激光标刻控制硬件电路设计毕业设计开题报告.doc

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1、南京工程学院自动化学院 本科毕业设计（论文）开题报告 题 目： 激光标刻控制硬件电路设计 专 业： 自动化 班 级： 自动化123 学 号： 203120318 学生姓名： 李 伟 指导教师： 葛红宇 2015年3月说 明1根据南京工程学院毕业设计(论文)工作管理规定，学生必须撰写毕业设计（论文）开题报告，由指导教师签署意见、教研室审查，院系分管教学领导批准后实施。2开题报告是毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。学生应当在毕业设计（论文）工作前期内完成，开题报告不合格者不得参加答辩。3毕业设计开题报告各项内容要实事求是，逐条认真填写。其中的文字表达要明确、严谨，语言通顺

2、，外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现缩写词，须注出全称。4本报告中，由学生本人撰写的对课题和研究工作的分析及描述，应不少于2000字，没有经过整理归纳，缺乏个人见解仅仅从网上下载材料拼凑而成的开题报告按不合格论。5开题报告检查原则上在第24周完成，各院系完成毕业设计开题检查后，应写一份开题情况总结报告。本科毕业设计(论文)开题报告学生姓名李伟学 号203120318专 业自动化指导教师葛红宇职 称副教授所在院系自动化学院课题来源自拟课题课题性质工程设计课题名称激光标刻控制硬件电路设计毕业设计的内容和意义内容：激光标刻技术是激光加工最大的应用领域之一。激光标刻是利用高能量密度的激光对工件进

3、行局部照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种标刻方法。激光标刻可以打出各种文字、符号和图案等，字符大小可以从毫米到微米量级，这对产品的防伪有特殊的意义。本文主要研究激光标刻控制硬件电路设计，主要内容包括：(1) 硬件方案设计及电路模块实现方法(2) 运动控制卡设计(3) 电机驱动控制设计(4) 显示电路设计(5) 键盘控制电路设计(6) 通信电路设计(7) 激光控制设计意义： 目前激光标刻技术在国内外工业上的广泛应用，如应用在激光加工、医疗、印刷、光存储，测距准直、检测、文娱教育中的各种激光仪器和设备，以及激光用材料元器件和部件等。激光标刻在技术上已经比较成熟，

4、产业化程度己达到了相当的高度，根据不同产业的要求形成了比较完整的产品族。即使如此，激光标刻对激光波长、适用材料范围、激光功率、扫描速度、工件外形和整机效率等方面仍需要不断完善和发展。 随着时代的发展，激光标刻技术在国内外工业上的应用，逐渐被人们重视。它的优越性日益清晰地展现在人们面前，在各行各业得到了越来越广泛的运用。目前，各种新型的标记系统层出不穷，它以其独特的标记方法，已经日益成为一种有效的标记加工手段。国内非常重视激光标刻技术的发展，并将该技术列为重点高校进行研制，培养科学人才，提升国内制造业技术水平。除此，在国内民营企业也投入到激光标刻行业当中来，给激光行业带来新的活力和挑战。因此，激

5、光标刻具有巨大的发展潜力和广阔的市场前景。文献综述（1）基本原理：激光标刻原理简单说就是使激光束在计算机的控制下，使它与工件发生相对运动，在其表面标刻上永久的印记。激光束在材料表面上形成符号和图案，形成的方式表现在三个方面：11)激光束把表层物质蒸发掉，露出底层物质2)通过光能导致物质表层的物理和化学变化3)通过光能烧掉物体部分表面来显示出标刻印记 激光雕刻的加工机理是利用激光与工件表面产生的光热效应，即当能量密度极高的激光束照射在工件表面上时，一部分从材料表面反射另一部分进入材料内部，激光的光能被吸收并转换成热能，使照射区域的温度迅速升高、汽化而去除材料，其中也伴随氧化反应。 雕刻时激光头功

6、率较小，激光光斑引起的光热效应不足以将工件切透而是将工件表面形成烧蚀痕迹以达到雕刻效果。激光点在工件表面沿X轴移动一次在工件上留下一条以斑点组成的线性痕迹，一幅二维图像是由许多条线性痕迹在Y轴上均匀排列组成的。2（2） 基本特点： 1）打标方式3 1.掩模标记法又叫做投影式标记法。这种方法是在一块模板上，将待打的数字、字符、条码、图像等雕空，做成掩模。然后将经过望远镜扩束镜的激光，均匀地照射在事先做好的掩模上，光从掩模板上雕空的部分透射，使掩模板上的图形通过透镜成像到工件（焦面）上。受激光辐射的工件材料表面层会迅速被加热汽化 或者产生一系列的化学反应，然后发生颜色变化形成可分辨的清晰标记。 2

7、.点阵式标记法 是使用几台小型激光器同时发射脉冲 ，经反射镜和聚焦透镜后，将几个激光脉冲在被打标工件材料表面上烧灼，使之出现大小及深度均匀的小凹坑，形成图案和字符等图形。3.扫描式打标是将需要的打标信息，通过计算机应用程序，控制激光器和X-Y扫描光学系统，使高能激光点在被加工器件表面上做扫描运动，从而形成标记。通常X-Y扫描机构有两种结构形式：一种是机械扫描式，另一种是振镜扫描式。机械扫描式标记是通过机械的方法调节反射镜偏移，实现激光束在X-Y平面的平移，从而改变激光束达到工件的位置。振镜式标记法4是将激光束入射到两反射镜(振镜)上，这两个振镜可分别沿X-Y轴扫描，同时通过控制反射镜的偏转角度

8、,从而使激光能在被标刻的工件表面上打出数字、文字、图形等。 2)激光器51. Nd:YAG激光器产生的激光能被金属和绝大多数塑料很好地吸收，而且其波长短(为1.06m)，聚焦的光斑小，因而最适合在金属等材料上进行高清晰度的标记。2. CO2激光器产生的激光波长为10.6m，木制品、玻璃、聚合物和多数透明材料对其有很好的吸收效果，因而特别适合在非金属表面上进行标记。3. 准分子激光器其光谱一般位于紫外波段，如ArF为193 nm，KrF为248 nm，XeCl为308 nm，XeF为353 nm，这些波长都能被金属、玻璃和塑料强烈吸收。4. DPSS及光纤激光器。光束质量好，寿命长。Nd:YAG

9、激光器和CO2激光器的缺点是对材料的热损伤及热扩散比较严重，产生的热边效应常会使标记模糊。相比之下，由准分子激光器产生的紫外光打标时，不加热物质，只蒸发物质的表面，在表面组织产生光化学效应，而在物质表层留下标记。所以，用准分子激光打标时，标记边缘十分清晰。由于材料对紫外光的吸收大，激光对材料的作用只发生在材料的最表层，对材料几乎没有烧损现象，因此准分子激光器更适合于材料的标记6。 3.优点7 标刻速度快,字迹清晰永久,防伪功能强。激光刻划精细,线条可以达到毫米到微米量级,采用激光标刻技术制作的标记仿造和更改都非常困难,对产品防伪极为重要； 非接触式加工,无磨损。采用激光做加工手段,与工件之间没

10、有加工力的作用,具有无接触,无切削力,热影响小的优点,保证了工件的原有精度。同时,对材料的适应性较广,可以在多种材料的表面制作出非常精细的标记且耐久性非常好； 操作方便。激光的空间控制性和时间控制性很好,对加工对象的材质,形状,尺寸和加工环境的自由度都很大,特别适用于自动化加工和特殊面加工。且加工方式灵活,既可以适应实验室式的单项设计的需要,也可以满足工业化大批量生产的要求8； 污染少。激光加工和传统的丝网印刷相比，没有污染源，是一种清洁无污染的高环保加工技术； 可以做到高速自动化运转,生产成本低。激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备,可以打出各种文字,符号和图案，易于用

11、软件设计标刻图样,更改标记内容,适应现代化生产高效率,快节奏的要求9； 激光打标技术已被广泛的应用于各行各业,为优质,高效,无污染和低成本的现代加工生产开辟了广阔的前景。随着现代激光标刻应用领域的不断扩展,对激光制造的设备系统小型化,高效率和集成化的要求也越来越高,新型高功率光纤激光技术的开发成功,必将对此产生极大的推动10。（3） 国内外研究进展 1.国外研究现状 激光加工技术是光电子技术在传统加工领域内的应用，是先进制造技术的重要组成部分。激光加工是激光应用最有发展前景的领域之一，并将成为继光通讯、光医疗、光存储等弱激光技术应用后又一强激光应用的新兴产业11。国外已开发出20多种激光加工技

12、术。激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适合于自动化加工。激光加工系统与计算机数控技术12相结合可构成高效自动化加工设备，为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。美国、日本、德国等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。日本在光电子技术方面占首位，美国在激光医疗及激光检测方面占首位，而在激光材料加工设备方面则是德国占首位13。这表明各个国家的发展都与他们自己的工业基础有关。在这些发达国家，激光加工技术已在各个制造领域得到广泛应用。 2.国内研究现状 目前，对于激光打标系统的研宄，国内主要是以研究激光振镜打标系统为主，采

13、用的激光器主要为激光器和激光器，对于打标方式，国内主要采用点阵扫描方式和矢量扫描方式进行打标14。激光振镜打标系统主要用于在线打标、激光微雕和激光刻划，且在线打标是目前国内激光振镜打标系统的主要应用方向，市场前景很大。（4）论文背景与内容这套技术的核心就是激光打标控制系统。在激光打标领域的这短短几年里，控制系统就经历了大幅面时代、转镜时代和振镜时代15；控制方式也从PC机软件直接控制到上下位机控制再到实时控制处理、分时复用的一系列演变；以及激光器从半导体激光器到光纤激光器的应用和振镜从步进式发展到伺服式，伴随控制系统也发生相应的变化16。这一切为激光打标技术的发展带来了前所未有的机遇和挑战。

14、因此研制这种新型振镜式激光打标机己成为了主流，未来激光标刻的发展方向。其中所谓振镜17，又可以称之为电流表计 ，它完全沿袭电流表的设计思想，将镜片取代表针，通过伺服电机驱动这套镜片，以完成预定的动作。 参考文献：1孔凡茂.激光标刻系统的实验与研究.长春理工大学,2013.32徐宝腾.基于ARM+FPGA的激光雕刻机控制系统的研发.山东大学,2014.43杨泽光.激光标刻系统的硬件控制设计及实现.电子科技大学,2010.44徐亮亮.二维激光振镜扫描控制系统设计.长春理工大学,2012.35赵巍，撒昱.激光标刻系统研究综述.天津工程师范学院,2006.36郁亚峰.新型激光打标系统设计与研究,河南科

15、技,20157田建平.基于USB接口的运动控制系统的设计与实现.华中科技大学,2013.28张松,李筠.FPGA的模块化设计方法.电子测量与仪器学报,2014.59阳彦字.基于嵌入式计算机的激光标刻控制系统研究.华中科技大学,2004.410孔凡茂,高艺,丁蕴丰.激光加工标刻机的光机电系统研究.长春理工大学学报(自然科学版) ,2014.2 11欧阳敏.激光打标机运动控制器的设计与实现.武汉理工大学 ,2014.412李永刚,张武军.基于DSP的流水线打标控制系统的设计.自动化技术与应用 ,2013.713刘平卫.基于ARM和FPGA的激光打标机研制.南京林业大学 ,2011.6 14胡吉柱.

16、基于DSP和CPLD的运动控制卡设计与实现.华中科技大学,2011.115王栋梁.基于CPLD的激光标刻运动控制卡PC/104接口设计.现代电子技术 ,2010.3 16Zhou Guoping,Design of Laser Marking Controller Based on ARM+FPGA.Nanjing Forestry University College of Information Science and Technology,201017赵帆.振镜式激光打标系统及工艺参数分析.软件导刊,2013.11研究内容（1） 系统总体设计：激光标刻系统的任务是实现激光在材料表面加工，

17、需要实现光束可偏转、光束可控制、被标刻工件可定位，因此系统分为光学系统、机械系统、控制系统三部分。如系统的图形文字输入是通过计算机编辑软件来对其控制，然后计算机通过连接到电源及信号控制柜，完成了数据传输过程。激光标刻控制卡把数据转换为数字信号，并通过控制振镜系统对光束进行控制，最后使激光束按照要求打到工件上，实现了激光标刻过程。（2） 运动控制卡设计：控制系统是整机功能得以实现，保证系统能够正常运行，信号指令的“指挥中心”。控制系统的任务是对系统硬件的控制，采取开放式体系控制结构，即“计算机+控制卡”的上、下位机模式。控制卡通过USB与PC机连接，把软件中绘制的图形数据传送到控制卡，经过处理，

18、传送到激光、振镜等控制接口，完成激光标刻作业。（3） 电机控制设计：步进电机从静止状态开始启动，为了防止失步和振荡现象，必须经过一个短暂的低速运行时间（一般需要大约运行30毫秒的时间），才能加速。一般将这个短暂的运行时间分成若干个加速台阶，完成达到最高速度后开始匀速运行。同样当步进电机减速时，也将这个短暂的运行时间分成若干个减速台阶，直到停止。步进电机加减速算法是指：在加减速过程中，在每一个等级的速度上需要作短暂的停留，以保持这个速度稳定运行几个脉冲后才能进一步加减速。其目的是为了克服转子的转动惯量所引起的速度响应滞后的问题。（4）显示设计：利用显微镜对焦系统获取到光斑的图像数据，传输到 PC

19、 机上，同时配合图像数据处理的算法，对图像实时处理及显示。（5）激光控制设计：激光控制两部分组成：一部分是振镜运动的控制，另一部分是激光的控制，表现为激光是否出光及输出功率。只有有效的处理好振镜运动和激光控制之间的相互协调运动关系，才能标刻出精确的轨迹。考虑了以上因素，将激光控制分为两方面：一方面是振镜控制模块设计，另一方面是激光器模块控制设计。对激光控制的要求表现以下几点：1.在小的范围内标刻，要求标刻的快速性以及位置的绝对精确性2.对激光器的开关控制，要求延时性精确3.对激光器和扫描振镜的控制，要求同步性及实时性强4.驱动高速振镜，需要严格的时序1）振镜模块设计：要实现激光束能在二维平面上

20、任意点扫描，就要对振镜进行控制，使激光束在振镜片上实现两个方向上的偏转，因此需要标刻控制卡对高速振镜输入时钟信号、同步信号、位置偏转信号及输出状态信号，来控制振镜动作。2）激光器控制模块：根据激光器控制需控制激光开关，激光功率，激光器的频率。设计了激光器控制模块：FPGA 输出全局开关、调解器开断信号通过光耦输入 SPI 光纤激光器，控制是否发出激光；FPGA 输出 PWM 脉冲信号，通过光耦输入到 SPI 光纤激光器，控制激光强度及激光器的频率。（6）通信设计：PC机传输的一大笔打标位图数据，通过USB通信模块，将这些数据暂存在外部存储器，实现 FPGA 进行打标快速调用，并将反馈信号传输至

21、自PC机。研究计划第1-4周：系统总体结构与框架研究。系统需求及功能设计，系统框架与结构设计，关键技术、问题及解决方案。第5周：微控制器电路设计。处理激光、振镜等控制接口，完成激光标刻作业。第6周：电机驱动电路设计。控制激光、振镜的位置。第7周：显示电路设计第8周；键盘控制电路设计第9周：通信电路设计。实现与PC机的人机互动。第10周：激光控制电路设计。需控制激光开关，激光功率，激光器的频率。第11周：硬件调试特色与创新聚焦后的极细的激光光束如同刀具，可将物体表面材料逐点去除，其先进性在于标记过程为非接触性加工，不产生机械挤压或机械应力，因此不会损坏被加工物品；由于激光聚焦后的尺寸很小，热影响区域小，加工精细，因此，可以完成一些常规方法无法实现的工艺。激光加工使用的“刀具”是聚焦后的光点，不需要额外增添其它设备和材料，只要激光器能正常工作，就可以长时间连续加工。激光加工速度快，成本低廉。激光加工由计算机自动控制，生产时不需人为干预。指导教师意见指导教师签名： 年 月 日教研室意见主任签名： 年 月 日院系意见分管领导签名： 年 月 日