基于工控机控制方式的 CO2激光雕刻机的研究

戴金跃

(镇江高等专科学校后勤管理处,江苏镇江 212003)

基于工控机控制方式的 CO2激光雕刻机的研究

戴金跃

(镇江高等专科学校后勤管理处,江苏镇江 212003)

采用工控机控制方式,可以将激光器电源与控制线路实现空间上的集成一体化,控制系统在对光、机、电、气、液实施控制的同时,能自动识别和处理文字、图像,并自动生成控制指令代码。研究设计一台在高分子聚合物材料上用高能束激光束雕刻一般纸板的印刷模版专用的激光雕刻机。

工控机;激光雕刻机;控制

0 引 言

激光雕刻机作为典型的光、机、电一体化产品,可分别实现材料的清扫、勾边、位图三种加工方式,具有激光光笔与工件无接触,不会划伤其表面,切缝窄且切口光滑,加工效率高、精度好等特点[1]。它既能实现精确度要求非常高的,手工和机械所无法超越的雕刻,也能对橡胶板、有机板、塑料板、亚克力板、皮革、织物等非金属材料实现加工,可以广泛地应用于印刷、模型制造、工艺广告制作等行业,具有十分广阔的市场前景。激光加工在对传统工业的改造中将发挥愈来愈显著的作用。

1 激光雕刻控制方式

1.1 计算机控制的激光雕刻系统

计算机控制激光雕刻系统主要由计算机、接口电路卡、驱动电路等组成,结构如图 1所示。计算机的功能是完成雕刻内容的输入和雕刻控制算法,产生步进电机转动所需的电脉冲信号和激光器出光控制信号并送到计算机主板上的接口卡,以实现信号的锁存、速度的匹配和传输的驱动等。步进电机驱动电路主要是增加脉冲信号的带负载能力,从而驱动步进电机。

图1 计算机控制的激光雕刻系统

该模式的优点是可以充分利用计算机的强大功能,在计算机上用制图软件制作图形、图象;由于计算机速度快,运算能力强,可以采用比较复杂但精度很高的插补运算,控制过程比较容易。

但这种控制模式也存在缺陷。1)上位机大部分时间只是在输出简单的控制脉冲信号,造成资源的浪费,上位机通常价格贵,这就提高了整个系统的成本。2)计算机体积、质量偏大,不利于激光雕刻机的小型化。由于采用软件控制,不仅不够直观,而且要求操作人员具备一定的计算机知识。

1.2 单片机控制的激光雕刻机

单片机控制模式结构如图 2所示,主要由单片机控制器、步进电机驱动电路、输入电路等组成。该模式主要是利用单片机来控制激光雕刻插补控制,点阵雕刻,并输出激光出光的控制信号。雕刻内容的输入只能通过键盘以指令的形式输入,或将加工的内容写入程序存储器中[2]。

这种控制模式的优点是价格低廉,减少了雕刻机的整机体积,降低了成本,可以在工业现场稳定可靠地工作。缺陷是单片机不论是运算能力、运行速度还是内外部的资源都明显比不上计算机,对矢量图的雕刻只能采用较简单的插补运算,若使用复杂的算法,则雕刻速度较慢。

图2 单片机控制的激光雕刻机系统

1.3 工控机控制的激光雕刻机

单一的计算机控制和单一的单片机控制都存在明显的缺陷,现设计一个计算机和单片机控制相结合的控制系统[3]。上位机为 PC机,下位机为单片机。PC机完成相应的图形处理,并完成加工文件的生成,单片机控制加工过程,雕刻出相应的图形。这种激光雕刻机控制系统的优点是:1)实现了图形处理与雕刻加工相分离,雕刻的图案可由专人设计,解决了单片机的难于加工复杂图形的缺陷。多个单片机可由一台 PC机控制,从而不用像计算机控制那样,一台雕刻机配备一台 PC机,成本大大的降低,并且当加工文件下载到单片机后,PC就可以用于其它工作,充分利用了资源。2)便于实现雕刻机的小型化。即采用工业 PC机 +步进电机控制卡 +激光脉冲控制卡 (定制)+控制软件 (定制)模式。激光雕刻机的控制原理框图如图 3所示。

图3 工控机控制的激光雕刻机系统

2 控制系统设计

2.1 控制器硬件总体设计

激光雕刻机控制器硬件主要是由 RS232串行通信电路、8031单片机、步进电机驱动电路、ROM/RAM扩展电路、I/O接口电路、键盘电路、时钟电路、直流电源电路、复位电路等组成[4]。

主板电路是激光雕刻控制系统的主体部分,其电路主要包括:8031单片机,2片 16 K静态数据存储器芯片,1片 32 K电擦除可编程只读存储器芯片,74LS139译码器芯片,74LS373地址锁存器芯片,直流电源电路,单片机外围电路(时钟电路,复位电路等)。硬件的总体框架图如图 4所示。

激光雕刻机控制器要接受 PC机传输过来的图形文件必须要有通行功能,8031单片机具有一个异步串行口。在设计串行通信电路时,主要考虑串行通信标准接口、通信方式、电平转换等。

现在串行通信标准接口有 RS232、RS422、RS485等,RS232是异步通信中应用最广泛的标准接口。它的信号传输方式为单向方式,改进后的 RS422及 RS485的传输方式为差动式传输。RS232使用单向方式传输信息时的传输长度可达15 m,而 RS422及 RS485使用差动方式传输信息时可达 1 200 m。从信息的稳定性来说差动式的传输要比单向式的传输好,抗噪声的能力以差动的传输方式最佳。综合需求、成本及各接口的性能要求,选用 RS232。

图4 激光雕刻机控制系统总体框图

本系统采用单片机串行口工作方式 1,波特率设置为 600 b/s。由于 RS232的逻辑电平对地是对称的,这完全与 TTL、CMOS的电平不同。8051单片机采用的是 TTL电平。RS232驱动器与单片机的连接必须经过电平转换。本系统采用MAX232电平转换集成芯片实现 RS232电平与 TTL电平之间的相互转换。

2.2 下位机的软件设计

主程序是一个顺序执行的无限循环的程序,并根据相应的操作执行相应的子程序。激光雕刻机的主程序框架见图 5[5-6]。

3 雕刻机整体设计

综合考虑各种因素,采用模块化结构,把工作部分、激光器部分及外围设备分成几个模块。在运动上,激光束做一维运动,工件做一维进给运动来完成雕刻任务,激光管水冷,工作腔安装抽气过滤装置。原理图见图 6。

图5 主程序结构

图6 激光雕刻机结构原理图

总之,激光雕刻机是集光、机、电一体化的综合设备,由激光部分、机械部分、控制部分及其它部分有机组成,可以是一体化的也可以是模块化的结构。因此,要设计这样的一种设备就要综合考虑多方面的因素。

该激光雕刻机采用 PC机作为控制部件控制全部的操作。主要实现文字及图形文件的处理和雕刻机的软件控制,同时控制步进电机的工作情况,激光的开启关闭,冷却水及过滤水的开停,以及抽气吹气装置的控制。在雕刻机支架上装有轮子,以便于激光雕刻机的移动,同时支架上还装有螺栓以便调平雕刻机。激光雕刻机在加工时,工件采用可折叠的支撑板支撑,不用时放下,用时撑起来。工作台下边架子上具有较大的空间,可以用来放置过滤箱和电源箱,使结构看起来紧凑而不零散。图 7为系统的总体示意图。图 8为用 pro/e建立的三维效果图。

图7 总体示意图

图8 用pro/e建立的三维效果图

4 结果分析

激光雕刻机的控制系统是雕刻机的控制核心,其控制功能的强弱,控制性能的优劣直接关系着激光雕刻机的加工质量与加工效率,对整个雕刻机的性价比和市场竞争力都至关重要。

本文选用 Ф54±2,长 1 250 mm的二氧化碳激光管,输出功率 60W;电源最高脉冲频率 800 Hz;Ф16聚焦透镜,焦距 50 mm;Ф25反射镜;光学头行程:X=850 mm,Y=650 mm,沿 Z轴可移动调节焦距 20 mm,离加工基面最近距离 60 mm,最远 80 mm,通气体冷却。生产成本控制在 3万元以内,实现了性能和价格上的较好统一。

[1]徐啟阳,王新兵.高功率连续 CO2激光器[M].北京:国防工业出版社,2000.

[2]邱明新.下一代二氧化碳激光雕刻机的探讨[J].光学精密工程,1996,4(1):21-24.

[3]曾伟梁,王青松.计算机数控雕刻系统软硬件研究[J].机械与电子,2001(5):44-45.

[4]俞军.数控雕刻系统的研究[D].西安:西北工业大学机电学院,1999.

[5]俞巧云,李为民,翟超,等.基于并行口的微步进电机控制系统[J].自动化与仪表,2001,16(2):51-52.

[6]范逸之,廖锦棋.VisualBasic硬件设计与开发:数据采集卡控制[M].清华大学出版社,2004.

〔责任编辑:卢 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

戴金跃 (1972—),男,江苏丹阳人,讲师,主要从事压缩机、激光制造方面的研究。