开发设计激光雕刻机控制系统

摘要

　　针对激光雕刻机加工效率低和控制不精确等问题，提出了改进的激光雕刻机控制系统设计方案。对传统的激光雕刻控制系统中小线段高速加工部分进行改进，提出了一种基于非均匀 B 样条曲线插补算法和具有速度前瞻功能的 S 型曲线加减速算法相结合的连续小线段高速加工方法，有效增强整个系统的运算速度和插补精度。此外，针对不同的激光雕刻图像格式，提出了两种图像雕刻方法，并且优化了激光雕刻的换行轨迹，提高了 G 代码扫描速度。

　　对于传统控制系统中只能依靠单片机控制驱动以及插补所带来的雕刻速度慢的问题，提出加入 FPGA 协同 STM32 共同进行激光雕刻控制。为了合理分配控制任务，下位机主要通过 STM32 与 PC 机进行通信并完成插补计算，同时利用 FPGA控制步进电机驱动以及激光器电源的启停。考虑到控制系统需要实时处理激光雕刻的问题，因此 PC 机通过 USB 接口与单片机连接，完成在线实时数据传输的任务，便于用户随时更改激光束功率设置参数。

　　通过非均匀 B 样条算法将小线段进行拟合，结合离散的 S 型曲线加减速算法对雕刻速度进行规划，并将速度前瞻模型应用到小线段转折点处的速度规划中，从而减小冲击力并提高激光头在拐点处的加工速度。对实际的插补过程设计实验，结果表明，非均匀 B 样条拟合曲线的弓高误差小于插补参数的设定值，拟合结果准确；与传统无前瞻功能的 S 型曲线插补算法相比，加入前瞻功能够使进给速度明显提升，因此改进的算法能够帮助系统提高鲁棒性和实时性。

　　对于 BMP 和 PLT 两种格式图像，提出对应的雕刻方法，通过改进激光头的换行轨迹，满足了激光加工过程中高速扫描 G 代码的技术要求。为了使图像在工件表面布局合理、雕刻清晰，分别利用几何变换、二值化、中值滤波和最大类间方差阈值分割算法对图像进行处理，通过实验进行仿真验证，并最终设计出上位机的刀路生成界面和监测界面。

　　关键词：激光雕刻；STM32；非均匀 B 样条曲线；速度前瞻；S 型加减速算法

Abstract

　　Aiming at the problem of low efficiency and inaccurate control of laser engraving machine, an improved design scheme of laser engraving machine control system is proposed. In this paper, to improve high speed machining of small line part, a new machining method based on non-uniform B-spline curve interpolation algorithm and S-type curve acceleration and deceleration with the function of look-ahead algorithm, effectively enhance the computing speed and interpolation accuracy of the whole system.

　　First of all, in view of the problem that slow engraving speed in traditional control system, which can only rely on SCM control and interpolation, this paper proposes adding FPGA and STM32 to control laser engraving. In order to distribute the control task reasonably, the lower computer mainly communicates with PC through STM32 and accomplishes the interpolation calculation. At the same time, it uses FPGA to control the stepper motor drive and the laser power supply start and stop. PC connects with MCU through USB interface, and accomplishes the task of online real-time data transmission.

　　Then it uses non uniform B spline algorithm to fit small segment, S-type curve acceleration and deceleration algorithm to plan engraving speed, and the speed of forward velocity planning model to the small segment turning point. Experimental results show that non uniform B spline curve interpolation parameters of chord error are less than the set value. Compared with the traditional S curve interpolation algorithm without forward function, adding forward function can make prospective feed rate improved significantly.In this way, it improves robustness and real-time performance.

　　Finally, according to the two formats of BMP and PLT, the corresponding carving method is proposed. By improving the feed line track of laser head, the technical requirements of high-speed scanning G code in laser processing are satisfied. It uses geometric transformation, binarization, median filtering and Otsu algorithm to handle image, and design the tool path generating interface and monitoring interface.

　　Keywords: Laser engraving, STM32, Non uniform B spline curve, Speed forward, Stype acceleration and deceleration algorithm

　　随着 20 世纪 60 年代激光的问世，激光加工技术被广泛应用于各生产环节，已经逐渐成为工业生产领域不可或缺的一部分。目前国内非常重视激光领域的发展，企业制造的激光加工设备在市场上占据了较大比重，但其中部分产品的加工精度和使用功能仍不能满足生产需求。为了发展国家新兴产业，必须要改造传统工艺方法，努力提高激光加工水平。激光雕刻是激光加工领域的一个重要分支，它能提高雕刻速度，避免人工参与雕刻的偶然误差，减少环境污染等，因此对激光雕刻机的的研究尤为重要。由于激光雕刻机在设计过程中需要用到机械加工以及数字图像处理等领域的技术，使得激光雕刻机具有多方面的提升空间。

　　目前越来越多的制造激光加工设备的厂家开始投入大量资金研究开发高性能的控制系统，学者们也陆续提出了更新颖、客观的激光雕刻机设计方案，然而对于激光雕刻机下位机设计的创新能力亟待提高，一成不变的设计思路是阻碍该领域突破前进的主要因素。传统的激光雕刻设备工作效率不高，响应外部请求的实时性较差，雕刻过程中数据的存储能力不强，正是由于不准确性的存在会影响后续的激光雕刻效果，因此提高系统的运算处理能力和逻辑处理能力是改善设备精度的重要手段，对于激光雕刻机的研究具有很高的实用价值。

　　在设计激光雕刻机的过程中连续小线段的加工问题是影响加工效率的重要因素，小型激光雕刻机在我国多年来雕刻效果一直没有得到改进，关键在于一直未改善位置反馈和校正系统，如何提高激光头在衔接处的运动速度以及优化雕刻换行轨迹是研究该系统控制环节的重点。通过应用非均匀 B 样条曲线和 S 型加减速算法，提高了连续小线段处的工作效率，从而解决了激光头频繁启停对系统冲击较大的问题。激光雕刻机的上位机设计需要考虑到图形、图像的刻画，将数字图像处理技术用于图像编辑过程中，融合现代通信技术和图像采集方法，运用图像的缩放以及二值化处理，可研制出一套基于图像识别的高效准确的图形雕刻控制系统。通过改进激光雕刻机的设计，有利于提高激光雕刻效率，对于企业获得较好经济效益有所裨益。

　　伴随工业自动化水平的不断提高，传统雕刻工艺技术已经不能满足工业生产需求，新型的雕刻方法亟待提出。20 世纪 70 年代初，激光开始被引入到工业制造领域，用于简单的平板印刷，到 90 年代初，国内成功利用激光在一般非金属材料上进行雕刻，并且研制出大功率激光切割器[1]。与传统雕刻技术相比，激光雕刻的工作速度快，准确度高，污染程度小，更适合大规模的工业生产。受自身特性的影响，激光雕刻通常适合在陶瓷、木制品以及亚克力等非金属材料上进行工艺操作，同时广泛应用于广告装饰、模型制作和印刷包装等行业[2]。由于我国加工产业正向创新方向转变，激光雕刻具有良好的发展前景，因此在市场经济指导下激光技术的改进应用呈现迅猛发展的趋势。

　　激光雕刻属于激光切割的组成部分，利用了激光热加工原理，是一种提高生产加工效率的重要技术手段，广泛应用于各领域中，因此对激光加工技术的研究尤为重要。在激光雕刻过程中优化连续小线段加工方法，是提升雕刻效率的关键因素之一[3]。通过改进速度前瞻算法和数据采样插补算法，可以使进给速度变化稳定，同时保证连续小线段交界处的速度连续，从而设计出运算精度更高，鲁棒性更好的激光雕刻机。高效率控制系统的研发将使雕刻加工水平大幅提升，通过应用改进的激光雕刻控制算法以及图像处理算法，能够让上位机更精确地控制下位机高效运行。由于目前国内自主研制的激光雕刻机性价比较低，相对国外产品的竞争能力较弱，因此开创具备高性能、低成本的雕刻机控制系统至关重要[4]。

　　激光加工技术在工业生产中有多种应用，其本质是将激光束聚集成光斑照射在物体表面，利用二者的相互作用进行加工。其中，激光切割是激光加工技术最成熟的应用，主要借助大功率激光束汇合于物体表面，将激光自身能量与化学反应热量传递给物体，使表面温度达到熔点，从而烧蚀并产生孔洞，随激光束在物体表面运动形成切缝。激光焊接是工业生产中最常用的技术，分为脉冲激光焊、热传导焊接和激光深熔焊，主要应用在汽车工业和钢铁行业等领域[10]。激光表面热处理是激光加工应用比例最大的一种，通过激光的热传导效应使工件表面温度急剧升高，在其内部仍处于冷却状况下撤离激光束，由于温差的关系，工件表面急速冷却并硬化，达到自身淬火的目的。

　　高速加工技术在数控生产领域占有重要地位，尤其在激光切割、激光雕刻等领域应用广泛，是提升机械加工效率以及设备产能的重要技术手段。插补技术是实现高速加工的重要方法，其原理是在各插补周期内利用多个小线段对图形形状进行描述，近似拟合出图形的轮廓曲线，实现了少量数据的密集化排列[11]。小线段插补技术作为激光雕刻机的必备加工方法，一直引发学者们的广泛关注，目前该技术仍存在的问题包括相邻线性路径间拐角处不能平滑过渡，短线段处加减速转换失灵，高运动状况下机床轴承连接干扰等[12]。

　　为解决小线段插补中的不足之处，学者们陆续提出了线性路径光顺、速度规划、参数曲线插补以及轴承间的速度优化等多种解决方法[13]。其中，对于方法内涉及到的速度前瞻控制模型、加减速控制算法和曲线拟合方法的研究日趋增多，李方等[14]在研究小线段插补方法过程中，应用非均匀有理 B 样条曲线拟合算法，实现了拐点的平滑过渡，但由于权因子的存在，计算量较大。学者 Han 等[15]最早将前瞻功能引入到高速加工方法中，分析了前瞻技术在连续小线段处理过程中有利于提高加工效率和精度。朱明等[16]对 S 型加减速控制深入研究，提出结合速度前瞻模型的算法改进，进一步减小了冲击力。

　　激光雕刻机控制系统图像处理：

中值滤波效果图像

二值化图像处理

大津单阈值图像分割

刀路生成界面

监控界面

目录

　　引 言
　　第 1 章 绪论
　　　　1.1 研究背景及意义
　　　　1.2 激光加工技术
　　　　　　1.2.1 激光加工原理
　　　　　　1.2.2 激光加工特点及应用
　　　　1.3 高速加工插补技术
　　　　1.4 激光雕刻机国内外研究现状
　　　　　　1.4.1 国外研究现状
　　　　　　1.4.2 国内研究现状
　　　　1.5 主要研究内容
　　第 2 章 激光雕刻机原理及设计方案
　　　　2.1 激光雕刻机原理
　　　　　　2.1.1 加工原理
　　　　　　2.1.2 外部结构
　　　　　　2.1.3 加工流程
　　　　2.2 控制系统设计要求
　　　　2.3 总体设计方案
　　　　　　2.3.1 系统的设计流程
　　　　　　2.3.2 系统的控制流程
　　　　　　2.3.3 激光雕刻机系统组成
　　　　2.4 本章小结
　　第 3 章 控制系统的硬件设计
　　　　3.1 核心控制器选型
　　　　　　3.1.1 STM32 硬件资源
　　　　　　3.1.2 FPGA 硬件资源
　　　　3.2 驱动器设计
　　　　　　3.2.1 步进电机驱动设计
　　　　　　3.2.2 激光驱动器设计
　　　　3.3 通信模块电路设计
　　　　　　3.3.1 控制器与 PC 连接
　　　　　　3.3.2 STM32 与 FPGA 连接
　　　　3.4 电源模块
　　　　3.5 激光雕刻机控制系统硬件调试平台
　　　　3.6 本章小结
　　第 4 章 控制系统的软件设计
　　　　4.1 驱动部分软件设计
　　　　　　4.1.1 步进电机驱动控制软件设计
　　　　　　4.1.2 激光器驱动控制软件设计
　　　　4.2 通信部分软件设计
　　　　　　4.2.1 控制器与 PC 机通信
　　　　　　4.2.2 STM32 与 FPGA 通信
　　　　4.3 小线段高速加工方法
　　　　　　4.3.1 非均匀 B 样条算法
　　　　　　4.3.2 S 型加减速算法
　　　　　　4.3.3 速度前瞻控制算法
　　　　　　4.3.4 实验设计与结果分析
　　　　4.4 本章小结
　　第 5 章 激光雕刻图像处理
　　　　5.1 激光雕刻图像格式
　　　　　　5.1.1 BMP 格式
　　　　　　5.1.2 PLT 格式
　　　　5.2 激光雕刻图像预处理
　　　　　　5.2.1 几何变换
　　　　　　5.2.2 中值滤波
　　　　　　5.2.3 二值化
　　　　　　5.2.4 最大类间方差阈值分割
　　　　5.3 上位机界面设计
　　　　　　5.3.1 G 代码生成
　　　　　　5.3.2 刀路生成界面与监控界面
　　　　5.4 本章小结
　　结 论
　　参考文献
　　致 谢
　　导师简介
　　作者简介
　　学位论文数据集

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