激光雕刻机控制系统研究

赵长胜

(青岛理工大学信息与控制工程学院 山东 青岛 266033)

引言

激光雕刻技术是一种非接触性精确加工技术，通过将激光能量束集中在工件被加工位置处进行能量转化来进行熔化和汽化，从而实现工件的预加工效果。

激光加工技术是传统雕刻技术的延伸，该技术将现代光电、机电技术一体化的综合性的先进加工技术，其具备以下优势：1)非接触性加工，该加工方式无需使用传统刀具进行切割，对机器牢固性要求较低。2)加工速度快，激光能量输出具备瞬时性，可对点进行大深度的加工，较传统刀具切割省时。3)加工材料广泛，通过调整输出功率非金属与金属都可进行切割。4)加工工件边缘平滑完整，无机械切痕。6)加工精度高，光斑直径较小，无需考虑加工误差影响。

一、雕刻机的主要技术要求

激光雕刻机与传统雕刻机相似之处在于同样需要机架、传动系统、控制系统、以及切割模块，激光雕刻机的切割模块是激光系统。

(一)激光发射器的要求

激光发射器是实现雕刻机的刀具，发射聚光束的激光，控制系统控制激光器电源的通断和输出功率的 调节，激光发射器发射出来的激光束传输到雕刻位置，实现雕刻。激光束发射的精度直接影响雕刻的精 度，激光发射器是安装在工作台上，工作台的移动由横轴的步进电机控制的，所以步进电机的控制直接影 响雕刻的精度。因此，激光发射系统的设计须满足:在激光器输出最大功率确定的情况下，选用光速度快 的激光管;在激光发射器调焦时，尽可能找到最小最亮的聚光点;结构设计合理，雕刻机工作时，缩短激光 的传输距离减少能量的损失[2]。

(二)步进进给系统控制的要求

步进进给系统由步进驱动单元、步进电机、传动轴、同步带等组成。数控系统发送一定量的脉冲给驱 动单元、驱动单元将定量的脉冲放大功率后送步进电机，电机带动传动轴、同步带等控制激光头在横轴和 纵轴上的进给。步进电机转角的大小控制雕刻精度，设计时须考虑几个方面:在满足工艺要求的情况下，选用小步距角的步进电机;控制系统直接影响步进电机控制的稳定性、可靠性;激光头安装在导轨，因此导 轨的直线度、刚度有一定的要求;对工作台进行水平调节，工作台的平面度要满足设计的要求[3]。

(三)数控系统控制的要求

控制系统利用软件将图像自动生成控制程序控制机械部分、激光发射系统执行雕刻任务，根据图形情 况，在电脑上完成处理，通过 USB 接口传送到控制器中。在设计控制系统时要满足几个原则:对雕刻的对 象，须完成图像的处理，才能保证雕刻任务的完成;要使效果更佳，要保持稳定性和可靠性。

二、激光雕刻机控制系统硬件结构

激光雕刻机的传动系统中XY轴都使用的是同步带步进电机，其具备传动精度高、维护简单、传动效率高等特点。在工件加工中，非金属工件的加工主要使用CO2气体式激光器，金属工件主要使用可燃气体作为能量源进行光纤切割。

控制系统结构如图1所示，控制系统中的单机结构是直接通过计算机的CPU下达指令控制整个机器系统，所有的指令和功能都通过个人计算机来实现。在图1-1中，我们使用个人计算机通过分时处理的方式来负责工件加工图处理、设定步进电机进给、以及激光电源输出能量等，通过个人计算机指令进行完成工件加工的工作。

在激光雕刻机控制系统中通过卡上M变量映射到端口输出寄存器中，进而控制输出电压，实现通过改变输出电压进而控制激光驱动电源的开关控制。当输出电压为0V时，激光控制器驱动电源关闭，输出电压为5V时，激光器驱动电源打开，激光器最大功率输出，激光器电源通过FPGA主控制器进行数字信号控制开关和关闭。

图1 控制系统结构

三、激光雕刻控制系统软件

控制系统软件部分分为上位机以及下位机两部分。上位机包含对系统监测、进行参数设定、激光器数值设置、程序编辑下载以及回零等操作。上位机软件利用VC6.0和Pcomm32动态链接库函数编程实现。下位机主要包含系统初始化PLC程序、回零运动控制。在主从式的结构里，我们将计算机放置在上位机位置，下位机使用单片机控制，上位机为第一控制位置，上机位主要处理图形以及相关加工数据的传送和对下位机的命令传送既控制。下位机只会接受来自上位机的指令，同样下位机也只会向上位机进行反馈信息。下位机在获取上位机的指令后会进一步的向步进电机、激光器、电源分别输送相关指令。

驱动器主要分为运动结构驱动以及激光器驱动，该机型要求步进电机具有内置转换的功能，在其工作运行时通过输入固定的脉冲信号值就可以对电机进行精确运动控制，应尽量选择操作简单快捷型号。对于激光驱动模块，要求其可以监测工作运行电流以及功率，承载能力较强，对于电流的可编程控制区间较大，因此驱动整体可运行良好稳定，不易出现偏差错误。

对于控制器以及PC端的数据连接传输，为此提出通过数据端口以及USB方式进行串行通信连接，对于通信模块要求具备全双口异步通信方式，内部结构里拥有全套与USB信号转接的配件，因此不需要额外的外部电路便可以完成信号转换传输。在双向信号转换通信中，不但可以接收来自PC端的数据信号，并将此信号传输给外部器件，并且可以完成信号回传PC端。