对本设计完成的各项工作做出总结，阐述设计过程中的重难点，提出目前没有完成的功能和可以进一步改进的地方。
第二章系统总体方案的研究与设计
2.1雕刻机的控制结构
目前，激光雕刻机控制方式一般可以分为两种，一种是单机式的控制方式，即将计算机作为控制系统的，在个人计算机上完成图像处理、激光参数的控制和整个运动系统的控制等工作。
另一种为主从式控制方式，整个控制系统由上位机和下位机构成，上位机为个人计算机上的软件，完成图像数据处理并将数据传送至下位机，下位机则进行运动控制、系统电源电路控制、各驱动模块控制等工作。
由于单机式控制系统的可靠性和完全性完全依赖于个人计算机，所以可靠性低，有一定维护难度，所以本次设计选用主从式控制结构。
总体控制结构图如图2-1所示。
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，在上位机通过图像处理软件把待加工的文字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件传输给下位机控制系统；下位机接收到的加工代码后进行解析、前瞻以及插补运算等处理，以生成控制电机运动的控制脉冲发送到XY轴，控制X、Y坐标轴的运动，自动完成雕刻加工。
2.2功能需求
根据激光雕刻机的控制系统原理和应用需求，控制系统的性能要求和主要功能如下：
（1）G代码的解析和预处理
G代码的解析和预处理是下位机控制系统接收到加工代码后的第一件工作，只有将数控代码G代码翻译解析后，才能有后面的运动控制。
其主要工作是解析上位机传送过来的G代码，G代码是数控指令，每个指令都代表一种运动控制算法，这部分输入的是加工代码，输出为经过解析、处理后的加工命令和数据。
（2）插补计算
用小段直线或圆弧来逼近图形的轮廓，然后根据每段曲线的起点、终点坐标及运动轨迹，以一定的计算方法进行数据密化，分解为各坐标轴上的增量，最后再转化为控制各坐标轴运动的命令。
（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光配合来完成的。
雕刻控制系统根据上面解析处理得到的运动控制命令并结合激光命令，控制各轴运动，完成雕刻加工。
（4）激光控制
激光的控制主要是在雕刻过程中根据目标图像在运动过程中控制激光的开关状态，本设计将激光的控制与运动控制结合在一起，通过PWM控制激光的功率。
（5）人机交互
本设计的人机交互部分包括操作端和显示端，通过键盘操作和LCD显示屏显示，可以让用户操作并且实时监测雕刻的进度，设计人性化的控制系统。
（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，尽可能降低整体成本，使雕刻机有较高的性价比。
2.3控制系统设计过程
控制系统的设计流程为：
首先对雕刻机一般控制系统进行了解，熟悉相关技术,然后进行雕刻机控制系统软硬件模块的划分,硬件电路原理图的设计和电路板的制作、控制软件的设计和程序编写,最后完成雕刻机整体的调试,找出设计中的问题并进行改进。
2.3.1控制系统的硬件设计规划
雕刻机控制系统的硬件电路设计一般包括：
首先控制芯片的选型，根据设计的需要，选择能够满足设计所有功能需求及运算的控制芯片；然后根据系统功能要求对控制芯片进行外围设备的配置,如键盘、显示器、驱动器等。
为了保证设计尽可能的合理,硬件系统设计需遵循以下原则：
（1）在各模块电路设计时，尽量参考相关典型的电路,并符合控制器的使用参数。
保证硬件系统的标准化和模块化。
（2）在设计扩展电路与配置的外围设备时尽量满足系统的功能需求，并在电路中尽量留出空余,如多引出多引脚等，方便以后的二次开发。
（3）在硬件设计时应尽量考虑软件设计，因为硬件结构与软件设计是相互配合工作的，有些功能在软件中能够实现就尽量在软件中设计，这样就能够是硬件电路相对简单，如控制激光的开关，可以在键盘上加开关按钮，但是在程序中直接实现会更方便。
但是有些功能用软件实现的话会占用较大内存和CPU时间，所以要注意权衡。
（4）在硬件电路设计中抗干扰设计是最重要也是必有的设计，如大功率的地线单独接，I/0口等关键链接地方的抗干扰、短路等，提高电路的可靠性。
（5）像设计中电机驱动、激光驱动等电路设计是需考虑驱动能力。
需设计合理的驱动电路驱动这些外设，尽量保证低功耗降低系统负载。
2.3.2控制系统的软件设计规划
当系统硬件电路设计完成后，软件部分就需要结合硬件电路的原理进行设计。
首先根据系统的功能需求将软件设计划分为几个模块，然后按照它们之间的联系设计出相应的软件结构，这样软件的设计就变得简单、清晰。
（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、键盘模块、数据传输模块、LCD显示模块等，然后再各模块根据需求详细设计程序。
（2）确定这些模块之间的联系，设计软件结构图和程序流程图，有利于主程序与各模块子程序的编写。
（3）同硬件设计一样，软件设计也需要抗干扰设计，同时在设计程序是尽量使用最优算法设计，这样可以简化程序。
各子程序设计尽量详细，这样可降低主程序的复杂度，主程序中调用各子程序即可，提高控制系统的可靠性。
2.4机械结构设计
2.4.1传动结构
目前数控设备最常用的机械结构是龙门铣床结构，该结构原理简单、使用方便，所以本设计雕刻机也使用该结构作为传动结构。
顶梁作为X轴带动激光头的运动，地梁作为Y轴带的工作台的运动，工件固定在工作台上。
这两个轴分别由两个电机带动控制。
传动器可选用传动带可传动杆，由于传动带使用寿命短、易形变，所以本设计选用金属推进杆。
这样随着X-Y轴的运动可控制激光在工件表面运动。
推进杆采用图2-2所示T8步进电机丝杆
型号：
T8-
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