机械电子工程毕业设计-玻璃激光内雕机控制系统的设计.docx

1、本科毕业论文（20 届）玻璃激光内雕机控制系统的设计所在学院专业班级 机械电子工程学生姓名指导教师完成日期诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日玻璃激光内雕机控制系统的设计摘要：激光内雕机是集激光技术、精密机械、电子技术、计算机等学科于一体的高技术设备。激光要能雕刻玻璃,其能量密度须大于使玻璃破坏的某一临界值,或称阈值。这样,通过适当聚焦,可以使激光的能量密度在进入玻璃及到达加工区之前低于玻璃的破坏阈值,而在希望加工的区域则超过这一临界值。激光在极的时间内产生脉冲,其能量能够在瞬间使水

2、晶受热破裂,从而产生极小的白点,在玻璃内部雕出预定的形状,而玻璃或水晶的其余部分则保持原样完好无损。本论文主要通过对玻璃激光内雕机的运动结构的分析，提出了用 plc 来控制其运动的可能，通过 plc 编程，来最终模拟实现玻璃激光内雕机的五轴联动。关键词：玻璃激光内雕机 ，plc ，五轴联动, 振镜电机Glass laser subsurface engraving machine control system designAbstract:Laser subsurface engraving machine is laser technology, precision machinery, e

3、lectronic technology, computer and other subjects in a bodys high technology and equipment. Laser to engrave glass, the glass damaged on its energy density must be greater than a certain critical value, or the threshold. The laser energy density and it somewhere in that point related to the size of

4、the light spot. The same laser beam, the smaller the spot where the energy density is larger. In this way, through proper focus, can make the laser energy density in before we reached into the glass and processing zone below the glass damage threshold, and in the hope the processing area is more tha

5、n the critical value. The laser pulse in a period of time, its energy can make crystal heat in an instant burst, resulting in a tiny white dot, inside the glass carved a predetermined shape, while the rest of the glass or crystal intact .This paper mainly through the glass in the laser engraving mac

6、hine movement structure analysis, proposed to use PLC to control the movement of the may, through the PLC programming, to the final simulation for five-axis movements of glass in the laser engraving machine.Keywords: glass laser subsurface engraving machine, PLC, five-axis linkage, vibration motorI目

7、 录1 前言 .11.1 选题背景和意义 .11.2 激光产业发展态势分析 .11.3.1 内雕机的发展过程 .11.3.2 内雕机的现状 .41.4 大幅画艺术玻璃内雕机 .41.5 内雕机的发展前景 .51.6 五轴联动雕刻机 .51.7 本课题的主要研究内容 .62 五轴联动的关键技术 .82.1 五轴联动的概述 .82.2 五轴联动的国外现状 .82.3 五轴联动的国内现状 .92.4 五轴联动的关键问题 .92.41 五轴联动关键技术的分析 .103 五轴联动玻璃激光内雕机 .133.1 概述 .133.2 玻璃激光内雕机工作原理与系统组成 .13II3.3 激光振镜的平面扫描 .1

8、43.4 五轴激光玻璃内雕刻机的结构与特点 .153.5 五轴联动玻璃激光内雕机的关键技术 .164 系统的硬件设计 .174.1 西门子 S7-200 PLC 的功能概述 .174.2 西门子 S7-200 PLC 的硬件结构 .174.3 西门子 S7-200 PLC 的特点 .184.4 西门子 S7-200 PLC 的工作原理 .185 系统的软件设计 .215.1 西门子 S7-200 PLC 的程序结构 .2152 西门子 S7-200 PLC 的编程语言 .215.3 主程序设计流程图 .226 S7-200PLC 的编译过程与模拟仿真部分截图结果 .246.1 S7-200PL

9、C 的编译过程 .246.2 系统模拟仿真的部分截图结果 .28总结 .31参考文献 .32致谢 .33附录 A I/O 分配表 .34附录 B 五轴联动 PLC 程序图 .3511 前言1.1 选题背景和意义从 20 世纪 60 年代第 1 台激光器诞生至今已逾 40 多年，激光器已经得到越来越广泛的应用，同时 更多的应用领域也对激光器的发展提出了更高的要求。激光器现已广泛应用于打标、切割、内雕、焊接、演示、测量、军工生产以及医疗等各个领域，不同领域对激光各参数的要求也不尽相同。随着社会的发展和工业需求的逐步提高，激光器也由当初的红宝石激光器、逐步发展为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和

10、液体激光器等几大类，其中固体激光器因其激光特性及造价成本等方面的优势，现已成为市场需求量最大，发展速度最快的激光器。1.2 激光产业发展态势分析世界激光产业的发展按区域可划分为美国、欧洲、日本及太平洋 地区。市场份额美国约占 55%，欧洲约占 22%，日本及太平洋地区约占 23%。500 瓦以下的中、小功率激光器是美国占优势，500 瓦以上用于材料加工的高功率激光器是德国占优势，而小功率的半导体激光器则是日本占优势，占世界市场的 70%以上。美国、日本、德国三个国家激光产业的发展代表了当今世界激光产业发展的趋势。 德国在激光材料加工设备方面占明显优势，美国在激光医疗及激光检测方面领先在前，日本

11、则在光电子技术方面占首位。这表明各个国家的发展都与他们自己的工业基础有关。美国之所以在光电子技术方面落后于日本，主要原因是美国的半导体工业落后于日本，因此，美国光电子工业发展协会提出要在光电子工业方面迎头赶上，使美国在光电子世界市场上占有较大的份额1。21.3.1 内雕机的发展过程随着社会的发展，人们的鉴赏水平有了很大的提高，水晶内雕工艺品不再是超出人们经济能力范围的奢侈品，在发达国家已走进寻常百姓家。这为激光器在内雕行业中的应用带来了强大的动力。目前，水晶内雕机已经完成了由白光机向绿光机、灯泵机向半导体泵浦机；工位机向振镜机的转变，内雕的效果越来越好，内雕机的工作效率也越来越高。对于水晶工艺

12、品加工行业来说，激光相对于其他加工方式有着先天的优势，它能够在不损伤工件表面的情况下，对内部的特定位置进行打点加工。把激光的焦点定在水晶内部，使焦点处的能量密度刚好达到水晶爆炸点（破坏阈值），而在水晶表面及内部其他部位由于光能没有达到水晶的破坏阈值将不会造成任何损伤，再结合计算机精确方位控制，就不难在水晶内部雕出特定的三维图案。这里所说的水晶并不是真正的水晶，而是人造水晶，其实也就是含有氧化铅的玻璃，这种玻璃透光性好、亮度高、从不同方向看都是均匀透明的。但这并不是说有色玻璃就不能内雕，有色玻璃由于里面含有一些有色元素而呈现出特定的颜色，由于这些元素的存在，其对光能的吸收可能会高一些，所以光相对

13、要弱一些，但一般来说在光强足够大的情况下能够雕刻。早期的工位机是将水晶粘在工作平台上，由和个方向的电机带动丝杠转动来使工作平台移动，轴的移动则由轴方向的电机控制。由于这种机械移动需要带上负载，因此速度不可能太快，致使工位机的雕刻速度一般都达不到理论最大值，远不能满足高速内雕的需要。然而，振镜则是通过控制光的方向，用类似于光扫描的方式来控制打点，因此速度非常快，几乎能在接近理论最大速度的情况下工作，其工作速度能够满足 3000以上的频率要求。各内雕机生产商已经开始在灯泵机上使用振镜，但振镜机并没有立刻取代工位机，因为聚焦镜补偿能力有限，造成其工作范围太小，使用100的聚焦镜，其工作范围约为 60

14、。使用长焦距的聚焦镜能使雕刻范围有所增加，比如使用160的聚焦镜，工作范围是110。但这又会带来其他问题：焦距太长，焦深也就长，雕出的点子就比较细长，图案在正面看没有大问题，但从侧面看，图案就显得很朦胧，不够清晰。目前3内雕机生产商为了获得更好的雕刻效果，一般多采用焦距在 100 110的聚焦镜。同时，为了克服振镜机工作范围 小的缺点，又派生出五维内雕技术。其实，所谓的五维就是用振镜结合工位机的特点，将图案分成若干块，每一块都用振镜来雕刻，完成一块后再通过电机移动到另一块。这样既能实现高速内雕，又能兼顾大幅面工作。但这样做存在拼接问题，目前的工作重点是如何才能使块与块之间拼接的非常好且看不出任

15、何的缝隙或者重叠。采用半导体激光器，可使振镜机的高速性能得到充分发挥2。最初工业用的内雕机是灯泵式白光机，内雕行业所谓的白光就是肉眼见不到的1064的红外光，这个波长的光能够用于内雕，但点子过于粗大使内雕的效果比较粗糙，因此图案的分辨率不高。后经研究发现，1064的倍频光 532在雕刻效果方面优于白光机，而且 532的绿光在可见光范围内易于调节，只是多一个倍频晶体而已。因此，在很短的时间内绿光机取代了白光机，进入了内雕加工工业。随着半导体激光器的发展和应用，灯泵机与半导体泵浦激光内雕机相比，半导体泵浦激光器的优势越来越明显，具体体现如下：（）灯泵机耗材多，调节麻烦。由于灯泵机的灯管需要经常清洗及更换，要通过一些旋钮来调节透镜的角度，因此经常会因为一些振动而导致激光器失调，需要经常性调节。而半导体激光器各部件一般在出厂时就已经固定好，而且要12 年才更换一次，所以使用方便。（）灯泵机速度慢。普通的灯泵机能量低，频率只能达到 200左右，理论最高速度 12000。要达到较高频率，只能增加灯功率，但会导致散热不足。而半导体激光器的光光转换效率高，能量高，频率能够达到几千赫兹。（）灯泵机体积大。由于灯泵机的光光转换效率为，大部分能量都转化为热量，因此必须配备一个较高功率的制冷系统，即风冷系统的功率太低，远不能满足制冷需求，这样就造成灯泵机必须有一个大功率的水冷箱，因此体积比较大。