1、激光雕刻机实验平台5.1 概述5.1.1 数控雕刻机平台简介 数控雕刻机是数控技术和雕刻工艺相结合的产物，是一种专用的数控机床。数控雕刻机通过数控系统根据程序代码控制雕刻机动作，实现雕刻加工的自动化。具有生产效率高、加工精度高、成品率高、对零件的适应性强等显著优势；借助于专用的雕刻 CAD/CAM 软件系统，加工控制程序生成快捷、修改方便。数控雕刻机现已成为实现雕刻加工自动化、高效率、高精度的有效手段，广泛应用于机械工业、广告传媒、日常消费以及建筑装潢等众多领域。5.1.2 激光雕刻机加工的优势 1.范围广泛：二氧化碳激光几乎可对任何非金属材料进行雕刻切割并且价格低廉；2.安全可靠：采用非接触
2、式加工，不会对材料造成机械挤压或机械应力，没有“刀痕”，不伤害加工件的表面；不会使材料变形；3.精确细致：加工精度可达到 0.02mm；4.节约环保：光束和光斑直径小，一般小于 0.5mm；切割加工节省材料，安全卫生；5.效果一致：保证同一批次的加工效果完全一致；6.高速快捷：可立即根据电脑输出的图样进行高速雕刻和切割；7.成本低廉：不受加工数量的限制，对于小批量加工服务，激光加工更加便宜。5.2 激光雕刻机机械系统设计 5.2.1 激光雕刻机的总体方案设计 1.激光雕刻机工作原理 通过计算机内配置的专用雕刻软件进行设计和排版，并由计算机把设计与排版的信息自动传送至雕刻机控制器中，再由控制器把
3、这些信息转化成能驱动步进电机或伺服电机的带有功率的信号（脉冲串），控制雕刻机主机生成X，Y，Z 三轴的雕刻走刀路径。同时，雕刻机上的激光器按加工材质的不同配置不同的功率段，对固定在主机工作台上的加工材料进行切削，即可雕刻出在计算机中设计的各种平面或立体的浮雕图形及文字，实现雕刻自动化作业。2.激光雕刻机总体设计方案 设计一种操作简单、性能优越、经济实用、能达到一定精度，并且能应用于激光雕刻的三轴运动平台。项目参数单位滚珠丝杠最高转速n3000r/min最大进给速度 15000mm/min工作台总行程（X）250mm工作台总行程（Y）200mm工作台总行程（Z）150mm最大负载100N工作台重
4、量W33.2KG定位精度 c0.02mm重复定位精度 a0.01mm脉冲当量0.01mm使用寿命 15000hfv hL3.激光雕刻机构型选择（1）龙门移动结构 龙门移动结构是指整个龙门架随着 X 轴方向进行移动，而工件是固定在工作台上的。优点：由于工件台是固定的，因此可以加工大尺寸与大重量的工件，而不必担心与雕刻机的能力有冲突；X 轴行进方向利用率高，可以加工到整个X 轴的行程范围；Y 轴上可以使用相同的驱动电机，而Z 轴上由于承载的重量最小，可以使用驱动能力小一些的电机。这种结构非常稳定，而且平衡性好。缺点：X 轴需要承受Y、Z 轴的所有重量，因此对X 轴的承重能力要求较高。对主轴的要求很
5、高，主轴的噪声与振动会传导至雕刻机，从而会引起整个雕刻机的振动，X 与Y 轴的误差也会不断累积。（2）固定龙门结构 固定龙门结构是指整个龙门架与机架底座是固定的，工件在 X 轴方向随工件台一起运动。优点：X 与Y 轴的误差不会累积，这样可以提供一个较高的加工精度。缺点：工件需要随工件台移动，工件的重量与尺寸受 X 轴结构的限制，X 轴行程总长的一半可以被使用，因此对X 轴的利用率低。（3）十字滑台结构 十字滑台结构的X 轴与Y 轴成正十字交错放置，这类结构一般用于金属材料精密加工，优点：加工精度高，能够使用大尺寸高功率的主轴而不需要担心主轴的振动会影响到加工的精度与质量。缺点：X 轴在移动过程
6、中是不平衡的，尤其是行程的极限位置；工件在加工时一直在运动；机器的稳定性对结构的强度要求很高；有效工作范围比较小。龙门移动结构X 轴需要承受Y、Z 轴的所有重量，因此对X 轴的承重能力要求较高，X 与Y 轴的误差会不断累积；固定龙门结构工件需要随工件台移动，工件的重量与尺寸受 X 轴的结构的限制，X 轴行程总长的一半可以被使用对 X 轴的利用率低；十字滑台结构最主要的优点是能够使用大尺寸高功率的主轴而不需要担心主轴的振动会影响到加工的精度与质量，能够达到最好的加工精度。综合考虑本文激光雕刻机的设计指标，十字滑台的构型能够满足本书设计的小型激光雕刻机的要求，所以选择十字滑台结构。5.2.2 激光
7、雕刻机部件选型 1.机械传动系统设计计算（1）传动方案的选择 皮带传动 皮带传动是由主动轮、从动轮和张紧在两轮上的皮带所组成。由于张紧作用，在皮带和皮带轮的接触面间产生了压紧力，当主动轮旋转时，借摩擦力带动从动轮旋转，这样就把主动轴的动力传给从动轴。皮带传动分为平带传动和三角带传动。齿轮传动 齿轮传动是由分别安装在主动轴及从动轴上的两个齿轮相互啮合而成。特点：能保证传动比稳定不变；能传递很大的动力；结构紧凑、效率高；制造和安装的精度要求较高；当两轴间距较大时，采用齿轮传动就比较笨重。链传动 特点：能保证较精确的传动比（和皮带传动相比较）；可以在两轴中心距较远的情况下传递动力（与齿轮传动相比）；
8、只能用于平行轴间传动；链条磨损后，链节变长，容易产生脱链现象。链条传动主要用于传动比要求较准确，且两轴相距较远，而且不宜采用齿轮的地方。链传动的传动比计算与齿轮传动相同。蜗轮蜗杆传动 蜗轮蜗杆传动用于两轴交叉成 90 度，但彼此既不平行又不相交的情况下，通常在蜗轮传动中，蜗杆是主动件，而蜗轮是从动件。螺旋传动 螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的，主要用于将回转运动变为直线运动，同时传递运动和动力。传力螺旋 以传递动力为主，要求以较小的转矩产生较大的轴向推力，用于克服工作阻力。如各种起重或加压装置的螺旋。这种传力螺旋主要是承受很大的轴向力，每次工作时间较短，工作速度也不高 传导
9、螺旋 以传递运动为主，有时也承受较大的轴向载荷。如机床进给机构的螺旋等。传导螺旋主要在较长的时间内连续工作，工作速度较高，因此，要求具有较高的传动精度。调整螺旋 以调整、固定零件的相对位置为主。如机床、仪器、及测试装置中的微调机构的螺旋。调整螺旋不经常转动，一般在空载下调整。液压传动 液压传动的基本原理是在密闭的容器内，利用有压力的油液作为工作介质来实现能量转换和传递动力，主要利用帕斯卡原理。u皮带在工作中有滑动，故不能保持精确的传动比。外廓尺寸大，传动效率低，皮带寿命短；u齿轮制造和安装的精度要求较高，当两轴间距较大时，采用齿轮传动就比较笨重；u链条只能用于平行轴间传动且磨损后，链节变长，容
10、易产生脱链现象；u蜗轮蜗杆传动的价格较高，效率低；u液压传动对维护要求较高，对液压元件制造精度要求较高，工艺复杂，成本较高，维修较复杂。选用螺旋传动中的滚珠丝杠副传动。滚珠丝杠副传动结构简单、制造方便、摩擦小、传动效率高、起动力矩小、传动灵活、平稳、工作寿命长等优点。（2）滚珠丝杠副受力分析及选型计算 滚珠丝杠是一种由丝杠和螺母之间以滚珠为滚动体的螺旋传动机构，通常由滚珠丝杠、滚珠螺母、滚动体即滚珠及滚珠返回装置组成。滚珠丝杠是一种高效进给丝杠，其滚珠在丝杠轴与螺母之间滚动。滚珠螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放入适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。丝杠传动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动。设丝杠的自由
11、弯曲变形量为 0，受光杠约束后丝杠的弯曲变形量为。根据材料力学知识，丝杠的弯曲变形量为 EIlblFbbbllEIlblFb36222220式中：E丝杠弹性模量；l为丝杠的弯曲惯量矩；F为导轨对丝杠的作用力；0223blbEIlF 滚珠丝杠在载荷的作用下，滚珠分别与丝杠滚道面、螺母进行双接触，传递载荷并产生接触变形。接触变形对滚珠丝杠副的基础疲劳和磨损有重要的影响，在很大程度上决定着滚珠丝杠副的寿命。由于接触面很小，接触应力也就相当高。1丝杆2滚道3螺母4滚珠 滚珠丝杠副在轴向载荷的作用下，滚珠和滚道的接触面产生一定的弹性变形。确定滚珠丝杠的导程hPmmminvPxh5300015max v
12、X 轴向快速进给速度，取 15m/min;i传动比，电机与滚珠丝杠副直联时，i 取1;nxmax 驱动电机最高转速 3000r/min；滚珠丝杠副的载荷及转速计算 根据机械设计手册，查得滚动导轨承重时的滑动摩擦系数最大为 0.004，静摩擦系数与摩擦系数差别不大，此处计算取静摩擦系数为0.006。则导轨静摩擦力：NNMgF8.11030006.000式中：0静摩擦系数。M 工件及工作台质量，经计算M 约为 30kg。由于该设备主要用于检测，丝杠工作时不受切削力，检测运动接近匀速，其阻力主要来自于导轨、滑块的摩擦力。则有：min3000005.025.06060minmaxrPhvnnnmax滚
13、珠丝杠副最高转速 nmin滚珠丝杠副最低转速 NFFF8.10minmax滚珠丝杠副的当量载荷：NFFFFm8.1320minmax滚珠丝杠副的当量转速：min30002minmaxrnnnm式中：Fmax滚珠丝杠副受最大轴向力；Fmin滚珠丝杠副受最小轴向力；确定预期额定动载荷 按滚珠丝杠副的预期工作时间计算：NfffFLnCcawmhmam046.251110018.1150003000601006033式中：Lh 预期工作时间，测试机床选择 15000 小时；fw负荷系数，平稳无冲击选择 fw=1；fa 精度系数，2 级精度选择 fa=1；fc 可靠性系数，一般选择 fc=1。按滚珠丝杠
14、副的预期运行距离计算：NfffFPhLsCcawmam4042.71118.1534833式中：Ls 预期运行距离，一般选择=348mm。根据计算结果，选取较大值为滚珠丝杠副的预期额定动载荷，即取预期额定动载荷25.0646N。确定滚珠丝杠最小螺纹底径d2 估算滚珠丝杠的最大允许轴向变形量mmmcmmamm004.041310025.04131式中：a 重复定位精度，0.01；c 定位精度，0.02。取m=0.002mm 滚珠丝杠安装方式为轴向两端固定，则有滚珠丝杠螺纹底径2：mLFd1000039.002式中：L滚珠螺母至滚珠丝杠固定端支承的最大距离，L=348mm。mmmmd6902.00
15、2.010003488.1039.02确定滚珠丝杠副预紧力FPNNFFmp6.038.131确定滚珠丝杠副规格代号 按照丝杠Ph、d2m、Cam 选择滚珠丝杠型号为SFU1605-4。丝杠基本导程Ph=5mm，丝杠底径d2m=14mm0.6902mm，公称直径d=16mm，额定动载荷Ca=780NCam，额定静载荷C0a=1790N。满足设计计算要求，继续进行下一步校核。滚珠丝杠校核滚珠丝杠稳定性计算 式中：Fc压弯临界载荷；m与丝杠支撑方法有关的临界载荷系数；Lc1 丝杠最长受压长度，348mm。max4214210FLdmFcc支撑方法fm双推双推双推支撑单推单推双推自由21.915.19
16、.73.420.310.25.11.3NFNNFc8.19255.3235510348142.10max422式中：f 支承系数，取 15.1；Lc2 丝杠临界转速计算长度=348mm。滚珠丝杠极限转速计算 721210ccLfdn300007.1745610348141.1510max727212nLfdnccd0nmax值校核mmmmnd50004800300016max0轴向额定静载荷C0a校核 asCFf0max式中：fs 静态安全系数，一般取12，有冲击及振动时取 23，这里取 2；使用条件的下限值一般运动伴随有冲击与振动的运动1223sfNCNFfas17906.38.120max
17、滚珠丝杠副精度校核 2223221046.6104blbldblblEdK式中：K轴向抗拉（抗压）刚度；E滚珠丝杆弹性模量，取2.1x105 N/mm2；l两固定支承之间的距离，348mm；b为滚珠螺母至固定支承的距离，当 b=l/2=174mm 时,刚度最小，当滚 珠螺母在行程两端处刚度最大。当导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中b 值分别约为340mm 和174mm，则：222322max618.41378340410348146.6104mmNblblEdK222322min724.37134834810348146.6104mmNblblEdK 滚珠丝杠螺母的接触刚度为 K
18、C=2095N/mm2，滚珠丝杠轴承轴向接触刚度KT=1180N/mm2，算得最大机械传动刚度：TCKKKK1111minmax02max0066.249mmNK机械传动装置所引起的定位误差：mmKKFK0044.011max0min00 选用的滚珠丝杠为 1 级滚珠丝杠，要求滚珠丝杠在任意300mm 行程变动量 V300P+k300mm（目标设定值）。定位精度值(V300P=0.006mm)。该滚珠丝杠可以满足由于传动刚度所引起的定位误差。选择丝杠型号为 SFU1605-4，公称直径 为16mm，导程为5mm。（3）导轨的选型 选用圆柱直线导轨作为工作台导向系统，其上有滑块和两根光杠作为支撑
19、，保证工作台能够承受较大径向载荷。导轨型号为SBR20-1000L，光杠直径为 14mm。（4）驱动机构选择及伺服电机选型 采用交流伺服电机作为激光雕刻机各轴的动力装置。交流伺服电机运行可靠，精度高，是机电设备中的常用动力装置。采用了日本富士交流伺服电机，并且为了提高设备精度，配置了增量式编码器作为反馈装置，使电机能够形成闭环控制。电机直接输出转矩可以满足设计要求，故没有为每个轴单独配置减速器。模型导入ADAMS 仿真 激光雕刻机总重量为 33.2kg，各轴最大移动速度为 0.25m/s，滚珠丝杠转一圈平台在轴方向上移动5mm。所以，电机最高转速为 50r/s。电机的选型（以 X 轴为例进行电
20、机选型计算）a.工作时间的确定 由于电机最大转速为 3000r/min，所以电机轴的最大角速度w 为18000/s。设 X 轴电机角速度w 从0 加速到18000/s，所用时间tA 为 0.3s(由经验可得)。b.负载力矩的确定起动时峰值力矩=47.35Nmm匀速运转时力矩=0.59Nmm停止时峰值力矩=47.55Nmm冲击系数FS 2=1.5 c.电机参数计算 S 关节加速时平均输入转速为nA，减速时平均输入转速为nB，减速时间tB（取0.3s）,匀速运转时输入转速为nR，匀速时间tR（取0.1s）设nA=nB=nR/2，其中nR=3000r/min（预选电机额定转速）。平均输入转速：min
21、29.17147.030001.015003.015003.00rtntntntnRRBBAAE电机轴上的总当量负载转动惯量MJJJJ21总丝杠的转动惯量32401ldJ其中，为丝杠密度取7.8 103kg/m3，d 为丝杠的等效直径取16 103m，l 为丝杠长度取l=0.348m。254334011075.132348.01016108.714.332mkgldJ 工作台、工件、夹具、支承座等折算到电机轴上的转动惯量25-6-622101.2102.3314.325102mkgmPJh总电机转子的转动惯量25105.2mkgJM25211035.6mkgJJJJM总d.电机轴转矩计算空载启
22、动时，电机轴上的惯性力矩：tPVJThjmax2总式中，t电机加、减速时间（s），t=0.1s；p丝杠导程（m），p=0.005m；Vmax工作台快进速度（m/s），Vmax=0.25 m/s；传动比，=1。mNtPVJThj1996.02max总电机轴上的当量摩擦转矩（工作台及工件重量引起）:式中：伺服传动链的总效率，可取 0.8。mhFPT2mNFPTmh0018.02因丝杠副预紧力引起的电机轴上的附加摩擦转矩:设预紧力为最大轴向载荷的 1/3，则 200132mhFPT式中，0滚珠丝杠螺母副未预紧时的传动效率（取0.9）。mNFPTmh000114.0132200空载启动时电机轴上的最大
23、静转距：mNTTTTjq2015.00所选取的伺服电机的最大静转距 Ts 需满足：mNTTqs23.0866.0e、电机输出功率计算 电机的功率P 为：式中：T 电电机转矩；电机转速。WTP22.7230006023.02电X 轴：日本富士GYS401D5-RC2+RYH401F5-VVT2 Y 轴：日本富士GYS401D5-RC2+RYH401F5-VVT2 Z 轴：日本富士GYS401D5-RC2-B+RYH401F5-VVT2（带制动）XYZ轴额定功率额定转速额定扭矩X轴Y轴Z轴400W400W400W3000r/min3000r/min3000r/min1.27Nm1.27Nm1.27
24、Nm（5）联轴器及轴承选型 联轴器的选型 电机经过联轴器直接与丝杠联接，进给传动系统的传动精度和传动刚度较高，使机械结构简单，所以选择联轴器作为丝杠和电机之间的连接零件。常用的精密联轴器有：弹性联轴器，膜片联轴器，螺纹线联轴器，滑块联轴器，梅花联轴器以及刚性联轴器等。螺纹线联轴器轴承的选型 设计滚珠丝杠支承的安装采用固定-支承式，轴承主要承受轴向载荷，所以固定端选用角接触球轴承，支持端选用深沟球轴承。角接触球轴承选择型号为7001C轴承额定动载荷Cr为5.80KN额定静载荷Cor为2.95KN。5.2.3 激光雕刻机三维建模 1.X 轴装配图2.Y 轴装配图3.Z 轴装配图4.激光雕刻机整机装
25、配模型（640590540mm）5.激光雕刻机整机结构实物图5.3 激光雕刻机硬件控制系统设计5.3.1 控制系统总体方案设计1.控制方式选择（1）单PC 机集中式 用一台功能较强、配置较高的计算机来实现雕刻机全部功能的运动控制。控制结构比较简单，主要应用于早期的雕刻机运动控制，由于在控制的过程中需要大量的计算，因此控制速度较慢。（2）集中式 由一级计算机和二级计算机组合进行控制的。在控制系统中一级计算机（上位机）为控制系统主机，负责控制系统中系统管理、控制系统语言的编译以及人机接口功能，同时利用它强大的计算能力来实现数据的输入和运动参数的设定等工作，并将一些数据输送到公共内存当中。控制系统中
26、的二级计算机（下位机）负责位置的数字控制。具有很好的实时性，适用于要求高精度、高速度的控制系统。（3）分布式 上位机完成整个控制系统中的管理、运动学计算以及轨迹规划等工作。下位机由多个CPU 组建而成，其中每一个CPU 负责一个关节的运动控制，在整个控制系统中主控机与下位机 CPU 之间是通过总线的形式进行通讯的。CPU 承担的固定任务。有效的提高控制器的工作速度和控制性能，控制系统的设计难度增大。雕刻机控制系统采用集中式控制方式。采用伺服电机编码器反馈的半闭环控制方案。2.控制系统硬件方案确定（1）单片机控制 优点是经济性高、控制系统成本相对较低。缺点是单片机容易受到控制板的制造工艺、结构布
27、局以及各元器件的干扰，从而导致故障率较高，而且扩展性差，对周围环境依赖性较强、开发周期较长。（2）PLC 控制 优点是具有较强的抗干扰能力，从而使它的故障率相对较低，设备的扩展相对容易，方便维修、产品开发周期也较短。缺点是使用PLC 控制相对较复杂的运动控制时，运动程序编程比较麻烦。（3）运动控制卡 优点是将运动控制卡与PC 机配合，利用下位机的运动控制卡运算速度快、实时性好，可实现多轴运动控制的特点，再加上上位机PC 机可以处理大量数据并由运动控制卡迅速的去执行，可以达到控制反应时间短、控制精度高的效果。控制系统总体方案确定是主从式二级控制，采用上位机PC 机+下位机运动控制卡的方案。控制系
28、统结构图 5.3.2 控制系统硬件设计1.运动控制卡的选择 定义：可编程器件和高性能的微处理器组合来控制多个电机协调运动的控制单元。开放体系的结构：1、CNC+PC 主板，将PC 主板插入传统的CNC机器中，PC 主板主要运行非实时控制，CNC 主要用来做以运动控制为主的实时控制；2、PC+运动控制卡，在 PC 机中标准总线槽中插入运动控制卡用来做实时控制。Clipper PMAC 运动控制卡（1）运动控制功能 运算速度快 数据精度高 内置丰富优秀的插补算法 良好的通用性 灵活、简练的运动程序语言 优良的伺服控制算法（2）过程控制功能（PLC 逻辑顺序控制）运算速度快可容纳程序量大程序语言简单
29、易操作模块化管理（3）数据交换功能及开放的接口功能完善的动态链接库简单易用的专用控件（4）硬件扩展功能、适用性及灵活性多卡链接可以控制多达 128 轴同时运动；不同的附件和选项来发送不同的控制信号，控制不同的电机；不同的附件和选项来接收不同类型传感器的不同反馈信号；附件和选项来提升系统的各项功能，满足一些特殊要求。（5）硬件结构特点 控制卡拥有数字处理CPU，大容量的存储介质包括EPROM，SRAM 以及闪存等，数据地址总线为 48 位线宽，通讯方式有总线、串口、双端口 RAM 以及光缆等，由专用的伺服控制芯片（门阵列芯片）控制各种伺服电机的运动及接受编码器的反馈。上位机通过动态链接库及虚拟设
30、备驱动程序同PMAC 卡进行通讯。（6）软件控制特点 PMAC 卡包含一种控制参数 I 参数、三种用户变量 M、P、Q。对 I 参数的设置来配置系统的功能，是系统中非常重要的部分；M 变量是用户自己定义的，指向 PMAC卡中的某一内存或寄存器地址，用户通过它来间接访问PMAC 卡上的几乎所有资源；P 变量、Q 变量由用户随意使用，为 48 位浮点变量，两种变量的区别在于P 变量是全局变量，Q 变量是坐标系内部变量（该卡支持多达 16 个坐标系）。I 参数系统级别：设置卡的工作运行方式，系统级别I 参数在 100 号以内即I0I99，如参数 I5用来控制 PMAC 中的 PLC 程序是否运行，I
31、5=2 时表示开机后 PLC 自动运行，I5=0 时表示开机后PLC 不运行，需要手动指令使PLC 运行。其它参数可以控制诸如卡的报错方式、伺服中断周期、串行通讯方式、缓冲区的开关及工作方式等。通道级别：针对每一个电机的不同要求而需要设置的参数。卡上的每一个通道代表所要控制的每一路电机，必须针对电机的不同情况进行设置。（7）运动及加工程序、数控编程 PMAC 控制器的运动程序编制是利用一套类似于 BASIC 的高级语言实现的，它很容易学习和掌握。在上位机直接编辑，运行时下载到PMAC 卡中（也可以实时下载），键入命令就可以执行。（8）上位机接口编程 为了实现 PMAC 同上位机之间的数据交换功
32、能，PMAC 为用户提供了计算机底层的驱动程序和接口函数（以动态链接库的形式），用户通过高级语言如 VC、VB、DELPHI 等编程调用这些函数来实现上位机和PMAC 之间的通讯。2.上位机设备选择 工业生产中上位机通常使用的是专门的控制计算机，称为工控机，具有很高的运算速度，并且有很好的稳定性。3.驱动器参数设置 交流伺服驱动器通过内部的整流滤波电路，先将三相电或单相电转变为直流电，再通过逆变和变频变成三相正弦波来驱动三相同步电机工作。（1）PA1-01 号（控制模式切换）0位置控制 1速度控制 2转矩控制、3位置/速度控制 4位置/转矩控制 5速度/转矩控制（2）PA1-03 号（输入脉冲
33、形式）0脉冲+方向 1正/反双路脉冲 2相位差90 度的双路脉冲4.控制系统电路图设计 X 轴伺服电机接线图 限位原点接线图指示灯接线图轴运动接线图激光器接线图项目参数供电需求三线AC220V 1kVA总机容量300W环境温度040，保存时：-1040环境湿度3585%RH，保存时：3585%RH其他要求工作室应清洁无粉尘，严禁吸烟5.控制系统硬件平台搭建序号名称参数1供电电压AC220 50Hz与AC200V 50Hz2供电电流10A3主控制器Turbo Clipper Pmac 4轴板卡4伺服单元富士伺服驱动5转接板SS116工作环境温度045摄氏度，湿度2080%RH激光雕刻机控制柜的电
34、气参数 控制柜操作面板布局图 控制系统电气实物图5.3.3 激光雕刻机的 PID 参数整定 PMAC 运动控制卡提供了一个 PID 位置环的伺服调节器，PMAC 的PID 是由各个I 变量的设置来实现，可以通过适当改变关于PID 的I 变量，让系统能够达到较好的响应速度以及较高的精度。PMAC Tuning 软件来调节机器人各关节伺服电机PID 参数。PMAC Tuning 可以通过设置相关参数，让电机按照阶跃和抛物线指令运动，然后采集电机实际的位置，绘制成PID 响应曲线图和跟随误差曲线图。PMAC Tuning 的软件界面 调节伺服电机的 PID 特性时，需要让电机工作在闭环模式下。调节
35、PID 分成两步，第一步先用阶跃信号调节系统的响应，第二步是使用正弦信号调节跟随误差。选择阶跃响应 Position Step 方式调节响应。步长设置为 1000 脉冲计数，时间设置为500 毫秒，调节比例增益 Kp=700的值。曲线响应太慢，上升时间为0.370s，需要增大比例 Kp 的值。不断增大比例项 Kp 的值，得到较小的响应时间。曲线的上升时间为 0.064s，但是超调量过大，即根据反馈值得到的曲线的峰值超出指令值过多。应加入微分增益 Kd=4000。超调量减小了，继续不断调整微分项得到反馈曲线更接近指令曲线的图形。Parabolic 调节跟随误差。Parabolic 模式是让伺服电
36、机按照抛物线速度曲线运行一段位移，PMAC 采集反馈值并计算出在运动过程中的跟随误差。在运动过程中跟随误差的最大值为 480 个 cts，误差随着速度的增大而增大。跟随误差应该满足在数轴的上下两侧分布，而和电机的运动速度无关。减小跟随误差首先增加速度前馈项 Kvff=14000。继续调整Kvff 的值，减小跟随误差，跟随误差的最大值为 60cts，已经达到比较低的跟随误差。继续减小跟随误差，可以加入加速度前馈，即增大 Kaff。跟随误差已经控制在 22cts 之内，最后再加入摩擦前馈增益 IX68=8。通过电机反馈得到的速度曲线和指令速度曲线基本重合。电机的跟随误差在0 的上下波动，并且跟随误
37、差控制在12cts 以内。5.4 激光雕刻机软件控制系统设计 控制系统软件主要负责调用 PMAC 运动控制卡来实现激光雕刻机的运动和激光器的开关及其功率大小的控制，包括：从 TTF 字库中提取汉字、提取汉字轮廓、生成G 代码、控制激光器和雕刻机。为了提高程序的可维护性，降低开发难度以及提高兼容性。控制系统软件的开发使用VC+编程语言，开发环境使用微软的 Microsoft Visual C+6.0。5.4.1 激光雕刻机控制系统软件总体结构从 TTF 字库中提取汉字，将提取的汉字生成 BMP 图像，并对其做镜像处理。提取汉字的轮廓，生成 G 代码，控制雕刻机的运动和激光器的开关雕刻空心汉字。或
38、者不提取汉字的轮廓，生成G 代码，控制雕刻机的运动和激光器的开光雕刻实心汉字。5.4.2 矢量字库中字体的存储格式及矢量字体的提取 目前使用最广泛的矢量字库有两种，一种是早期的 UCDOS 操作系统中的矢量汉字库；另一种是Windows 操作系统中的 True Type 矢量汉字库。字库中的数据都是经过压缩的，数据码与控制代码压缩混合在一起。1.DOS 系统中矢量汉字库的分析 在这种矢量字库中，每个汉字都是以 128128 单位坐标字距的矢量数据表达。汉字索引表 索引表中存放的是某汉字的矢量数据在字库文件中的偏移量，以及该汉字矢量数据的长度。每个汉字索引数据占6 个字节，其格式为：前 4 个字
39、节为汉字的矢量数据在文件中的偏移，后 2 个字节为汉字的矢量数据的长度。真正的矢量数据是从偏移量 0XBB3F 开始。汉字指针 在指针区的偏移由公式计算 pos=(qu-16)*94+wei-1)*6。汉字的矢量数据格式为:控制码+坐标值。（1）若控制码第7，6 位为都为1，表示该码为清除码，结束当前笔划，将第一个坐标与当前坐标连线；建立新笔划，(X,Y)各占 7 位，由控制码的第 5 位开始,即：llXXXXXXXYYYYYYY。（2）若控制码小于等于 0 x40,表示之后有 n 个坐标值。每个坐标占一个字节，且有 n=控制码值，(X,Y)坐标各占4 位，其各自的最高位为符号位F,即：FXX
40、XFYYY。（3）若控制码的高 4 位等于4，表示随后有n 个字节的坐标，且n=控制码的低四位所表达的数值。每个坐标占一个字节，（X，Y）坐标各占4 位，X 为正，Y 为正，即：+XXXX+YYYY。（4）若控制码的高 4 位等于5，表示其后有n 个字节的坐标，且n=控制码的低四位所表达的数值。每个坐标占一个字节，(X,Y)坐标各占4 位，X 为负，Y 为正，即：-XXXX+YYYY。（5）若控制码的高 4 位等于6，表示随后有n 个字节的坐标，且n=控制码的低四位所表达的数值。每个坐标占一个字节，（X，Y)坐标各占 4 位，X 为负，Y 为负，即：-XXXX-YYYY。（6）若控制码的高 4
41、 位等于7，表示随后有n 个字节的坐标，且n=控制码的低四位所表达的数值。每个坐标占一个字节，(X，Y)坐标各占 4 位，X 为正，Y 为负，即：+XXXX-YYYY。（7）若控制码等于 0 x80，其后 1 字节为 Y 坐标值，最高位为符号位，X 坐标保持不变，即：10000000FYYYYYYY。（8）若控制码等于 0 x90，其后 1 字节为 X 坐标值，最高位为符号位，Y 坐标保持不变,即：10000001FXXXXXXX。（9）若控制码的高4 位等于 8，其后1 字节为Y 坐标值，控制码的低4 位值为X 坐标值，X 坐标各占 4 位，最高位为符号位，Y 坐标各占 8 位，最高位为符号
42、位，即：1000FXXXFYYYYYYY。2.Windows 系统中TTF 汉字库的分析 True Type 字体可被随意放大、缩小、旋转和变形而不影响字体的输出质量。它采用直线和B-样条（BEZIER-SPLINE）曲线来描述字体的轮廓，克服了以往点阵字体、笔划字体和向量轮廓字体的缺点，表现出强大的生命力。TrueType 矢量字体有两种存储的格式：其一是笔划轮廓，其二是整体内外轮廓。轮廓上的各个构成点，在计算机内是按照一定的顺序存储的。点的存储顺序决定了该轮廓的“旋向”，即轮廓是顺时针走向还是逆时针走向。如果一个轮廓为外轮廓，则其旋向必为顺时针走向，如果是内轮廓，则必为逆时针走向。True
43、 Type 字库主要包括两大部分：第一部分是True Type 字体的基本字体轮廓数据和字模结构存放区，第二部分是 True Type 字体的指令集，是矢量汉字的其它修饰信息。汉字雕刻系统是基于矢量字库的，为从True Type 字库中获取汉字的矢量字模信息，必须分析True Type 字库的结构，并以此为基础编制直接从字库文件读取字模的模块程序。在 Windows 操作系统下，汉字是 True Type 字体，采用记录字的控制点来保存字的轮廓，然后填充轮廓形成汉字。例：用函数 GetGlyphOutline 获取显示字符图形数据 DWORD GetGlyphOutline(HDC hdc,U
44、INT uChar,UINT uFormat,LPGLYPHMETRICS lpgm,DWORD cbBuffer,LPVOID lpvBuffer,CONST MAT2*lpmat2)；其中函数的参数：hdc：设备环境句柄；uChar：指定待转换图形数据；uFormat：指定函数取得的数据的格式。GGO_BITMAP：函数获得字形位图。要得到善于内存分配的信息，参见后面备注部分。GGO_NATIVE：函数获得光栅器（rasterrizer）的本地格式的曲线数据点，并使用字体的设计单位，当指定了此值，由 lpMatrix 指定的任何变换都被忽略。GGO_METRICS：函数只获得由 lpgm
45、指定的GLYPHMETRICS 结构。其余缓冲区被忽略，此值影响函数失败时返回值的含义，参见后面的返回值部分。GGO_GRAY2_BITMAP：函数获得含5 级灰色的字位图。GGO_GRAY4_BITMAP：函数获得含17 级灰色的字形位图。GGO_GRAY8_BITMAP：函数获得含65 级灰色的字形位图。lpgm：指向结构GLYPHMETRICS 的指针，用于描述字表在字符单元的放置。cbBuffer：指向定缓冲区的大小，该缓冲区用于复制轮廓字符的信息。如果此值为零，函数返回需要的缓冲区大小。lpvBuffer：指向缓冲区的指针，该缓冲区用于复制轮廓字符的信息，如果此值为 NULL，函数返
46、回需要的缓冲区大小。lpmat2：指向 MAT2 结构的指针，该结构为字符信息转换矩阵。浮点数据转换为固定浮点数的函数（程序见书168页）提取汉字“龙”在该对话框中选择字体按钮可以弹出字体选择对话框 如果在雕刻汉字的过程中选择的字形或者字体大小不合适，我们可以从对话框中重新选择字体、字形和字体大小，这样就能雕刻出所需的汉字。5.4.3 截取 BMP 图像并对其做镜像处理 BMP 格式是微软公司为其Windows 操作系统设置的标准图像格式，在Windows 系统软件中包含了一系列支持 BMP 图像处理的 API 函数。BMP 文件可描述多达 32 位彩色图像。在用激光雕刻机雕刻汉字的时候，把二
47、维图像转化成三维图像，然后进行数控加工编程处理。即把二维图像坐标（x,y）转化成对应的雕刻机的X 和Y 方向的进给量，然后利用位图某点（像素）的颜色值（RGB）表示第三坐标，进而转换成对应的不同激光强度，从而完成激光雕刻机雕刻汉字的功能。图像镜像其实就是实现像素位置轴线对称互换，可以分为左右镜像和上下镜像。左右镜像实现的是像素的左右互换，上下镜像实现的是像素的上下互换。（程序代码见书170页）对“龙”字镜像处理后的图像5.4.4 提取汉字“龙”轮廓 图像的轮廓是指包围目标图像的封闭曲线。轮廓提取是图像矢量化的重要环节，根据灰度 Hij 大小，可以采用轮廓跟踪法来提取图像边缘轮廓。轮廓提取一般可
48、分为单轮廓提取、内部孔洞提取和相邻域外轮廓提取等3 种情况。当把一个图像放置在某一带边界的区域内时，轮廓提取就可归一为内部孔洞的提取。提取轮廓算法为：掏空内部点，即如果原图中有一点为黑，且它的 8 个相邻点都是黑色时(此时该点是内部点)，则将该点删除。要注意的是，处理的虽然是二值图，但是首先将图像转化成24 位图像，然后再处理。（1）提取汉字轮廓的时候，首先判断图像是否是二值图像，如果是二值图像，则继续提取轮廓的操作，如果不是二值图像，则退出操作。（2）将二值图像转化成 24 位图像，转化为 24 位图像后，取RGB（0,0,0）和 RGB（255,255,255）来规定汉字区域的黑和白，生成
49、了新的位图属性后，开始提取汉字的轮廓，提取汉字轮廓是为了雕刻出空心汉字，提取的汉字“龙”轮廓。（程序代码见书172页）5.4.5 输出汉字“龙”轮廓 G 代码和实心G 代码 定义（X，Y）二维坐标系，通过扫描Y 轴取点，先定义激光器的初始位置G00 X_Y_Z_，接着寻找相邻的点，通过 G01 一步步找到整个轮廓，进而雕刻出汉字轮廓。G 代码的 CAM 参数对话框 实现单轴自检和汉字雕刻以及控制激光器强度的功能，并能实时监测 3 轴的运动状态。雕刻的“龙”字空心字（程序代码见书第175页）雕刻的“龙”字实心字（程序代码见书第176页）5.5 5.5 激光雕刻机误差补偿激光雕刻机误差补偿 对于半
50、闭环激光雕刻机控制系，其定位误差占整个加工误差的50%60%。而影响其定位精度的主要因素有几何精度、伺服控制精度、测量系统的精度以及环境温度波动等。针对激光雕刻机提出了统一的双向螺距误差补偿方法，利用激光跟踪仪标定了激光雕刻机的定位精度，大大提高了坐标轴的双向定位精度。5.5.1 激光跟踪仪原理 FARO Laser Tracker ION 是一种便携式高精度三维坐标测量设备，使用长距离目标，其测量范围可达180 英尺(55 米)，每一个标配的激光跟踪仪都有一个完全配套的气象站，来确保测量精确。激光跟踪仪的主要组件有：Laser Tracker 测量头、回射目标（靶球）、主控单元(MCU)和运
