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                        開發設計激光雕刻機控制系統

                        添加時間:2019/01/10 來源:華北理工大學 作者:孫征
                        為了發展國家新興產業,必須要改造傳統工藝方法,努力提高激光加工水平。激光雕刻是激光加工領域的一個重要分支,它能提高雕刻速度,避免人工參與雕刻的偶然誤差,減少環境污染等,因此對激光雕刻機的的研究尤為重要。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘要

                          針對激光雕刻機加工效率低和控制不精確等問題,提出了改進的激光雕刻機控制系統設計方案。對傳統的激光雕刻控制系統中小線段高速加工部分進行改進,提出了一種基于非均勻 B 樣條曲線插補算法和具有速度前瞻功能的 S 型曲線加減速算法相結合的連續小線段高速加工方法,有效增強整個系統的運算速度和插補精度。此外,針對不同的激光雕刻圖像格式,提出了兩種圖像雕刻方法,并且優化了激光雕刻的換行軌跡,提高了 G 代碼掃描速度。

                          對于傳統控制系統中只能依靠單片機控制驅動以及插補所帶來的雕刻速度慢的問題,提出加入 FPGA 協同 STM32 共同進行激光雕刻控制。為了合理分配控制任務,下位機主要通過 STM32 與 PC 機進行通信并完成插補計算,同時利用 FPGA控制步進電機驅動以及激光器電源的啟停?紤]到控制系統需要實時處理激光雕刻的問題,因此 PC 機通過 USB 接口與單片機連接,完成在線實時數據傳輸的任務,便于用戶隨時更改激光束功率設置參數。

                          通過非均勻 B 樣條算法將小線段進行擬合,結合離散的 S 型曲線加減速算法對雕刻速度進行規劃,并將速度前瞻模型應用到小線段轉折點處的速度規劃中,從而減小沖擊力并提高激光頭在拐點處的加工速度。對實際的插補過程設計實驗,結果表明,非均勻 B 樣條擬合曲線的弓高誤差小于插補參數的設定值,擬合結果準確;與傳統無前瞻功能的 S 型曲線插補算法相比,加入前瞻功能夠使進給速度明顯提升,因此改進的算法能夠幫助系統提高魯棒性和實時性。

                          對于 BMP 和 PLT 兩種格式圖像,提出對應的雕刻方法,通過改進激光頭的換行軌跡,滿足了激光加工過程中高速掃描 G 代碼的技術要求。為了使圖像在工件表面布局合理、雕刻清晰,分別利用幾何變換、二值化、中值濾波和最大類間方差閾值分割算法對圖像進行處理,通過實驗進行仿真驗證,并最終設計出上位機的刀路生成界面和監測界面。

                          關鍵詞:激光雕刻;STM32;非均勻 B 樣條曲線;速度前瞻;S 型加減速算法

                        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

                          隨著 20 世紀 60 年代激光的問世,激光加工技術被廣泛應用于各生產環節,已經逐漸成為工業生產領域不可或缺的一部分。目前國內非常重視激光領域的發展,企業制造的激光加工設備在市場上占據了較大比重,但其中部分產品的加工精度和使用功能仍不能滿足生產需求。為了發展國家新興產業,必須要改造傳統工藝方法,努力提高激光加工水平。激光雕刻是激光加工領域的一個重要分支,它能提高雕刻速度,避免人工參與雕刻的偶然誤差,減少環境污染等,因此對激光雕刻機的的研究尤為重要。由于激光雕刻機在設計過程中需要用到機械加工以及數字圖像處理等領域的技術,使得激光雕刻機具有多方面的提升空間。

                          目前越來越多的制造激光加工設備的廠家開始投入大量資金研究開發高性能的控制系統,學者們也陸續提出了更新穎、客觀的激光雕刻機設計方案,然而對于激光雕刻機下位機設計的創新能力亟待提高,一成不變的設計思路是阻礙該領域突破前進的主要因素。傳統的激光雕刻設備工作效率不高,響應外部請求的實時性較差,雕刻過程中數據的存儲能力不強,正是由于不準確性的存在會影響后續的激光雕刻效果,因此提高系統的運算處理能力和邏輯處理能力是改善設備精度的重要手段,對于激光雕刻機的研究具有很高的實用價值。

                          在設計激光雕刻機的過程中連續小線段的加工問題是影響加工效率的重要因素,小型激光雕刻機在我國多年來雕刻效果一直沒有得到改進,關鍵在于一直未改善位置反饋和校正系統,如何提高激光頭在銜接處的運動速度以及優化雕刻換行軌跡是研究該系統控制環節的重點。通過應用非均勻 B 樣條曲線和 S 型加減速算法,提高了連續小線段處的工作效率,從而解決了激光頭頻繁啟停對系統沖擊較大的問題。激光雕刻機的上位機設計需要考慮到圖形、圖像的刻畫,將數字圖像處理技術用于圖像編輯過程中,融合現代通信技術和圖像采集方法,運用圖像的縮放以及二值化處理,可研制出一套基于圖像識別的高效準確的圖形雕刻控制系統。通過改進激光雕刻機的設計,有利于提高激光雕刻效率,對于企業獲得較好經濟效益有所裨益。

                          伴隨工業自動化水平的不斷提高,傳統雕刻工藝技術已經不能滿足工業生產需求,新型的雕刻方法亟待提出。20 世紀 70 年代初,激光開始被引入到工業制造領域,用于簡單的平板印刷,到 90 年代初,國內成功利用激光在一般非金屬材料上進行雕刻,并且研制出大功率激光切割器[1]。與傳統雕刻技術相比,激光雕刻的工作速度快,準確度高,污染程度小,更適合大規模的工業生產。受自身特性的影響,激光雕刻通常適合在陶瓷、木制品以及亞克力等非金屬材料上進行工藝操作,同時廣泛應用于廣告裝飾、模型制作和印刷包裝等行業[2]。由于我國加工產業正向創新方向轉變,激光雕刻具有良好的發展前景,因此在市場經濟指導下激光技術的改進應用呈現迅猛發展的趨勢。

                          激光雕刻屬于激光切割的組成部分,利用了激光熱加工原理,是一種提高生產加工效率的重要技術手段,廣泛應用于各領域中,因此對激光加工技術的研究尤為重要。在激光雕刻過程中優化連續小線段加工方法,是提升雕刻效率的關鍵因素之一[3]。通過改進速度前瞻算法和數據采樣插補算法,可以使進給速度變化穩定,同時保證連續小線段交界處的速度連續,從而設計出運算精度更高,魯棒性更好的激光雕刻機。高效率控制系統的研發將使雕刻加工水平大幅提升,通過應用改進的激光雕刻控制算法以及圖像處理算法,能夠讓上位機更精確地控制下位機高效運行。由于目前國內自主研制的激光雕刻機性價比較低,相對國外產品的競爭能力較弱,因此開創具備高性能、低成本的雕刻機控制系統至關重要[4]。

                          激光加工技術在工業生產中有多種應用,其本質是將激光束聚集成光斑照射在物體表面,利用二者的相互作用進行加工。其中,激光切割是激光加工技術最成熟的應用,主要借助大功率激光束匯合于物體表面,將激光自身能量與化學反應熱量傳遞給物體,使表面溫度達到熔點,從而燒蝕并產生孔洞,隨激光束在物體表面運動形成切縫。激光焊接是工業生產中最常用的技術,分為脈沖激光焊、熱傳導焊接和激光深熔焊,主要應用在汽車工業和鋼鐵行業等領域[10]。激光表面熱處理是激光加工應用比例最大的一種,通過激光的熱傳導效應使工件表面溫度急劇升高,在其內部仍處于冷卻狀況下撤離激光束,由于溫差的關系,工件表面急速冷卻并硬化,達到自身淬火的目的。

                          高速加工技術在數控生產領域占有重要地位,尤其在激光切割、激光雕刻等領域應用廣泛,是提升機械加工效率以及設備產能的重要技術手段。插補技術是實現高速加工的重要方法,其原理是在各插補周期內利用多個小線段對圖形形狀進行描述,近似擬合出圖形的輪廓曲線,實現了少量數據的密集化排列[11]。小線段插補技術作為激光雕刻機的必備加工方法,一直引發學者們的廣泛關注,目前該技術仍存在的問題包括相鄰線性路徑間拐角處不能平滑過渡,短線段處加減速轉換失靈,高運動狀況下機床軸承連接干擾等[12]。

                          為解決小線段插補中的不足之處,學者們陸續提出了線性路徑光順、速度規劃、參數曲線插補以及軸承間的速度優化等多種解決方法[13]。其中,對于方法內涉及到的速度前瞻控制模型、加減速控制算法和曲線擬合方法的研究日趨增多,李方等[14]在研究小線段插補方法過程中,應用非均勻有理 B 樣條曲線擬合算法,實現了拐點的平滑過渡,但由于權因子的存在,計算量較大。學者 Han 等[15]最早將前瞻功能引入到高速加工方法中,分析了前瞻技術在連續小線段處理過程中有利于提高加工效率和精度。朱明等[16]對 S 型加減速控制深入研究,提出結合速度前瞻模型的算法改進,進一步減小了沖擊力。

                          激光雕刻機控制系統圖像處理:

                        中值濾波效果圖像
                        中值濾波效果圖像

                        二值化圖像處理
                        二值化圖像處理

                        大津單閾值圖像分割
                        大津單閾值圖像分割

                        刀路生成界面
                        刀路生成界面

                        監控界面
                        監控界面

                        目錄

                          引 言
                          第 1 章 緒論
                            1.1 研究背景及意義
                            1.2 激光加工技術
                              1.2.1 激光加工原理
                              1.2.2 激光加工特點及應用
                            1.3 高速加工插補技術
                            1.4 激光雕刻機國內外研究現狀
                              1.4.1 國外研究現狀
                              1.4.2 國內研究現狀
                            1.5 主要研究內容
                          第 2 章 激光雕刻機原理及設計方案
                            2.1 激光雕刻機原理
                              2.1.1 加工原理
                              2.1.2 外部結構
                              2.1.3 加工流程
                            2.2 控制系統設計要求
                            2.3 總體設計方案
                              2.3.1 系統的設計流程
                              2.3.2 系統的控制流程
                              2.3.3 激光雕刻機系統組成
                            2.4 本章小結
                          第 3 章 控制系統的硬件設計
                            3.1 核心控制器選型
                              3.1.1 STM32 硬件資源
                              3.1.2 FPGA 硬件資源
                            3.2 驅動器設計
                              3.2.1 步進電機驅動設計
                              3.2.2 激光驅動器設計
                            3.3 通信模塊電路設計
                              3.3.1 控制器與 PC 連接
                              3.3.2 STM32 與 FPGA 連接
                            3.4 電源模塊
                            3.5 激光雕刻機控制系統硬件調試平臺
                            3.6 本章小結
                          第 4 章 控制系統的軟件設計
                            4.1 驅動部分軟件設計
                              4.1.1 步進電機驅動控制軟件設計
                              4.1.2 激光器驅動控制軟件設計
                            4.2 通信部分軟件設計
                              4.2.1 控制器與 PC 機通信
                              4.2.2 STM32 與 FPGA 通信
                            4.3 小線段高速加工方法
                              4.3.1 非均勻 B 樣條算法
                              4.3.2 S 型加減速算法
                              4.3.3 速度前瞻控制算法
                              4.3.4 實驗設計與結果分析
                            4.4 本章小結
                          第 5 章 激光雕刻圖像處理
                            5.1 激光雕刻圖像格式
                              5.1.1 BMP 格式
                              5.1.2 PLT 格式
                            5.2 激光雕刻圖像預處理
                              5.2.1 幾何變換
                              5.2.2 中值濾波
                              5.2.3 二值化
                              5.2.4 最大類間方差閾值分割
                            5.3 上位機界面設計
                              5.3.1 G 代碼生成
                              5.3.2 刀路生成界面與監控界面
                            5.4 本章小結
                          結 論
                          參考文獻
                          致 謝
                          導師簡介
                          作者簡介
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