本科畢業設計(論文) 本科生院制2016年6月中南大學I小型激光雕刻機的設計的設計。雕刻機用兩個42步進電機驅動XY兩軸的運動，激光部分采用小功率激光筆，軟件完成圖像轉G代碼處理和G代碼發送功能，下位機通過串口通信模塊接收G代碼關鍵詞：激光雕刻主從式G代碼解析插補算法步進電機中南大學IWiththedevelopmentoftechnology,thereisanewindustrygraduthelaserengravingandcarvedobjectswithoutdprocessingandlaserengravingtechnology.Thedesigncompletedthedesignofcontroldatafromacomputerserialport,themicrocontrollerpoperationtocontrolthemotormovement,Thesystematalowercostengravingmachine'sprocessingcharacteristiinlinewithmanufacturingequipmenKeywords:LaserengravingClient-servermodelG-codeparserInterp小型激光雕刻機的設計目錄 1 11.2項目背景 11.2.1激光加工概述 11.2.2激光雕刻及激光雕刻機 21.3激光雕刻機及其運控技術發展現狀 51.3.1激光雕刻機發展現狀 51.3.2運動控制技術的發展現狀 61.4論文安排及主要內容 7第2章系統總體方案的研究與設計 92.1雕刻機的控制結構 92.2功能需求 92.3控制系統設計過程 2.4機械結構設計 2.4.1傳動結構 2.4.2外形框架 2.4.3整體搭建 第3章系統硬件電路的研究與設計 3.1控制系統硬件電路總體結構設計 3.2控制芯片選擇 3.3系統電源電路設計 3.4電機及驅動系統設計 3.4.1步進電機的選擇 3.4.2電機驅動模塊 3.5激光及驅動系統設計 3.6LCD顯示模塊 3.7鍵盤模塊設計 3.8輔助系統設計 第4章系統軟件的研究與設計 4.1控制系統軟件的總體設計 4.1.1控制系統軟件開發環境 4.1.2控制系統軟件總流程 4.2初始化及對刀模式 4.3串口數據接收程序設計 4.4G代碼解析模塊 4.4.1G代碼簡介 4.4.2G代碼解析程序設計 4.5插補控制介紹 4.5.1逐點比較插補算法 4.5.2直線插補實現 4.5.3圓弧插補實現 4.6步進電機控制軟件設計 4.7鍵盤模塊軟件設計 364.8上位機軟件 4.8.1圖形轉G代碼 4.8.2G代碼發送 第5章系統整體測試 5.1系統參數 5.2激光雕刻機整機測試 5.2.1測試流程 5.2.2測試結果 第6章總結與展望 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)適應材料種類多。由于激光經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。一臺激光加工設備通常可以完成切(3)加工精度高。一束激光經過聚焦后能夠在(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到很高，目前，激光雕刻機的一般結構如圖1-1所示，主要包括激光發射系統(激光發射電源和激光管以及光學反射系統)、控制器、控制軟件(上位機和下位機)、機械框架和驅動單元以及輔助系統等模塊。口X向圖1-1激光雕刻機結構圖從上世紀八十年代產生第一臺雕刻機開始，激光雕最初的激光雕刻機其實是把激光作為一直加工工具第三代激光雕刻機出現了運動控制卡，將運動控制算法制第4頁共40頁為以下3類：上存儲部分、編碼器、通信電路及D/A轉換電路等。此系統的優點就是成本雕刻機在發展中始終追求這高速、高精度的目標。利用高性能更高，加工速度更快，運動更加平穩，保證系統的實用性和可靠性。[0數控運動控制一直以高速、高精度為目標發展。利用數控中如何控制刀具按照目標曲線進行雕刻是關鍵問題型的數控系統。但是精度只能達到中等精度(0.001mm),滿足不了精度要求極高的系本論文將激光加工技術、嵌入式控制技術、數控技術等第一章在開始設計之前對大量國內外相關資料調研的基礎第6頁共40頁第四章介紹整個軟件系統的結構，包括下位機各控制模塊第五章系統的軟件與硬件設計完成后，需要將系統整體搭第二章系統總體方案的研究與設計從式控制結構。總體控制結構圖如圖2-1所示。向成圖片圖2-1雕刻控制系統總體結構這樣，雕刻系統的工作流程為：首先，在上位機通過圖或圖像按要求進行處理，生成數控加工代碼即G代碼，然后通過數據傳輸接口將加工文(2)插補計算用小段直線或圓弧來逼近圖形的輪廓，然后根據每段(3)雕刻控制雕刻機的雕刻是通過X、Y兩個坐標軸運動和激(4)激光控制(5)人機交互(6)經濟性在保證激光雕刻機的速度、精度、性能穩定的前提下，盡可(2)在設計擴展電路與配置的外圍設備時盡量(4)在硬件電路設計中抗干擾設計是最重(1)按照功能需求將軟件模塊化，如設計中有G代碼解析模塊、電機控制模塊、鍵2.4機械結構設計 為Y軸帶的工作臺的運動，工件固定在工作臺推進桿采用圖2-2所示T8步進電機絲桿圖2-2推進桿實物圖雕刻機的外框架用于支撐整個傳動結構，所以各模塊的設計需第11頁共40頁2.4.3整體搭建按照上述外形框架的設計完成亞克力板的切割，然后按照機械傳動結構搭建組裝雕刻機，裝配完成如下圖2-4。圖2-4雕刻機整體裝配圖第12頁共40頁第三章系統硬件電路的研究與設計開發在對激光雕刻機相關技術熟悉了解以后，設計出激光雕刻機如圖3-1所示，主要由以下幾個部分組成：2、電源模塊：由于雕刻機硬件結構中含有多個驅動模塊第13頁共40頁中南大學顯示器鍵盤圖3-1控制系統的硬件結構采用ARMCortex-M內核，根據內核框架的不同STM32單片機分為很多系列，所以選10元人民幣左右，所以根據所需開發引腳和代碼容量選則了一款64引腳的增強型單片板主板圖如圖3-2所示。中南大學由主板實物圖可看出，開發板已將配置好很多接口，其中有些模塊是我們控制系統要用到的，所以直接使用即可，以后的設計中可省去這些模塊的設計。開發板(1)I/O引腳，開發板引出的PA與PB部分引腳，足夠開發使用。(2)JTAG,開發板JTAG口可直接進行數據傳輸與仿真調試。(3)SD卡電路，目前設計沒有SD卡功能，不過在后續的拓展設計中可能會有脫機工作模式，會用到SD卡電路。(4)USB轉串口接口，本開發板使用CH340芯片將USB轉為串口，所以計算機可直接通過該接口用USB進行串口數據傳輸，不需要串口工具。(5)顯示器接口，開發板中設計有顯示器接口，可直接將顯示器對應引腳接入3.3系統電源電路設計在雕刻機系統中，用電模塊有：單片機開發板、電機驅動模塊、激光筆、激光驅動電路及其他輔助設備。這些模塊和電路所需的電壓等級不同，有12V、5V、3.3V等，所以需設計一個符合這些電壓等級的電源電路。由于所需最大電壓為12V,所以本設計使用一個220VAC-12VD開關電源作為總電源。首先，單片機電壓和激光筆驅動電壓都是5V,而輸入電源為12V,所以需設計一個降壓穩壓電路，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為一款三端穩壓集成電路，三個引腳分別為輸入、輸出和第15頁共40頁然后電機的驅動電路所需電壓較大，且不同電機所需電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穩壓芯片圖3-4LM2596S降壓模塊入濾波電容，輸出