桌面多功能數(shù)控激光雕刻機設(shè)計與制作

孔志勇，王小強

(山東中醫(yī)藥大學(xué)智能與信息工程學(xué)院，山東濟南,250000)

1 總體設(shè)計概述

數(shù)控加工技術(shù)是20世紀(jì)40年代后期為適應(yīng)加工復(fù)雜外形零件而發(fā)展起來的一種自動化加工技術(shù)。早在1947年就已經(jīng)在飛機制造業(yè)實現(xiàn)了較高精度的飛機零件數(shù)控加工，使得加工精度達(dá)到±0.0015英寸，這在當(dāng)時的水平來看是相當(dāng)高的。1949年，美國空軍與帕森斯公司和麻省理工學(xué)院伺服機構(gòu)研究所合作，于1952年研制成功世界上第一臺數(shù)控機床——三坐標(biāo)立式銑床?？煽刂沏姷哆M(jìn)行連續(xù)空間曲面的加工，揭開了數(shù)控加工技術(shù)的序幕。在工業(yè)自動化如此發(fā)達(dá)的今天數(shù)控自動加工技術(shù)已經(jīng)是屢見不鮮，自動化控制技術(shù)也在不同的發(fā)展需要中展現(xiàn)不同的姿態(tài)，并且我們不管是學(xué)習(xí)還是辦公，都有接觸到數(shù)控技術(shù)，打印機，光盤驅(qū)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(shù)。于是，在此前提背景下，設(shè)計制作一個低成本的多功能數(shù)控激光雕刻機，但是，現(xiàn)在很多市面上的雕刻機只能是進(jìn)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?qū)崿F(xiàn)平面和柱面曲面雕刻。

1.1 多功能數(shù)控激光雕刻機的結(jié)構(gòu)圖

雕刻機使用Arduino主控板，利用步進(jìn)電機螺桿滑臺達(dá)到精準(zhǔn)的控制，使其能夠在很小的平面上實現(xiàn)高精度的圖案雕刻，同時為了能夠?qū)崿F(xiàn)在不同半徑的柱面上進(jìn)行雕刻，在平行于X軸Y軸設(shè)計了一個變速旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)齒輪變速箱，除此之外，X,Y軸步進(jìn)電機活動結(jié)構(gòu)都采用螺桿滑臺，滑臺行程40mm變速結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)建模圖形

1.2 工作原理

數(shù)控雕刻機主要應(yīng)用了Arduino UnoRev3只需要通過USB數(shù)據(jù)線連接電腦就能供電、程序下載和數(shù)據(jù)通訊）和軟件（Arduino IDE)，具有使用類似Java、C語言的Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境和跨平臺、簡單清晰、開放性等特點，達(dá)到控制現(xiàn)有的電子元件例如開關(guān)或者傳感器或者其他控制器件、LED、步進(jìn)馬達(dá)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(xiàn)發(fā)送G代碼進(jìn)而控制步進(jìn)電機的功能）、電機驅(qū)動模塊A4988一款帶轉(zhuǎn)換器和過流保護(hù)的DMOS微步進(jìn)電機驅(qū)動器，它用于操作雙極步進(jìn)電機，具有控制簡單、可調(diào)整精度及兼容3.3V和5V邏輯輸入等特點，實現(xiàn)控制步進(jìn)電機運動的功能。由上位機給主控板發(fā)送G代碼至Arduino uno r3主控板，并由arduino控制步進(jìn)電機驅(qū)動模塊A4988，從而實現(xiàn)兩個步進(jìn)電機分別進(jìn)行橫向和縱向的運動，步進(jìn)電機的運動帶動1W小功率微激光雕刻頭的運動，或通過轉(zhuǎn)換開關(guān)（曲/平面雕刻轉(zhuǎn)換開關(guān)）驅(qū)動曲面步進(jìn)電機帶動待雕刻物體與另外兩個步進(jìn)電機配合，實現(xiàn)在曲面上的雕刻比如說在圓木上雕刻圖案。

圖3 背面結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

2 模塊介紹

2.1 接口與主控電路

Arduino簡單的開發(fā)方式使得開發(fā)者更關(guān)注創(chuàng)意與實現(xiàn), 實現(xiàn)了產(chǎn)品原型快速研發(fā), 節(jié)約了學(xué)習(xí)的成本, 縮短了開發(fā)的周期[1,2,3,4]。

圖4 雕刻機實物圖正面

圖5 Arduino最小系統(tǒng)電路

供電接口及主控板通信口設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計

曲面雕刻采用的齒輪皮帶無級變速結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)雕刻物體的半徑調(diào)節(jié)齒輪速比，這種設(shè)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(jìn)電機的速度不變，在步進(jìn)電機的速度不變的情況下，連接步進(jìn)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(jù)步進(jìn)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(dá)到可以根據(jù)做雕刻物體半徑靈活調(diào)節(jié)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(biāo)刻圖案，平面曲面標(biāo)刻高寬比失真的情況。

圖7 變速箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖解

2.3 步進(jìn)電機電路連接

控制激光雕刻頭的波進(jìn)電機與x軸以及控制曲面雕刻變速箱的步進(jìn)電機分別接入三個步進(jìn)電機驅(qū)動模塊，因為主控板的電源沒有辦法，惠普進(jìn)電機提供驅(qū)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(jìn)電機可以通過四刀雙投物理開關(guān)控制，切換方便，靈活，整個電路的設(shè)計遵循精度高，功耗低以及使用方便的特點。

圖8 步進(jìn)電機與驅(qū)動模塊接線

2.4 上位機軟件

圖9 步進(jìn)電機驅(qū)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(dǎo)出nc文件，由上位機通過usb發(fā)送至主控板,然后由主控板控制x軸和y軸步進(jìn)電機,或者x軸和y軸步進(jìn)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(jié)束語

桌面多功能數(shù)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(fā),又是和軟件編程機械學(xué)習(xí),而且,開源的Arduino主控板本身就具有很高的可編程可開發(fā)性,在雕刻機的設(shè)計過程中,參考總結(jié)了許多前人的設(shè)計經(jīng)驗,彌補了一些不足,并且在此基礎(chǔ)上做出了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的優(yōu)化以及功能多樣性的改進(jìn)。在曲面雕刻結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中,通過齒輪無級變速結(jié)構(gòu)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(xiàn)激光雕刻的功能,同時又能結(jié)合平面雕刻技術(shù),可以滿足日常生活學(xué)習(xí)中的一些圖案雕刻的需要。雕刻機的結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)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(shù)就可以實現(xiàn)一副圖像的轉(zhuǎn)化、設(shè)計與雕刻。