基于Arduino的激光雕刻機(jī)

西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 蘭 棟 張國恒 王昭武 藍(lán)劍鋒 蘇夢夢 王藝翔

隨著時代的發(fā)展，激光雕刻技術(shù)日新月異，其應(yīng)用的范圍也是十分的廣泛。激光雕刻技術(shù)是以數(shù)控為基礎(chǔ)，激光雕刻為目的的一種加工方法，它的優(yōu)點在于與被雕刻材料沒有直接的接觸，即精度很高，雕刻出的圖形、文字與原圖高度一致，同樣也不會受到機(jī)械摩擦所產(chǎn)生的熱量的影響，即被雕刻材料表面不會產(chǎn)生形變[1]。

激光在20世紀(jì)60 年代出現(xiàn)之后，在生產(chǎn)中很快得到了應(yīng)用，而后，對其相關(guān)的基本理論研究不斷的加深。各種各樣的激光器逐步的發(fā)展起來，使得激光的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷的被拓寬，規(guī)模也逐漸的被擴(kuò)大，產(chǎn)生的社會與經(jīng)濟(jì)效益也更加的顯著。而自二十世紀(jì)八十年代至今，激光技術(shù)被全球的很多國家及政府作為國家級別的建設(shè)發(fā)展計劃。因為這些計劃的實施使得激光技術(shù)迅速的發(fā)展起來，并且形成了一個生氣盎然的新興產(chǎn)業(yè)。大量的學(xué)科技術(shù)，多樣的生產(chǎn)水平因為激光技術(shù)的發(fā)展而得到了提高。

激光技術(shù)作為高新的加工工藝，廣泛的被用來進(jìn)行雕刻切割的處理，同時其得到了非?？焖俚陌l(fā)展。由于激光雕刻切割技術(shù)的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)搭建起來方便靈巧，并且低噪，低損耗；高精度，擁有廣泛的適用性，對于控制軟件的開發(fā)設(shè)計十分方便易于控制。通過高能量激光聚焦后，被雕刻材料能夠被瞬間氣化，從而獲得圖形、文字的高精度雕刻，這樣被加工的材料表面受到的影響比較小，不會使加工材料變形或產(chǎn)生刮痕等，加工的縫隙也較小，特別是對亞克力材料，切口較為平整[2]。由于是無接觸的加工，所以不會產(chǎn)生加工接觸力，沒有刀具的損耗，無模具，工件也不需要特別夾持。通過對激光雕刻技術(shù)原理的學(xué)習(xí)了解，及實現(xiàn)高精度雕刻的方法等等，促進(jìn)了激光雕刻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，迷你型激光雕刻機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計讓更多人接觸到激光雕刻技術(shù)。

1 設(shè)計的主要功能

Arduino Nano采用USB 接口的核心電路板，它最大的特點就是體積小巧，具有較強(qiáng)的互動效果。Nano的處理器核心是AT-mega328P-AU單片機(jī)，同時具有14路數(shù)字輸入/輸出口，8路模擬輸入，1對TTL電平串口收發(fā)端口RX/TX,支持ISP、USB下載，且支持多種供電模式[3]。

本設(shè)計以Arduino Nano型單片機(jī)為核心，制作一個迷你激光雕刻機(jī)的設(shè)計，實現(xiàn)以下主要功能。

(1)實現(xiàn)弱光定位，通過PWM的調(diào)節(jié)，將激光的強(qiáng)度降至一個較低的數(shù)值，以便于雕刻前的定位設(shè)置。

(2)在非金屬的物體表面燒刻出由計算機(jī)傳輸?shù)膱D案，由上位機(jī)將光路文件導(dǎo)入單片機(jī)中，單片機(jī)對雕刻文件進(jìn)行處理，控制電機(jī)位置和激光狀態(tài)進(jìn)行雕刻。

(3)支持重復(fù)雕刻，在一次雕刻完成之后，雕刻機(jī)會自動返回雕刻初始位置，此時不移動電機(jī)位置，直接生成指令，可以再次在同樣的位置進(jìn)行雕刻，以達(dá)到修補首次雕刻時未出雕刻效果的部分區(qū)域。

(4)可以實現(xiàn)印章的陰陽雕刻，在光敏墊或部分膠皮材質(zhì)上進(jìn)行印章的雕刻，雕刻成型后即可上油墨進(jìn)行蓋印。

(5)可通過硬件、硬件控制進(jìn)行手動的上下左右運動，開光激光器等行為。

(6)使用由Arduino Nano型單片機(jī)構(gòu)成的中央處理模塊，完成對指令的發(fā)送接收，數(shù)據(jù)的處理以及進(jìn)行控制。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)設(shè)計的要求，激光雕刻機(jī)的設(shè)計與實現(xiàn)主要系統(tǒng)分為八個模塊:電源模塊、中央處理模塊、上位機(jī)模塊、串口通信模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、激光器驅(qū)動模塊、機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)模塊、顯示模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 電源模塊

步進(jìn)電機(jī)部分采用采用12V、2A來進(jìn)行供電，5V、2A的電源為單片機(jī)、激光驅(qū)動模塊提供所需要的電能。

2.2 中央處理模塊

主要采用Arduino Nano型單片機(jī)設(shè)計，是設(shè)計的核心模塊，主要負(fù)責(zé)對其他部分進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析和監(jiān)控控制。采用Arduino Nano型單片機(jī)構(gòu)成，由于Arduino單片機(jī)擁有的運算能力較強(qiáng)，并且軟件編程控制方便，功耗低，體積小、I/0口資源豐富、內(nèi)置AD模數(shù)轉(zhuǎn)換、通用性強(qiáng)和成本較低等優(yōu)點。通過外界變壓器提供的+5V 電壓供電，有源晶振輸入時鐘，控制模塊能夠正常工作；通過與串口通信模塊連接上位機(jī)，可實現(xiàn)程序的下載，支持在線調(diào)試程序，并能使用上位機(jī)軟件給單片機(jī)發(fā)送指令，從而控制各個模塊正常工作。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.3 上位機(jī)模塊

對激光強(qiáng)度線性設(shè)置、步進(jìn)電機(jī)移動速度設(shè)置、激光打開時間設(shè)置、步進(jìn)電機(jī)移動步數(shù)設(shè)置、打開圖片文件、圖片黑白轉(zhuǎn)換處理、圖片左右轉(zhuǎn)換處理、手動前后左右運動控制、激光弱光定位、激光強(qiáng)光打開、激光關(guān)閉、開始、暫停等功能。

2.4 串口通信模塊

采用PL2303HXD 芯片，對RS232電平與USB電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換，負(fù)責(zé)電腦與單片機(jī)的實時通信傳輸。

2.5 電機(jī)驅(qū)動模塊

該模塊使用了L9110S 電機(jī)驅(qū)動芯片,該芯片主要是為了控制和驅(qū)動電機(jī)而設(shè)計。該芯片有兩個TTL/CMOS 兼容電平的輸入，故每驅(qū)動一個步進(jìn)電機(jī)，則需要兩枚L9110S芯片來提供二相四線步進(jìn)電機(jī)所需要的線序脈沖。

2.6 激光器驅(qū)動模塊

使用SS8050 NPN型三極管構(gòu)建控制激光器的開關(guān)電路，單片機(jī)通過發(fā)送高低電平信號，來控制三極管的通斷。

2.7 機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)模塊

由3D 打印件、二相四線步進(jìn)電機(jī)、亞克力面板組成，亞克力面板作為底板承載支架與電機(jī)，3D 打印件與步進(jìn)電機(jī)接合之后，步進(jìn)電機(jī)能夠帶動3D打印件進(jìn)行移動，以此達(dá)到機(jī)械傳動的目的。

2.8 顯示模塊

加裝的顯示屏主要顯示所雕刻文字和圖形的進(jìn)程，方便使用者較直觀地了解加工進(jìn)度，加工時間及其精度。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

該系統(tǒng)采用了模塊化的軟件編程，即所謂的模塊化設(shè)計意味著程序編寫開始時是先通過所需要的主函數(shù)、子函數(shù)、子過程之類的框架將整個控制軟件的主要流程和結(jié)構(gòu)進(jìn)并安排定義調(diào)試好每一個框架間的輸入、輸出鏈接關(guān)系，而不是通過一個項將行表達(dá)，上位機(jī)的控制命令及相應(yīng)的語句寫入。為了獲得一系列算法來描述功能塊作為一個單元是逐步細(xì)化的結(jié)果，并充當(dāng)一個單元塊的編程的方法中，實現(xiàn)其算法稱為模塊化。

本系統(tǒng)的下位機(jī)軟件設(shè)計使用的編程語言是Arduino 的類C語言，該語言是在原有C語言的基礎(chǔ)上，重新封裝定義，其優(yōu)點在于僅需掌握少數(shù)幾個指令，稍微了解C語言就可以輕松上手，快速應(yīng)用，指令的可讀性強(qiáng)。同時，由于其開源的特性，不需要像傳統(tǒng)的C51單片機(jī)那樣，需要自己編譯大量的類庫，而是可以直接使用他人分享的庫文件，因此，在作品的設(shè)計的過程中能夠更快的開發(fā)出原型機(jī)[4]。

圖2 主程序流程圖

4 調(diào)試的結(jié)果

激光雕刻機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行連接，控制軟件界面顯示OK,為連接成功。將測試小木板固定于Y軸滑臺的載物面板上，打開激光器強(qiáng)光控制，對激光器的焦距進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其處于最佳焦距，若能點燃測試小木板，則視為成功對焦；然后打開激光器的弱光控制，移動X、Y軸進(jìn)行雕刻前的定位，并載入所要雕刻的24 位BMP格式圖片，生成雕刻指令，開始雕刻。雕刻的過程中，可以觀察測試小木板上的圖樣是否出現(xiàn)錯位、缺失和失真等現(xiàn)象，如無上述現(xiàn)象直至雕刻完成，則說明激光雕刻機(jī)的工作正常。

5 發(fā)展前景

激光雕刻機(jī)系統(tǒng)是基于了Arduino 單片機(jī)[5]為核心，利用硬件與軟件相結(jié)合，與電腦端進(jìn)行通信交互，并使用自開發(fā)上位機(jī)控制軟件進(jìn)行手動控制或自動雕刻設(shè)定好的測試圖片的例子。在串口通信的設(shè)計中采用了PL2303HXD芯片,保證了上位機(jī)與下位機(jī)正常穩(wěn)定的通信，而使用L9110S 電機(jī)驅(qū)動芯片對二相四線步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，在實際的應(yīng)用中得到了良好的運動精度。而激光器的驅(qū)動采用了SS8050 NPN型三極管，并不是使用常用的繼電器等開關(guān)器件，提高了線性控制激光強(qiáng)度的精度，為灰度圖片的雕刻提供了有效的保證。

整機(jī)的硬件部分小巧，輕便，工作穩(wěn)定，精度高，成本較低，應(yīng)用靈活，易于二次開發(fā)；軟件部分操作簡易，人性化，為無基礎(chǔ)用戶提供了便利，能夠輕松上手。對于想要學(xué)習(xí)有關(guān)激光雕刻技術(shù)，但被過高的門檻限制的人們提供了方便，降低了學(xué)習(xí)的成本，具有良好的發(fā)展前景。

[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)．

[2]崔承云,崔熙貴,石貴峰．激光雕刻非金屬固體材料的表面形貌[J]．紅外與激光工程,2014(12)．

[3]高銘陽．單片機(jī)的原理及接口技術(shù)[J]．電子技術(shù)與軟件工程,2017(04)．

[4]王欣,馬青玉．基于Arduino的LED光立方設(shè)計[J]．南京師范大學(xué)學(xué)報(工程技術(shù)版),2013(04)．

[5]蔡睿妍．Arduino的原理及應(yīng)用[J]．電子設(shè)計工程,2012(16)．