三維激光雕刻機(jī)的實(shí)訓(xùn)制作

何恩節(jié)，吳祥飛，柏云磊，方針，陳子軍，李佳佳

（1.安徽科技學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院，鳳陽 233100；2.安徽科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，鳳陽 233100）

0 引言

激光作為20世紀(jì)人類四項(xiàng)重大發(fā)明之一，其技術(shù)及相應(yīng)產(chǎn)業(yè)已成為國家重點(diǎn)扶持并由科研院所和企業(yè)共同主導(dǎo)的國家戰(zhàn)略型新興產(chǎn)業(yè)。自第一臺(tái)激光器問世以來，其在民用領(lǐng)域中變得越來越普及，而在眾多激光產(chǎn)品中屬激光雕刻應(yīng)用的最為廣泛和成熟[1]。激光雕刻技術(shù)具備的應(yīng)用范圍廣、適用材料多樣、無機(jī)械擠壓、高速高精度、成本低廉等諸多優(yōu)勢(shì)，使其成為雕刻行業(yè)中備受關(guān)注的焦點(diǎn)。當(dāng)前，激光雕刻技術(shù)在整個(gè)雕刻行業(yè)的變革中扮演著巨大的推手角色，其發(fā)展前景十分廣闊。

激光雕刻（Laser Engraving）技術(shù)是以數(shù)控技術(shù)為基礎(chǔ)的高新技術(shù)，它以激光為加工媒介，融入了最新的光、機(jī)、電一體化技術(shù)，如今已成為現(xiàn)代科技進(jìn)步的一種體現(xiàn)。然而，隨著激光雕刻技術(shù)應(yīng)用的越加廣泛，二維激光雕刻已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足加工生產(chǎn)的需求，所以市場(chǎng)對(duì)三維激光雕刻的需求越來越大[2]。當(dāng)前激光雕刻正處在二維雕刻向三維雕刻轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時(shí)期，但工藝技術(shù)的限制使得已研制出的三維激光雕刻機(jī)存在著操作復(fù)雜、激光頭更換繁瑣、龐大超重、價(jià)格高昂等種種弊端，這嚴(yán)重限制著三維激光雕刻機(jī)的推廣和發(fā)展。當(dāng)前研究通過對(duì)原有三維激光雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化和電氣系統(tǒng)的智能升級(jí)，構(gòu)建出一套高效低廉的三維激光雕刻系統(tǒng)。對(duì)比分析結(jié)果表明當(dāng)前系統(tǒng)在操作、精度、效率、功能等方面均具備明顯優(yōu)勢(shì)。

1 雙頭旋轉(zhuǎn)式三維激光雕刻機(jī)原理

激光雕刻系統(tǒng)通過CO2激光器產(chǎn)生高能密集的激光束，并由反射鏡反射傳遞后利用聚集鏡投射到材料外表，利用被刻材料受到高能激光照射，瞬間升溫熔化和氣化的物理變性原理來達(dá)到加工目的[3]。通過步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)其分別位于系統(tǒng)頂側(cè)面的兩個(gè)激光頭做平面運(yùn)動(dòng)，同啟同停，步調(diào)一致。底部用于旋轉(zhuǎn)被刻材料的電機(jī)與側(cè)面可做平面運(yùn)動(dòng)的激光頭相互配合，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)物體側(cè)面的有效雕刻。雕刻方式采用點(diǎn)陣雕刻原理，即通過總控芯片控制激光頭做橫向擺動(dòng)，每次雕刻出由一系列點(diǎn)排成的線，而后使激光頭縱向移動(dòng)以雕刻出多線，最終雕刻出整版的雕刻圖像。在PC端利用三位軟件（Unigraphics NX）繪制出雕刻圖案并設(shè)置好相應(yīng)的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)線將PC端生成的G代碼傳送給雕刻系統(tǒng)，隨后由微控制器適時(shí)向系統(tǒng)各部件傳送相應(yīng)信號(hào)[4]。

2 機(jī)械部分

機(jī)械部分作為雕刻系統(tǒng)最為基礎(chǔ)的部分，其結(jié)構(gòu)的好壞直接關(guān)系到雕刻工作是否能夠高精高效完成，所以其對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、器件選型與安裝都有著極高的要求。此部分主要討論該系統(tǒng)的總體機(jī)械布局、各機(jī)械部件選型、雕刻機(jī)的工作方式和運(yùn)行參數(shù)的確定等。要求在保證系統(tǒng)工作過程中各組件之間運(yùn)行協(xié)調(diào)、機(jī)械運(yùn)行平滑而無共振的前提下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作運(yùn)行效率最高和雕刻精度最優(yōu)。

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)與部件布局

激光雕刻機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)、頂部側(cè)面布局分別依次如圖1、2所示。雕刻機(jī)的特殊行走機(jī)構(gòu)架構(gòu)設(shè)計(jì)采用穩(wěn)定可靠的十字軸滑動(dòng)型的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，這種機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于其良好的抗震性結(jié)構(gòu)可以大大提升雕刻速度；滑動(dòng)光軸采用行程可達(dá)到550mm的高頻淬火直線導(dǎo)軌，以保證其運(yùn)行精度并延長使用壽命；在激光頭與床身之間采用的便于拆裝更換激光頭的卡槽結(jié)構(gòu)，便于根據(jù)被雕刻材料的不同溫度特性更換相應(yīng)功率的激光頭[5]。將卡槽結(jié)構(gòu)加裝在標(biāo)有刻度的安裝支架上，從而避免因?yàn)槭褂猛饨鐦?biāo)尺調(diào)整激光頭原始位置而產(chǎn)生的累積誤差，這種可調(diào)整的卡槽結(jié)構(gòu)同時(shí)也提高了兩激光頭間的協(xié)作程度[6]。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)材料側(cè)面的無盲點(diǎn)雕刻，在系統(tǒng)底部加裝一塊輕便且易于旋轉(zhuǎn)的圓形木制托盤，并通過位于底面對(duì)角線交叉點(diǎn)上的步進(jìn)電機(jī)將其托舉而使其半懸于底部。激光雕刻機(jī)的兩個(gè)激光頭分別位于系統(tǒng)的頂部和側(cè)面，頂面和側(cè)面的坐標(biāo)系統(tǒng)均采用直角笛卡爾系統(tǒng)，基本坐標(biāo)軸為x、y、z軸，其中xoy面為工件放置面，z軸方向與激光出射方向平行。

圖1 激光雕刻機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2 激光雕刻機(jī)頂部、側(cè)面布局圖

2.2 運(yùn)行參數(shù)的確定

基本工作參數(shù)如表1所示。其參數(shù)選取要求在保證電機(jī)間配合協(xié)調(diào)、機(jī)械運(yùn)行穩(wěn)定、無共振現(xiàn)象的前提下，最大限度地使系統(tǒng)的雕刻精度達(dá)到最高。

表1 參數(shù)設(shè)定

3 電氣控制系統(tǒng)

現(xiàn)代雕刻制作業(yè)的多樣化，要求數(shù)控雕刻機(jī)具有多種加工工序，這就要求控制系統(tǒng)硬件的電路設(shè)計(jì)和軟件的算法研究上必須得到進(jìn)一步升級(jí)，必須向簡(jiǎn)潔高效、多功能化方向發(fā)展。為滿足控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能要求，采用嵌入式技術(shù)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)。采用嵌入式控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器硬件電路的極大簡(jiǎn)化，這樣不僅降低了開發(fā)成本、提高了開發(fā)效率，而且也使得系統(tǒng)的硬軟件上兼具有高性能、靈活性和穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)[7]。

3.1 電子器件選型

硬件平臺(tái)采用飛思卡爾32位嵌入式微處理器Ki?netis 60構(gòu)架，以實(shí)現(xiàn)與PC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和精準(zhǔn)控制雕刻系統(tǒng)各個(gè)部件；選取步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為最大靜力矩達(dá)6.08 N·M的J-86HB2401電機(jī)；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片則采用TB6560AHQ與A3997SED；為盡可能縮小步進(jìn)電機(jī)的每步行程，以提高雕刻精度，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器則采用具有128細(xì)分?jǐn)?shù)的ATK-2MD4850兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；加裝500線雙相編碼器E6A2-CW實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的半閉環(huán)控制，以確保能夠及時(shí)消除系統(tǒng)因電機(jī)在啟停、變向時(shí)因丟失步帶來的累積行程偏差[8]；行程限位開關(guān)采用高靈敏度光電式感應(yīng)開關(guān)以起到連鎖保護(hù)的作用。在供電方式上出于對(duì)便于安裝、維護(hù)等方面的考慮，采用350W的LRS-350-24型直流開關(guān)電源。裝置通過加裝可觸式TFT屏幕以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，并實(shí)時(shí)掌握系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)[9]。

3.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電氣硬件主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程如圖3所示?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)主要部分包括驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、人機(jī)交互三個(gè)模塊。驅(qū)動(dòng)模塊作為雕刻系統(tǒng)必不可少的一部分，對(duì)雕刻機(jī)的電氣控制和機(jī)械運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。無論出于對(duì)機(jī)械的保護(hù)還是雕刻安全性方面的考慮，都需要在系統(tǒng)中加入可靠的保護(hù)模塊。通過給系統(tǒng)加入人機(jī)交換模塊，以提高雕刻系統(tǒng)的友善性和可維護(hù)性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)試的便捷性、加工參數(shù)的適時(shí)可調(diào)性、故障與效率數(shù)據(jù)分析的及時(shí)準(zhǔn)確性。

圖3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流圖

3.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在認(rèn)真分析系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)功能，掌握相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)、功能要求后，明確程序設(shè)計(jì)的內(nèi)容，包括驅(qū)動(dòng)程序、檢測(cè)程序、暫停程序等。另外，考慮到使用的計(jì)算機(jī)編程語言要在維護(hù)性、穩(wěn)定性、可移植性以及開發(fā)高效性等方面具有一定優(yōu)勢(shì)，操作系統(tǒng)采用μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)，并使用編譯器Keil MDK-ARM完成對(duì)系統(tǒng)程序的編譯和調(diào)試[10]。程序流程如圖4所示。

溫控保護(hù)模塊采用智能溫控模式（半閉環(huán)溫度測(cè)控模式）：其思路為在智能溫控模式下工作的特域冷水機(jī)，當(dāng)實(shí)際水溫()超過設(shè)定溫度閾值將報(bào)警提示，超高溫度報(bào)警閾值()計(jì)算公式為：，其中為室溫、為制冷回差溫度（取為2.5℃）、為溫度余量（取為8℃）；以室溫=35℃為例，根據(jù)上述公式，得45.5℃，即系統(tǒng)自適應(yīng)45.5℃為系統(tǒng)超高溫度閾值。

圖4 程序流程圖

4 雕刻測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

雕刻模型選用邊長為200 mm的立方體木材。當(dāng)前雙頭旋轉(zhuǎn)式激光雕刻機(jī)的雕刻效果與普通激光雕刻機(jī)的對(duì)比數(shù)據(jù)如表2所示。對(duì)表2中兩種雕刻機(jī)的數(shù)據(jù)，可知雙頭旋轉(zhuǎn)式激光雕刻機(jī)無論是在硬軟件操作復(fù)雜程度，還是在機(jī)械運(yùn)行穩(wěn)定、雕刻效率和雕刻精度等諸多方面都占據(jù)著明顯的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)也達(dá)到了零人工干預(yù)，完全實(shí)現(xiàn)了立體大幅雕刻的全自動(dòng)化與智能化。

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)語

為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單、高精高效的三維激光雕刻。在原有三位激光雕刻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和電氣系統(tǒng)的智能化升級(jí)，研制出一套高效低廉的三維激光雕刻系統(tǒng)。數(shù)據(jù)對(duì)比分析結(jié)果表明，當(dāng)前系統(tǒng)具備操作簡(jiǎn)單、精度高、效率高、功能全等諸多研究。當(dāng)前設(shè)計(jì)的三維旋轉(zhuǎn)式激光雕刻機(jī)不僅有利于實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量的提升，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也具備廣闊的應(yīng)用前景。

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