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我的论文

题目：

激光雕刻机的相关研究

学院：

机械与汽车工程学院

专业：

机械工程及自动化

年级：

2012级

姓名：

陈志华

学号：

201230010108

成绩：

2013年5月

目录

第一章绪论

1.1激光雕刻机的基本概念及发展背景

1.2论文主要内容及结构的安排

第二章激光雕刻机的基本组成及工作原理

2.1激光雕刻机的基本组成部件

2.2激光雕刻机的相关概述

2.3激光雕刻机的工作原理

第三章激光雕刻机的种类

3.1计算机数控系统控制的激光雕刻机

3.1.1现阶段国内外数控系统的种类

3.1.2数控系统的主要组成部分及功能

3.2基于嵌入式系统的激光雕刻机

3.2.1嵌入式激光雕刻系统的总体结构

3.2.2嵌入式激光雕刻机的主要组成及功能

第四章控制系统的测试

参考文献

第一章绪论

1.1激光雕刻机的基本概念及发展背景

激光雕刻是激光加工领域的一个重要分支，它是综合了光、机、电技术，利用激光束照射材料表面，材料吸收光束能量导致汽化，形成刻点，随着激光束相对工件的移动，从而在工件上进行雕刻的方法。

近年来随着计算机图像处理、计算机图形学等在激光加工领域的交叉渗透，而且由于其具有加工对象广、变形小、精度高、雕刻速度快、操作方便、节省能源、公害小、远距离加工、自动化加工等显著优点，对提高产品质量和劳动生产率、实现加工过程自动化、消除污染、减少材料消耗等的作用愈来愈重要。

因而，在当今国内外有很多研究机构正在进行这方面的研究工作。

从八十年代中期诞生二氧化碳激光雕刻机以来，激光雕刻机经历了不断的发展的过程，第一代二氧化碳激光雕刻机是用激光作为光笔，用脚踏开关控制光笔工作，可以用来复制曲线图像和人像，是一种简单的原始的二氧化碳激光雕刻机，成本低廉，操作有人为因素，控制精度不高。

第二代二氧化碳激光雕刻机是用单板机控制光斑在XY平台上逐行扫描，在原稿亮处激光器关闭，原稿暗处激光器打开，从而加工出黑白图形。

到目前为止，已经发展到了第三代。

第三代二氧化碳激光雕刻机分为两大分支，一种是计算机控制的二氧化碳激光雕刻机如图所示，另一种是基于嵌入式控制的二氧化碳激光雕刻机。

其中电机的选择主要是直流伺服和步进电机两种，前者定位精度高，是现在及今后的发展趋势。

1.2论文的主要内容及结构的安排

这篇论文主要介绍了两种类型的激光雕刻机的工作原理、电气控制、电机驱动及设备检测。

结构按内容划分总分结构。

第二章激光雕刻机的基本组成及工作原理

2.1激光雕刻机的基本组成部件

包括激光器和其输出光路上的气体喷头，气体喷头的一端为窗口、另一端为与激光器、光路同轴的喷口，气体喷头的侧面连接有气管，特别是气管与空气或氧气源相连接，空气或氧气源的压力为0．1～0．3MPa，所说喷口）的内壁为圆

、

图2-1第三代激光雕刻机

柱状，其直径为1．2～3mm、长度为1～8mm；的氧气源中的氧气占其总体积的60％，所述的激光器和气体喷头间的光路上置有反射镜，它能提高雕刻的效率，使被雕刻处的表面光滑、圆润，迅速地降低被雕刻的非金属材料的温度，减少被雕刻物的形变和内应力；可广泛地用于对各种非金属材料进行精细雕刻的领域。

2.2激光雕刻机的相关概述

点阵雕刻点阵雕刻酷似高清晰度的点阵打印。

激光头左右摆动，每次雕刻出一条由一系列点组成的一条线，然后激光头同时上下移动雕刻出多条线，最后构成整版的图象或文字。

扫描的图形，文字及矢量化图文都可使用点阵雕刻。

矢量切割与点阵雕刻不同，矢量切割是在图文的外轮廓线上进行。

我们通常使用此模式在木材、亚克粒、纸张等材料上进行穿透切割，也可在多种材料表面进行打标操作。

雕刻速度：

雕刻速度指的是激光头移动的速度，通常用IPS（英寸/秒）表示，高速度带来高的生产效率。

速度也用于控制切割的深度，对于特定的激光强度，速度越慢，切割或雕刻的深度就越大。

您可利用雕刻机面板调节速度，也可利用计算机的打印驱动程序来调节。

在1%到100%的范围内，调整幅度是1%。

悍马机先进的运动控制系统可以使您在高速雕刻时，仍然得到超精细的雕刻质量。

雕刻强度：

雕刻强度指射到于材料表面激光的强度。

对于特定的雕刻速度，强度越大，切割或雕刻的深度就越大。

您可利用雕刻机面板调节强度，也可利用计算机的打印驱动程序来调节。

在1%到100%的范围内，调整幅度是1%。

强度越大，相当于速度也越大。

切割的深度也越深。

光斑大小：

激光束光斑大小可利用不同焦距的透镜进行调节。

小光斑的透镜用于高分辨率的雕刻。

大光斑的透镜用于较低分辨率的雕刻，但对于矢量切割，它是最佳的选择。

新设备的标准配置是2.0英寸的透镜。

其光斑大小处于中间，适用于各种场合。

可雕刻材料：

木制品、有机玻璃、金属板、玻璃、石材、水晶、可丽耐、纸张、双色板、氧化铝、皮革、树脂、喷塑金属。

2.3激光雕刻机的工作原理

在激光雕刻切割机上待加工的图形主要有两种格式：

位图和矢量图。

这两种图形格式特点不一致，加工方法也不同，所以，可以对矢量图形和位图分别定义加工数据格式。

这样，上下位机便遵循统一的数据格式，在PC端软件设定加工参数后，即可通过RJ45接口（TCP/IP）或者其他通信口传输至DSP的数控系统。

基于DSP的激光雕刻切割数控系统使用DSP控制CO2激光器和步进电机实现对非金属材料按照预先设计的图案进行切割、雕刻等加工处理。

在PC中上位端软件功能即读取常用的DXF、PLT、BMP等格式的图形、图像文件，根据图形和加工材料的不同设定不同的加工参数。

再把设定好参数的加工数据通过TCP网络或者其他通信接口发送到控制板的DSP中，由DSP进行进一步的解析并处理生成最终的加工数据，驱动步进电机并控制CO2激光器进行加工。

第三章激光雕刻机的种类

3.1计算机数控系统控制的激光雕刻机

3.1.1现阶段国内外数控系统的种类

目前现有的激光雕刻切割机性能的好坏都集中体现在数控系统的性能上，国内外现有的数控系统有以下几种：

1）PC+高速运动控制卡:

此方式采用通用PC机来完成系统实时性要求不高的任务;而插补计算、速度控制、位置控制等实时控制要求高的任务由高速运动卡完成。

但系统中的底层功能模块必须自行开发，工作量大、开发周期长。

另外，高速工控运动板卡价格昂贵，且不能脱机运行，从而影响系统的整体性价比。

2）单片机等MCU+高速运动控制芯片:

该方案利用单片机控制高速控制芯片完成插补、加减速等高速处理，但单片机等无法完成复杂的运算，现有运动控制芯片不能满足激光雕刻时运动定位和激光能量动态补偿控制，对实现高速加工条件下的高精度要求则更不能满足，此外，高速运动控制芯片价格过于昂贵，所以尚不易推广。

3）采用DSP+CPLD/FPGA构成:

随微电子技术的进步，芯片的制造成本大大降低，而功能却大大增强，32位的嵌入式微处理器和高速数字信号处理（DSP）逐渐成为嵌入式工控系统设计的主流。

由于DSP的高速数据处理能力，因而在激光雕刻机的数控系统中可以充分借助DSP的强大运算能力，把复杂的算法放到控制系统上完成，便于控制算法的优化和提高，使系统的功能和性能得到很大提高。

3.1.2数控系统的主要组成部分及功能

图3-1数控激光雕刻机系统总体框图

在整个控制系统中，DSP主控板是数控系统的核心，主控板用来完成了数控系统中的插补运算、步进电机输出脉冲的分配，发挥DSP高速计算性能，解决雕刻切割机运动控制过程中的高速信息问题。

另外，DSP主控板还需对其它外部设备进行控制，如机床各轴的限位信号、风机和冷却水位等模拟信号，并根据不同的外部信号完成相应的控制操作。

人机界面是机床和操作人员的一个纽带，主要完成操作按键的扫描和加工状态及参数的显示。

本系统中PC机主要用于完成图形加工数据的读取并设定相应参数，最终下载到DSP数控板中进行进一步加工处理。

在PC端的控制软件中，主要任务是把PLT、DXF等格式转换成系统自有的数据格式，并对图元进行复制、移动、缩放等编辑操作，设置雕刻区及其他的加工参数，形成初步的加工数据经TCP/UDP方式传输至DSP控制板进行进一步处理。

3.2基于嵌入式系统的激光雕刻机

3.2.1嵌入式激光雕刻系统的总体结构

ARM将照相机或扫描仪采集的图像经过开发的图像处理软件进行处理，由ARM控制系统根据图像处理所得数据对光束扫描机构（机械传动系统）进行控制，带动激光头做平面往复运动，CO2

激光器提供激光能量，经CO2传能光纤传输至激光头，实现二维平面的雕刻切割。

嵌入式雕刻机体结构如图2-1所示。

3.2.2嵌入式激光雕刻机的主要组成及功能

图3-2嵌入式总体结构图3-3部分细节结构

步进电机是连接机械结构和控制系统的重要部分，决定着系统的雕刻精度，是系统的重要组成部分。

在选择步进电机型号时，最重要的就是要根据系统性能的要求来选定电机转矩。

对于激光雕刻系统，需要选择合适的电机转矩来满足机械运动的要求[47]。

步进电机的转矩比较复杂，不能简单地用一个指标或一线性方程给出。

而且国内外表示步进转矩及其特征的术语也比较混乱，给用户带来一定的困难。

在绝大多数的应用中，仅仅根据负载转矩的大小，选一个相近标称转矩（最大转矩）的步进电机是不够的。

因为步进电机输出转矩不仅取决于最大静转矩，而且与矩角特性、矩频特性及驱动电源关系极大

对于激光雕刻系统，由于是水平平面运动，当静止时，激光头不会受到水平力的干扰，但是为了保证激光雕刻精度，防止意外事故对激光头位置的影响，系统需要一定的定位转矩。

由于混合式步进电机在通电时，都会有一定的定位转矩，而静止时激光头所受的力不会很大，所以不必刻意选择定位转矩

第四章控制系统的测试

系统的测试是一个复杂的过程，需要花费大量的时间不断对相应软硬件（主要是软件）进行测试，最终才能实现所需要的功能。

在进行硬件调试时，需要用到一系列的软硬件平台，主要包括：

（1）万用表、电烙铁、热风枪等基本工具；

（2）TDS210数字示波器；

（3）个人计算机（PC）；

（4）ICETEKUSB2.0DSP仿真器；

（5）CPLD/FPGA程序下载电缆。

（6）电路设计仿真软件:

ProtelDxp、CadenceAllegro、Hyperlynx等；

（7）DSP开发软件：

CCS2.0；

（8）CPLD/FPGA开发软件：

QuartusII/Synplify/Modelsim

图4-1软件测试平台

参考文献：

（1）黄勤兵，新型多功能光纤激光雕刻机的设计[燕山大学硕士论文]2010.4-8

（2）徐晓明，基于嵌入式微处理器的激光雕刻机系统研究与开发[天津理工大学硕士论文]2006.6-7，30-31

（3）李惠，李铸和，张有，激光雕刻的微机控制系统.激光与红外，1997，27（6）:

337-339

（4）郑万波，李喜增，夏亮，实时图像激光雕刻的微机控制.长春邮电学院，1998,16

（2）,29-31

（5）邱明新，下一代二氧化碳激光雕刻机的探讨[J].光学精密工程，1996,4

（1）:

22-24

（6）李俊，步进电机的运动控制系统及其应用[J],微特电机，2000，22-30

（7）王田苗，嵌入式设计与实例开发[M],北京：

清华大学出版社，2003，127-130

（8）夏良正，数字图像处理[M]，南京：

东南大学出版社，2001，200-210

出师表

两汉：

诸葛亮

　　先帝创业未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此诚危急存亡之秋也。

然侍卫之臣不懈于内，忠志之士忘身于外者，盖追先帝之殊遇，欲报之于陛下也。

诚宜开张圣听，以光先帝遗德，恢弘志士之气，不宜妄自菲薄，引喻失义，以塞忠谏之路也。

　　宫中府中，俱为一体；陟罚臧否，不宜异同。

若有作奸犯科及为忠善者，宜付有司论其刑赏，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使内外异法也。

　　侍中、侍郎郭攸之、费祎、董允等，此皆良实，志虑忠纯，是以先帝简拔以遗陛下：

愚以为宫中之事，事无大小，悉以咨之，然后施行，必能裨补阙漏，有所广益。

　　将军向宠，性行淑均，晓畅军事，试用于昔日，先帝称之曰“能”，是以众议举宠为督：

愚以为营中之事，悉以咨之，必能使行阵和睦，优劣得所。

　　亲贤臣，远小人，此先汉所以兴隆也；亲小人，远贤臣，此后汉所以倾颓也。

先帝在时，每与臣论此事，未尝不叹息痛恨于桓、灵也。

侍中、尚书、长史、参军，此悉贞良死节之臣，愿陛下亲之、信之，则汉室之隆，可计日而待也

。

　　臣本布衣，躬耕于南阳，苟全性命于乱世，不求闻达于诸侯。

先帝不以臣卑鄙，猥自枉屈，三顾臣于草庐之中，咨臣以当世之事，由是感激，遂许先帝以驱驰。

后值倾覆，受任于败军之际，奉命于危难之间，尔来二十有一年矣。

　　先帝知臣谨慎，故临崩寄臣以大事也。

受命以来，夙夜忧叹，恐托付不效，以伤先帝之明；故五月渡泸，深入不毛。

今南方已定，兵甲已足，当奖率三军，北定中原，庶竭驽钝，攘除奸凶，兴复汉室，还于旧都。

此臣所以报先帝而忠陛下之职分也。

至于斟酌损益，进尽忠言，则攸之、祎、允之任也。

　　愿陛下托臣以讨贼兴复之效，不效，则治臣之罪，以告先帝之灵。

若无兴德之言，则责攸之、祎、允等之慢，以彰其咎；陛下亦宜自谋，以咨诹善道，察纳雅言，深追先帝遗诏。

臣不胜受恩感激。

　　今当远离，临表涕零，不知所言。