孔志勇，王小強(qiáng)

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

1 總體設(shè)計(jì)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(lái)的一種自動(dòng)化加工技術(shù)。早在1947年就已經(jīng)在飛機(jī)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)了較高精度的飛機(jī)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(shí)的水平來(lái)看是相當(dāng)高的。1949年，美國(guó)空軍與帕森斯公司和麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)研究所合作，于1952年研制成功世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)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(kāi)了數(shù)控加工技術(shù)的序幕。在工業(yè)自動(dòng)化如此發(fā)達(dá)的今天數(shù)控自動(dòng)加工技術(shù)已經(jīng)是屢見(jiàn)不鮮，自動(dòng)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(jī)，光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，相機(jī)等等，我們最常見(jiàn)的激光雕刻機(jī)和3D打印機(jī)便是使用了這一技術(shù)。于是，在此前提背景下，設(shè)計(jì)制作一個(gè)低成本的多功能數(shù)控激光雕刻機(jī)，但是，現(xiàn)在很多市面上的雕刻機(jī)只能是進(jìn)行平面雕刻，能在曲面雕刻的雕刻機(jī)價(jià)格昂貴，想到曲面雕刻的需要，于是想到加一個(gè)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(jī)的結(jié)構(gòu)圖

雕刻機(jī)使用Arduino主控板，利用步進(jìn)電機(jī)螺桿滑臺(tái)達(dá)到精準(zhǔn)的控制，使其能夠在很小的平面上實(shí)現(xiàn)高精度的圖案雕刻，同時(shí)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(jì)了一個(gè)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(jī)活動(dòng)結(jié)構(gòu)都采用螺桿滑臺(tái)，滑臺(tái)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(shí)際周長(zhǎng)。

圖1 雕刻機(jī)工作模式流程圖

圖2 雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)建模圖形

1.2 工作原理

數(shù)控雕刻機(jī)主要應(yīng)用了Arduino UnoRev3只需要通過(guò)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(yǔ)言的Processing/Wiring開(kāi)發(fā)環(huán)境和跨平臺(tái)、簡(jiǎn)單清晰、開(kāi)放性等特點(diǎn)，達(dá)到控制現(xiàn)有的電子元件例如開(kāi)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(jī)（是一款針對(duì)Arduino芯片的嵌入式G代碼編譯和運(yùn)動(dòng)控制器，基于并口運(yùn)動(dòng)控制，具有性能高、成本低等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)發(fā)送G代碼進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)的功能）、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊A4988一款帶轉(zhuǎn)換器和過(guò)流保護(hù)的DMOS微步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它用于操作雙極步進(jìn)電機(jī)，具有控制簡(jiǎn)單、可調(diào)整精度及兼容3.3V和5V邏輯輸入等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的功能。由上位機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)模塊A4988，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別進(jìn)行橫向和縱向的運(yùn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)1W小功率微激光雕刻頭的運(yùn)動(dòng)，或通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)（曲/平面雕刻轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)）驅(qū)動(dòng)曲面步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)待雕刻物體與另外兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)配合，實(shí)現(xiàn)在曲面上的雕刻比如說(shuō)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(jiǎn)單的開(kāi)發(fā)方式使得開(kāi)發(fā)者更關(guān)注創(chuàng)意與實(shí)現(xiàn), 實(shí)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(kāi)發(fā)的周期[1,2,3,4]。

圖4 雕刻機(jī)實(shí)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(jī)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(jì)

曲面雕刻采用的齒輪皮帶無(wú)級(jí)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(jì)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?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的速度不變，在步進(jìn)電機(jī)的速度不變的情況下，連接步進(jìn)電機(jī)的主動(dòng)齒輪的角速度不變，因此，它所帶動(dòng)的皮帶輪的線速度不變，可以根據(jù)步進(jìn)電機(jī)所帶動(dòng)皮帶輪的角速度來(lái)改變下一級(jí)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(diǎn)始終在被雕刻曲面以及相同的情況下平面鎖雕刻的相對(duì)速度對(duì)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(kāi)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(jī)電路連接

控制激光雕刻頭的波進(jìn)電機(jī)與x軸以及控制曲面雕刻變速箱的步進(jìn)電機(jī)分別接入三個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，因?yàn)橹骺匕宓碾娫礇](méi)有辦法，惠普進(jìn)電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)的電壓與電流所以單獨(dú)要12V的電源供電，控制變速箱的步進(jìn)電機(jī)可以通過(guò)四刀雙投物理開(kāi)關(guān)控制，切換方便，靈活，整個(gè)電路的設(shè)計(jì)遵循精度高，功耗低以及使用方便的特點(diǎn)。

圖8 步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)模塊接線

2.4 上位機(jī)軟件

圖9 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

上位機(jī)使用的是Grbl controller與下位機(jī)，把所需要雕刻的圖案利用上位機(jī)形成二值圖像，然后導(dǎo)出nc文件，由上位機(jī)通過(guò)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(jī),或者x軸和y軸步進(jìn)電機(jī),通過(guò)手動(dòng)選擇曲面雕刻或者是平面雕刻。

圖10 上位機(jī)工作界面截圖

3 結(jié)束語(yǔ)

桌面多功能數(shù)控激光雕刻機(jī)體積小巧,耗電量低,并且操作簡(jiǎn)單,即使和DIY開(kāi)發(fā),又是和軟件編程機(jī)械學(xué)習(xí),而且,開(kāi)源的Arduino主控板本身就具有很高的可編程可開(kāi)發(fā)性,在雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中,參考總結(jié)了許多前人的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),彌補(bǔ)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(jì)的過(guò)程中,通過(guò)齒輪無(wú)級(jí)變速結(jié)構(gòu)解決了雕刻機(jī)單一曲面半徑的雕刻問(wèn)題,是雕刻機(jī)可以在多曲面半徑范圍下實(shí)現(xiàn)激光雕刻的功能,同時(shí)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(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，而且制作成本低，上位機(jī)操作靈活，采用非常簡(jiǎn)單的圖像處理技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)一副圖像的轉(zhuǎn)化、設(shè)計(jì)與雕刻。