基于Arduino的激光雕刻機

西北民族大學電氣工程學院 蘭 棟 張國恒 王昭武 藍劍鋒 蘇夢夢 王藝翔

隨著時代的發展，激光雕刻技術日新月異，其應用的范圍也是十分的廣泛。激光雕刻技術是以數控為基礎，激光雕刻為目的的一種加工方法，它的優點在于與被雕刻材料沒有直接的接觸，即精度很高，雕刻出的圖形、文字與原圖高度一致，同樣也不會受到機械摩擦所產生的熱量的影響，即被雕刻材料表面不會產生形變[1]。

激光在20世紀60 年代出現之后，在生產中很快得到了應用，而后，對其相關的基本理論研究不斷的加深。各種各樣的激光器逐步的發展起來，使得激光的應用領域也不斷的被拓寬，規模也逐漸的被擴大，產生的社會與經濟效益也更加的顯著。而自二十世紀八十年代至今，激光技術被全球的很多國家及政府作為國家級別的建設發展計劃。因為這些計劃的實施使得激光技術迅速的發展起來，并且形成了一個生氣盎然的新興產業。大量的學科技術，多樣的生產水平因為激光技術的發展而得到了提高。

激光技術作為高新的加工工藝，廣泛的被用來進行雕刻切割的處理，同時其得到了非常快速的發展。由于激光雕刻切割技術的機械傳動結構搭建起來方便靈巧，并且低噪，低損耗；高精度，擁有廣泛的適用性，對于控制軟件的開發設計十分方便易于控制。通過高能量激光聚焦后，被雕刻材料能夠被瞬間氣化，從而獲得圖形、文字的高精度雕刻，這樣被加工的材料表面受到的影響比較小，不會使加工材料變形或產生刮痕等，加工的縫隙也較小，特別是對亞克力材料，切口較為平整[2]。由于是無接觸的加工，所以不會產生加工接觸力，沒有刀具的損耗，無模具，工件也不需要特別夾持。通過對激光雕刻技術原理的學習了解，及實現高精度雕刻的方法等等，促進了激光雕刻產業的發展。因此，迷你型激光雕刻機系統的設計讓更多人接觸到激光雕刻技術。

1 設計的主要功能

Arduino Nano采用USB 接口的核心電路板，它最大的特點就是體積小巧，具有較強的互動效果。Nano的處理器核心是AT-mega328P-AU單片機，同時具有14路數字輸入/輸出口，8路模擬輸入，1對TTL電平串口收發端口RX/TX,支持ISP、USB下載，且支持多種供電模式[3]。

本設計以Arduino Nano型單片機為核心，制作一個迷你激光雕刻機的設計，實現以下主要功能。

(1)實現弱光定位，通過PWM的調節，將激光的強度降至一個較低的數值，以便于雕刻前的定位設置。

(2)在非金屬的物體表面燒刻出由計算機傳輸的圖案，由上位機將光路文件導入單片機中，單片機對雕刻文件進行處理，控制電機位置和激光狀態進行雕刻。

(3)支持重復雕刻，在一次雕刻完成之后，雕刻機會自動返回雕刻初始位置，此時不移動電機位置，直接生成指令，可以再次在同樣的位置進行雕刻，以達到修補首次雕刻時未出雕刻效果的部分區域。

(4)可以實現印章的陰陽雕刻，在光敏墊或部分膠皮材質上進行印章的雕刻，雕刻成型后即可上油墨進行蓋印。

(5)可通過硬件、硬件控制進行手動的上下左右運動，開光激光器等行為。

(6)使用由Arduino Nano型單片機構成的中央處理模塊，完成對指令的發送接收，數據的處理以及進行控制。

2 系統結構

根據設計的要求，激光雕刻機的設計與實現主要系統分為八個模塊:電源模塊、中央處理模塊、上位機模塊、串口通信模塊、電機驅動模塊、激光器驅動模塊、機械傳動結構模塊、顯示模塊，系統結構如圖1所示。

2.1 電源模塊

步進電機部分采用采用12V、2A來進行供電，5V、2A的電源為單片機、激光驅動模塊提供所需要的電能。

2.2 中央處理模塊

主要采用Arduino Nano型單片機設計，是設計的核心模塊，主要負責對其他部分進行數據處理分析和監控控制。采用Arduino Nano型單片機構成，由于Arduino單片機擁有的運算能力較強，并且軟件編程控制方便，功耗低，體積小、I/0口資源豐富、內置AD模數轉換、通用性強和成本較低等優點。通過外界變壓器提供的+5V 電壓供電，有源晶振輸入時鐘，控制模塊能夠正常工作；通過與串口通信模塊連接上位機，可實現程序的下載，支持在線調試程序，并能使用上位機軟件給單片機發送指令，從而控制各個模塊正常工作。

圖1 系統結構框圖

2.3 上位機模塊

對激光強度線性設置、步進電機移動速度設置、激光打開時間設置、步進電機移動步數設置、打開圖片文件、圖片黑白轉換處理、圖片左右轉換處理、手動前后左右運動控制、激光弱光定位、激光強光打開、激光關閉、開始、暫停等功能。

2.4 串口通信模塊

采用PL2303HXD 芯片，對RS232電平與USB電平進行轉換，負責電腦與單片機的實時通信傳輸。

2.5 電機驅動模塊

該模塊使用了L9110S 電機驅動芯片,該芯片主要是為了控制和驅動電機而設計。該芯片有兩個TTL/CMOS 兼容電平的輸入，故每驅動一個步進電機，則需要兩枚L9110S芯片來提供二相四線步進電機所需要的線序脈沖。

2.6 激光器驅動模塊

使用SS8050 NPN型三極管構建控制激光器的開關電路，單片機通過發送高低電平信號，來控制三極管的通斷。

2.7 機械傳動結構模塊

由3D 打印件、二相四線步進電機、亞克力面板組成，亞克力面板作為底板承載支架與電機，3D 打印件與步進電機接合之后，步進電機能夠帶動3D打印件進行移動，以此達到機械傳動的目的。

2.8 顯示模塊

加裝的顯示屏主要顯示所雕刻文字和圖形的進程，方便使用者較直觀地了解加工進度，加工時間及其精度。

3 系統的軟件設計

該系統采用了模塊化的軟件編程，即所謂的模塊化設計意味著程序編寫開始時是先通過所需要的主函數、子函數、子過程之類的框架將整個控制軟件的主要流程和結構進并安排定義調試好每一個框架間的輸入、輸出鏈接關系，而不是通過一個項將行表達，上位機的控制命令及相應的語句寫入。為了獲得一系列算法來描述功能塊作為一個單元是逐步細化的結果，并充當一個單元塊的編程的方法中，實現其算法稱為模塊化。

本系統的下位機軟件設計使用的編程語言是Arduino 的類C語言，該語言是在原有C語言的基礎上，重新封裝定義，其優點在于僅需掌握少數幾個指令，稍微了解C語言就可以輕松上手，快速應用，指令的可讀性強。同時，由于其開源的特性，不需要像傳統的C51單片機那樣，需要自己編譯大量的類庫，而是可以直接使用他人分享的庫文件，因此，在作品的設計的過程中能夠更快的開發出原型機[4]。

圖2 主程序流程圖

4 調試的結果

激光雕刻機與上位機進行連接，控制軟件界面顯示OK,為連接成功。將測試小木板固定于Y軸滑臺的載物面板上，打開激光器強光控制，對激光器的焦距進行調節，使其處于最佳焦距，若能點燃測試小木板，則視為成功對焦；然后打開激光器的弱光控制，移動X、Y軸進行雕刻前的定位，并載入所要雕刻的24 位BMP格式圖片，生成雕刻指令，開始雕刻。雕刻的過程中，可以觀察測試小木板上的圖樣是否出現錯位、缺失和失真等現象，如無上述現象直至雕刻完成，則說明激光雕刻機的工作正常。

5 發展前景

激光雕刻機系統是基于了Arduino 單片機[5]為核心，利用硬件與軟件相結合，與電腦端進行通信交互，并使用自開發上位機控制軟件進行手動控制或自動雕刻設定好的測試圖片的例子。在串口通信的設計中采用了PL2303HXD芯片,保證了上位機與下位機正常穩定的通信，而使用L9110S 電機驅動芯片對二相四線步進電機進行驅動，在實際的應用中得到了良好的運動精度。而激光器的驅動采用了SS8050 NPN型三極管，并不是使用常用的繼電器等開關器件，提高了線性控制激光強度的精度，為灰度圖片的雕刻提供了有效的保證。

整機的硬件部分小巧，輕便，工作穩定，精度高，成本較低，應用靈活，易于二次開發；軟件部分操作簡易，人性化，為無基礎用戶提供了便利，能夠輕松上手。對于想要學習有關激光雕刻技術，但被過高的門檻限制的人們提供了方便，降低了學習的成本，具有良好的發展前景。

[1]鄭曉,王君,汪泉,任軍,梁斌．一種基于Delta機器人的激光雕刻機[J]．現代制造工程,2017(12)．

[2]崔承云,崔熙貴,石貴峰．激光雕刻非金屬固體材料的表面形貌[J]．紅外與激光工程,2014(12)．

[3]高銘陽．單片機的原理及接口技術[J]．電子技術與軟件工程,2017(04)．

[4]王欣,馬青玉．基于Arduino的LED光立方設計[J]．南京師范大學學報(工程技術版),2013(04)．

[5]蔡睿妍．Arduino的原理及應用[J]．電子設計工程,2012(16)．