激光雕刻机控制系统设计

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作者：

孙征

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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.

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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

学位级别：

硕士

DOI：

CNKI:CDMD:2.1018.781286