基于單片機的XY軸數(shù)控激光切割機控制系統(tǒng)設計

課題的對象及來源

數(shù)控激光切割機的歷史可以追溯到20世紀60年代，當時激光技術剛剛開始應用于工業(yè)生產領域，最初的激光切割機采用的是連續(xù)波CO2激光器。隨著激光技術和數(shù)控技術的不斷發(fā)展和完善，數(shù)控激光切割機的應用范圍和性能也不斷擴大和提高。對于精確的工件制造，應具有良好的尺寸精度和表面光潔度。在鉆孔、沖孔、劃線、鏜孔、攻絲等應用中，工件首先定位，然后刀具在運動軸保持靜止的情況下執(zhí)行其動作。在這種應用的傳統(tǒng)方法中，制造商使用非常昂貴的數(shù)控機床來編程作業(yè)周期并執(zhí)行作業(yè)周期。大型制造商可以負擔得起如此昂貴的機器，但對于小型機械制造業(yè)，我們必須考慮能夠提供高水平產量的低成本解決方案。

在這個項目中，嘗試采用低成本的設計，它提供了與高成本數(shù)控激光切割機類似的功能。通過在工業(yè)上的應用，它可以獲得多代的短時間。為了執(zhí)行一些需要在預定義曲線上連續(xù)切割的操作，數(shù)控激光切割機被用作行業(yè)中的傳統(tǒng)機器。數(shù)控機床的安裝需要高的財務投資和熟練的勞動力來在機床上執(zhí)行不同的操作。除此之外，這種機器的維護成本也很高。在小規(guī)模工業(yè)中，在小工件上進行操作，安裝這種高成本的數(shù)控機床非常困難。因此，本項目采用單片機設計了一種低成本的數(shù)控激光切割機，在控制方面進行優(yōu)化實現(xiàn)數(shù)控激光切割機的各項功能，這種數(shù)控激光切割機將適用于工作規(guī)模不是很大的小型行業(yè)。

1.2課題的目的和意義

數(shù)控激光切割機的主要目的是通過激光束對材料進行切割、雕刻和打孔等加工，以實現(xiàn)高精度、高效率、高質量的生產。數(shù)控激光切割機的應用具有重要意義，可以提高生產效率，降低生產成本，改善產品質量和外觀，同時也可以推動工業(yè)制造技術的不斷發(fā)展和進步。本設計旨在通過優(yōu)化控制算法和參數(shù)設置，實現(xiàn)對激光切割加工過程的精確、高效、穩(wěn)定的控制，從而提高加工質量和生產效率，降低加工成本。

數(shù)控激光切割機在生產中應用的實踐意義非常重大，主要體現(xiàn)在能夠通過精確的控制系統(tǒng)和高質量的光束，實現(xiàn)對工件的高精度切割。它可以切割各種形狀的工件，包括曲線、復雜輪廓和細小孔洞，從而滿足復雜零件的生產需求。通過數(shù)控系統(tǒng)控制，可以根據(jù)不同的切割要求進行快速調整和切割。它能夠適應不同材料和厚度的切割，提供更靈活的生產能力，并且具有高效率和高速度的特點，使得生產過程更加智能化和高效化。通過預先編程和自動化控制，它可以實現(xiàn)連續(xù)的生產運行，減少了人工操作和人為錯誤的風險，提高了生產效率和產品質量。數(shù)控激光切割機還具有非接觸性和局部加熱的特點，因此可以最大限度地減少材料的浪費。與傳統(tǒng)切割方法相比，它能夠更有效地利用原材料，并且由于切割過程中的熱影響較小，還可以節(jié)約能源。數(shù)控激光切割機不僅可以切割各種材料，如金屬、塑料、木材等，還可以進行刻印、打孔和雕刻等多種加工操作。這使得它在不同行業(yè)中的應用范圍非常廣泛，包括汽車制造、航空航天、電子設備、家具制造等。

1.3國內外發(fā)展現(xiàn)狀

1.3.1 國內研究現(xiàn)狀

數(shù)控激光切割機是一種高精度、高效率的切割設備，廣泛應用于金屬加工、汽車制造、航空航天等領域。在國內，數(shù)控激光切割機的研究和應用已經取得了顯著的進展。

首先，國內的數(shù)控激光切割機研究主要集中在以下幾個方面：

切割工藝優(yōu)化：研究人員致力于優(yōu)化數(shù)控激光切割機的切割工藝參數(shù)，以提高切割質量和效率。他們通過對材料特性、切割速度、功率密度等因素的研究，探索最佳的切割參數(shù)組合。

切割質量控制：為了提高切割質量的一致性和穩(wěn)定性，研究人員開展了對切割過程中的熔池形態(tài)、切割缺陷、表面質量等方面的研究，以制定有效的質量控制策略。

切割機器人化：隨著機器人技術的快速發(fā)展，國內的研究人員開始探索將數(shù)控激光切割技術與機器人技術相結合，實現(xiàn)切割過程的自動化和智能化。

其次，國內數(shù)控激光切割機研究的水平和成果也在不斷提升：

技術創(chuàng)新：國內的研究機構和企業(yè)在數(shù)控激光切割機的關鍵技術方面進行了大量的研究和創(chuàng)新。例如，針對不同材料的切割特性，開發(fā)了適用的切割頭設計和刀具路徑規(guī)劃算法，提高了切割質量和效率。

應用拓展：數(shù)控激光切割機在國內的應用范圍不斷擴大。除了傳統(tǒng)的金屬材料切割外，還應用于復合材料、塑料、陶瓷等材料的切割。同時，數(shù)控激光切割機在汽車制造、航空航天、電子電氣等行業(yè)的應用也日益廣泛。

國際競爭力：國內一些數(shù)控激光切割機制造企業(yè)在技術水平和產品質量上已經具備一定的國際競爭力。他們不僅在國內市場占有一定份額，還出口到許多國家和地區(qū)。

切割精度和效率不斷提升:通過持續(xù)的技術創(chuàng)新,中國數(shù)控激光切割機的切割精度和效率已經達到了國際先進水平。一些領先企業(yè)的產品可以實現(xiàn)毫米級的高精度切割。

中國數(shù)控激光切割機正朝著智能制造的方向發(fā)展,具備自動化上料、智能控制等功能,提高了生產效率和靈活性。中國企業(yè)掌握了切割不同材質如鋼鐵、不銹鋼、鋁合金等的核心技術,滿足了廣泛的行業(yè)需求。中國數(shù)控激光切割機廠商正在加強與上下游的協(xié)同創(chuàng)新,提升整機系統(tǒng)的集成水平。通過持續(xù)的研發(fā)投入,中國數(shù)控激光切割機企業(yè)的自主創(chuàng)新能力顯著提升,部分產品已經達到國際先進水平。在政策支持和市場需求的推動下,中國數(shù)控激光切割機的技術水平正在不斷提高,正朝著智能化、高端化的方向發(fā)展,為制造業(yè)轉型升級提供了有力支撐。

隨著中國制造業(yè)的轉型升級和智能制造的推進,數(shù)控激光切割機在金屬加工、汽車制造、航空航天等行業(yè)的應用需求不斷增加。市場規(guī)模持續(xù)擴大,年增長率保持在10%左右。數(shù)控激光切割機廣泛應用于金屬加工、機械制造、汽車制造、電子電器、家電制造、航空航天等行業(yè),滿足了各類行業(yè)的個性化定制需求。隨著制造業(yè)向高端化發(fā)展,對高精度、高效率的數(shù)控激光切割機需求不斷增加。一些高端制造企業(yè)對切割精度、智能化水平等提出了更高要求。中國數(shù)控激光切割機市場呈現(xiàn)出區(qū)域分布不均衡的特點,華東、華南等經濟發(fā)達地區(qū)的需求占主導地位。數(shù)控激光切割機憑借其高效、精準、靈活等特點,正在逐步替代傳統(tǒng)的機械切割、沖壓等工藝,在制造業(yè)中的應用越來越廣泛。

總的來說,在制造業(yè)轉型升級和智能制造的大背景下,數(shù)控激光切割機在中國的市場需求持續(xù)旺盛,應用領域不斷拓展,為行業(yè)發(fā)展注入了強勁動力。中國在切割工藝優(yōu)化、切割質量控制和切割機器人化等方面取得了顯著的進展。技術創(chuàng)新和應用拓展使得國內的數(shù)控激光切割機在國際市場上具備了一定的競爭力。然而，仍然有許多挑戰(zhàn)需要克服，如提高切割精度、降低能耗、開發(fā)新型切割頭等。相信在不久的將來，國內數(shù)控激光切割機的研究和應用會繼續(xù)取得新的突破。

1.3.2 國外研究現(xiàn)狀

國外的激光切割技術相對成熟，知名品牌有瑞士Bystronic、德國Tyum pf等，在市場上占有較大份額。一些發(fā)達國家如德國、日本、美國等在數(shù)控激光切割機領域擁有先進技術和豐富經驗，其產品在切割精度、速度、穩(wěn)定性等方面處于領先地位。國外的數(shù)控激光切割機廣泛應用于航空航天、汽車制造、電子電器、金屬加工等領域，滿足了不同行業(yè)的高精度切割需求。一些國外企業(yè)專注于高端數(shù)控激光切割機的研發(fā)和生產，滿足了一些對切割精度、智能化水平、自動化程度要求較高的客戶。國外企業(yè)也注重產品的環(huán)保性能和節(jié)能效果，推動綠色制造發(fā)展。

國外的2D激光切割技術在工業(yè)系統(tǒng)中最常見的實現(xiàn)方式是CNC（計算機數(shù)控）仿形機。盡管這種機器的價格仍然很高，但它們在小作坊層面的使用范圍很廣。這些機床的控制系統(tǒng)是典型的雙軸數(shù)控系統(tǒng)，在XY平面上同時協(xié)調移動。Za軸也是數(shù)字控制的，但3軸上的同時運動是自行編程的。激光切割機的運動控制結構與數(shù)控銑床和車床的控制結構非常相似。典型的數(shù)控運動控制設備基于旋轉伺服電機、位置和速度傳感器（如線性/旋轉編碼器和轉速表）以及滾珠絲杠傳動。

在國外，設計大綱是在Solidworks軟件上完成的。該模型中使用的步進電機由名為Arduino CNCShield Driver的微型控制器控制。重點是熟練生產實驗室模型激光切割雕刻機。結果似乎是切割和雕刻質量更好。Reza等人描述了基于微控制器的繪圖儀的設計和制造，并重點介紹了該行業(yè)的草圖繪制方面。通過使用這種類型的機器，可以獲得來自不同工業(yè)車間的復雜設計。在這個項目中，三個電機用于獲得三個平移軸X、Y和Z的運動范圍。Arduino IDE用于微控制器的編程，而CAMotics軟件用于生成G代碼。國外的研究人員也在探索如何降低數(shù)控激光切割機的能耗和環(huán)境污染，研究了如何優(yōu)化切割頭設計、降低切割速度、減少材料浪費等方面的技術，以實現(xiàn)能源和環(huán)境的可持續(xù)性。

從國外的數(shù)控激光切割機來看，特點在于激光器的功率大，穩(wěn)定性好，柔性化高，可以實現(xiàn)一機多工序，五軸聯(lián)動，實時控制，切割尺寸范圍最大已至6.5m×3m。而國內的特點在于價格便宜，激光器功率低，一般低于1.5kW，與國外的相比質量、穩(wěn)定性、柔性化較差，但是由于價格優(yōu)勢也融入了市場，受到各行各業(yè)的歡迎。

通過激光切割進行零件加工的特點是高刀具路徑速度、減少浪費、高精度和制造零件的質量。與氧氣和等離子體射流切割技術相比，激光切割工藝導致熱影響區(qū)更窄，切口寬度更小�，F(xiàn)如今一些國際知名企業(yè)已經研發(fā)了具有大功率、高速、數(shù)控自動化及多維立體等特點的激光切割機，所用的控制系統(tǒng)也不盡相同。而中國自主研發(fā)制造的激光切割機多為中低端產品，在切縫、表面、精度、穩(wěn)定性及柔性方面與國外產品相比，存在較大差距，其控制系統(tǒng)也大多直接采用國外的機床控制系統(tǒng)。

總的來說，國外的數(shù)控激光切割機在技術水平、應用領域和市場占有率等方面具有一定優(yōu)勢，競爭激烈。中國的數(shù)控激光切割機企業(yè)在面對國外競爭時需要不斷提升自身技術水平和產品品質，加強國際合作與交流，以提高在全球市場的競爭力。

1.4主要內容和關鍵點

本次設計的主要內容如下：

（1） 綜述了當前國內外數(shù)控切割機研究現(xiàn)狀和技術發(fā)展。在此基礎上，對市場上數(shù)控切割機常用的控制系統(tǒng)進行對比，確定數(shù)控切割機X-Y工作臺的控制系統(tǒng)方案。

（2） 根據(jù)資料的查閱，對單片機、傳感器等關鍵部件進行選型，并且進行調試和檢查，確保了控制的精確和穩(wěn)定。

（3） 通過用Proteus軟件進行設計仿真，設計符合任務書上性能要求控制程序和電路。并且能夠滿足高精度和低成本的激光切割的需求。

2.設計方案的主要內容

2.1數(shù)控激光切割機原理

數(shù)控激光切割機是一種利用激光技術進行材料切割的機械設備。它采用計算機數(shù)控技術，通過控制激光切割頭的運動軌跡和激光輸出功率，實現(xiàn)對金屬、非金屬等材料進行精密切割。

數(shù)控激光切割機的工作原理是利用高能密集的激光束對工件進行熔化、氣化或者吹除，從而實現(xiàn)材料的切割。它具有切割速度快、精度高、變形小、自動化程度高等優(yōu)點，因此在金屬加工、汽車制造、航空航天、電子電器等行業(yè)得到廣泛應用。

根據(jù)不同的激光源，數(shù)控激光切割機可以分為光纖激光切割機、CO2激光切割機等類型。光纖激光切割機通常用于薄板材料的切割，具有高效、高精度的特點；而CO2激光切割機則適用于厚板材料切割，能夠實現(xiàn)更高的切割速度。

隨著制造業(yè)的發(fā)展和對產品精度要求的不斷提高，數(shù)控激光切割機在全球范圍內的需求持續(xù)增長。同時，隨著激光技術的不斷進步，數(shù)控激光切割機的應用領域也在不斷擴大，成為現(xiàn)代制造業(yè)中不可或缺的重要設備之一。

XY軸數(shù)控激光切割機的功能原理主要涉及控制系統(tǒng)、運動系統(tǒng)兩個個方面：

控制系統(tǒng)： 控制系統(tǒng)是整個激光切割機的大腦，負責接收輸入的切割參數(shù)，通過單片機進行處理，并控制運動系統(tǒng)和激光系統(tǒng)的運行。在控制系統(tǒng)中，通常包括主控板、單片機和相關的驅動電路。

運動系統(tǒng)： 運動系統(tǒng)主要包括工作臺的XY軸的運動控制部分，主要由步進電機以及相關的傳動裝置（如絲桿傳動）組成。單片機通過接收到的控制指令，計算出相應的運動軌跡和速度曲線，然后通過驅動電路控制電機運動，從而實現(xiàn)工件在XY平面上的精確定位和移動。

單片機通過輸出高低電平信號，控制步進電機驅動電路中的晶體管開關狀態(tài)，從而控制電機的轉動。單片機控制步進電機需要設計相應的控制算法，以實現(xiàn)步進電機的位置控制和速度控制。開環(huán)控制通常通過控制脈沖信號的頻率和寬度來控制步進電機的速度和位置，但是在負載變化或者電機參數(shù)變化時容易出現(xiàn)誤差。

2.2總體方案設計

  本次設計任務為進行一個X-Y數(shù)控激光切割機的設計，采用AT89C51單片機進行數(shù)據(jù)處理，由I/O接口輸出控制信號給驅動器，驅動器對步進電機進行驅動，經齒輪機構帶動滾珠，實現(xiàn)對工作臺的運動控制。

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設計選用兩個型號為28BYG250G的電動機，該電動機為混合式步進電動機，步距角為1.8°，通過兩個步進電機控制螺旋絲桿副運動，轉變?yōu)閤y軸的工作臺運動。

2.2.1 設計參數(shù)

設計平臺滿足工作臺尺寸（mm）：200×180；

加工范圍為（mm）：230×210；

XY方向定位精度：±0.05mm；

工作臺空載最快移動速度：2500mm/min；

工作臺進給最快移動速度：500mm/min；

加減速：0.3S。

2.2.2 方案設計

本設計采用單片機，由于單片機價格低廉 ，體積小巧，功耗低等本身優(yōu)勢，加上由單片機直接控制步進電機，有非�？焖俚捻憫獣r間，能實現(xiàn)實時控制等優(yōu)點。

本設計由單片機系統(tǒng)模塊，控制模塊等實現(xiàn)對數(shù)控激光切割機的xy軸控制，工作原理圖如下：

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2.3 分方案設計

設計采用的是用AT89C51單片機,及ULN2003A芯片等硬件組成,在控制系統(tǒng)的單片機上進行編程就可以完成對系統(tǒng)的控制。主要內容是通過程序實現(xiàn)對零件進行加工,加工中對工作臺的xy軸控制移動都會以產生脈沖來驅動電機正反轉的形式實現(xiàn),通過工件和激光的相對移動完成對工件切割。

根據(jù)系統(tǒng)要求可以看出對機械部分的控制只包括電機的控制，控制系統(tǒng)采用的是開環(huán)控制系統(tǒng)，所以選擇經濟型的單片機控制系統(tǒng)最為合適�？刂葡到y(tǒng)中采用單片機I/O口連接放大功率控制x軸電機和y軸電機，進而控制軸向和縱向的運動。

AT89C51是一款8位單片機,由Atmel公司(現(xiàn)為Microchip公司)開發(fā)生產。采用MCS-51指令集架構,兼容8051系列單片機。內部集成8KB可編程Flash程序存儲器、128字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲器。

主要特性包括擁有4個8位I/O口,可用作并行輸入/輸出接口。2個16位定時/計數(shù)器。6個中斷源,包括2個外部中斷和4個內部中斷。全雙工串行通信接口UART。內部晶振,可外接晶振或RC網絡。工作電壓范圍:4.0V ~ 5.5V。工作溫度范圍:-40°C ~ +85°C。廣泛應用于工業(yè)控制、家用電器、汽車電子等領域。憑借其低功耗、高集成度和豐富的外設資源,非常適合嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。

AT89C51采用ISP(In-SystemProgramming)技術,可在電路中直接編程和擦除Flash存儲器。通過串行接口(如UART)或并行接口(如LPT)進行編程。

總的來說,AT89C51是一款功能強大、性價比高的8位單片機,在工業(yè)控制領域廣泛應用。它簡單易用、性能穩(wěn)定,非常適合初學者和工程師進行嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)與設計。

選用TMC2100步進電機驅動器對步進電機進行運動控制，TMC2100是一款常用的步進電機驅動器具有靜音運行、高效能、平滑運動、微步細分等多種功能，TMC2100驅動器采用了先進的電流控制技術，可以提供高效的電機控制，減少功耗和發(fā)熱。TMC2100可以實現(xiàn)平滑的步進電機運動，減少振動和共振現(xiàn)象，有助于提高系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。 TMC2100還具有過流保護、過溫保護等功能，可以保護步進電機和驅動器免受損壞�？梢酝ㄟ^SPI總線配置和監(jiān)控驅動器的參數(shù)，使得集成到復雜系統(tǒng)中更加方便。TMC2100是一款性能優(yōu)異的步進電機驅動器，適合需要靜音、高效能和精準控制的應用。

功率放大芯片采用ULN2003a芯片，是一種集成了7路高電壓、高電流達500mA的續(xù)流式雙極性型（直流）達50V的達極晶體管陣列。它通常用于驅動步進電機或其他高電流負載，尤其在微控制器或單片機控制的應用中。

ULN2003A芯片的主要特點包括：

高電壓、高電流：ULN2003A內部集成了7個續(xù)流式雙極性型達50V的達極晶體管，每路電流可達500mA，適用于驅動各種類型的負載。

續(xù)流式輸出：ULN2003A的輸出是續(xù)流式的，這意味著它可以用于直流電機、繼電器和其他需要反向電流的負載。

七通道輸出：ULN2003A具有七個獨立的輸出通道，因此可以同時控制多個負載或多個步進電機的相位。

內部抑制二極管：每個輸出通道都有內部抑制二極管，用于保護負載或驅動器免受感應負載的反向電壓。

熱保護：ULN2003A還具有熱關斷保護功能，可以在溫度超過安全范圍時自動關閉輸出。

ULN2003A是一種功能強大的集成電路，適用于需要驅動多個高電流負載的應用，尤其是在微控制器或單片機控制的電路中。

熱傳感器選用熱電阻進行傳感，熱電阻是一種基于材料電阻隨溫度變化的原理來測量溫度的傳感器。熱電阻通常使用鉑金屬作為電阻材料，因為鉑金屬具有良好的線性特性和穩(wěn)定性。

位置傳感器采用光學線性編碼器，用于檢測激光頭的位置和運動狀態(tài)。光學線性編碼器是一種常用于測量和反饋位置信息的傳感器裝置。它通常由光柵尺和讀取頭兩部分組成。

激光頭處使用一個光功率傳感器，用于監(jiān)測激光器輸出功率。采用一個焦距傳感器，用于檢測激光焦點與工件表面的距離。采用一個光電傳感器以檢測部件的存在。