本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 本科生院制2016年6月中南大學(xué)I小型激光雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)。雕刻機(jī)用兩個(gè)42步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)XY兩軸的運(yùn)動(dòng)，激光部分采用小功率激光筆，軟件完成圖像轉(zhuǎn)G代碼處理和G代碼發(fā)送功能，下位機(jī)通過串口通信模塊接收G代碼關(guān)鍵詞：激光雕刻主從式G代碼解析插補(bǔ)算法步進(jìn)電機(jī)中南大學(xué)IWiththedevelopmentoftechnology,thereisanewindustrygraduthelaserengravingandcarvedobjectswithoutdprocessingandlaserengravingtechnology.Thedesigncompletedthedesignofcontroldatafromacomputerserialport,themicrocontrollerpoperationtocontrolthemotormovement,Thesystematalowercostengravingmachine'sprocessingcharacteristiinlinewithmanufacturingequipmenKeywords:LaserengravingClient-servermodelG-codeparserInterp小型激光雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)目錄 1 11.2項(xiàng)目背景 11.2.1激光加工概述 11.2.2激光雕刻及激光雕刻機(jī) 21.3激光雕刻機(jī)及其運(yùn)控技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 51.3.1激光雕刻機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀 51.3.2運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 61.4論文安排及主要內(nèi)容 7第2章系統(tǒng)總體方案的研究與設(shè)計(jì) 92.1雕刻機(jī)的控制結(jié)構(gòu) 92.2功能需求 92.3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程 2.4機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.4.1傳動(dòng)結(jié)構(gòu) 2.4.2外形框架 2.4.3整體搭建 第3章系統(tǒng)硬件電路的研究與設(shè)計(jì) 3.1控制系統(tǒng)硬件電路總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.2控制芯片選擇 3.3系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì) 3.4電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.4.1步進(jìn)電機(jī)的選擇 3.4.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 3.5激光及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.6LCD顯示模塊 3.7鍵盤模塊設(shè)計(jì) 3.8輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第4章系統(tǒng)軟件的研究與設(shè)計(jì) 4.1控制系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì) 4.1.1控制系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境 4.1.2控制系統(tǒng)軟件總流程 4.2初始化及對(duì)刀模式 4.3串口數(shù)據(jù)接收程序設(shè)計(jì) 4.4G代碼解析模塊 4.4.1G代碼簡介 4.4.2G代碼解析程序設(shè)計(jì) 4.5插補(bǔ)控制介紹 4.5.1逐點(diǎn)比較插補(bǔ)算法 4.5.2直線插補(bǔ)實(shí)現(xiàn) 4.5.3圓弧插補(bǔ)實(shí)現(xiàn) 4.6步進(jìn)電機(jī)控制軟件設(shè)計(jì) 4.7鍵盤模塊軟件設(shè)計(jì) 364.8上位機(jī)軟件 4.8.1圖形轉(zhuǎn)G代碼 4.8.2G代碼發(fā)送 第5章系統(tǒng)整體測試 5.1系統(tǒng)參數(shù) 5.2激光雕刻機(jī)整機(jī)測試 5.2.1測試流程 5.2.2測試結(jié)果 第6章總結(jié)與展望 42 43 44第1頁共40頁激光加工有相干性高，單色性好，方向性好和高能量密度等(1)適應(yīng)材料種類多。由于激光經(jīng)過聚焦后具有很高的能量密度，該能量可加工第2頁共40頁(2)多功能。一臺(tái)激光加工設(shè)備通常可以完成切(3)加工精度高。一束激光經(jīng)過聚焦后能夠在(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達(dá)到很高，目前，激光雕刻機(jī)的一般結(jié)構(gòu)如圖1-1所示，主要包括激光發(fā)射系統(tǒng)(激光發(fā)射電源和激光管以及光學(xué)反射系統(tǒng))、控制器、控制軟件(上位機(jī)和下位機(jī))、機(jī)械框架和驅(qū)動(dòng)單元以及輔助系統(tǒng)等模塊?？赬向圖1-1激光雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)圖從上世紀(jì)八十年代產(chǎn)生第一臺(tái)雕刻機(jī)開始，激光雕最初的激光雕刻機(jī)其實(shí)是把激光作為一直加工工具第三代激光雕刻機(jī)出現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)控制卡，將運(yùn)動(dòng)控制算法制第4頁共40頁為以下3類：上存儲(chǔ)部分、編碼器、通信電路及D/A轉(zhuǎn)換電路等。此系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)就是成本雕刻機(jī)在發(fā)展中始終追求這高速、高精度的目標(biāo)。利用高性能更高，加工速度更快，運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)，保證系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性。[0數(shù)控運(yùn)動(dòng)控制一直以高速、高精度為目標(biāo)發(fā)展。利用數(shù)控中如何控制刀具按照目標(biāo)曲線進(jìn)行雕刻是關(guān)鍵問題型的數(shù)控系統(tǒng)。但是精度只能達(dá)到中等精度(0.001mm),滿足不了精度要求極高的系本論文將激光加工技術(shù)、嵌入式控制技術(shù)、數(shù)控技術(shù)等第一章在開始設(shè)計(jì)之前對(duì)大量國內(nèi)外相關(guān)資料調(diào)研的基礎(chǔ)第6頁共40頁第四章介紹整個(gè)軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，包括下位機(jī)各控制模塊第五章系統(tǒng)的軟件與硬件設(shè)計(jì)完成后，需要將系統(tǒng)整體搭第二章系統(tǒng)總體方案的研究與設(shè)計(jì)從式控制結(jié)構(gòu)?？傮w控制結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示。向成圖片圖2-1雕刻控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)這樣，雕刻系統(tǒng)的工作流程為：首先，在上位機(jī)通過圖或圖像按要求進(jìn)行處理，生成數(shù)控加工代碼即G代碼，然后通過數(shù)據(jù)傳輸接口將加工文(2)插補(bǔ)計(jì)算用小段直線或圓弧來逼近圖形的輪廓，然后根據(jù)每段(3)雕刻控制雕刻機(jī)的雕刻是通過X、Y兩個(gè)坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)和激(4)激光控制(5)人機(jī)交互(6)經(jīng)濟(jì)性在保證激光雕刻機(jī)的速度、精度、性能穩(wěn)定的前提下，盡可(2)在設(shè)計(jì)擴(kuò)展電路與配置的外圍設(shè)備時(shí)盡量(4)在硬件電路設(shè)計(jì)中抗干擾設(shè)計(jì)是最重(1)按照功能需求將軟件模塊化，如設(shè)計(jì)中有G代碼解析模塊、電機(jī)控制模塊、鍵2.4機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 為Y軸帶的工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，工件固定在工作臺(tái)推進(jìn)桿采用圖2-2所示T8步進(jìn)電機(jī)絲桿圖2-2推進(jìn)桿實(shí)物圖雕刻機(jī)的外框架用于支撐整個(gè)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，所以各模塊的設(shè)計(jì)需第11頁共40頁2.4.3整體搭建按照上述外形框架的設(shè)計(jì)完成亞克力板的切割，然后按照機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)搭建組裝雕刻機(jī)，裝配完成如下圖2-4。圖2-4雕刻機(jī)整體裝配圖第12頁共40頁第三章系統(tǒng)硬件電路的研究與設(shè)計(jì)開發(fā)在對(duì)激光雕刻機(jī)相關(guān)技術(shù)熟悉了解以后，設(shè)計(jì)出激光雕刻機(jī)如圖3-1所示，主要由以下幾個(gè)部分組成：2、電源模塊：由于雕刻機(jī)硬件結(jié)構(gòu)中含有多個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊第13頁共40頁中南大學(xué)顯示器鍵盤圖3-1控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)采用ARMCortex-M內(nèi)核，根據(jù)內(nèi)核框架的不同STM32單片機(jī)分為很多系列，所以選10元人民幣左右，所以根據(jù)所需開發(fā)引腳和代碼容量選則了一款64引腳的增強(qiáng)型單片板主板圖如圖3-2所示。中南大學(xué)由主板實(shí)物圖可看出，開發(fā)板已將配置好很多接口，其中有些模塊是我們控制系統(tǒng)要用到的，所以直接使用即可，以后的設(shè)計(jì)中可省去這些模塊的設(shè)計(jì)。開發(fā)板(1)I/O引腳，開發(fā)板引出的PA與PB部分引腳，足夠開發(fā)使用。(2)JTAG,開發(fā)板JTAG口可直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與仿真調(diào)試。(3)SD卡電路，目前設(shè)計(jì)沒有SD卡功能，不過在后續(xù)的拓展設(shè)計(jì)中可能會(huì)有脫機(jī)工作模式，會(huì)用到SD卡電路。(4)USB轉(zhuǎn)串口接口，本開發(fā)板使用CH340芯片將USB轉(zhuǎn)為串口，所以計(jì)算機(jī)可直接通過該接口用USB進(jìn)行串口數(shù)據(jù)傳輸，不需要串口工具。(5)顯示器接口，開發(fā)板中設(shè)計(jì)有顯示器接口，可直接將顯示器對(duì)應(yīng)引腳接入3.3系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)在雕刻機(jī)系統(tǒng)中，用電模塊有：單片機(jī)開發(fā)板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、激光筆、激光驅(qū)動(dòng)電路及其他輔助設(shè)備。這些模塊和電路所需的電壓等級(jí)不同，有12V、5V、3.3V等，所以需設(shè)計(jì)一個(gè)符合這些電壓等級(jí)的電源電路。由于所需最大電壓為12V,所以本設(shè)計(jì)使用一個(gè)220VAC-12VD開關(guān)電源作為總電源。首先，單片機(jī)電壓和激光筆驅(qū)動(dòng)電壓都是5V,而輸入電源為12V,所以需設(shè)計(jì)一個(gè)降壓穩(wěn)壓電路，將12V電壓降為5V。此處我們選用小型降壓電路中常使用的LM7805芯片如圖3-3所示，LM7805為一款三端穩(wěn)壓集成電路，三個(gè)引腳分別為輸入、輸出和第15頁共40頁然后電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路所需電壓較大，且不同電機(jī)所需電LM2596S模塊如圖3-4所示。該模塊是以LM2596S為核心芯片的BUCK電路，電路輸圖3-3LM7805穩(wěn)壓芯片圖3-4LM2596S降壓模塊入濾波電容，輸出