富東贏 馮亮 辛建 王雨

摘 要：本文提出了一款基于Arduino微控制器智能DIY激光雕刻機(jī)（切割機(jī)）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，硬件的零件由SolidWorks畫圖軟件畫出并由3D打印技術(shù)打印出來，與傳統(tǒng)的激光雕刻機(jī)相比，該系統(tǒng)具有對(duì)激光雕刻機(jī)上位機(jī)控制。上位機(jī)軟件由自己寫出，只需在操作界面更改參數(shù)即可，具有控制簡(jiǎn)單、雕刻精度可達(dá)0.01mm、體積小等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：Arduino;雕刻機(jī)（切割機(jī)）;激光雕刻;上位機(jī)

中圖分類號(hào)：K64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）03-0075-02

1 概述

當(dāng)代的激光雕刻機(jī)是集光、機(jī)、電、材料和自動(dòng)控制等多技術(shù)的一種產(chǎn)品，隨著激光技術(shù)的不斷進(jìn)步，由于現(xiàn)代激光雕刻機(jī)優(yōu)點(diǎn)眾多，現(xiàn)代激光雕刻逐漸取替了傳統(tǒng)雕刻機(jī)，其與電腦某些畫圖軟件，如CAD，Altium Designer等相結(jié)合，廣泛應(yīng)用于印刷、小型模型制造、軍工、機(jī)電等行業(yè)或者某些高端產(chǎn)業(yè)。本文研究一種基于Arduino平臺(tái)的兩軸微型激光雕刻機(jī)，由于Arduino平臺(tái)的開源的特點(diǎn)，所以系統(tǒng)軟件方面設(shè)計(jì)相對(duì)較簡(jiǎn)單，除此之外，我們自行寫出上位機(jī)軟件，使初學(xué)者也能很快學(xué)會(huì)，待激光雕刻機(jī)機(jī)架部分設(shè)計(jì)完成后，即可進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。

2 現(xiàn)狀

在當(dāng)今這個(gè)科技飛速發(fā)展的時(shí)代，傳統(tǒng)的雕刻機(jī)已經(jīng)不能滿足人類的需求了。傳統(tǒng)雕刻機(jī)需要雕刻機(jī)床完成，并且拋光次數(shù)是激光雕刻機(jī)的二倍，傳統(tǒng)的雕刻機(jī)床不能機(jī)械加工和切割非常小的地方，雕刻時(shí)間比較長，激光雕刻技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工廠，大大提高了效率，節(jié)省了人力，可以說前景十分可觀。

相比之下，此產(chǎn)品的激光雕刻機(jī)優(yōu)點(diǎn)比較多，比如不需要接觸工件，但傳統(tǒng)雕刻需要固定和接觸工件，所以操作人員的人身安全是比較放心的。工業(yè)生產(chǎn)中，精準(zhǔn)度的要求也是比較高的，此雕刻機(jī)完美的滿足了，同時(shí)正是這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，節(jié)省了很多原材料，并且無噪音，無污染，高效率等。

因此，在這種背景下我們研究小組決定制作DIY激光雕刻機(jī)，它更加精密，同時(shí)它可以在完成工作時(shí)發(fā)出信號(hào)告知操作人員，便于機(jī)械化的生產(chǎn)，也可避免對(duì)已經(jīng)加工完成的成品的再次加工，節(jié)省能源的同時(shí)更節(jié)省時(shí)間。

3 雕刻機(jī)原理及材料

3.1 雕刻機(jī)原理

在雕刻過程中，通過高強(qiáng)度激光與底部加工材料接觸，接觸點(diǎn)處瞬間高溫，使加工材料汽化來實(shí)現(xiàn)雕刻，由于瞬間溫度較高，速度較快，所以雕刻材料表面不會(huì)產(chǎn)生形變[1]。當(dāng)激光強(qiáng)度達(dá)到2w，激光是藍(lán)紫光是，可以雕刻5mm左右的深色亞克力有機(jī)板，同時(shí)也可以切割較薄的毛氈等，具有可以雕刻復(fù)雜圖案、無磨損及噪音小等優(yōu)點(diǎn)，這是傳統(tǒng)雕刻機(jī)和人工雕刻無法比擬的。

3.2 雕刻機(jī)材料

常見的雕刻耗材有：亞克力有機(jī)板、PVC板、芙蓉板、雙色板、木工板、密度板、大理石、防火板、橡膠板、玻璃，水晶等。

4 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）如圖solids works效果圖1所示是激光雕刻機(jī)三維模型，從此模型圖中我們可以清晰地看到激光雕刻機(jī)的構(gòu)造，有固定板（亞克力板）、滑輪、螺絲等這些部件便組成了激光雕刻機(jī)大體硬件結(jié)構(gòu)，我們?cè)偻ㄟ^上位機(jī)軟件更改雕刻速度等，實(shí)現(xiàn)雕刻機(jī)的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)。

（2）如實(shí)物圖2為激光雕刻機(jī)的實(shí)物圖，雕刻機(jī)的機(jī)身多數(shù)由鋁型材構(gòu)成，部分連接處的零件由亞克力或者3D打印，采用雙y軸運(yùn)動(dòng)方式，由于每個(gè)步進(jìn)電機(jī)的響應(yīng)速度不同，我們?cè)诰帉懮衔粰C(jī)是微調(diào)了一些參數(shù)，是兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)響應(yīng)時(shí)間盡量控制在0.1us內(nèi)，保證了雕刻機(jī)y方向是平行的，確保在運(yùn)作中的穩(wěn)定性，保證并且提高了雕刻機(jī)的雕刻精度。

5 激光切割原理及分類

5.1 激光切割原理

當(dāng)我們把激光頭換為2到3w的高激光時(shí)，便可以達(dá)到最簡(jiǎn)單的激光切割了。當(dāng)接觸點(diǎn)受到高功率密度的激光光斑照射時(shí)，會(huì)產(chǎn)生10000℃以上的局部高溫，使工作點(diǎn)瞬間汽化，再加上輔助切割氣體將汽化的金屬吹走，這就實(shí)現(xiàn)了切割的效果，隨著激光雕刻機(jī)x，y軸的移動(dòng)，由點(diǎn)變成了線，然后就成了要切的外形。由于激光切割的效率非常高，所以切割點(diǎn)處非常光滑，不會(huì)影響產(chǎn)品的美觀度。

5.2 激光切割的分類

（1）汽化切割;（2）熔化切割;（3）氧氣切割。

6 激光切割的優(yōu)點(diǎn)

6.1 切割質(zhì)量好

（1）切割表面光潔美觀，無需重新加工，零部件可直接使用。（2）切割精度高，切縫的幾何形狀好。

6.2 切割效率高

現(xiàn)代激光切割機(jī)一般頂替兩三臺(tái)傳統(tǒng)的車床切割的效率。

6.3 切割速度快

我們用此雕刻機(jī)測(cè)試得出：用功率為12W的半導(dǎo)體激光器切割2mm厚的黑色亞克力板，切割速度可達(dá)30cm/min。

7 嵌入式底層驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

如圖3是激光雕刻機(jī)的底層驅(qū)動(dòng)流程圖。激光雕刻機(jī)通電后，先通過電腦對(duì)Arduino主控發(fā)送主程序。當(dāng)初始化完成后，我們通過更改上位機(jī)軟件界面的控制參數(shù)，包括步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度、方向和每次前進(jìn)或者后退的步數(shù)、激光器的激光強(qiáng)度（通過PWM更改）。當(dāng)此流程圖自上而下執(zhí)行一次后，就完成了雕刻工作。

8 激光器（激光頭）的選擇

（1）激光器的種類較多，可分為固體、半導(dǎo)體、氣體、X 射線激光器、化學(xué)激光器自由電子激光器等類型。但是按工作介質(zhì)又分為以下幾種：

1）固體激光器。特點(diǎn)：器件小、堅(jiān)固、使用方便、輸出功率大。

2）液體激光器。特點(diǎn)：輸出波長連續(xù)可調(diào)，但是工作原理較為復(fù)雜。

3）氣體激光器。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、操作方便、介質(zhì)均勻、能連續(xù)工作時(shí)間較長，此激光器應(yīng)用最為廣泛。

4）半導(dǎo)體激光。特點(diǎn)：體積小、壽命長、堅(jiān)固、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

（2）此DIY激光雕刻機(jī)一般選擇半導(dǎo)體激光器，科學(xué)表明，在穩(wěn)定性方面，藍(lán)紫光是最穩(wěn)定的，所以我們選擇藍(lán)紫光半導(dǎo)體激光器。

9 軟件部分

我們使用我們自己編寫的上位機(jī)軟件，而在代碼方面我們采用數(shù)控機(jī)床的G代碼，我們首先把圖片導(dǎo)到上位機(jī)軟件中，運(yùn)行一下上位機(jī)軟件，提取出并生成相應(yīng)的G代碼，將代碼導(dǎo)入Arduino，下位機(jī)讀取G代碼的信息從而控制X、Y、Z軸步進(jìn)電機(jī)和激光，最終達(dá)到雕刻或者切割效果。我們也可以通過Arduino微控制器輸出不同PWM，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器輸入電壓值進(jìn)行控制[2]。

10 雕刻作品展示

如圖4所示，是由激光雕刻機(jī)在1mm的木板上雕刻的實(shí)際效果圖。雕刻圖案呈現(xiàn)條紋清晰，棱角分明，完美的達(dá)到了我們的預(yù)期效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭曉，王君，汪泉，任軍，梁斌.一種基于Delta機(jī)器人的激光雕刻機(jī)[J].現(xiàn)代制造工程，2017（12）：78-81.

[2] 鐘英，郭鋒，張紅彬.DVD激光頭的補(bǔ)償控制電路的仿真和分析[J].電子設(shè)計(jì)工程，2015，23（4）：68-70.