【论文】激光雕刻机控制系统设计.docx

摘要近年来，随着激光和计算机技术的迅猛发展，激光雕刻技术在加工领域得到了广泛的应用。激光雕刻技术是激光应用最有发展前途的领域，其发展速度之快，应用之广，是除微电子技术之外的其他技术无法相比的。激光雕刻技术为无接触加工，其主要特点也就是无惯性，因此其加工速度快、无噪声。由于光束的能量和光束的移动速度都是可以调节的，因而可以实现各种复杂面型的高精度加工。本文主要阐述了设计开发激光雕刻控制系统。该系统采用微机控制，分为运动控制部分和激光雕刻部分，运动控制部分主要通过人机界面，实现图像预览、实时雕刻轨迹的动态跟踪和控制指令的生成、X,Y坐标实时显示以及缓停、急停、继续、速度设定与变更、沿原路径返回、位置记忆、工作时间记录等功能；激光雕刻部分则是通过设计一个工作电路来控制激光输出功率的大小，这样就能根据各个像素的灰度值的大小，在相应位置上雕刻出深浅不一的点，最终得到一件成品。关键词：激光雕刻，图像处理，控制系统AbstractInrecentyears,withtherapiddevelopmentofthelaserandcomputertechnique,laser-carvingtechniquehasgotmoreextensiveapplicationintheprocessingfield.1.aser-carvingtechniqueisthemostpromisingareasoflaserapplication,thespeedofdevelopment,thebreadthofapplicationexceedothertechnologyexceptmicroelectronictechnology.1.aser-carvingtechniqueisthenon-contactprocessing,Themainfeatureofwhichisnon-habitual,thereforeitsprocessingspeed,noise-free?Astheenergyandthespeedofbeamcanbeadjusted,high-precisionmachiningofallkindsofcomplicatedfacecanbeachieved.Thisarticlefocusesonthedesignofalaser-carvingcontrolsystem.Thissystemadoptsmicrocomputercontrol,anditconsistsofmotioncontrolpartandlasercarvingpart.Inthemotioncontrolpart,thefunctionswhichincludeimagepreview,dynamicaltrackingofcarvingtrajectoryinrealtime,generationofcontrolinstructions,indicationofcarvingpositioninrealtime,slowstop,suddenstop,goingon,settinguporchangingspeed,returningalongtheoriginalpathandrecordingthestoppingpositionsorworkingtimewererealized.Inthelasercarvingpart,anelectriccircuitwasdesignedtocontroltheoutputpowerofthelaser.Accordingtothegraydegreevalueofeachpixel,thecorrespondentdotcanbecarvedindifferentdepthtoobtainafinishedproduct.Keyword:1.aser-carving,ProcessingImage,ControlSystem激½三刻机控制系统设计目录第一章绪论11.1 课题背景11.2 激光雕刻系统的基本原理及构成11.3 国内外激光雕刻机发展概况21.4 本文的研究内容和意义5第二章激光雕刻机的总体结构62.1 计算机62.2 电气控制箱62.3 伺服电机系统72.4 激光器9第三章激光雕刻机控制系统的设计113.1 机械平台的设计113.2 电气系统的设计123.3 硬件控制的设计193.4 运动控制软件的设计26第四章BMP格式图形扫描及雕刻394.1 程序流程图394.2 BMP格式图像处理程序404.3 逐点比较法插补流程图504.4 BMP格式图像雕刻程序51第五章结论与展望525.1 本文总结525.2 经济性分析525.3 激光雕刻机的研究展望53参考文献54致谢55附录56声明70激光雕刻机控制系统设计第一章绪论1.1 选题背景激光雕刻机是综合应用激光、电子、计算机、机械等技术的机电一体化设备，因其具有加工速度快、图像清晰永久、无污染、无磨损等优点，被广泛应用于军工、机电、汽车、广告、美术、纪念品加工等众多领域，在市场上应用相当广泛，市场需求量很大。本文主要介绍激光雕刻控制系统的软件设计以及主要端口的接特性，激光雕刻机的运动控制属于两轴的运动控制，采用基于ISA总线的计算机控制，对机械传动装置中电机位置、速度进行实时的控制管理，使运动部件按照预期的轨迹和规定运动参数完成相应的动作。本系统主要控制工作台的运动，使其按照预定的轨迹和运动参数完成激光雕刻任务1.21。1.2 激光雕刻系统的基本原理及构成激光雕刻机通常是由二氧化碳激光器、专用激光雕刻软件、自动控制系统和精密机械组成，它能够以很快的速度和很高的精度对各种材料进行大功率和小功率加工.有雕刻速度快、操作方便、效果好和手工无法实现的立体效果等一系列的优点。它广泛运用于广告、装饰、装璜、做字、标牌、建筑模型、模具、工艺品加工等行业。如在牛角、塑料、有机、木头、储墨垫、原子印章、橡胶等材料上方便地刻制各类印章；雕刻、切割各类标牌；在竹板或木头上雕刻各类文字、图形等。激光雕刻机系统主要由上位机的图像处理软件和作为下位机的激光雕刻机构成。图像处理软件的主要作用是对要雕刻的图像进行处理，使之适合于雕刻，显示出雕刻的效果，同时将图像数据进行编码，转换成符合激光雕刻机工作要求的数据格式，然后通过计算机接口传送给雕刻机。激光雕刻机本身则是一个微机控制系统，它根据上位机传来的雕刻数据，去控制两个步进电机，使激光器移动到相应的位置，并控制激光的强度，进而实现雕刻功能。激光雕刻机的结构框图如图IT所示：图1-1激光雕刻机的结构框图除简单图案激光雕刻机可采用矢量雕刻方式外，大幅面二维雕刻机主要采用扫描方式上传，若不采取措施，需要存储的数据量将是十分惊人的，本系统设计了一种可变长度的扫描命令格式：（起始标志、X坐标、Y坐标、步长、激光强度值、步长、激光强度值、结束标志）。这样的安排可有效缩减数据量，也可方便地解决单片机存储容量的扩展问题。1.3 国内外激光雕刻机发展概况1.3.1 激光雕刻的现状激光是本世纪的重大发明之一，具有巨大的技术潜力。激光加工是激光应用最有发展前途的领域，其发展速度之快，应用之广，是除微电子技术之外的其他技术无法相比的。激光被誉为“万能加工工具”，为材料加工业提供了一种经济效益十分显著而生产效率又相当高的生产技术。激光加工技术的应用已遍及各行各业，在航空、航天、电子、舰船、兵工、汽车、机械和轻工等部门都占有重要的地位。现在，激光加工技术已从特殊用途的加工技术变为通用的具有多种加工能力的精加工技术。目前，国外探索的激光应用项目有20多项。工业发达国家都把激光加工技术作为提高生产效率和竞争能力的手段之一，希望能在进入光技术全盛时代的21世纪初期，在光技术领域处于世界领先地位，因此投入大量的人力和物力展开激烈的竞争。例如，德国大量投资于商品化激光加工机的生产线，目前有650家企业研究和应用激光加工技术，到2000年将增至300家。据预测，日本激光加工机床的产值到2000年将为1980年的178倍。目前，日本已进入激光加土技术的普及时代。在美国，激光加工技术应用最多的是航空、航天、电子、汽车等行业，直接或间接从事航空航天工业的3000多家公司均采用了激光加工技术。国外激光加工机床在80年代发展极为迅速。例如，激光加工机床的品种在1981年仅有4种，而到了1985年就增加到了19种，1980年激光加工机床的销售额仅为1970年的11.7倍，而1982年就猛增到了1970年的20.7倍。1984年，美国拥有6000台激光加工机床，预计到2000年将达到3.5万台。国外激光加工机床的销售量，每年平均增长2000,这在机床工业史上是罕见的卜-8o1.3.2 我国激光雕刻的发展近况我国有关部委自六五、七五一直到八五攻关任务中，一直都把激光加工列入了发展计划，也取得了一大批有水平的科研成果；近一两年由国家计委设立了激光加工工程中心，其任务是将成果转化为中试产品；由国家科委设立了固体激光加工中心，其重点是推动固体激光加工的应用，特别是在微电子学中的应用，国家经贸委设立了激光加工成套设普产业化的产学研工程项目，其任务是将科研高校和企业联合起来，推动激光加工设备的产业化。于今年初由计委、经贸委、科委联合确定将“制造技术”列为国家七大重点发展项目，而又把激光技术列为制造技术的第二项，可见激光加工技术已受到我国政府部门的高度重视。于此同时.，北京、上海、广州、湖北、辽宁等省市以及有关工业部都对把激光加工技术列为重点发展的项目给予了很大重视和实际支持。与传统的机械加工技术相比较，激光加工技术有许多特点：它可以对多种金属、非金属加工，特别是可加工高硬度脆性及高熔点的材料；它加工所用工具是激光束，无“刀具”磨损，在加工过程切削力对工件无影响它加工时能量注入速度高，工件的热变形很小，对材料的热影响区小；还可通过透明介质对密闭容器内零件进行加工；它加工速度快，无噪音，无污染；激光束易于导向，聚焦作各多方向变换，且极易与数控系统结合，作复杂形状的零件加工；在较多场合下，经济效益明显；由于其加工特点，可改进产品结构，使原来只适合用机械加工的零件变得简单，可靠。表1-1在激光加工的各种应用中，以下列销售分类可看出都在相应发展（1993年统计值）热处理13.8%切割14.4%打标12.6%焊接16.0%打孔1.8%微调3.6%划片3.6%其它34.2%表1-2激光加工在各工业领域应用情况：（1990年统计情况）钢铁5.9%有色金属4.6%化工9.1%纺织5.2%机械14.8%电子11.5%汽车8.9%精密仪器6.9%其他29.5%在近十年中，国内各行各业引进的固体激光器及固体激光加工机超过53台套。其引进国有英国JK系列，日本东芝系列，美国ES1.FoX公司以及西德、瑞士产品。引进CO2激光器及CO2激光加工机超过23台套，其引进国为美Spectra-Physics,美Coherent,澳大利亚1.aSer1.ab,美国PRC公司。德国Hearans,美Synrad,日本FanUCs,赤外线，MaxakAmada等，ISraeI激光器，于带土Bystronics等，以上多数在研究、教学单位应用9-11。1.3.3 COZ激光雕刻机的发展情况20世纪70年代后期，Buekley和JenkinS开始研制激光雕刻网纹辑。在此之前，大部分采用气体二氧化碳作为激光介质，用CO?激光器雕刻陶瓷网纹辐。二氧化碳激光雕刻的网纹辐在很大程度上满足了柔性版印刷业的发展需要，特别是包装印刷业发展的要求。可以说激光雕刻的陶瓷网纹辐在柔性版印刷机中的成功应用，是这些年来柔性印刷发展如此迅速并能与胶印和凹印方式形成竞争局面的重要因素之一。二氧化碳激光雕刻机经过3个发展阶段：第一代二氧化碳激光雕刻机实际上是用激光作为光笔的放大尺，用一脚踩开关控制光笔工作，可以用来复制书法、曲线图像和人像。激光在工件上刻制出与原稿相似图像。这是一种简单的原始的二氧化碳激光雕刻机，成本低廉。激光雕刻机控制系统设计第二代二氧化碳激光雕刻机是用来雕刻木刻形图形的，用单片机控制光斑在XY平台上逐线扫描。在原稿亮处激光器关闭，原稿暗处激光器打开，从而加工出黑白的图形。激光器的焦点直径为O.4mm,图形的黑区实质上是由宽0.4mm、深为2.2mm的一系列线条组成。一幅画面可分成550条线，阅读头也可进行同步扫描。阅读头具有0.4mm光孔，由一个半导体发光管与接收管组成，接收发射管照明的图像反射光线，经单片机取阈值后控制二氧化碳激光器的开关。第三代二氧化碳激光雕刻机，控制系统用个人计算机代替了单片机，因而也称之为微机控制的二氧化碳激光雕刻机。采用CCD照相机一次读入512*512的像点及其灰度等级。经抖一动法处理将具有256等级的灰度转变为该区的黑点子密度，从而大大压缩信息的容量，克服图像的明暗灰度层次，解决图像的放大与缩小问题，完成对立体图像与大幅图像的阅读以及对多幅图像的信息存储和处理12。1.4 本文的研究内容和意义激光雕刻是木材表面的图案设计加工非常有潜力的方法之一。激光雕刻以其雕刻范围广、速度快、质量好，热影响区小，加工柔性大等优点在现代加工业中得到了极为广泛的应用。运用激光雕刻可以在任意方向上雕刻出任意图形，没有工具磨损与噪声。另外激光雕刻精细，加工的边缘没有撕切和绒毛，这都是通常机械雕刻工艺所不能比拟的。因而在木制品上雕刻、木模制作、图案镶嵌等方面具有传统方法不可比拟的优越性。在激光雕刻过程中，木材表面发生碳化，这将直接影响雕刻的效果和质量。因此木材表面炭化程度是激光雕刻质量重要的评价标准之一。目前激光雕刻质量评价国内外尚无统一的标准，因此进行激光雕刻工艺参数的研究，提高雕刻质量有着重要的意义。用于激光雕刻的软件属于专用软件，一些图形图像方面的通用软件如AutoCAD>PhOtOShOP等仅用于在PC机上进行处理或打印输出，而不能直接用于激光雕刻。同时由于雕刻机软件具有商业性和专利性，各雕刻机厂家的软件都有很强的保密性质，所以没有现成的雕刻软件可供借鉴。并且，软件的应用与一定的硬件相关联，因此对于理解激光雕刻机的工作原理，有必要研究其硬件组成，系统控制原理，及软件实现。本项目主要设计并实现多自由度数控机械及其控制系统，利用C02激光器在一定的型面上加工出设计的图形。并完成机械平台、电器系统、硬件控制、运动控制软件的设计、制作、安装和调试，并在平板上加工出图形。激光雕刻机控制系统设计第二章激光雕刻机的总体结构2.1 计算机计算机操作环境：Windows98编程语言：BorlandC+操作环境选择Windows98甚至DOS而不使用WindOWSXP,是因为控制板卡的设计思想是应用于工业上的数字控制和IO操作，而工业上恰恰较多选择实时性强的1.inUX系统和DOS系统（国内居多）。如果使用WindoWS系统，则应当为其添加商业实时内核，否则板卡中断的准确性将受到极大影响。（经过测试，发现中断周期的最大误差可以达到25版这使得板卡失去了实验的意义，且可能造成电机的剧烈抖动和激光器损坏）。DOS系统和WindOWS98系统对硬件的干预较少，定时准确，且相关软件程序的编写比较简单。2.2 电气控制箱图2-1电气控制箱外观图2-2电气控制箱内部结构电气控制箱面板上的按钮有：启动、停止、船形开关、伺服使能、报警解除、急停以及电源指示。内部主要是：空开、低通、继电器、接触器、24伏电源开关、变压器以及驱动器。2. 3伺服电机系统步进电机和交流伺服电机性能比较步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。一、控制精度不同两相混合式步进电机步距角一般为3.6。、1.8。，五相混合式步进电机步距角一般为0.72°、0.36°。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09°德国百格拉公司（Bergerlahr）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、QI8°、0.09°、0.072o0.036°,兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360/10000二0.036°。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。二、低频特性不同步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT）,可检测出机械的共振点，便于系统调整。三、矩频特性不同步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。四、过载能力不同步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。五、运行性能不同步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。六、速度响应性能不同步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。2.4激光器激光雕刻机是集激光技术、数控技术、计算机技术于一体化的系统。当前用途最广泛的当属二氧化碳激光雕刻机和NdiYAG雕刻机。Nd:YAG雕刻机常用于金属雕刻，通过材料的融化或蒸发把图像刻画在金属工件表面上。这种设备也能为塑料、橡胶以及陶瓷进行雕刻。功率通常为25到100瓦，脉冲率为0.3到50千赫兹。二氧化碳激光雕刻机在对那些含炭量高的塑料、石英、玻璃以及有机物等工件表面雕刻时，其工作效果最佳。在这种情况下，它的功率通常为10到120瓦特，而脉冲功率则能达到300赫兹。与Nd:YAG雕刻系统相比，二氧化碳雕刻系统使用的激光束更加的稳定、分段，而且功率非常高。在整个激光雕刻过程中，它都能够保持恒定、并且是可预见的。所以，其重复性和可预见性都是十分高的。并且，如果激光雕刻正确的话，二氧化碳激光雕刻形成的碗状着墨孔的释墨性能十分良好，清洗也很方便。所以，一般常用的激光雕刻系统往往都是由二氧化碳激光器、专用的激光雕刻软件、自动控制系统以及精密机械组成。属于低价位的高科技产品。因此，本系统采用小功率二氧化碳激光器。它采用一体化的设计，该系统的整机部分包括了激光管、冷却水系统、加工工作平台、抽风和排风装置等，具体的构造可参考图2-3所示。这种小功率的二氧化碳雕刻系统非常适用于对非金属材料进行雕刻，以及切割等加工。目前二氧化碳激光雕刻机主要应用在印章雕刻，工艺美术以及广告制作等领域。图2-3激光雕刻机的组成故本次设计选用选用南京通快激光设备有限公司生产的TK-2500SM型激光器，该激光器的性能参数如下：额定输出功率：2500W最大输出功率：2700W超强脉冲功率2倍额定输出功率功率可调范围100W最大超强脉冲±1%光束发散角1.3mrad光束直径16mm工作气体He、N2、CO2纯度99.996%功率消耗32KVA激光雕刻机控制系统设计第三章激光雕刻机控制系统的设计3.1 机械平台的设计图3-1直线工作平台机械平台主要有以下几部分构成:1.底板2.方轨直线支撑3.滚珠丝杠4.丝杠轴承5.密封条6.安装槽7.电机安装座8.电机联轴节9.限位、原点开关10.轴制动器11.编码器图3-2二维机械工作平台3.2 电气系统的设计3. 2.1驱动器电气系统本次设计选用安川驱动器，下面介绍安川驱动器的电气接线。交流伺服驱动系统的电气接口通常包括四个部分：1 .伺服驱动器的输入电源接口，给伺服驱动器提供控制和驱动电源；交流伺服驱动的输出，给伺服电动机提供驱动电源，图3-32 .与交流伺服电动机的反馈接口，如图3-43 .与上层控制的接口：一般有脉冲CP和方向DIR的接口，如图3-54 .图3-6是交流伺服驱动单元的其它控制信号，如使能、报警、限位等；编码器与PG:驱动器与伺服电机编码器的接口；CN:驱动器与上位机之间的接口；何服单元酗IMM1.IMSN75A1.S1M9MPG5V÷PG0V1-2CN2'B5*f图3-4安川编码器接线图PCOPSOSEN.zSGJsqBAT()8AT.)1.IMSN7517515V-OV(WPW伺服ON控制卡控制卡控制卡图3-5控制卡与伺服驱动器控制信号接线图CP-ZDIR-Z÷5V三三三ffiH(±w土ov淀扭电2位置指令后备电池*32845VSEN信号输入*2¾三(00)Wffi½然接通（CM即动作,PU1.SrWf三A相JV1271500-O-1ASBHo丽禁止正转财NHs新开（OF涧禁止逐捌购三(W三fi!6掾现（W正转恻电流P艮机7）接通（00时逆转侧电法限制NQP12V21220电极开路P指令用电源Pi粒°+24V¾P-C+5V.SQ0:三>1."飞.卦碱'N1.SNoU8KirbyNdoI正瑁禁j三黝AOI1O分频输出适用饯接收器T,W1W,W346等同品5相旋转7三ftt适用线接收器1>SN75I7盛誉恻6等同品X）IN+定位完成ICaN（艮twt时削r：jr>tltlKMP很复位母爵M聚壳体屏蔽线连在觑器剂牡。甥垠准备死绪输出I准备就珍片为JGONfTeoKfcBTGON限值肚的b间鹏酗三M询Toqov影獭½SDM图3-6交流伺服的其它相关控制电路3.2. 2激光雕刻机的总体电气系统图3-7激光雕刻机电气系统模块框图激光雕刻机电器控制的要求：1 .计算机2 .伺服电机、驱动器3 .步进电机、驱动器、变压器4 .风扇5 .激光器、激光电源6 .通电顺序：计算机、伺服驱动（风扇）、伺服使能、激光器。关电顺序相反。7,安全：限位开关、限位释放、急停开关、指示灯。8.继电器、接触器、24V电源开关激光雕刻机的电气系统主要是有控制部分、驱动部分以及执行部分组成，它们协作构成系统的整体电气回路，从而实现控制电路的正常工作。JlXE1.S1.TTTTTT二TTTTXXXOo!1分1231b-3214第15416-第-175183719s三三三图3-8驱动器和电机的接线图涮图3-9激光雕刻机的整体电气接线图3.3硬件控制的设计微机控制的激光雕刻系统主要有微型计算机主机、键盘、显示器、激光雕刻仪、摄像机或扫描仪几个部分组成，其结构如图310所示。其工作过程如图311所示。图370激光雕刻机系统组成图3-11激光雕刻机工作过程图激光雕刻系统首先将要处理的图像经扫描仪或摄象机扫描输入计算机主机内以图像文件的方式存储起来，再将图像和文字混合编辑，将编辑的结果实时地在显示器上显示出来，以便即时地修改、增删内容和调整布局，直到得出满意的图案时为止，再通过雕刻仪将编辑好的图案刻画在需加工的材料上。激光雕刻仪在微机的控制下，让激光束与被刻材料之间作相对运动，并让激光有规律地开关，使得激光束按所需的图案轨迹进行刻画，从而在被刻材料上得到由激光刻出的点或线构成的一幅图像。从扫描仪扫描输入的图像一般有黑白、灰度、彩色三种，黑白图像上的每个像素或者为白色，或者为黑色，其图像黑白分明，很适合于雕刻仪刻画（如文字图案就是这种黑白图像；灰色图像具有日常生活中的黑白照片的效果，有的像素较白，有的像素较黑，有的介于黑白之间的中等灰度状态，例如黑白照片就是灰度图像。这种图像不能简单地在雕刻仪上刻画，必须经过预处理，将灰度图像转化为黑白图像后才能经雕刻仪刻画；彩色图像象彩色照片，不适合于在雕刻仪上刻画，也必须将其转化为黑白图像，通常在经扫描仪扫描输入时就将其转化成灰度图像了。其次大幅面二维激光雕刻机设计中要考虑的一个主要问题是大容量存储器系统，要求接收数据的缓存容量可扩展，最大为32Mb,因而本设计中将雕刻机设计为双CPU结构，如图3-12所示：图312激光雕刻机系统框图主控系统采用了两片89C51单片机，CPUl负责接收上位机传来的图像数据，并将数据存储到扩展的外部数据存储器中，CPU2负责从数据存储器中读取图像数据，并通过驱动器来控制步进电机。本次设计选用的数控卡型号是MAX232,利用MAX232实现TT1.和RS323之间的转换，就可直接用单片机的RXD和TXD引脚进行数据传输。雕刻机系统内部有两片89C51,一个负责从PC机接收图像数据，并写数据到数据存储器中。另一个从数据存储器中读取数据，并根据其数据来控制步进电机的运动。两片89C51之间应协调工作。由于本系统中单片机之间的通信量并不大，主要涉及到总线共享问题，只要解决总线仲裁逻辑就可以了，这种设计电路简单，开销小。本次设计选用的电机型号为42BYGH25O,这个直流电机的技术特点是：调速范围宽、低速力矩大，运行平稳，低噪音，高效率。表3-1步进电机42BYGH250的技术参数型号电压V电流A电阻最大静力矩Ncm机身长COl转动惯量gcm2重kg42BY(M2502202.011021034014005.3相应的步进电机的驱动器选用了北京和利时电机技术公司的直流电机驱动器SH-20402Ao驱动器的特点：24V48V直流供电起停及转向控制过流、过压及堵转保护测速信号输出故障报警输出外部模拟量调速制动快速停机表3-2驱动器SH-20402A的技术参数表供电电源直流24V48V,容量0.2KVA额定功率最大100W额定转速依电机确定额定转矩依电机确定调速范围100RPM额定转速速度变动率对负荷土1%以下速度变动率对电压±1%以下速度变动率对温度±2%以下绝缘电阻在常温常压下100MQ绝缘强度在常温常压下，05KV,1分钟表3-3步进电机和驱动器的端子说明表端子标记端子定义功率DC+、DC-驱动器直流电源输入端子。DC24VM8V端子U、V、W与电机连接。务必将驱动器的U、Y、W端子与电机的U、V、TV对应连接。错误的接线将导致电机工作异常，甚至损坏驱动器和电机。线长不允许超过5米，霍尔线与电机线应分开布线。注：接入端子的引线必须使用U型插头霍尔端子S+、S-SA、SB、SC电机霍尔信号端子。务必将驱动器的S+、S-、SA、SB、SC端子与电机的S+、S-、SA、SB、SC对应连接，错误的接线将导致电机工作异常，甚至损坏驱动器和电机。线长不允许超过5米，霍尔线与电机线应分开布线。另外霍尔信号电源S+、S-除说明书中明确所述用途之外，不得作为它用信号输入AVI外部模拟量调速端子。标准产品中调节范围（TlOV对应（T3000转/分F/R电机正/反转控制端子R/S电机运行/停止控制端子BRK制动控制端输A1.RAM驱动器故障信号输出端子tSPEED驱动器速度信号输出端子本设计是基于ISA板卡，下面是ISA板卡的原理图。J1-DB37:激光控制为U16-Q7（13脚）和GND（17脚）；开/关激光的方法为：向Q7输出高电平/低电平（U16端口为0x252）。使用脉冲增量法控制电机，则需要对板卡进行跳线：跳线方案为U16的pinl5连接Jl的pin34（X轴），U16的pinl4连接Jl的pin15（Y轴），U16的pinl3连接JI的pin33（Z轴）。XJP1.USEJ1.1/XJP1.USE20OX_DIR2-O/区_DIR21CVCC3GND22Y_P1.USE4-O/YP1.USE23YDIR50/Y_D1R.24-VCC6GNDZ_P1.USE7ZP1.USE26-OZ_DIR8-O-0Z_DIR27VCC9GND28-ZXC_P1.USEICP1.USE1029-OCDIR11-OiCDIR2P.j-0VCCIZj-OGND31P13OU16Q7'一/ZSINI-0C4/SIN2(ZZ)IJ1.-O3315O34-O16-020-0VCC矣CGND.7-0OGND18VCCGCGND19DB37tz(T1.GSTV1.)国丽剪VSlI-C国共盈验斐佛班件修期采豫图3-15ISA原理图（8253）3.4运动控制软件的设计雕刻机软件设计主要考虑CPUl与上位机的通信，CPUl与CPU2间的协调，CPU2对步进电机的控制等。CPUl负责对上位机的通信，接受上位机数据并写入到存储器中，数据写入完成后，通知CPU2,退出对数据总线的控制，直到CPU2读完数据才重新获得控制权。CPU2在完成初始化后，处于检测仲裁逻辑的等待状态，当CPUl交出数据总线控制权后，才可从存储器中读取数据，分别送X、Y步进电机驱动电路和激光器功率控制电路。激光雕刻机的运动控制使用ISA控制卡。4片8253(U1U4)用于分频数据的输出，计数器的控制，以及IRQ7硬中断的启用；两片741.S574(U15U16)用于简单数据的输出，激光器控制，运动方向控制，以及8253的门控。此控制卡的控制对象为：广4轴交流伺服驱动电机组成的实验平台(四轴分别命名为X、Y、Z、C),以及一台5V能量输入的二氧化碳激光器。对于电机和激光器的运动控制，实现了以下几个功能。1、ISA控制卡初始化：对8253分频器、计数器赋初值，对741.S574赋初值，设定中断服务子程序。相关函数为，voidinitISA(charcMode);函数说明：初始化ISA控制卡。输入参数：CharCMOde-置0表示第一次初始化系统，否则表示为重置系统。2、中断的控制：开启或关闭IRQ7硬件中断，同时运行中断服务子程序的内容。缺省中断时间为4ms,也可通过改变全局变量iTimcr1.ow,iTimerHigh(16进制的分频系数)和iTimer(中断的毫秒数)的数值改变中断时间。已封装的中断服务子程序具备判断已进入中断次数的功能：指定进入中断的次数为全局变量ilntTime,并初始化全局变量ilntCount为0,则每次进入中断时UntCount加一，直至达到指定的进入次数，则自动关闭门控。此外，用户可以在指定的用户中断服务子函数中编写自己的代码，这些代码将在每次进入中断时调用。用户中断服务函数位于用户编写的程序中，当预编译指令结束之后，增加代码如下：