高能束激光束的激光雕刻机的分析探讨

【摘 要】 针对高能束激光束的激光雕刻机的分析探讨，介绍了激光雕刻机，如利用单片机控制的激光雕刻系统何利用不同控制方法的激光雕刻系统，探讨了激光雕刻机的控制系统设计，如激光雕刻机的控制器硬件总体设计、激光雕刻机的下位机的软件设计。

【关键词】 工控机 激光雕刻机 分析探讨

激光雕刻机是指用于雕刻各种材质包括有塑胶，竹木，玉石，皮革，布料，毛料等等非金属材料。（对于常规的CO2激光器的激光雕刻机都雕刻不了金属材料包括不锈钢，铜，铝，碳钢，铁，铝合金以及各种金属合金）的激光设备。激光雕刻机是高科技的工作机，它属于典型的光、机、电一体化产品，利用激光雕刻机可以实现工件界面的清扫、勾边、位图等不同的加工方式，由于激光雕刻机具有激光光笔与工件无接触的功能，因此不会划伤材料的表面，激光刀的切缝窄且光滑，加工效率高、精度好。使产品的精确度可以达到非常高的水平，激光雕刻机的功能，是任何手工和机械器械都无法超越的雕刻，同时激光雕刻机适应在任何材料的表面工作，例如，橡胶板、有机材料板或塑料板、皮革、织物等非金属材料，都可以利用激光雕刻机实现加工的目的，尤其是利用激光雕刻机广泛在印刷、模型制造、工艺广告制作等行业，更具有广阔的市场前景。显然，激光雕刻机在传统工业制造中将发挥显著的作用。

1 激光雕刻机工作原理

使用激光雕刻和切割，过程非常简单，如同使用电脑和打印机在纸张上打印。可以在Win98和Win2000或者WinXP等环境下利用多种图形处理软件，如CorelDraw等进行设计，扫描的图形，矢量化的图文及多种CAD文件都可轻松地“打印”到雕刻机中。唯一的不同之处是，打印将墨粉涂到纸张上，而激光雕刻是将激光射到木制品、亚克粒、塑料板、金属板、石材等几乎所有的材料之上使材料发生化学变化从而达到雕刻效果。

2 激光雕刻机的控制方式

2.1 利用单片机控制的激光雕刻系统

激光雕刻机的功能，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。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，可降低成本，可以利用工业花的到。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，若算法复杂，则雕刻速度较慢。

2.2 利用工控机控制的激光雕刻系统

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。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具体有。第一，可以实现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，这样就可以使成本降低，并且当加工文件下载到单片机后，PC就可以用于其它工作，也可以充分利用资源。也可以实现雕刻机的小型化。

3 激光雕刻机的控制系统设计

3.1 激光雕刻机的控制器硬件总体设计

激光雕刻机控制器硬件主要是串行通信电路、8031单片机、步进电机驱动电路、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。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，16K静态数据存储器芯片，32K电擦除可编程只读存储器芯片，译码器芯片，地址锁存器芯片，直流电源电路，单片机外围电路包括时钟电路，复位电路等。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、电瓶转换等。可采用单片机串行口工作方式，波特率设置为600b/s。由于RS232的逻辑电瓶对地是对称的，这与TTL、CMOS的电瓶不同。单片机采用的是TTL电瓶，驱动器与单片机的连接必须经过电瓶转换，这样才可以得到理想的效果。

3.2 激光雕刻机的下位机的软件设计

激光雕刻机的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。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。可见，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。

4 结语

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，运动部分采用进口直线导轨和高速步进细分电机；嵌入式电脑控制，DSP数字高速处理技术，脱机操作，人性化操作界面。文中选用二氧化碳激光管，输出选定的功率；当电源最高脉冲频率的聚焦透镜的焦距；反射镜；光学头行程确定后，就可完成对工件的雕刻工作。

参考文献：

[1]任萌萌，倪晓昌，王宣，等.基于CO_2激光加工机的木材雕刻工艺参数研究[J].天津职业技术师范大学学报.2012-12-28.

[2]田化，赵红利.宙斯M-300激光雕刻机在建筑模型制作过程中的应用[J].福建建筑，2011-08.