УДК 004.353.244:004.451.25 Николаев Дмитрий Александрович Черныш Игорь Александрович студенты группы ИС-07

УДК 004.353.244:004.451.25
Николаев Дмитрий Александрович
Черныш Игорь Александрович
студенты группы ИС-07
Научные руководители: Шкундин Семен Захарович
проф., д.т.н.
Стучилин Владимир Валерьевич
доц., к.т.н.
Московский государственный горный университет
РАЗРАБОТКА АПК ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ И ГРАВИРОВКИ
ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
HARDWARE AND SOFTWARE DEVELOPMENT FOR POLYMER
MATERIALS LASER CUTTING AND ENGRAVING
Введение
В настоящее время на рынке нашей страны нет доступного по цене
оборудования для лазерной обработки полимеров. Маркетологи
позиционируют данное оборудование как равное по функционалу
оборудованию для обработки металлов при том, что технические
требования на порядок ниже. Полимеры имеют малую массу и не требуют
больших мощностей обрабатывающего лазера.
В связи с этим работы по созданию подобного оборудования являются
актуальными и экономически эффективными.
Целью настоящей работы является разработка аппаратнопрограммного комплекса для выполнения лазерной обработки полимерных
материалов на плоскости.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
1. Разработка аппаратного обеспечения АПК.
2. Разработка алгоритмов управления аппаратным обеспечением.
3. Разработка человеко-машинного интерфейса для управления
системой.
Конструирование аппаратной платформы для ЧПУ
Основными
элементами
оборудования
с
координатным
позиционированием, серьезно влияющими на точность обработки,
являются направляющие и ходовые винты. При конструировании было
необходимо выбрать типы этих элементов. Как для направляющих, так и
для винтов возможен выбор из пар скольжения и пар качения. В связи с
тем, что для опытного образца АПК допускалось использование пар обоих
типов, а пары трения существенно дешевле, было принято решение
92
использовать именно их.
Для решения большинства задач, которые могут встать перед
подобным оборудованием, значение дискретности 0,01 мм является
достаточным. Поэтому в качестве исполнительных механизмов привода
использовались шаговые двигатели (ШД) модели FL39ST34, они подошли
как по показателям дискретности, так и крутящего момента. При шаге
двигателя в 1,8 градуса и шаге винта 1,25 мм (стандартный шаг резьбы М8)
получена дискретность перемещения портала 0,00625 мм, что
соответствует разрешающей способности 4064 dpi.
Для управления шаговыми двигателями были использованы готовые
драйверы SMCD1510 (рекомендованы поставщиком ШД). Крутящий
момент ШД зависит от частоты, на которой работает двигатель: чем
меньше частота, тем больше крутящий момент. Т. к. расчет необходимого
вращающего момента на неприработанных парах трения является весьма
трудоемким, максимальная частота, на которой шаговый двигатель
уверенно вращает ходовой винт, подбиралась экспериментально,. При
работе с ШД на частоте 1428 Гц полученная скорость перемещения
лазерной головки по любой из осей составила 8,925 мм/с (0,535 м/мин).
В процессе работы оборудования не исключена возможность
попадания на направляющие нежелательных частиц, которые
затормаживают движение головки и могут привести к пропуску шагов, в
результате чего сбивается абсолютное позиционирование. Помимо
внесения неточностей в процесс обработки, этот эффект может привести к
последующему выходу лазерной головки за пределы рабочей области, что
в свою очередь может повлечь механические повреждения конструкции.
Защита АПК от выхода лазерной головки за рамки возможного
перемещения (помимо программного ограничения на максимальные
значения по осям) реализуется детекцией и обработкой крайних
положений. При этом верхняя левая точка рабочего поля имеет координаты
(0,0) и принимается за начальное положение при необходимости точного
абсолютного позиционирования головки.
Чтобы существовала возможность обработки деталей произвольной
формы без привязки к началу координат (верхнему левому углу поля
обработки) предусмотрена возможность ручного позиционирования, при
котором оператор, ориентируясь на лазерный маркер, показывающий точку
начала последующей обработки, может установить точку (0,0) вручную.
Необходимость фокусировки лазерной головки на обрабатываемой
поверхности (т. к. производится обработка материалов различной
толщины) потребовала использования третьей оси, перемещающей головку
в вертикальном направлении.
Т. к. реализуемые алгоритмы машинной графики (алгоритмы
Брезенхема) не требуют больших вычислительных мощностей при
скорости обработки, необходимой для разрабатываемой системы, в
93
качестве контроллера ЧПУ взят микроконтроллер компании Atmel
ATMega128 [1]. Обычно для управления оборудованием с CNC (Computer
Numeric Control - ЧПУ) используют сигнальные процессоры реального
времени — DSP, но в нашем случае это является избыточным как с
экономической точки зрения, так и технической. Микроконтроллер
ATMega128 легко справляется с поставленной задачей.
Разработка алгоритмов управления АПК
Аппаратно-программный комплекс (АПК) для резки и гравировки
полимерных материалов состоит из следующих частей (см. рис. 1):
1. Программное обеспечение оператора, которое представляет
человеко-машинный интерфейс для управления аппаратным обеспечением;
2. Аппаратное обеспечение — элементы конструкции координатной
консоли и контроллер для управления ими;
3. Программно-аппаратный
интерфейс
взаимодействия,
для
подключения аппаратного обеспечения к персональному компьютеру.
Рис. 1. Структура АПК.
Программное обеспечение микроконтроллера
На рис. 2 представлена функциональная схема программы
микроконтроллера. Программа может находится в двух основных режимах:
 Режим ожидания заданий;
 Режим отрисовки заданий.
94
Рис. 2. Алгоритм работы АПК.
Задание для АПК представляет собой набор линий, по которым
должна пройти головка лазера для выжигания или резки.
Для отрисовки заданий была разработана библиотека, содержащая
функции отрисовки линий, полилиний, окружностей и эллипсов.
Рис. 3. Отрисовка 1-го октанта по алгоритму Брезенхема.
С учетом того что в качестве исполнительных механизмов привода
95
использовались шаговые двигатели (дискретные), в основе релизации
графических функций для вычерчивания линий на координатной
плоскости АПК использовался известный алгоритм графопостроителей —
алгоритм Брезенхема.
Алгоритм Брезенхе́ма - это алгоритм, определяющий, какие точки
двумерного растра нужно закрасить, чтобы получить близкое приближение
прямой линии между двумя заданными точками [2]. Идея алгоритма
заключается в том, что одна координата изменяется на единицу, а другая либо не изменяется, либо изменяется на единицу в зависимости от
расположения соответствующей точки от ближайшего узла координатной
сетки. Расстояние от точки отрезка до ближайшего узла по
соответствующей ортогональной координате называется ошибкой.
Алгоритм организован таким образом, что для вычисления второй
координаты требуется только определять знак этой ошибки.
Пример разложения в растр отрезка для первого октанта представлен
на рис. 3.
Рис. 4. Алгоритм аппроксимации отрезка.
96
На рис. 4 представлен алгоритм аппроксимации отрезка в первом
октанте по алгоритму Брезенхема.
С учетом изложенного алгоритма, программный код реализующий
аппроксимацию отрезка в первом октанте можно представить в следующем
виде (см. листинг 1).
Х := Х1; Y : = Y1;
dX := X2 - X1;
dY := Y2 - Y1;
d : = - 1/2;
while X =< X2 do
PutPixel (X, Y);
X := X + 1;
d := d + dY / dX;
if d >= 0 then
begin
Y := Y + 1;
d := d - 1
end
end while.
Листинг 1. Аппроксимация отрезка в первом октанте.
Представленный программный код использует вещественные числа и
операцию деления. Оба недостатка можно исключить заменой величины d
на другую (1).
D = 2 * dX * d
(1)
В соответствии с этим арифметические выражения, в которых
участвует d, модифицируются путем умножения обеих частей на величину
2 * dХ.
Тогда программный код принимает вид, представленный на листинге 2.
97
X := X1; Y := Y1;
dX := X2 - X1;
dY := Y2 - Y1;
D := - dX;
while X =< X2 do
PutPixel (X, Y);
X := X + 1;
D := D + 2 * dY;
if D >= 0 then
begin
Y := Y + 1;
D := D - 2 * dX;
end
end while.
Листинг 2. Аппроксимация отрезка в первом октанте без использования
операции деления.
Этот код можно улучшить, если операцию умножения на 2 заменить
операцией сдвига влево на один разряд. Кроме того, если вычисление 2 *
dX и 2 * dY выполнить перед циклом, то операцию сдвига потребуется
выполнить только два раза (см. листинг 3).
X := X1; Y := Y1;
dX := X2 - X1;
dY := Y2 - Y1;
D := - dX;
Dx := dX shl 1;
Dy := dY shl 1;
while X =< X2 do
PutPixel (X, Y);
X := X + 1;
D := D + Dy;
if D >= 0 then
begin
Y := Y + 1;
D := D - Dx
end
end while.
Листинг 3. Улучшенный вариант аппроксимации отрезка в первом октанте
без использования операции деления.
98
Основными достоинствами полученного программного кода являются:
 Оптимальная аппроксимация отрезка, используя целочисленную
арифметику;
 Минимизация количества операций сложения и вычитания.
Интерфейс взаимодействия
В качестве интерфейса управления станком использовался RS-232.
В основе протокола передачи данных использовался протокол WAKE.
Передача данных осуществляется в двоичном виде, т.е. используются все
возможные значения байта (00h…FFh). Для передачи служебной
информации зарезервированы два кода: FEND = C0h (Frame End) и FESC =
DBh (Frame Escape) (см. рис. 5).
Рис. 5. Структура пакета протокола WAKE.
Управляющий код FEND служит для обозначения начала посылки, а
код FESC служит для передачи ESC-последовательностей. Если в потоке
данных встречаются байты, значения которых совпадают с управляющими
кодами, производится подмена этих байт ESC-последовательностями.
Такой механизм называют байт-стаффингом (byte stuffing). Код FEND
заменяется последовательностью <FESC>, <TFEND>, а код FESC –
последовательностью <FESC>, <TFESC>, где TFEND = DCh (Transposed
FEND), TFESC = DDh (Transposed FESC).
Заключение
В результате проделанной работы было достигнута поставленная цель
- разработан аппаратно-программный комплекс для выполнения лазерной
обработки полимерных материалов на плоскости.
Были решены следующие задачи:
1. Разработка аппаратного обеспечения АПК.
2. Разработка алгоритмов управления аппаратным обеспечением.
3. Разработка человеко-машинного интерфейса для управления
системой.
Результаты проделанной работы будут использоваться в дальнейшем
для изготовления промышленного образца.
Литература
1. Евстифеев А. В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega. – М.:
Додэка-XXI, 2007.
2. Роджерс Д. Алгоритмические основы машинной графики. – М.:
Мир, 1989.
99
Аннотация
В статье описывается процесс проектирования аппаратного и
программного обеспечения для выполнения задач лазерной обработки
полимерных материалов на плоскости.
Представленный
материал
будет
полезен
инженерампроектировщикам систем координатной обработки материалов (ЧПУ).
The article describes the process of designing the hardware and software to
perform the tasks of laser cutting and engraving of polymeric materials in the
plane.
The submitted material will be useful for design engineer systems
coordinate processing of materials (CNC).
Ключевые слова
лазерная резка, лазерная гравировка, алгоритм управления, машинная
графика, числовое программное управление
laser cutting, laser engraving, control algorithm, computer graphics,
computer numerical control
100