激光玻璃內(nèi)雕刻機(jī)

1、 課程名稱光機(jī)電一體化技術(shù)產(chǎn)品實(shí)例專 業(yè)機(jī)械制造及其自動(dòng)化姓 名學(xué) 號(hào)教 師激光坡璃內(nèi)雕刻機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一.緒論激光玻璃內(nèi)雕技術(shù)是目前國(guó)際上最先進(jìn)、最流行的玻璃內(nèi)雕刻加工技術(shù)，它是將脈沖強(qiáng)激光在玻璃內(nèi)部聚焦，產(chǎn)生微米級(jí)大小的汽化爆裂點(diǎn)，通過計(jì)算機(jī)控制爆裂點(diǎn)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(guó)內(nèi)目前使用較廣的激光玻璃內(nèi)雕刻機(jī)：圖1 目前國(guó)內(nèi)使用較廣的激光玻璃內(nèi)雕刻機(jī)它主要有以下特點(diǎn)：1.工作幅面大、激光頻率高，雕刻速度快； 2.自動(dòng)化程度高，可靠性好，連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)； 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(jìn)行雕刻，一般裝飾用普通玻璃、有機(jī)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(jī)主要由激光器、振鏡控制器和兩片振鏡片、一臺(tái)PC機(jī)、控制器以及由三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的三維工件臺(tái)和一個(gè)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(lì)或外觸發(fā)，雕刻時(shí)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(jī)的基本結(jié)構(gòu)雕刻機(jī)除了激光器和PC機(jī)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(wù)是受PC機(jī)傳遞過來(lái)ude雕刻數(shù)據(jù)文件，可以根據(jù)該文件完成對(duì)

3、雕刻工藝的過程控制，并且能夠響應(yīng)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(dòng)三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)各任務(wù)的協(xié)同工作以完成雕刻任務(wù)。下面介紹一下整機(jī)的工作方式。國(guó)內(nèi)機(jī)器目前多采用激光束聚焦位置不變，工件臺(tái)帶動(dòng)工件移動(dòng)來(lái)確定雕刻點(diǎn)位置，從而雕刻出不同物體的工作方式。這種方式的缺點(diǎn)在于雕刻過程中工件臺(tái)的移動(dòng)影響了加工速度，這一點(diǎn)正是投資者所不能接受的，同時(shí)也影響了機(jī)器的價(jià)格?？紤]到如何克服這種缺點(diǎn)，我們?cè)谠O(shè)計(jì)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(shí)間是微秒級(jí)的，所以這種做法明顯地提高了機(jī)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(jī)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(huì)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(jī)的工作過程如下：首先在PC機(jī)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(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行雕刻.PC機(jī)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(jì)2.1.硬件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的核心部分控制器采用PC-104模板進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。PC-104是符合IEEE996標(biāo)準(zhǔn)特性的總線，有104跟信號(hào)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(jī)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(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。在各個(gè)模塊中，24路I/O模塊的輸出通道提供三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖信號(hào)（2.5kHz）和方向電子信號(hào)、激光脈沖信號(hào)（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(hào)，輸入通道提供小鍵盤和檢測(cè)三維工件臺(tái)限位開關(guān)狀態(tài)，小鍵盤命令包括移動(dòng)工件臺(tái)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(jì)方法，以TurboC 2.0為開發(fā)工具，運(yùn)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(shí)現(xiàn)鍵盤響應(yīng)和通信功能，其中最重要的也是最復(fù)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(jìn)行的，具體到每塊又是逐層掃描方式工作的。系統(tǒng)對(duì)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(jì)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(jī)要完成大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算，所以選擇較高檔次的CPU。這就造成了上位PC機(jī)與下位PC機(jī)之間處理速度不協(xié)調(diào)的矛盾。這一點(diǎn)在它們之間串行通信實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出來(lái)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(yǔ)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(shuō)明了所采用的接法：圖5 PCPC串行口接法下位機(jī)通信程序以Turbo C 2.0為開發(fā)工具，程序如下：上位機(jī)在C+ Builder 4.0 環(huán)境下采用WINDOWS