小型激光雕刻机的设计（毕业设计）

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： 专业班级：

信息科学与工程学院

本科生院制

2016年6月

小型激光雕刻机的设计

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

小型激光雕刻机的设计

Miniature laser engraving machine design

Abstract

With the development of technology, 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, 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 software 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 engraving function.

The system at a lower cost, higher precision and stability achieved a regular laser engraving machine’s 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：Laser engraving Client–servermodel G-code parser Interpolation

algorithm Stepping motor

II

小型激光雕刻机的设计

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 3.6 LCD显示模块 ............................................................................................ 21

III

小型激光雕刻机的设计

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 4.4 G代码解析模块 ......................................................................................... 27

4.4.1 G代码简介 ...................................................................................... 27 4.4.2 G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 4.8.2 G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

小型激光雕刻机的设计

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

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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，

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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]

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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、

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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

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图2-4 雕刻机整体装配图

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第三章 系统硬件电路的研究与设计开发

3.1控制系统硬件电路总体结构设计

在对激光雕刻机相关技术熟悉了解以后，设计出激光雕刻机控制系统的硬件结构图如图3-1所示，主要由以下几个部分组成：

1、控制器模块：本设计控制单元选用以STM32F103R为核心的开发，STM32F103R开发板包含了电源电路、复位电路、外部时钟电路、接口电路组成等，为了方便开发，引出多个I/O引脚，足够开发使用。

2、电源模块：由于雕刻机硬件结构中含有多个驱动模块和多个不同等级的用电模块，所以需根据各模块的额定参数设计相应的供电电路。

2、通信模块:通信模块负责上位机与下位机之间的G代码数据的传输，采用开发中常用的串口通信，方便数据的下载。

3、电机驱动模块：由于设计选用的电机额定电压及额定电流较高，开发板引脚电压无法驱动电机的正常工作，所以需设计相应的驱动电路，将电流放大以足够驱动电机。

4、激光控制模块：在本设计中使用的激光器额定电流小，设计合理的限流模块驱动激光笔工作，同时控制模块采用三极管控制通断的开关电路，并通过PWM控制激光笔的功率。

5、显示模块：根据功能需求，雕刻机需要人机显示界面，显示雕刻工作的实时进度，选用一块简单的LCD显示器实现该功能。

6、键盘模块：键盘是人机交互设备的操作端,操作人员通过键盘控制雕刻机的工作，根据功能需求设计相应的按键。

7、辅助系统：雕刻过程中还需一些辅助设备，如主控板的冷却，工作区的照明等。

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图3-1 控制系统的硬件结构

3.2控制芯片选择

在嵌入式项目开发中，开发人员会经常选用一些成型的元器件，如封装好的模块、配置好常用接口的开发板，使用这些资源能加快我们的项目开发进度，而且由于这些资源种类多，所以选择性较多，成本也不会很高。所以本设计也采用这种方法，选择一款符合本设计功能需求的开发板，加快开发进度。

根据系统的功能需求，对两款常用的控制芯片进行对比：MSC51单片机和STM32单片机。51系列单片机是一款最基础的单片机，是一些小型开发的首选，也是应用最广的一种。51系列单片机有低功耗、廉价、稳定的性能。STM32系列单片机是专为低成本、低功耗、高性能要求的嵌入式开发设计的单片机，也是目前比较流行的一款单片机，采用ARM Cortex-M内核，根据内核框架的不同STM32单片机分为很多系列，所以选择很多。最后考虑到本设计所需的内存、接口需求、处理速度等性能的需求，决定选用STM32系列单片机。

STM32系列单片机有基本型、增强型、互联型等多系列，价格差距不是很大，都在10元人民币左右，所以根据所需开发引脚和代码容量选则了一款64引脚的增强型单片机，控制芯片型号为STM32F103RCT6，开发板品牌为原子战舰STM32开发板，开发板主板图如图3-2所示。

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图3-2 STM32F103R开发板主板图

由主板实物图可看出，开发板已将配置好很多接口，其中有些模块是我们控制系统要用到的，所以直接使用即可，以后的设计中可省去这些模块的设计。开发板资源中可用到的有：

（1）I/O引脚，开发板引出的PA与PB部分引脚，足够开发使用。 （2）JTAG，开发板JTAG口可直接进行数据传输与仿真调试。

（3）SD卡电路，目前设计没有SD卡功能，不过在后续的拓展设计中可能会有脱机工作模式，会用到SD卡电路。

（4）USB转串口接口，本开发板使用CH340芯片将USB转为串口，所以计算机可直接通过该接口用USB进行串口数据传输，不需要串口工具。

（5）显示器接口，开发板中设计有显示器接口，可直接将显示器对应引脚接入

使用。

3.3系统电源电路设计

在雕刻机系统中，用电模块有：单片机开发板、电机驱动模块、激光笔、激光驱动电路及其他辅助设备。这些模块和电路所需的电压等级不同，有12V、5V、3.3V等，所以需设计一个符合这些电压等级的电源电路。由于所需最大电压为12V，所以本设计使用一个220VAC-12VD开关电源作为总电源。

首先，单片机电压和激光笔驱动电压都是5V，而输入电源为12V，所以需设计一个降压稳压电路，将12V电压降为5V。此处我们选用小型降压电路中常使用的LM7805芯片如图3-3所示，LM7805为一款三端稳压集成电路，三个引脚分别为输入、输出和

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接地端。使用时在输入输出端加入适当滤波电容即可。

然后电机的驱动电路所需电压较大，且不同电机所需电压不同，需根据设计调节电压。所以为了使设计适合多钟电机，本降压模块选择一款输出电压可调的降压稳压模块LM2596S模块如图3-4所示。该模块是以LM2596S为核心芯片的BUCK电路，电路输入电压范围为3.2V~46V，输出电压为1.25V~35V，符合系统需求。

图3-3 LM7805稳压芯片 图3-4 LM2596S降压模块

选好芯片以后整体电源电路设计如图3-5所示。12V电源输入，LM7805芯片两端接入滤波电容，输出便是5V电压，两个LM7805电路的输出L_5V和D_5V分别给单片机和激光供电。LM2696S模块只需将12V电源接到输入口，然后可通过调节模块上的可调电阻改变输出电压的大小。输出最高12V，满足多款电机。

图3-5 系统电源电路图

3.4电机及驱动系统设计 3.4.1步进电机的选择

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