DIY激光雕刻&切割机的制作

富东赢 冯亮 辛建 王雨

摘 要：本文提出了一款基于Arduino微控制器智能DIY激光雕刻机（切割机）系统的设计方案。该系统由硬件系统和软件系统两部分构成，硬件的零件由SolidWorks画图软件画出并由3D打印技术打印出来，与传统的激光雕刻机相比，该系统具有对激光雕刻机上位机控制。上位机软件由自己写出，只需在操作界面更改参数即可，具有控制简单、雕刻精度可达0.01mm、体积小等优点。

关键词：Arduino;雕刻机（切割机）;激光雕刻;上位机

中图分类号：K64 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）03-0075-02

1 概述

当代的激光雕刻机是集光、机、电、材料和自动控制等多技术的一种产品，随着激光技术的不断进步，由于现代激光雕刻机优点众多，现代激光雕刻逐渐取替了传统雕刻机，其与电脑某些画图软件，如CAD，Altium Designer等相结合，广泛应用于印刷、小型模型制造、军工、机电等行业或者某些高端产业。本文研究一种基于Arduino平台的两轴微型激光雕刻机，由于Arduino平台的开源的特点，所以系统软件方面设计相对较简单，除此之外，我们自行写出上位机软件，使初学者也能很快学会，待激光雕刻机机架部分设计完成后，即可进行系统调试。

2 现状

在当今这个科技飞速发展的时代，传统的雕刻机已经不能满足人类的需求了。传统雕刻机需要雕刻机床完成，并且抛光次数是激光雕刻机的二倍，传统的雕刻机床不能机械加工和切割非常小的地方，雕刻时间比较长，激光雕刻技术被广泛应用于工厂，大大提高了效率，节省了人力，可以说前景十分可观。

相比之下，此产品的激光雕刻机优点比较多，比如不需要接触工件，但传统雕刻需要固定和接触工件，所以操作人员的人身安全是比较放心的。工业生产中，精准度的要求也是比较高的，此雕刻机完美的满足了，同时正是这个优点，节省了很多原材料，并且无噪音，无污染，高效率等。

因此，在这种背景下我们研究小组决定制作DIY激光雕刻机，它更加精密，同时它可以在完成工作时发出信号告知操作人员，便于机械化的生产，也可避免对已经加工完成的成品的再次加工，节省能源的同时更节省时间。

3 雕刻机原理及材料

3.1 雕刻机原理

在雕刻过程中，通过高强度激光与底部加工材料接触，接触点处瞬间高温，使加工材料汽化来实现雕刻，由于瞬间温度较高，速度较快，所以雕刻材料表面不会产生形变[1]。当激光强度达到2w，激光是蓝紫光是，可以雕刻5mm左右的深色亚克力有机板，同时也可以切割较薄的毛毡等，具有可以雕刻复杂图案、无磨损及噪音小等优点，这是传统雕刻机和人工雕刻无法比拟的。

3.2 雕刻机材料

常见的雕刻耗材有：亚克力有机板、PVC板、芙蓉板、双色板、木工板、密度板、大理石、防火板、橡胶板、玻璃，水晶等。

4 机械结构设计

（1）如图solids works效果图1所示是激光雕刻机三维模型，从此模型图中我们可以清晰地看到激光雕刻机的构造，有固定板（亚克力板）、滑轮、螺丝等这些部件便组成了激光雕刻机大体硬件结构，我们再通过上位机软件更改雕刻速度等，实现雕刻机的简单运动。

（2）如实物图2为激光雕刻机的实物图，雕刻机的机身多数由铝型材构成，部分连接处的零件由亚克力或者3D打印，采用双y轴运动方式，由于每个步进电机的响应速度不同，我们在编写上位机是微调了一些参数，是两个步进电机响应时间尽量控制在0.1us内，保证了雕刻机y方向是平行的，确保在运作中的稳定性，保证并且提高了雕刻机的雕刻精度。

5 激光切割原理及分类

5.1 激光切割原理

当我们把激光头换为2到3w的高激光时，便可以达到最简单的激光切割了。当接触点受到高功率密度的激光光斑照射时，会产生10000℃以上的局部高温，使工作点瞬间汽化，再加上辅助切割气体将汽化的金属吹走，这就实现了切割的效果，随着激光雕刻机x，y轴的移动，由点变成了线，然后就成了要切的外形。由于激光切割的效率非常高，所以切割点处非常光滑，不会影响产品的美观度。

5.2 激光切割的分类

（1）汽化切割;（2）熔化切割;（3）氧气切割。

6 激光切割的优点

6.1 切割质量好

（1）切割表面光洁美观，无需重新加工，零部件可直接使用。（2）切割精度高，切缝的几何形状好。

6.2 切割效率高

现代激光切割机一般顶替两三台传统的车床切割的效率。

6.3 切割速度快

我们用此雕刻机测试得出：用功率为12W的半导体激光器切割2mm厚的黑色亚克力板，切割速度可达30cm/min。

7 嵌入式底层驱动设计

如图3是激光雕刻机的底层驱动流程图。激光雕刻机通电后，先通过电脑对Arduino主控发送主程序。当初始化完成后，我们通过更改上位机软件界面的控制参数，包括步进电机的运动速度、方向和每次前进或者后退的步数、激光器的激光强度（通过PWM更改）。当此流程图自上而下执行一次后，就完成了雕刻工作。

8 激光器（激光头）的选择

（1）激光器的种类较多，可分为固体、半导体、气体、X 射线激光器、化学激光器自由电子激光器等类型。但是按工作介质又分为以下几种：

1）固体激光器。特点：器件小、坚固、使用方便、输出功率大。

2）液体激光器。特点：输出波长连续可调，但是工作原理较为复杂。

3）气体激光器。特点：结构简单、造价低、操作方便、介质均匀、能连续工作时间较长，此激光器应用最为广泛。

4）半导体激光。特点：体积小、寿命长、坚固、结构简单。

（2）此DIY激光雕刻机一般选择半导体激光器，科学表明，在稳定性方面，蓝紫光是最稳定的，所以我们选择蓝紫光半导体激光器。

9 软件部分

我们使用我们自己编写的上位机软件，而在代码方面我们采用数控机床的G代码，我们首先把图片导到上位机软件中，运行一下上位机软件，提取出并生成相应的G代码，将代码导入Arduino，下位机读取G代码的信息从而控制X、Y、Z轴步进电机和激光，最终达到雕刻或者切割效果。我们也可以通过Arduino微控制器输出不同PWM，从而实现对激光器输入电压值进行控制[2]。

10 雕刻作品展示

如图4所示，是由激光雕刻机在1mm的木板上雕刻的实际效果图。雕刻图案呈现条纹清晰，棱角分明，完美的达到了我们的预期效果。

参考文献

[1] 郑晓，王君，汪泉，任军，梁斌.一种基于Delta机器人的激光雕刻機[J].现代制造工程，2017（12）：78-81.

[2] 钟英，郭锋，张红彬.DVD激光头的补偿控制电路的仿真和分析[J].电子设计工程，2015，23（4）：68-70.