1. 研究目的与意义
激光雕刻机是近年来发展起来的一种利用激光作为“刀具”的一种加工设备。它是一种很典型的机、电、光一体化产品，它的特点是具有加工效率高、精度好，是激光加工领域中最成熟，应用最广泛的技术。可分别实现点阵雕刻、矢量加工、位图方式以及影像图和斜坡等多种加工方式。对橡胶板、有机板、塑料板、亚克力板、皮革、织物等非金属材料均能实现加工，已广泛地应用于印刷、模型制造、广告牌制作以及服装等行业。激光雕刻机在我国近几年发展迅速。
激光雕刻机的数控系统是激光雕刻机的控制核心，其控制功能的强弱、控制性能的优劣直接关系着数控雕刻机的加工质量与加工效率，对整个雕刻机的性价比和市场竞争力都至关重要。但目前国产雕刻机使用的数控系统在性能和价格上不能很好地统一，成为影响国产数控雕刻机市场竞争力的制约因素之一。为此，研究开发具有良好性价比的雕刻机数控系统很有意义。
使用单片机作为激光雕刻机的控制单元，系统结构简单、成本低、灵活性大并且有利于实现设备的小型化，功能会有所简化，但是可以脱离类似于数控系统之类庞大的控制装置，是小型化、经济型加工设备的首选。目前的激光雕刻机控制部分大都由一般数控机床改造而来，或者是使用国外的开源项目如Grbl、Mach3的方案，但未能掌握其核心技术。
2. 研究内容与预期目标
本题目要求设计一超小型的桌面式激光雕刻机，控制部分采用单片机或其它嵌入式控制器实现。设计内容包括基本机械部分设计、硬件控制系统设计及控制软件的编制。激光雕刻机一般由以下几部分构成：激光系统(包括激光电源和激光管以及光学反射系统)、控制系统、雕刻软件、工作台和驱动单元以及辅助系统等。
本设计采用开环的步进电机给进控制方案，由程序实现工作台量程的限制，具备LCD加工信息显示，运行状态指示灯指示，手工对刀等功能。针对不同材料实现不同激光功率的输出可调。通过串口实现加工数据的传输，并具有简单的脱机运行功能。3. 研究方法与步骤
| 本设计采用开环的步进电机给进控制方案，由程序实现工作台量程的限制，具备LCD加工信息显示，运行状态指示灯指示，手工对刀等功能。针对不同材料实现不同激光功率的输出可调。通过串口实现加工数据的传输，并具有简单的脱机运行功能。 根据系统的预期功能，系统主要由三部分的设计构成：机械结构、硬件电路、软件编程的设计。 设计步骤：1.机械结构的设计 课题所设计的微型激光雕刻机需要能够实现二维平面定位功能的机械结构，目前可参考的有如同摇臂转床式的极坐标定位方式的结构，立式数控铣床笛卡尔坐标形式的电机带丝杆的结构。本设计采用两相互垂直的运动轴，一个带动载物平台，一个带动激光头，实现XY平面的定位加工。 2. 硬件控制的方案 本设计初步选用了STM32F103系列的单片机，时钟频率可达72MHZ，这是一款32位的Cortex-M3架构的MCU，性能远优于MCS-51单片机。 小型步进电机的单片机控制方案常用有两种：直接控制法和驱动器控制法。直接控制法是通过单片机IO引脚直接模拟步进电机运行所需要的相序，并通过串接电流放大器实现对步进电机的控制。驱动器控制法是通过专用的芯片，由单片机向驱动器输出步进电机运转方向及脉冲，由驱动器产生相应的相序实现间接控制。直接控制法会占用较大的程序空间以及IO资源，所以本设计使用步进电机驱动芯片进行运动控制。 激光头的控制常用有继电器控制、MOSFET管控制、电流放大芯片控制等，考虑到本次使用的激光头功率较小，采用三极管开关电路的低成本方案进行了初步规划。 3. 软件编程的实现 单片机程序的编写使用Keil MDK集成开发环境，使用ST官方固件库，直接调用库函数进行程序编制对于一款寄存器数量庞大的MCU来说是较好的选择。 软件编程开发环境以及选用的编程语言只是一个工具，关键是控制思路、编程思想的规划。
|
4. 参考文献
| [1]梁磊,张宁.激光技术应用综述[J] .河南科技,2019. [2]孙征.激光雕刻机控制系统设计[D].唐山:华北理工大 学,2018. [3]梁丰,刘俊英运动控制技术的发展及基于DSP的运动控制 器的应用[J].机械制造与自动化,2007(2). |
| [4]宋昌胜.基于TRIZ的新型激光雕刻机创新设计研究[D].济 南:山东建筑大学,2018. [5]卜梓令,杨如涵，彭悦.基于Arduino的六自由度机械臂无线 控制系统设计[J] .信息与电脑(理论版) ,2017( 7) . [6]梁烽杨,汪地.Marlin固件中Bresenham算法的优化研究及 应用[J].计量与测试技术,2017 [7]曲荣海,秦川电动汽车及其驱动电机发展现状与展望[J]. 南方电网技术,2016 [8]杨晓礼.激光雕刻机的结构及控制系统的研究[D].长春:长 春理工大学,2018. [9]孙小飞基于STM32单片机的激光雕刻机控制系统的研究 与设计[D].淄博:山东理工大学,2020. |
5. 工作计划
1、 3月2日-3月6日：查阅资料,对小型激光雕刻机有初步认识
2、 3月7日-3月10日：查阅资料，翻译、阅读英文资料；
3、 3月11日-3月18日：设计小型激光雕刻机结构;
