基于工控機(jī)控制方式的 CO2激光雕刻機(jī)的研究

戴金躍

(鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校后勤管理處,江蘇鎮(zhèn)江 212003)

基于工控機(jī)控制方式的 CO2激光雕刻機(jī)的研究

戴金躍

(鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校后勤管理處,江蘇鎮(zhèn)江 212003)

采用工控機(jī)控制方式,可以將激光器電源與控制線路實(shí)現(xiàn)空間上的集成一體化,控制系統(tǒng)在對(duì)光、機(jī)、電、氣、液實(shí)施控制的同時(shí),能自動(dòng)識(shí)別和處理文字、圖像,并自動(dòng)生成控制指令代碼。研究設(shè)計(jì)一臺(tái)在高分子聚合物材料上用高能束激光束雕刻一般紙板的印刷模版專用的激光雕刻機(jī)。

工控機(jī);激光雕刻機(jī);控制

0 引 言

激光雕刻機(jī)作為典型的光、機(jī)、電一體化產(chǎn)品,可分別實(shí)現(xiàn)材料的清掃、勾邊、位圖三種加工方式,具有激光光筆與工件無接觸,不會(huì)劃傷其表面,切縫窄且切口光滑,加工效率高、精度好等特點(diǎn)[1]。它既能實(shí)現(xiàn)精確度要求非常高的,手工和機(jī)械所無法超越的雕刻,也能對(duì)橡膠板、有機(jī)板、塑料板、亞克力板、皮革、織物等非金屬材料實(shí)現(xiàn)加工,可以廣泛地應(yīng)用于印刷、模型制造、工藝廣告制作等行業(yè),具有十分廣闊的市場(chǎng)前景。激光加工在對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)的改造中將發(fā)揮愈來愈顯著的作用。

1 激光雕刻控制方式

1.1 計(jì)算機(jī)控制的激光雕刻系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)控制激光雕刻系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、接口電路卡、驅(qū)動(dòng)電路等組成,結(jié)構(gòu)如圖 1所示。計(jì)算機(jī)的功能是完成雕刻內(nèi)容的輸入和雕刻控制算法,產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)所需的電脈沖信號(hào)和激光器出光控制信號(hào)并送到計(jì)算機(jī)主板上的接口卡,以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的鎖存、速度的匹配和傳輸?shù)尿?qū)動(dòng)等。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要是增加脈沖信號(hào)的帶負(fù)載能力,從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。

圖1 計(jì)算機(jī)控制的激光雕刻系統(tǒng)

該模式的優(yōu)點(diǎn)是可以充分利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能,在計(jì)算機(jī)上用制圖軟件制作圖形、圖象;由于計(jì)算機(jī)速度快,運(yùn)算能力強(qiáng),可以采用比較復(fù)雜但精度很高的插補(bǔ)運(yùn)算,控制過程比較容易。

但這種控制模式也存在缺陷。1)上位機(jī)大部分時(shí)間只是在輸出簡(jiǎn)單的控制脈沖信號(hào),造成資源的浪費(fèi),上位機(jī)通常價(jià)格貴,這就提高了整個(gè)系統(tǒng)的成本。2)計(jì)算機(jī)體積、質(zhì)量偏大,不利于激光雕刻機(jī)的小型化。由于采用軟件控制,不僅不夠直觀,而且要求操作人員具備一定的計(jì)算機(jī)知識(shí)。

1.2 單片機(jī)控制的激光雕刻機(jī)

單片機(jī)控制模式結(jié)構(gòu)如圖 2所示,主要由單片機(jī)控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、輸入電路等組成。該模式主要是利用單片機(jī)來控制激光雕刻插補(bǔ)控制,點(diǎn)陣雕刻,并輸出激光出光的控制信號(hào)。雕刻內(nèi)容的輸入只能通過鍵盤以指令的形式輸入,或?qū)⒓庸さ膬?nèi)容寫入程序存儲(chǔ)器中[2]。

這種控制模式的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉,減少了雕刻機(jī)的整機(jī)體積,降低了成本,可以在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定可靠地工作。缺陷是單片機(jī)不論是運(yùn)算能力、運(yùn)行速度還是內(nèi)外部的資源都明顯比不上計(jì)算機(jī),對(duì)矢量圖的雕刻只能采用較簡(jiǎn)單的插補(bǔ)運(yùn)算,若使用復(fù)雜的算法,則雕刻速度較慢。

圖2 單片機(jī)控制的激光雕刻機(jī)系統(tǒng)

1.3 工控機(jī)控制的激光雕刻機(jī)

單一的計(jì)算機(jī)控制和單一的單片機(jī)控制都存在明顯的缺陷,現(xiàn)設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)和單片機(jī)控制相結(jié)合的控制系統(tǒng)[3]。上位機(jī)為 PC機(jī),下位機(jī)為單片機(jī)。PC機(jī)完成相應(yīng)的圖形處理,并完成加工文件的生成,單片機(jī)控制加工過程,雕刻出相應(yīng)的圖形。這種激光雕刻機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:1)實(shí)現(xiàn)了圖形處理與雕刻加工相分離,雕刻的圖案可由專人設(shè)計(jì),解決了單片機(jī)的難于加工復(fù)雜圖形的缺陷。多個(gè)單片機(jī)可由一臺(tái) PC機(jī)控制,從而不用像計(jì)算機(jī)控制那樣,一臺(tái)雕刻機(jī)配備一臺(tái) PC機(jī),成本大大的降低,并且當(dāng)加工文件下載到單片機(jī)后,PC就可以用于其它工作,充分利用了資源。2)便于實(shí)現(xiàn)雕刻機(jī)的小型化。即采用工業(yè) PC機(jī) +步進(jìn)電機(jī)控制卡 +激光脈沖控制卡 (定制)+控制軟件 (定制)模式。激光雕刻機(jī)的控制原理框圖如圖 3所示。

圖3 工控機(jī)控制的激光雕刻機(jī)系統(tǒng)

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制器硬件總體設(shè)計(jì)

激光雕刻機(jī)控制器硬件主要是由 RS232串行通信電路、8031單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、ROM/RAM擴(kuò)展電路、I/O接口電路、鍵盤電路、時(shí)鐘電路、直流電源電路、復(fù)位電路等組成[4]。

主板電路是激光雕刻控制系統(tǒng)的主體部分,其電路主要包括:8031單片機(jī),2片 16 K靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器芯片,1片 32 K電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器芯片,74LS139譯碼器芯片,74LS373地址鎖存器芯片,直流電源電路,單片機(jī)外圍電路(時(shí)鐘電路,復(fù)位電路等)。硬件的總體框架圖如圖 4所示。

激光雕刻機(jī)控制器要接受 PC機(jī)傳輸過來的圖形文件必須要有通行功能,8031單片機(jī)具有一個(gè)異步串行口。在設(shè)計(jì)串行通信電路時(shí),主要考慮串行通信標(biāo)準(zhǔn)接口、通信方式、電平轉(zhuǎn)換等。

現(xiàn)在串行通信標(biāo)準(zhǔn)接口有 RS232、RS422、RS485等,RS232是異步通信中應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)接口。它的信號(hào)傳輸方式為單向方式,改進(jìn)后的 RS422及 RS485的傳輸方式為差動(dòng)式傳輸。RS232使用單向方式傳輸信息時(shí)的傳輸長(zhǎng)度可達(dá)15 m,而 RS422及 RS485使用差動(dòng)方式傳輸信息時(shí)可達(dá) 1 200 m。從信息的穩(wěn)定性來說差動(dòng)式的傳輸要比單向式的傳輸好,抗噪聲的能力以差動(dòng)的傳輸方式最佳。綜合需求、成本及各接口的性能要求,選用 RS232。

圖4 激光雕刻機(jī)控制系統(tǒng)總體框圖

本系統(tǒng)采用單片機(jī)串行口工作方式 1,波特率設(shè)置為 600 b/s。由于 RS232的邏輯電平對(duì)地是對(duì)稱的,這完全與 TTL、CMOS的電平不同。8051單片機(jī)采用的是 TTL電平。RS232驅(qū)動(dòng)器與單片機(jī)的連接必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)采用MAX232電平轉(zhuǎn)換集成芯片實(shí)現(xiàn) RS232電平與 TTL電平之間的相互轉(zhuǎn)換。

2.2 下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

主程序是一個(gè)順序執(zhí)行的無限循環(huán)的程序,并根據(jù)相應(yīng)的操作執(zhí)行相應(yīng)的子程序。激光雕刻機(jī)的主程序框架見圖 5[5-6]。

3 雕刻機(jī)整體設(shè)計(jì)

綜合考慮各種因素,采用模塊化結(jié)構(gòu),把工作部分、激光器部分及外圍設(shè)備分成幾個(gè)模塊。在運(yùn)動(dòng)上,激光束做一維運(yùn)動(dòng),工件做一維進(jìn)給運(yùn)動(dòng)來完成雕刻任務(wù),激光管水冷,工作腔安裝抽氣過濾裝置。原理圖見圖 6。

圖5 主程序結(jié)構(gòu)

圖6 激光雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

總之,激光雕刻機(jī)是集光、機(jī)、電一體化的綜合設(shè)備,由激光部分、機(jī)械部分、控制部分及其它部分有機(jī)組成,可以是一體化的也可以是模塊化的結(jié)構(gòu)。因此,要設(shè)計(jì)這樣的一種設(shè)備就要綜合考慮多方面的因素。

該激光雕刻機(jī)采用 PC機(jī)作為控制部件控制全部的操作。主要實(shí)現(xiàn)文字及圖形文件的處理和雕刻機(jī)的軟件控制,同時(shí)控制步進(jìn)電機(jī)的工作情況,激光的開啟關(guān)閉,冷卻水及過濾水的開停,以及抽氣吹氣裝置的控制。在雕刻機(jī)支架上裝有輪子,以便于激光雕刻機(jī)的移動(dòng),同時(shí)支架上還裝有螺栓以便調(diào)平雕刻機(jī)。激光雕刻機(jī)在加工時(shí),工件采用可折疊的支撐板支撐,不用時(shí)放下,用時(shí)撐起來。工作臺(tái)下邊架子上具有較大的空間,可以用來放置過濾箱和電源箱,使結(jié)構(gòu)看起來緊湊而不零散。圖 7為系統(tǒng)的總體示意圖。圖 8為用 pro/e建立的三維效果圖。

圖7 總體示意圖

圖8 用pro/e建立的三維效果圖

4 結(jié)果分析

激光雕刻機(jī)的控制系統(tǒng)是雕刻機(jī)的控制核心,其控制功能的強(qiáng)弱,控制性能的優(yōu)劣直接關(guān)系著激光雕刻機(jī)的加工質(zhì)量與加工效率,對(duì)整個(gè)雕刻機(jī)的性價(jià)比和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力都至關(guān)重要。

本文選用 Ф54±2,長(zhǎng) 1 250 mm的二氧化碳激光管,輸出功率 60W;電源最高脈沖頻率 800 Hz;Ф16聚焦透鏡,焦距 50 mm;Ф25反射鏡;光學(xué)頭行程:X=850 mm,Y=650 mm,沿 Z軸可移動(dòng)調(diào)節(jié)焦距 20 mm,離加工基面最近距離 60 mm,最遠(yuǎn) 80 mm,通氣體冷卻。生產(chǎn)成本控制在 3萬元以內(nèi),實(shí)現(xiàn)了性能和價(jià)格上的較好統(tǒng)一。

[1]徐啟陽,王新兵.高功率連續(xù) CO2激光器[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2000.

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〔責(zé)任編輯:盧 蕊〕

Abstract:Adoption of IPC control mode can integrate laser machine power with control wiring in terms of the space.The control system at the time of controlling light,machine,electricity,vapor and liquid,can identify and handle theword and picture automatically and then automatically generate the controlling instruction codes.This research aims to design a special laser engraving machine,which uses a high energy beam of laser beam engraving printed cardboard template on a polymermaterial.

Key words:IPC;laser carvingmachine;control

Research on a CO2laser carv ing machine based on IPC controlmode

DA IJin-yue
(LogisticsDepartment,Zhenjiang College,Zhenjian 212003,China)

TG659

A

1008-8148(2010)04-0026-03

2010-06-08

戴金躍 (1972—),男,江蘇丹陽人,講師,主要從事壓縮機(jī)、激光制造方面的研究。