桌面多功能數控激光雕刻機設計與制作

孔志勇，王小強

(山東中醫藥大學智能與信息工程學院，山東濟南,250000)

1 總體設計概述

數控加工技術是20世紀40年代后期為適應加工復雜外形零件而發展起來的一種自動化加工技術。早在1947年就已經在飛機制造業實現了較高精度的飛機零件數控加工，使得加工精度達到±0.0015英寸，這在當時的水平來看是相當高的。1949年，美國空軍與帕森斯公司和麻省理工學院伺服機構研究所合作，于1952年研制成功世界上第一臺數控機床——三坐標立式銑床。可控制銑刀進行連續空間曲面的加工，揭開了數控加工技術的序幕。在工業自動化如此發達的今天數控自動加工技術已經是屢見不鮮，自動化控制技術也在不同的發展需要中展現不同的姿態，并且我們不管是學習還是辦公，都有接觸到數控技術，打印機，光盤驅動器，相機等等，我們最常見的激光雕刻機和3D打印機便是使用了這一技術。于是，在此前提背景下，設計制作一個低成本的多功能數控激光雕刻機，但是，現在很多市面上的雕刻機只能是進行平面雕刻，能在曲面雕刻的雕刻機價格昂貴，想到曲面雕刻的需要，于是想到加一個軸使其能夠實現平面和柱面曲面雕刻。

1.1 多功能數控激光雕刻機的結構圖

雕刻機使用Arduino主控板，利用步進電機螺桿滑臺達到精準的控制，使其能夠在很小的平面上實現高精度的圖案雕刻，同時為了能夠實現在不同半徑的柱面上進行雕刻，在平行于X軸Y軸設計了一個變速旋轉結構齒輪變速箱，除此之外，X,Y軸步進電機活動結構都采用螺桿滑臺，滑臺行程40mm變速結構行程受打印物體半徑限制為打印物體的實際周長。

圖1 雕刻機工作模式流程圖

圖2 雕刻機結構建模圖形

1.2 工作原理

數控雕刻機主要應用了Arduino UnoRev3只需要通過USB數據線連接電腦就能供電、程序下載和數據通訊）和軟件（Arduino IDE)，具有使用類似Java、C語言的Processing/Wiring開發環境和跨平臺、簡單清晰、開放性等特點，達到控制現有的電子元件例如開關或者傳感器或者其他控制器件、LED、步進馬達或其他輸出裝置的目的）、unoR3、上位機（是一款針對Arduino芯片的嵌入式G代碼編譯和運動控制器，基于并口運動控制，具有性能高、成本低等特點，實現發送G代碼進而控制步進電機的功能）、電機驅動模塊A4988一款帶轉換器和過流保護的DMOS微步進電機驅動器，它用于操作雙極步進電機，具有控制簡單、可調整精度及兼容3.3V和5V邏輯輸入等特點，實現控制步進電機運動的功能。由上位機給主控板發送G代碼至Arduino uno r3主控板，并由arduino控制步進電機驅動模塊A4988，從而實現兩個步進電機分別進行橫向和縱向的運動，步進電機的運動帶動1W小功率微激光雕刻頭的運動，或通過轉換開關（曲/平面雕刻轉換開關）驅動曲面步進電機帶動待雕刻物體與另外兩個步進電機配合，實現在曲面上的雕刻比如說在圓木上雕刻圖案。

圖3 背面結構側視圖

2 模塊介紹

2.1 接口與主控電路

Arduino簡單的開發方式使得開發者更關注創意與實現, 實現了產品原型快速研發, 節約了學習的成本, 縮短了開發的周期[1,2,3,4]。

圖4 雕刻機實物圖正面

圖5 Arduino最小系統電路

供電接口及主控板通信口設置在主機箱后端。

圖6 電源及通信接口

2.2 曲面雕刻部分變速箱結構設計

曲面雕刻采用的齒輪皮帶無級變速結構，可以根據雕刻物體的半徑調節齒輪速比，這種設計是為了解決不同半徑的雕刻物體表面圖像寬高失真的狀況，因為步進電機的速度不變，在步進電機的速度不變的情況下，連接步進電機的主動齒輪的角速度不變，因此，它所帶動的皮帶輪的線速度不變，可以根據步進電機所帶動皮帶輪的角速度來改變下一級齒輪的線速度，從而使得變速箱達到可以根據做雕刻物體半徑靈活調節角速度和線速度的目的，使激光雕刻的焦點始終在被雕刻曲面以及相同的情況下平面鎖雕刻的相對速度對等，這樣不顧論是在曲面雕刻，還是在平面雕刻，雕刻完成的圖案展開后，是完全重合的，解決了標刻圖案，平面曲面標刻高寬比失真的情況。

圖7 變速箱內部結構圖解

2.3 步進電機電路連接

控制激光雕刻頭的波進電機與x軸以及控制曲面雕刻變速箱的步進電機分別接入三個步進電機驅動模塊，因為主控板的電源沒有辦法，惠普進電機提供驅動的電壓與電流所以單獨要12V的電源供電，控制變速箱的步進電機可以通過四刀雙投物理開關控制，切換方便，靈活，整個電路的設計遵循精度高，功耗低以及使用方便的特點。

圖8 步進電機與驅動模塊接線

2.4 上位機軟件

圖9 步進電機驅動電路

上位機使用的是Grbl controller與下位機，把所需要雕刻的圖案利用上位機形成二值圖像，然后導出nc文件，由上位機通過usb發送至主控板,然后由主控板控制x軸和y軸步進電機,或者x軸和y軸步進電機,通過手動選擇曲面雕刻或者是平面雕刻。

圖10 上位機工作界面截圖

3 結束語

桌面多功能數控激光雕刻機體積小巧,耗電量低,并且操作簡單,即使和DIY開發,又是和軟件編程機械學習,而且,開源的Arduino主控板本身就具有很高的可編程可開發性,在雕刻機的設計過程中,參考總結了許多前人的設計經驗,彌補了一些不足,并且在此基礎上做出了結構穩定性的優化以及功能多樣性的改進。在曲面雕刻結構設計的過程中,通過齒輪無級變速結構解決了雕刻機單一曲面半徑的雕刻問題,是雕刻機可以在多曲面半徑范圍下實現激光雕刻的功能,同時又能結合平面雕刻技術,可以滿足日常生活學習中的一些圖案雕刻的需要。雕刻機的結構簡單，穩定性好，而且制作成本低，上位機操作靈活，采用非常簡單的圖像處理技術就可以實現一副圖像的轉化、設計與雕刻。