1、本科毕业论文（20 届）基于单片机激光玻璃内雕机的控制系统设计所在学院专业班级 机械设计制造及其自动化学生姓名指导教师完成日期诚信声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期： 年 月 日基于单片机激光玻璃内雕机的控制系统设计摘要：对于频繁起停，以达到快速准确定位的激光玻璃内雕机，设计了一种能简单高速运行的数控装置。其核心是以单片机机和 DSP 组成控制系统，用振镜电机和步进电机有效结合，组成五轴联动伺服传动，满足运动轴高速高精等控制要求
2、。文章详述了激光玻璃内雕机的发展应用，以及五轴激光玻璃内雕机的系统的组成原理以及部分接口的实现。 提出了用单片机来控制其运动的可能，通过单片机编程，来最终模拟实现玻璃激光内雕机的五轴运动。关键词：五轴，单片机，AT89C51，振镜电机Based on Single-chip Computer in Laser Glass Engraving Machine Control System DesignAbstract：For frequent start-stop, in order to achieve rapid accurate positioning of the laser glass
3、 engraving machine, we design a can run simple high speed numerical control device. Its core is based on single chip microcomputer and DSP control system, using galvanometer combined with an efficient motor and stepping motor of five-axis linkage servo drive, meet axis high speed and high precision
4、motion control requirement. The article details the laser glass engraving machine in the development of the application, and within five axis laser glass engraving machine composition principle of the system and part of the implementation of the interface.Put forward the possibility of using single-
5、chip microcomputer to control its movement, through the microcontroller programming, to the final simulation for five-axis movements of glass in the laser engraving machine.Keywords: five axis, single chip microcomputer AT89C51, vibration motorI目 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 内雕机的发展过程及现
6、状 .11.3.1 内雕机的发展过程 .11.3.2 内雕机的现状 .41.3.3 激光内雕机的可发展性 .42 课题总体设计方案 .52.1 五轴联动的关键技术 .52.1.1 五轴联动的概述 .52.1.2 五轴联动的国外现状 .52.1.3 五轴联动的国内现状 .62.1.4 五轴联动的关键问题 .72.1.5 五轴联动关键技术的分析 .72.2 五轴激光玻璃内雕机的介绍 .92.2.1 概述 .92.2.2 激光内雕工作原理及系统组成 .92.2.3 激光振镜的平面扫描 .102.2.4 五轴激光玻璃内雕刻机的结构与特点 .123 硬件设计 .133.1 总体硬件电路图 .133.2
7、中央控制元件简介 .134 软件编程 .184.1 软件设计概述 .184.2 主程序设计流程图 .185 Proteus 简介 .215.1 仿真电路及仿真结果的部分截图 .21结论 .24II参考文献 .25致谢 .26附 录 .2711 前言1.1 选题背景和意义激光玻璃内雕技术是目前国际上最先进、最流行的玻璃内雕刻加工技术，它是将脉冲强激光在玻璃内部聚焦，产生微米级大小的汽化爆裂点，通过计算机控制爆裂点在玻璃体内的空间位置，构成绚丽多姿的立体图像，将玻璃等工件加工成惹人喜爱的工艺品。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、半导体激光器和液体激光器等几大类，其中固
8、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11。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，日本则在光电子技术方面占首
9、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。1.3 内雕机的发展过程及现状1.3.1 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、2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
10、晶工艺品加工行业来说，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
11、光相对要弱一些，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 x 和 y2 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10。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 3000Hz 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 F=
12、100mm 的聚焦镜，其工作范围约为 60mm。使用长焦距的聚焦镜能使雕刻范围有所增加，比如使用 F=160mm 的聚焦镜，工作范围是 110mm。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 100-110mm 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
13、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。3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1064nm 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，1064nm 的倍频光 532nm 在雕刻效果方面优于白光机，而且 532nm 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
14、器的优势越来越明显，具体体现如下：（1）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 ld 要 12 年才更换一次，所以使用方便。（2）灯泵机速度慢。普通的灯泵机能量低，频率只能达到 200hz 左右，理论最高速度 12000/min。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。（3）灯泵机体积大。由于灯泵机的光光转换效率为 1到 3，大部分能量都转化为热量，因此必须配备一个
15、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。灯泵机因为成本低，所以并没有完全被淘汰，仍然可以满足低端客户的需要。但是，随着生产力水平的提高，各种原材料的价格降低，半导体激光器的成本将呈下降趋势，并将最终取代灯泵机成为市场的主流。随着人们对美的追求和社会的需要，水晶玻璃内雕作品在色彩上变得更为丰富是必然的。利用水晶玻璃工艺品的内雕部分对光线具有较强的反射、折射作用,而空白部分对光线具有较好的通透性能的光学原理,由微控制电路按照三基色调色板原理,分别控制几种色彩的灯,在/内雕 0 图像上混色，变化出多种绚丽的色彩，从而使原
16、本白色的内雕图像呈现出五彩缤纷、光彩夺目的效果。在彩色内雕的技术研究上,上海光机所光子技术国际合作实验室有突出表现。有关专家在开拓激光诱导空间选择性三维微结构创新研究的基础上,采用脉冲激光诱导方法,按照设计要求在玻璃中成功地内雕出立体多色图案。伴随着行业的成熟和市场需求标准的提高,激光内雕技术必然由无色向彩色工艺发展。41.3.2 内雕机的现状现阶段应用在激光内雕行业的半导体激光器主要分 2 类：电光调 Q 激光器和声光调 Q 激光器，它们各有优缺点。对于水晶内雕而言，电光调 Q 方式由于脉宽窄，峰值功率高，每个脉冲都会达到水晶的爆炸点，因此一般的玻璃（钢化玻璃除外）都能打进去，但在高频条件下
17、电光调 Q 不够稳定，电光调 Q 频率一般不超过1000HZ。声光调 Q 由于峰值功率不高，水晶有杂质部分就可能因为峰值功率达不到爆炸点而漏点。而且，就算对于纯度非常高的水晶，激光器的出光功率也不可能是百分之百稳定，必然有波动，功率较低的时候也可能打不出点，但却能在高频下稳定工作，通常 3000HZ 以上的内雕机都是用声光调 Q 激光器。如何解决电光调 Q 在高频下不稳定的问题，或者如何解决声光调 Q 峰值功率不够高的问题，这都是将来工作的重点。1.3.3 激光内雕机的可发展性中国礼品市场目前虽然种类繁多，但是能达到永远收藏和独特个性的很少很少。激光水晶内雕设备提供的水晶内雕个性化立体人像定制
18、服务能将一张普通的平面照片转成 3D 立体人像，雕刻在透明的水晶体内，外部无任何损，这种表现方式填补了数码照片和艺术雕像的空白。这项技术，给平静的中国礼品和数码照片市场带来了新的发展机遇。52 课题总体设计方案2.1 五轴联动的关键技术2.1.1 五轴联动的概述五轴数控技术是在三轴的基础上增加了两个旋转轴。所以,在复杂曲面的高效、精密、自动化加工方面,五轴联动加工具有三轴加工所不能比拟的的优势。主要体现在以下几个方面：1).可以加工一般三轴数控机床所不能加工或很难一次装夹完成加工的连续、平滑的自由曲面。2).可以提高空间自由曲面的加工精度、质量和效率等。3).可以实现工件的一次装夹,集中工序进
19、行高精、高效和复合加工,从而保证了工件各个表面间的位置精度等。五轴联动数控机床是一种科技含量、精密度高,专门用于加工复杂曲面的机床，这种机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业有着举足轻重的影响力,是解决大型薄壁零件、整体叶轮、涡轮机叶片、精密光学零件与模具的关键设备,能极大地提高加工效率、生产能力和加工质量,缩短加工周期，降低加工成本。作为数控加工技术中难度最大、应用范围最广的技术，它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体,应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工。作为多轴数控技术中的一个类型,五轴联动数控技术已成为评价一个国家生产设备自动化水平的重
20、要标志。2.1.2 五轴联动的国外现状当前国外五轴联动数控机床以欧美、日本为代表,这些国家的五轴联动数控机床代表了当今五轴联动数控机床发展的最高水平。如: 德国海德汉公司(Heidenhain)的TNC530 数控系统,可控制 12 个轴,联动 5 个轴，具有 1024 段(可通过机床参数设置)预读功能,能预测方向的未来变化,来调整运动速度、加速度,使之符合编程表面要求。iTNC530 系统同时具有理想的程序段处理速度性能 ,能实现短的程序段处理时间(0.5ms);日本 FANUC 推出的 30i/31i/32i 系列数控系统,采用了高速 CPU，CNC 系统的内部总线高速化,采用了光纤电缆实现了高速的数据传输,从而使 CNC 的性能大幅度的提高。采用了纳米高精度插补、纳米平滑、智能轮廓控制等先进技术,具有多轴、
