基于单片机的XY轴数控激光切割机控制系统设计

课题的对象及来源

数控激光切割机的历史可以追溯到20世纪60年代，当时激光技术刚刚开始应用于工业生产领域，最初的激光切割机采用的是连续波CO2激光器。随着激光技术和数控技术的不断发展和完善，数控激光切割机的应用范围和性能也不断扩大和提高。对于精确的工件制造，应具有良好的尺寸精度和表面光洁度。在钻孔、冲孔、划线、镗孔、攻丝等应用中，工件首先定位，然后刀具在运动轴保持静止的情况下执行其动作。在这种应用的传统方法中，制造商使用非常昂贵的数控机床来编程作业周期并执行作业周期。大型制造商可以负担得起如此昂贵的机器，但对于小型机械制造业，我们必须考虑能够提供高水平产量的低成本解决方案。

在这个项目中，尝试采用低成本的设计，它提供了与高成本数控激光切割机类似的功能。通过在工业上的应用，它可以获得多代的短时间。为了执行一些需要在预定义曲线上连续切割的操作，数控激光切割机被用作行业中的传统机器。数控机床的安装需要高的财务投资和熟练的劳动力来在机床上执行不同的操作。除此之外，这种机器的维护成本也很高。在小规模工业中，在小工件上进行操作，安装这种高成本的数控机床非常困难。因此，本项目采用单片机设计了一种低成本的数控激光切割机，在控制方面进行优化实现数控激光切割机的各项功能，这种数控激光切割机将适用于工作规模不是很大的小型行业。

1.2课题的目的和意义

数控激光切割机的主要目的是通过激光束对材料进行切割、雕刻和打孔等加工，以实现高精度、高效率、高质量的生产。数控激光切割机的应用具有重要意义，可以提高生产效率，降低生产成本，改善产品质量和外观，同时也可以推动工业制造技术的不断发展和进步。本设计旨在通过优化控制算法和参数设置，实现对激光切割加工过程的精确、高效、稳定的控制，从而提高加工质量和生产效率，降低加工成本。

数控激光切割机在生产中应用的实践意义非常重大，主要体现在能够通过精确的控制系统和高质量的光束，实现对工件的高精度切割。它可以切割各种形状的工件，包括曲线、复杂轮廓和细小孔洞，从而满足复杂零件的生产需求。通过数控系统控制，可以根据不同的切割要求进行快速调整和切割。它能够适应不同材料和厚度的切割，提供更灵活的生产能力，并且具有高效率和高速度的特点，使得生产过程更加智能化和高效化。通过预先编程和自动化控制，它可以实现连续的生产运行，减少了人工操作和人为错误的风险，提高了生产效率和产品质量。数控激光切割机还具有非接触性和局部加热的特点，因此可以最大限度地减少材料的浪费。与传统切割方法相比，它能够更有效地利用原材料，并且由于切割过程中的热影响较小，还可以节约能源。数控激光切割机不仅可以切割各种材料，如金属、塑料、木材等，还可以进行刻印、打孔和雕刻等多种加工操作。这使得它在不同行业中的应用范围非常广泛，包括汽车制造、航空航天、电子设备、家具制造等。

1.3国内外发展现状

1.3.1 国内研究现状

数控激光切割机是一种高精度、高效率的切割设备，广泛应用于金属加工、汽车制造、航空航天等领域。在国内，数控激光切割机的研究和应用已经取得了显著的进展。

首先，国内的数控激光切割机研究主要集中在以下几个方面：

切割工艺优化：研究人员致力于优化数控激光切割机的切割工艺参数，以提高切割质量和效率。他们通过对材料特性、切割速度、功率密度等因素的研究，探索最佳的切割参数组合。

切割质量控制：为了提高切割质量的一致性和稳定性，研究人员开展了对切割过程中的熔池形态、切割缺陷、表面质量等方面的研究，以制定有效的质量控制策略。

切割机器人化：随着机器人技术的快速发展，国内的研究人员开始探索将数控激光切割技术与机器人技术相结合，实现切割过程的自动化和智能化。

其次，国内数控激光切割机研究的水平和成果也在不断提升：

技术创新：国内的研究机构和企业在数控激光切割机的关键技术方面进行了大量的研究和创新。例如，针对不同材料的切割特性，开发了适用的切割头设计和刀具路径规划算法，提高了切割质量和效率。

应用拓展：数控激光切割机在国内的应用范围不断扩大。除了传统的金属材料切割外，还应用于复合材料、塑料、陶瓷等材料的切割。同时，数控激光切割机在汽车制造、航空航天、电子电气等行业的应用也日益广泛。

国际竞争力：国内一些数控激光切割机制造企业在技术水平和产品质量上已经具备一定的国际竞争力。他们不仅在国内市场占有一定份额，还出口到许多国家和地区。

切割精度和效率不断提升:通过持续的技术创新,中国数控激光切割机的切割精度和效率已经达到了国际先进水平。一些领先企业的产品可以实现毫米级的高精度切割。

中国数控激光切割机正朝着智能制造的方向发展,具备自动化上料、智能控制等功能,提高了生产效率和灵活性。中国企业掌握了切割不同材质如钢铁、不锈钢、铝合金等的核心技术,满足了广泛的行业需求。中国数控激光切割机厂商正在加强与上下游的协同创新,提升整机系统的集成水平。通过持续的研发投入,中国数控激光切割机企业的自主创新能力显著提升,部分产品已经达到国际先进水平。在政策支持和市场需求的推动下,中国数控激光切割机的技术水平正在不断提高,正朝着智能化、高端化的方向发展,为制造业转型升级提供了有力支撑。

随着中国制造业的转型升级和智能制造的推进,数控激光切割机在金属加工、汽车制造、航空航天等行业的应用需求不断增加。市场规模持续扩大,年增长率保持在10%左右。数控激光切割机广泛应用于金属加工、机械制造、汽车制造、电子电器、家电制造、航空航天等行业,满足了各类行业的个性化定制需求。随着制造业向高端化发展,对高精度、高效率的数控激光切割机需求不断增加。一些高端制造企业对切割精度、智能化水平等提出了更高要求。中国数控激光切割机市场呈现出区域分布不均衡的特点,华东、华南等经济发达地区的需求占主导地位。数控激光切割机凭借其高效、精准、灵活等特点,正在逐步替代传统的机械切割、冲压等工艺,在制造业中的应用越来越广泛。

总的来说,在制造业转型升级和智能制造的大背景下,数控激光切割机在中国的市场需求持续旺盛,应用领域不断拓展,为行业发展注入了强劲动力。中国在切割工艺优化、切割质量控制和切割机器人化等方面取得了显著的进展。技术创新和应用拓展使得国内的数控激光切割机在国际市场上具备了一定的竞争力。然而，仍然有许多挑战需要克服，如提高切割精度、降低能耗、开发新型切割头等。相信在不久的将来，国内数控激光切割机的研究和应用会继续取得新的突破。

1.3.2 国外研究现状

国外的激光切割技术相对成熟，知名品牌有瑞士Bystronic、德国Tyum pf等，在市场上占有较大份额。一些发达国家如德国、日本、美国等在数控激光切割机领域拥有先进技术和丰富经验，其产品在切割精度、速度、稳定性等方面处于领先地位。国外的数控激光切割机广泛应用于航空航天、汽车制造、电子电器、金属加工等领域，满足了不同行业的高精度切割需求。一些国外企业专注于高端数控激光切割机的研发和生产，满足了一些对切割精度、智能化水平、自动化程度要求较高的客户。国外企业也注重产品的环保性能和节能效果，推动绿色制造发展。

国外的2D激光切割技术在工业系统中最常见的实现方式是CNC（计算机数控）仿形机。尽管这种机器的价格仍然很高，但它们在小作坊层面的使用范围很广。这些机床的控制系统是典型的双轴数控系统，在XY平面上同时协调移动。Za轴也是数字控制的，但3轴上的同时运动是自行编程的。激光切割机的运动控制结构与数控铣床和车床的控制结构非常相似。典型的数控运动控制设备基于旋转伺服电机、位置和速度传感器（如线性/旋转编码器和转速表）以及滚珠丝杠传动。

在国外，设计大纲是在Solidworks软件上完成的。该模型中使用的步进电机由名为Arduino CNCShield Driver的微型控制器控制。重点是熟练生产实验室模型激光切割雕刻机。结果似乎是切割和雕刻质量更好。Reza等人描述了基于微控制器的绘图仪的设计和制造，并重点介绍了该行业的草图绘制方面。通过使用这种类型的机器，可以获得来自不同工业车间的复杂设计。在这个项目中，三个电机用于获得三个平移轴X、Y和Z的运动范围。Arduino IDE用于微控制器的编程，而CAMotics软件用于生成G代码。国外的研究人员也在探索如何降低数控激光切割机的能耗和环境污染，研究了如何优化切割头设计、降低切割速度、减少材料浪费等方面的技术，以实现能源和环境的可持续性。

从国外的数控激光切割机来看，特点在于激光器的功率大，稳定性好，柔性化高，可以实现一机多工序，五轴联动，实时控制，切割尺寸范围最大已至6.5m×3m。而国内的特点在于价格便宜，激光器功率低，一般低于1.5kW，与国外的相比质量、稳定性、柔性化较差，但是由于价格优势也融入了市场，受到各行各业的欢迎。

通过激光切割进行零件加工的特点是高刀具路径速度、减少浪费、高精度和制造零件的质量。与氧气和等离子体射流切割技术相比，激光切割工艺导致热影响区更窄，切口宽度更小。现如今一些国际知名企业已经研发了具有大功率、高速、数控自动化及多维立体等特点的激光切割机，所用的控制系统也不尽相同。而中国自主研发制造的激光切割机多为中低端产品，在切缝、表面、精度、稳定性及柔性方面与国外产品相比，存在较大差距，其控制系统也大多直接采用国外的机床控制系统。

总的来说，国外的数控激光切割机在技术水平、应用领域和市场占有率等方面具有一定优势，竞争激烈。中国的数控激光切割机企业在面对国外竞争时需要不断提升自身技术水平和产品品质，加强国际合作与交流，以提高在全球市场的竞争力。

1.4主要内容和关键点

本次设计的主要内容如下：

（1） 综述了当前国内外数控切割机研究现状和技术发展。在此基础上，对市场上数控切割机常用的控制系统进行对比，确定数控切割机X-Y工作台的控制系统方案。

（2） 根据资料的查阅，对单片机、传感器等关键部件进行选型，并且进行调试和检查，确保了控制的精确和稳定。

（3） 通过用Proteus软件进行设计仿真，设计符合任务书上性能要求控制程序和电路。并且能够满足高精度和低成本的激光切割的需求。

2.设计方案的主要内容

2.1数控激光切割机原理

数控激光切割机是一种利用激光技术进行材料切割的机械设备。它采用计算机数控技术，通过控制激光切割头的运动轨迹和激光输出功率，实现对金属、非金属等材料进行精密切割。

数控激光切割机的工作原理是利用高能密集的激光束对工件进行熔化、气化或者吹除，从而实现材料的切割。它具有切割速度快、精度高、变形小、自动化程度高等优点，因此在金属加工、汽车制造、航空航天、电子电器等行业得到广泛应用。

根据不同的激光源，数控激光切割机可以分为光纤激光切割机、CO2激光切割机等类型。光纤激光切割机通常用于薄板材料的切割，具有高效、高精度的特点；而CO2激光切割机则适用于厚板材料切割，能够实现更高的切割速度。

随着制造业的发展和对产品精度要求的不断提高，数控激光切割机在全球范围内的需求持续增长。同时，随着激光技术的不断进步，数控激光切割机的应用领域也在不断扩大，成为现代制造业中不可或缺的重要设备之一。

XY轴数控激光切割机的功能原理主要涉及控制系统、运动系统两个个方面：

控制系统： 控制系统是整个激光切割机的大脑，负责接收输入的切割参数，通过单片机进行处理，并控制运动系统和激光系统的运行。在控制系统中，通常包括主控板、单片机和相关的驱动电路。

运动系统： 运动系统主要包括工作台的XY轴的运动控制部分，主要由步进电机以及相关的传动装置（如丝杆传动）组成。单片机通过接收到的控制指令，计算出相应的运动轨迹和速度曲线，然后通过驱动电路控制电机运动，从而实现工件在XY平面上的精确定位和移动。

单片机通过输出高低电平信号，控制步进电机驱动电路中的晶体管开关状态，从而控制电机的转动。单片机控制步进电机需要设计相应的控制算法，以实现步进电机的位置控制和速度控制。开环控制通常通过控制脉冲信号的频率和宽度来控制步进电机的速度和位置，但是在负载变化或者电机参数变化时容易出现误差。

2.2总体方案设计

  本次设计任务为进行一个X-Y数控激光切割机的设计，采用AT89C51单片机进行数据处理，由I/O接口输出控制信号给驱动器，驱动器对步进电机进行驱动，经齿轮机构带动滚珠，实现对工作台的运动控制。

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设计选用两个型号为28BYG250G的电动机，该电动机为混合式步进电动机，步距角为1.8°，通过两个步进电机控制螺旋丝杆副运动，转变为xy轴的工作台运动。

2.2.1 设计参数

设计平台满足工作台尺寸（mm）：200×180；

加工范围为（mm）：230×210；

XY方向定位精度：±0.05mm；

工作台空载最快移动速度：2500mm/min；

工作台进给最快移动速度：500mm/min；

加减速：0.3S。

2.2.2 方案设计

本设计采用单片机，由于单片机价格低廉 ，体积小巧，功耗低等本身优势，加上由单片机直接控制步进电机，有非常快速的响应时间，能实现实时控制等优点。

本设计由单片机系统模块，控制模块等实现对数控激光切割机的xy轴控制，工作原理图如下：

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2.3 分方案设计

设计采用的是用AT89C51单片机,及ULN2003A芯片等硬件组成,在控制系统的单片机上进行编程就可以完成对系统的控制。主要内容是通过程序实现对零件进行加工,加工中对工作台的xy轴控制移动都会以产生脉冲来驱动电机正反转的形式实现,通过工件和激光的相对移动完成对工件切割。

根据系统要求可以看出对机械部分的控制只包括电机的控制，控制系统采用的是开环控制系统，所以选择经济型的单片机控制系统最为合适。控制系统中采用单片机I/O口连接放大功率控制x轴电机和y轴电机，进而控制轴向和纵向的运动。

AT89C51是一款8位单片机,由Atmel公司(现为Microchip公司)开发生产。采用MCS-51指令集架构,兼容8051系列单片机。内部集成8KB可编程Flash程序存储器、128字节RAM数据存储器。

主要特性包括拥有4个8位I/O口,可用作并行输入/输出接口。2个16位定时/计数器。6个中断源,包括2个外部中断和4个内部中断。全双工串行通信接口UART。内部晶振,可外接晶振或RC网络。工作电压范围:4.0V ~ 5.5V。工作温度范围:-40°C ~ +85°C。广泛应用于工业控制、家用电器、汽车电子等领域。凭借其低功耗、高集成度和丰富的外设资源,非常适合嵌入式系统的开发。

AT89C51采用ISP(In-SystemProgramming)技术,可在电路中直接编程和擦除Flash存储器。通过串行接口(如UART)或并行接口(如LPT)进行编程。

总的来说,AT89C51是一款功能强大、性价比高的8位单片机,在工业控制领域广泛应用。它简单易用、性能稳定,非常适合初学者和工程师进行嵌入式系统的开发与设计。

选用TMC2100步进电机驱动器对步进电机进行运动控制，TMC2100是一款常用的步进电机驱动器具有静音运行、高效能、平滑运动、微步细分等多种功能，TMC2100驱动器采用了先进的电流控制技术，可以提供高效的电机控制，减少功耗和发热。TMC2100可以实现平滑的步进电机运动，减少振动和共振现象，有助于提高系统的精度和稳定性。 TMC2100还具有过流保护、过温保护等功能，可以保护步进电机和驱动器免受损坏。可以通过SPI总线配置和监控驱动器的参数，使得集成到复杂系统中更加方便。TMC2100是一款性能优异的步进电机驱动器，适合需要静音、高效能和精准控制的应用。

功率放大芯片采用ULN2003a芯片，是一种集成了7路高电压、高电流达500mA的续流式双极性型（直流）达50V的达极晶体管阵列。它通常用于驱动步进电机或其他高电流负载，尤其在微控制器或单片机控制的应用中。

ULN2003A芯片的主要特点包括：

高电压、高电流：ULN2003A内部集成了7个续流式双极性型达50V的达极晶体管，每路电流可达500mA，适用于驱动各种类型的负载。

续流式输出：ULN2003A的输出是续流式的，这意味着它可以用于直流电机、继电器和其他需要反向电流的负载。

七通道输出：ULN2003A具有七个独立的输出通道，因此可以同时控制多个负载或多个步进电机的相位。

内部抑制二极管：每个输出通道都有内部抑制二极管，用于保护负载或驱动器免受感应负载的反向电压。

热保护：ULN2003A还具有热关断保护功能，可以在温度超过安全范围时自动关闭输出。

ULN2003A是一种功能强大的集成电路，适用于需要驱动多个高电流负载的应用，尤其是在微控制器或单片机控制的电路中。

热传感器选用热电阻进行传感，热电阻是一种基于材料电阻随温度变化的原理来测量温度的传感器。热电阻通常使用铂金属作为电阻材料，因为铂金属具有良好的线性特性和稳定性。

位置传感器采用光学线性编码器，用于检测激光头的位置和运动状态。光学线性编码器是一种常用于测量和反馈位置信息的传感器装置。它通常由光栅尺和读取头两部分组成。

激光头处使用一个光功率传感器，用于监测激光器输出功率。采用一个焦距传感器，用于检测激光焦点与工件表面的距离。采用一个光电传感器以检测部件的存在。