激光雕刻機控制系統研究

趙長勝

(青島理工大學信息與控制工程學院 山東 青島 266033)

引言

激光雕刻技術是一種非接觸性精確加工技術，通過將激光能量束集中在工件被加工位置處進行能量轉化來進行熔化和汽化，從而實現工件的預加工效果。

激光加工技術是傳統雕刻技術的延伸，該技術將現代光電、機電技術一體化的綜合性的先進加工技術，其具備以下優勢：1)非接觸性加工，該加工方式無需使用傳統刀具進行切割，對機器牢固性要求較低。2)加工速度快，激光能量輸出具備瞬時性，可對點進行大深度的加工，較傳統刀具切割省時。3)加工材料廣泛，通過調整輸出功率非金屬與金屬都可進行切割。4)加工工件邊緣平滑完整，無機械切痕。6)加工精度高，光斑直徑較小，無需考慮加工誤差影響。

一、雕刻機的主要技術要求

激光雕刻機與傳統雕刻機相似之處在于同樣需要機架、傳動系統、控制系統、以及切割模塊，激光雕刻機的切割模塊是激光系統。

(一)激光發射器的要求

激光發射器是實現雕刻機的刀具，發射聚光束的激光，控制系統控制激光器電源的通斷和輸出功率的 調節，激光發射器發射出來的激光束傳輸到雕刻位置，實現雕刻。激光束發射的精度直接影響雕刻的精 度，激光發射器是安裝在工作臺上，工作臺的移動由橫軸的步進電機控制的，所以步進電機的控制直接影 響雕刻的精度。因此，激光發射系統的設計須滿足:在激光器輸出最大功率確定的情況下，選用光速度快 的激光管;在激光發射器調焦時，盡可能找到最小最亮的聚光點;結構設計合理，雕刻機工作時，縮短激光 的傳輸距離減少能量的損失[2]。

(二)步進進給系統控制的要求

步進進給系統由步進驅動單元、步進電機、傳動軸、同步帶等組成。數控系統發送一定量的脈沖給驅 動單元、驅動單元將定量的脈沖放大功率后送步進電機，電機帶動傳動軸、同步帶等控制激光頭在橫軸和 縱軸上的進給。步進電機轉角的大小控制雕刻精度，設計時須考慮幾個方面:在滿足工藝要求的情況下，選用小步距角的步進電機;控制系統直接影響步進電機控制的穩定性、可靠性;激光頭安裝在導軌，因此導 軌的直線度、剛度有一定的要求;對工作臺進行水平調節，工作臺的平面度要滿足設計的要求[3]。

(三)數控系統控制的要求

控制系統利用軟件將圖像自動生成控制程序控制機械部分、激光發射系統執行雕刻任務，根據圖形情 況，在電腦上完成處理，通過 USB 接口傳送到控制器中。在設計控制系統時要滿足幾個原則:對雕刻的對 象，須完成圖像的處理，才能保證雕刻任務的完成;要使效果更佳，要保持穩定性和可靠性。

二、激光雕刻機控制系統硬件結構

激光雕刻機的傳動系統中XY軸都使用的是同步帶步進電機，其具備傳動精度高、維護簡單、傳動效率高等特點。在工件加工中，非金屬工件的加工主要使用CO2氣體式激光器，金屬工件主要使用可燃氣體作為能量源進行光纖切割。

控制系統結構如圖1所示，控制系統中的單機結構是直接通過計算機的CPU下達指令控制整個機器系統，所有的指令和功能都通過個人計算機來實現。在圖1-1中，我們使用個人計算機通過分時處理的方式來負責工件加工圖處理、設定步進電機進給、以及激光電源輸出能量等，通過個人計算機指令進行完成工件加工的工作。

在激光雕刻機控制系統中通過卡上M變量映射到端口輸出寄存器中，進而控制輸出電壓，實現通過改變輸出電壓進而控制激光驅動電源的開關控制。當輸出電壓為0V時，激光控制器驅動電源關閉，輸出電壓為5V時，激光器驅動電源打開，激光器最大功率輸出，激光器電源通過FPGA主控制器進行數字信號控制開關和關閉。

圖1 控制系統結構

三、激光雕刻控制系統軟件

控制系統軟件部分分為上位機以及下位機兩部分。上位機包含對系統監測、進行參數設定、激光器數值設置、程序編輯下載以及回零等操作。上位機軟件利用VC6.0和Pcomm32動態鏈接庫函數編程實現。下位機主要包含系統初始化PLC程序、回零運動控制。在主從式的結構里，我們將計算機放置在上位機位置，下位機使用單片機控制，上位機為第一控制位置，上機位主要處理圖形以及相關加工數據的傳送和對下位機的命令傳送既控制。下位機只會接受來自上位機的指令，同樣下位機也只會向上位機進行反饋信息。下位機在獲取上位機的指令后會進一步的向步進電機、激光器、電源分別輸送相關指令。

驅動器主要分為運動結構驅動以及激光器驅動，該機型要求步進電機具有內置轉換的功能，在其工作運行時通過輸入固定的脈沖信號值就可以對電機進行精確運動控制，應盡量選擇操作簡單快捷型號。對于激光驅動模塊，要求其可以監測工作運行電流以及功率，承載能力較強，對于電流的可編程控制區間較大，因此驅動整體可運行良好穩定，不易出現偏差錯誤。

對于控制器以及PC端的數據連接傳輸，為此提出通過數據端口以及USB方式進行串行通信連接，對于通信模塊要求具備全雙口異步通信方式，內部結構里擁有全套與USB信號轉接的配件，因此不需要額外的外部電路便可以完成信號轉換傳輸。在雙向信號轉換通信中，不但可以接收來自PC端的數據信號，并將此信號傳輸給外部器件，并且可以完成信號回傳PC端。