桌面多功能数控激光雕刻机设计与制作

孔志勇，王小强

(山东中医药大学智能与信息工程学院，山东济南,250000)

1 总体设计概述

数控加工技术是20世纪40年代后期为适应加工复杂外形零件而发展起来的一种自动化加工技术。早在1947年就已经在飞机制造业实现了较高精度的飞机零件数控加工，使得加工精度达到±0.0015英寸，这在当时的水平来看是相当高的。1949年，美国空军与帕森斯公司和麻省理工学院伺服机构研究所合作，于1952年研制成功世界上第一台数控机床——三坐标立式铣床。可控制铣刀进行连续空间曲面的加工，揭开了数控加工技术的序幕。在工业自动化如此发达的今天数控自动加工技术已经是屡见不鲜，自动化控制技术也在不同的发展需要中展现不同的姿态，并且我们不管是学习还是办公，都有接触到数控技术，打印机，光盘驱动器，相机等等，我们最常见的激光雕刻机和3D打印机便是使用了这一技术。于是，在此前提背景下，设计制作一个低成本的多功能数控激光雕刻机，但是，现在很多市面上的雕刻机只能是进行平面雕刻，能在曲面雕刻的雕刻机价格昂贵，想到曲面雕刻的需要，于是想到加一个轴使其能够实现平面和柱面曲面雕刻。

1.1 多功能数控激光雕刻机的结构图

雕刻机使用Arduino主控板，利用步进电机螺杆滑台达到精准的控制，使其能够在很小的平面上实现高精度的图案雕刻，同时为了能够实现在不同半径的柱面上进行雕刻，在平行于X轴Y轴设计了一个变速旋转结构齿轮变速箱，除此之外，X,Y轴步进电机活动结构都采用螺杆滑台，滑台行程40mm变速结构行程受打印物体半径限制为打印物体的实际周长。

图1 雕刻机工作模式流程图

图2 雕刻机结构建模图形

1.2 工作原理

数控雕刻机主要应用了Arduino UnoRev3只需要通过USB数据线连接电脑就能供电、程序下载和数据通讯）和软件（Arduino IDE)，具有使用类似Java、C语言的Processing/Wiring开发环境和跨平台、简单清晰、开放性等特点，达到控制现有的电子元件例如开关或者传感器或者其他控制器件、LED、步进马达或其他输出装置的目的）、unoR3、上位机（是一款针对Arduino芯片的嵌入式G代码编译和运动控制器，基于并口运动控制，具有性能高、成本低等特点，实现发送G代码进而控制步进电机的功能）、电机驱动模块A4988一款带转换器和过流保护的DMOS微步进电机驱动器，它用于操作双极步进电机，具有控制简单、可调整精度及兼容3.3V和5V逻辑输入等特点，实现控制步进电机运动的功能。由上位机给主控板发送G代码至Arduino uno r3主控板，并由arduino控制步进电机驱动模块A4988，从而实现两个步进电机分别进行横向和纵向的运动，步进电机的运动带动1W小功率微激光雕刻头的运动，或通过转换开关（曲/平面雕刻转换开关）驱动曲面步进电机带动待雕刻物体与另外两个步进电机配合，实现在曲面上的雕刻比如说在圆木上雕刻图案。

图3 背面结构侧视图

2 模块介绍

2.1 接口与主控电路

Arduino简单的开发方式使得开发者更关注创意与实现, 实现了产品原型快速研发, 节约了学习的成本, 缩短了开发的周期[1,2,3,4]。

图4 雕刻机实物图正面

图5 Arduino最小系统电路

供电接口及主控板通信口设置在主机箱后端。

图6 电源及通信接口

2.2 曲面雕刻部分变速箱结构设计

曲面雕刻采用的齿轮皮带无级变速结构，可以根据雕刻物体的半径调节齿轮速比，这种设计是为了解决不同半径的雕刻物体表面图像宽高失真的状况，因为步进电机的速度不变，在步进电机的速度不变的情况下，连接步进电机的主动齿轮的角速度不变，因此，它所带动的皮带轮的线速度不变，可以根据步进电机所带动皮带轮的角速度来改变下一级齿轮的线速度，从而使得变速箱达到可以根据做雕刻物体半径灵活调节角速度和线速度的目的，使激光雕刻的焦点始终在被雕刻曲面以及相同的情况下平面锁雕刻的相对速度对等，这样不顾论是在曲面雕刻，还是在平面雕刻，雕刻完成的图案展开后，是完全重合的，解决了标刻图案，平面曲面标刻高宽比失真的情况。

图7 变速箱内部结构图解

2.3 步进电机电路连接

控制激光雕刻头的波进电机与x轴以及控制曲面雕刻变速箱的步进电机分别接入三个步进电机驱动模块，因为主控板的电源没有办法，惠普进电机提供驱动的电压与电流所以单独要12V的电源供电，控制变速箱的步进电机可以通过四刀双投物理开关控制，切换方便，灵活，整个电路的设计遵循精度高，功耗低以及使用方便的特点。

图8 步进电机与驱动模块接线

2.4 上位机软件

图9 步进电机驱动电路

上位机使用的是Grbl controller与下位机，把所需要雕刻的图案利用上位机形成二值图像，然后导出nc文件，由上位机通过usb发送至主控板,然后由主控板控制x轴和y轴步进电机,或者x轴和y轴步进电机,通过手动选择曲面雕刻或者是平面雕刻。

图10 上位机工作界面截图

3 结束语

桌面多功能数控激光雕刻机体积小巧,耗电量低,并且操作简单,即使和DIY开发,又是和软件编程机械学习,而且,开源的Arduino主控板本身就具有很高的可编程可开发性,在雕刻机的设计过程中,参考总结了许多前人的设计经验,弥补了一些不足,并且在此基础上做出了结构稳定性的优化以及功能多样性的改进。在曲面雕刻结构设计的过程中,通过齿轮无级变速结构解决了雕刻机单一曲面半径的雕刻问题,是雕刻机可以在多曲面半径范围下实现激光雕刻的功能,同时又能结合平面雕刻技术,可以满足日常生活学习中的一些图案雕刻的需要。雕刻机的结构简单，稳定性好，而且制作成本低，上位机操作灵活，采用非常简单的图像处理技术就可以实现一副图像的转化、设计与雕刻。