西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 蘭 棟 張國(guó)恒 王昭武 藍(lán)劍鋒 蘇夢(mèng)夢(mèng) 王藝翔
隨著時(shí)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(diǎn)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(huì)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(huì)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(duì)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(huì)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(guó)家及政府作為國(guó)家級(jí)別的建設(shè)發(fā)展計(jì)劃。因?yàn)檫@些計(jì)劃的實(shí)施使得激光技術(shù)迅速的發(fā)展起來,并且形成了一個(gè)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?yàn)榧す饧夹g(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(shí)其得到了非常快速的發(fā)展。由于激光雕刻切割技術(shù)的機(jī)械傳動(dòng)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(duì)于控制軟件的開發(fā)設(shè)計(jì)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(huì)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(duì)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(huì)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(duì)激光雕刻技術(shù)原理的學(xué)習(xí)了解,及實(shí)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(jì)讓更多人接觸到激光雕刻技術(shù)。
Arduino Nano采用USB 接口的核心電路板,它最大的特點(diǎn)就是體積小巧,具有較強(qiáng)的互動(dòng)效果。Nano的處理器核心是AT-mega328P-AU單片機(jī),同時(shí)具有14路數(shù)字輸入/輸出口,8路模擬輸入,1對(duì)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(jì)以Arduino Nano型單片機(jī)為核心,制作一個(gè)迷你激光雕刻機(jī)的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)以下主要功能。
(1)實(shí)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(gè)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(jì)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(duì)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(huì)自動(dòng)返回雕刻初始位置,此時(shí)不移動(dòng)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(bǔ)首次雕刻時(shí)未出雕刻效果的部分區(qū)域。
(4)可以實(shí)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(dòng)的上下左右運(yùn)動(dòng),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(duì)指令的發(fā)送接收,數(shù)據(jù)的處理以及進(jìn)行控制。
根據(jù)設(shè)計(jì)的要求,激光雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)主要系統(tǒng)分為八個(gè)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(dòng)模塊、激光器驅(qū)動(dòng)模塊、機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)模塊、顯示模塊,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
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(dòng)模塊提供所需要的電能。
主要采用Arduino Nano型單片機(jī)設(shè)計(jì),是設(shè)計(jì)的核心模塊,主要負(fù)責(zé)對(duì)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(yùn)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(diǎn)。通過外界變壓器提供的+5V 電壓供電,有源晶振輸入時(shí)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(shí)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(gè)模塊正常工作。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
對(duì)激光強(qiáng)度線性設(shè)置、步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)速度設(shè)置、激光打開時(shí)間設(shè)置、步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)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(dòng)前后左右運(yùn)動(dòng)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。
采用PL2303HXD 芯片,對(duì)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(shí)時(shí)通信傳輸。
該模塊使用了L9110S 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片,該芯片主要是為了控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)而設(shè)計(jì)。該芯片有兩個(gè)TTL/CMOS 兼容電平的輸入,故每驅(qū)動(dòng)一個(gè)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。
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(hào),來控制三極管的通斷。
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(dòng)3D打印件進(jìn)行移動(dòng),以此達(dá)到機(jī)械傳動(dòng)的目的。
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(shí)間及其精度。
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(jì)意味著程序編寫開始時(shí)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(gè)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(gè)框架間的輸入、輸出鏈接關(guān)系,而不是通過一個(gè)項(xiàng)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(gè)單元是逐步細(xì)化的結(jié)果,并充當(dāng)一個(gè)單元塊的編程的方法中,實(shí)現(xiàn)其算法稱為模塊化。
本系統(tǒng)的下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)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(diǎn)在于僅需掌握少數(shù)幾個(gè)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(shí),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(kù),而是可以直接使用他人分享的庫(kù)文件,因此,在作品的設(shè)計(jì)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
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(cè)試小木板固定于Y軸滑臺(tái)的載物面板上,打開激光器強(qiáng)光控制,對(duì)激光器的焦距進(jìn)行調(diào)節(jié),使其處于最佳焦距,若能點(diǎn)燃測(cè)試小木板,則視為成功對(duì)焦;然后打開激光器的弱光控制,移動(dòng)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(cè)試小木板上的圖樣是否出現(xiàn)錯(cuò)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。
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(dòng)控制或自動(dòng)雕刻設(shè)定好的測(cè)試圖片的例子。在串口通信的設(shè)計(jì)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(dòng)芯片對(duì)二相四線步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),在實(shí)際的應(yīng)用中得到了良好的運(yùn)動(dòng)精度。而激光器的驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)易,人性化,為無基礎(chǔ)用戶提供了便利,能夠輕松上手。對(duì)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。
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[4]王欣,馬青玉.基于Arduino的LED光立方設(shè)計(jì)[J].南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(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(jì)工程,2012(16).