1、 毕业设计开题报告学 生 姓 名：学 号：系 部 ： 机械工程专 业 ： 机械设计制造及其自动化设 计 题 目： 基于单片机激光玻璃内雕机控制系统的设计指 导 教 师 :2014 年 3 月 1 日毕 业 设 计 开 题 报 告一研究目的及意义：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，其中固体激光器因其激光特性及造
2、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。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
3、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。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
4、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
5、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 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=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
6、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。我所设计的是五轴联动的激光玻璃内雕机
7、。其中二轴振镜扫描系统由 2 个振镜电机和 2 个反光镜片组成，采用逐行成像原理。振镜电机驱动器接收到交变电信号后，则镜片发生振动，使光线扫描成一条条直线。在扫描过程中，到达应该出激光位置时，则由控制器发出出光信号。两个镜片分别负责 x 方向和 Y 方向扫描，通过两个振镜电机的配合，激光束就能在 XY 平面上扫描出预定的轨迹曲线。三轴步进电机平移负责将工作台上的工件各部位移到激光器扫描范围内，它是由步进电机驱动器、步进电机、滚珠丝杠副、工作台、原点到位开关组成。步进驱动器接收脉冲方向信号后，驱动步进电机正反向旋转，采用柔性联轴器接口将滚珠丝杠副与电机旋转轴联结，带动工作台上下、左右、前后运动。
8、传动机构由 2 轴振镜电机加 3 轴步进电机构成 5 轴伺服系统，通过计算机和控制器协调 5 轴运动，实现激光器定点出光，保证工件加工质量。参考文献：【1】张旭涛，曾现峰主编.单片机原理与应用M.北京理工大学出版社，2009.8ISBN 978-7-5640-1002-7【2】李广弟,朱月秀,冷祖祁编著.单片机基础M北京航空航天大学出版社，2007.6 ISBN 978-7811007-837-4【3】鲍宏亚,李月华主编.MCS-51 系列单片机应用系统设计及实用技术M.中国宇航出版社，2005.9 ISBN 7-80144-977-0【4】陈光东.单片机微信计算机原理与接口技术M.华中理工大
9、学出版社，1999.4 ISBN 7-5609-1888-3【5】胡钢等.微机原理及应用M.北京：机械工业出版社，2005.1【6】康光华.电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2005【7】周荷琴等.微型计算机原理与接口技术M.中国科学技术大学出版社，2008【8】江卫华.激光内雕机中三维控制系统的设计J.武汉化工学院自动化系，湖北武汉 430074 【9】苏维均，刘赟喆，王群.激光内雕机的使用及相关问题的解决方案J.北京工商大学信息工程学院，北京 100037毕 业 设 计 开 题 报 告二本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：一、对激光玻璃进行控制系统的设计需要解决的问题包
10、括：1.硬件设计根据需要来选取所需要的硬件，T89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。在本次设计中，中央控制元件采用 MCS-51 系列单片机中
11、的 89C51。2 软件结构汇编语言（Assembly Language）是面向机器的程序设计语言。在汇编语言中，用助记符代替机器指令的操作码，用地址符号或标号代替指令或操作数的地址，如此就增强了程序的可读性并且降低了编写难度。像这样符号化的程序设计语言就是汇编语言，因此亦称为符号语言。使用汇编语言编写的程序，机器不能直接识别，还要由汇编程序或者叫汇编语言编译器转换成机器指令。汇编程序将符号化的操作代码组装成处理器可以识别的机器指令，这个组装的过程称为组合或者汇编。因此，有时候人们也把汇编语言称为组合语言。然后用汇编语言来编写程序。2、途径1.通过图书馆资源、网络资源查找有关资料和图册，在所查
12、找的资料的基础上进行分 析，设计总体的设计方案。2.根据所查找的相关资料以及老师的帮助下完成硬件系统的选择。3.学习使用 protues，然后用它绘制硬件连接图。4.利用所学习的汇编语言来编写程序。5.总结以上设计成果，用所查的资料进行课题背景、研究方法、设计原理、设计心得等文字阐述的撰写，编写毕业论文，完成毕业设计。进度安排：设计（论文）各阶段名称 起 止 日 期1 文献检索，撰写任务书，开题报告 1 月 4 日3 月 6 日2 开题答辩 3 月 7 日3 月 11 日3 制定设计方案，软件编程硬件仿真 3 月 12 日5 月 1 日4 撰写毕业设计论文 5 月 2 日6 月 10 日5 准备毕业答辩 6 月 11 日6 月 19 日
