激光玻璃內(nèi)雕刻機

1、 課程名稱光機電一體化技術(shù)產(chǎn)品實例專 業(yè)機械制造及其自動化姓 名學 號教 師激光坡璃內(nèi)雕刻機控制系統(tǒng)的設(shè)計一.緒論激光玻璃內(nèi)雕技術(shù)是目前國際上最先進、最流行的玻璃內(nèi)雕刻加工技術(shù)，它是將脈沖強激光在玻璃內(nèi)部聚焦，產(chǎn)生微米級大小的汽化爆裂點，通過計算機控制爆裂點在玻璃體內(nèi)的空間位置，構(gòu)成絢麗多姿的立體圖像，將玻璃等工件加工成惹人喜愛的工藝品。如圖1所示為國內(nèi)目前使用較廣的激光玻璃內(nèi)雕刻機：圖1 目前國內(nèi)使用較廣的激光玻璃內(nèi)雕刻機它主要有以下特點：1.工作幅面大、激光頻率高，雕刻速度快； 2.自動化程度高，可靠性好，連續(xù)工作時間長； 3.使用的軟件豐富，可制作各種平面、立體文字、圖像等； 4.非接觸

2、式加工，保證材料表面原有的光潔度；5.使用材料廣泛，不僅水晶可進行雕刻，一般裝飾用普通玻璃、有機玻璃等同名材料都可雕刻； 6.雕刻的圖像、文字灰度控制良好。使圖像、文字高檔、精致美觀。激光玻璃內(nèi)雕刻機主要由激光器、振鏡控制器和兩片振鏡片、一臺PC機、控制器以及由三臺步進電機驅(qū)動的三維工件臺和一個控制調(diào)試命令小鍵盤組成（如下圖2所示）。系統(tǒng)采用脈沖激光器，可以自激勵或外觸發(fā)，雕刻時處于外觸發(fā)狀態(tài)，產(chǎn)生1.06*10-6m的調(diào)脈沖激光。圖2 激光玻璃內(nèi)雕機的基本結(jié)構(gòu)雕刻機除了激光器和PC機之外的其他部分構(gòu)成了控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)所要完成的任務是受PC機傳遞過來ude雕刻數(shù)據(jù)文件，可以根據(jù)該文件完成對

3、雕刻工藝的過程控制，并且能夠響應鍵盤發(fā)出的各種調(diào)試及控制命令。雕刻過程控制是控制頻率為100Hz的激光脈沖的發(fā)送、控制激光光閘的開關(guān)、控制振鏡的偏轉(zhuǎn)角度以及驅(qū)動三臺步進電機各任務的協(xié)同工作以完成雕刻任務。下面介紹一下整機的工作方式。國內(nèi)機器目前多采用激光束聚焦位置不變，工件臺帶動工件移動來確定雕刻點位置，從而雕刻出不同物體的工作方式。這種方式的缺點在于雕刻過程中工件臺的移動影響了加工速度，這一點正是投資者所不能接受的，同時也影響了機器的價格?？紤]到如何克服這種缺點，我們在設(shè)計過程中采用振鏡片掃描雕刻的方式，由于振鏡的偏轉(zhuǎn)和穩(wěn)定所耗的時間是微秒級的，所以這種做法明顯地提高了機器的加工效率。這種方

4、法的具體內(nèi)容是：物體分塊雕刻（在PC機的專業(yè)軟件中可以設(shè)定分塊的大小,其值要考慮到振鏡的掃描范圍,不分塊或分塊少會提高加工效率),每塊有各自的中心:每一塊采用自下而上的逐層掃描雕刻方式。激光玻璃內(nèi)雕刻機的工作過程如下：首先在PC機3Dmax等三維圖形制作軟件中將做好的三維圖形保存為.Dxf文件,經(jīng)過專用的圖形處理軟件處理成一定的數(shù)據(jù)格式文件輸出到控制器,然后啟動控制系統(tǒng)進行雕刻.PC機和控制器之間采用串行口傳遞數(shù)據(jù)。2.控制系統(tǒng)的設(shè)計2.1.硬件設(shè)計控制系統(tǒng)的核心部分控制器采用PC-104模板進行硬件設(shè)計。PC-104是符合IEEE996標準特性的總線，有104跟信號線，64Pin P1和40

5、Pin P2，是一種緊湊嵌入式PC/AT結(jié)構(gòu)，有CPU模板、VGA模板、Ad和IA2模板，可以層疊式嵌入連接，用于通訊、醫(yī)療、儀器、售貨機等領(lǐng)域的產(chǎn)品開發(fā)。根據(jù)系統(tǒng)需要，控制系統(tǒng)選用一塊24路I/O模板和一塊雙通道DA模板；一塊CPU模板和合適大小的DOC（電子盤）分別作為處理器、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器。在各個模塊中，24路I/O模塊的輸出通道提供三臺步進電機驅(qū)動器的脈沖信號（2.5kHz）和方向電子信號、激光脈沖信號（100Hz）和激光光閘電平（高電平開，低電平關(guān)）以及一些工作狀態(tài)指示信號，輸入通道提供小鍵盤和檢測三維工件臺限位開關(guān)狀態(tài)，小鍵盤命令包括移動工件臺的上、下、左、右、前、后命令按

6、鍵可開始雕刻、停止按鍵。DA模塊可提供兩路，5/10V電壓，系統(tǒng)選用-5-+5V電壓范圍；振鏡偏轉(zhuǎn)角度和所給電壓呈線性關(guān)系壓范圍；振鏡偏轉(zhuǎn)角度和所給電壓呈線性關(guān)系。2.2 軟件結(jié)構(gòu)控制軟件采用結(jié)構(gòu)化程序的設(shè)計方法，以TurboC 2.0為開發(fā)工具，運行于MS-DOS6.22下?？刂破髦鞒绦蚴紫韧瓿上到y(tǒng)的初始化工作，然后掃描輸入口和串口，實現(xiàn)鍵盤響應和通信功能，其中最重要的也是最復雜的部分是雕刻過程控制模板。下面的圖3表示了該模塊的程序結(jié)構(gòu)：圖3 雕刻過程控制程序結(jié)構(gòu)如上所述，系統(tǒng)雕刻過程是分塊進行的，具體到每塊又是逐層掃描方式工作的。系統(tǒng)對每塊的工作過程和步驟如圖4所示：圖4 系統(tǒng)雕刻一塊的程

7、序結(jié)構(gòu)2.3 通信模塊的設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)的需求，控制器的CPU板通常選用386SX便可滿足要求；而PC機要完成大量的數(shù)據(jù)運算，所以選擇較高檔次的CPU。這就造成了上位PC機與下位PC機之間處理速度不協(xié)調(diào)的矛盾。這一點在它們之間串行通信實驗中表現(xiàn)出來的問題是：如果通信電纜繼續(xù)使用常規(guī)的2-3-5接法，軟件上不加過多的處理或加上協(xié)調(diào)這一矛盾的程序語句，都出現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。如何克服這一困難，最好的方法是用通信握手。這一方法分為軟件握手和硬件握手。硬件握手體現(xiàn)在通信電纜的連接方法上，下圖5說明了所采用的接法：圖5 PCPC串行口接法下位機通信程序以Turbo C 2.0為開發(fā)工具，程序如下：上位機在C+ Builder 4.0 環(huán)境下采用WINDOWS