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1、本科毕业设计(论文)GRADUATION DESIGN(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：本科生院制2016年6月14 / 20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
2、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Miniature laser engraving machine design AbstractWith the development of technolog
3、y, there is a new industry gradually developed, on many occasions the processing technology is to use it, that is laser engraving technology.In laser engraving technology, completed in the form of CNC laser engraving or cutting, because the laser engraving and carved objects without direct contact,
4、so it has high efficiency, suitable for a variety of materials.This design of small laser engraving based on a detailed investigation of the current laser processing and laser engraving technology.The design completed the design of control system framework of the overall design, hardware and softwar
5、e algorithms design .The design based on STM32 micro control chip,using a low-power laser head.The control system can receive data from a computer serial port, the microcontroller parsing G-code and run the interpolation operation to control the motor movement, achieved an online, offline laser engr
6、aving function. The system at a lower cost, higher precision and stability achieved a regular laser engraving machines processing characteristics. Engraving machine is small and easy to use,is in line with manufacturing equipment miniaturization trend, have good prospects for development.Key words：L
7、aser engraving Clientservermodel G-code parser Interpolation algorithm Stepping motor目录第1章 绪论.11.1 前言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10 2.4 机械结构设计112.4.1 传动结构112.4.2 外形框架122
8、.4.3 整体搭建12第3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 电机及驱动系统设计183.4.1 步进电机的选择183.4.2 电机驱动模块193.5 激光及驱动系统设计203.6 LCD显示模块213.7 键盘模块设计223.8 辅助系统设计23第4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 控制系统软件总流程244.2 初始化及对刀模式254.3 串口数据接收程序设计264.4 G代码解析模块274.4.1 G代码简介274.4
9、.2 G代码解析程序设计284.5 插补控制介绍304.5.1 逐点比较插补算法304.5.2 直线插补实现324.5.3 圆弧插补实现334.6 步进电机控制软件设计354.7 键盘模块软件设计364.8 上位机软件374.8.1 图形转G代码374.8.2 G代码发送38第5章 系统整体测试.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6章 总结与展望.42致谢43参考文献44第1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
10、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
11、刷、工艺、广告等领域广泛应用。1-21.2 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）
12、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
13、，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
14、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
15、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
