基于Arduino的激光雕刻机的设计

装配图A0

基于Arduino的激光雕刻机的设计
摘要
数控雕刻机是一种可以雕刻加工的机电一体化机床，它可加工的材料的范围很广，既可以加工铝、铜等金属材料，也可以加工塑料、石材、陶瓷等非金属材料，所以被很广泛应用于各个行业，具有很广阔的市场前景。数控雕刻机的使用大大提高了雕刻加工的效率，同时制造业的发展提供了动力。
激光技术作为一种新型技术，将其与传统的雕刻机行业有机结合，激光雕刻机对于雕刻精度雕刻效率的提高具有很高的利用价值。激光数控雕刻机通过其控制系统去控制步进电动机和激光头的灼烧，步进电动机再通过联轴器带动丝杠旋转，丝杠再带动丝杠螺母以及与其固定的各个部件做直线进给运动，从而实现雕刻机在X、Y平面方向上的雕刻加工，通过激光功率调节雕刻力度，取代传统的直流电机和电主轴。
本设计采用步进电动机作为各向进给运动的驱动电动机，与伺服电机相比其控制更为简单，成本更低。采用丝杠螺母副及弹性联轴器作为主传动部件，与齿轮传动相比结构更紧凑、其平稳性更好，加工精度更容易保证。采用导向光杆作为导向部件，摩擦系数更小、寿命更长、定位精度更高、且可以减少爬行现象的发生。
本设计的预期目的是通过该设计去实现对基于Arduino单片机控制的数控激光雕刻机进行两轴联动控制，通过对激光雕刻机的机械结构的总体设计、机械部分主要零部件的设计选取和控制系统及程序的设计，最终使所设计的激光雕刻机能够完成在X、Y平面方向上的激光雕刻加工，达到预期目的。

关键词：激光雕刻；数控机床；Arduino；

Design of laser engraving machine based on Arduino
Abstract
CNC engraving machine is a kind of machine tool which can be engraved and processed. It has a wide range of materials. It can process not only metal materials such as aluminum and copper, but also non-metallic materials such as plastics, stone and ceramics. So it is widely used in various industries and has a broad market prospect. The use of CNC engraving machine greatly improves the efficiency of engraving processing, while the development of manufacturing industry provides power.
Laser technology, as a new technology, combines it with traditional engraving machine industry organically. Laser engraving machine is of great value in improving engraving accuracy and efficiency. Laser numerical control engraving machine controls the burning of stepping motor and laser head through its control system. Stepping motor drives the screw to rotate through coupling, and the screw drives the screw nut and its fixed parts to move in a straight line, thus realizing the engraving process of the engraving machine in the direction of X and Y planes. Laser power is used to adjust the engraving strength, replacing the traditional straight line. Current motor and spindle.
In this design, stepping motor is used as the driving motor for all directions of feed motion. Compared with servo motor, the control of stepping motor is simpler and the cost is lower. The screw nut pair and elastic coupling are used as the main transmission components. Compared with gear transmission, the structure is more compact, the stability is better, and the processing accuracy is easier to guarantee. With the guide rod as the guide component, the friction coefficient is smaller, the service life is longer, the positioning accuracy is higher, and the crawling phenomenon can be reduced.
The anticipated purpose of this design is to realize the two-axis linkage control of CNC laser engraving machine based on Arduino MCU. Through the overall design of the mechanical structure of the laser engraving machine, the selection of the main parts of the machine and the design of the control system and program, the laser engraving machine designed can finally complete the laser in the X and Y plane direction. Sculpture processing, to achieve the desired purpose.

Key words: laser engraving; numerical control machine tool; Arduino;

目录
摘要Ⅰ
Abstract Ⅱ
1引言1
1.1课题背景及意义1
1.2国内外研究概况1
1.3激光雕刻方法简述2
2激光雕刻机工作原理及设计思路3
2.1激光雕刻机的工作原理3
2.2方案设计要求及设计思路3
3系统总体方案的分析5
3.1机械传动系统分析5
3.2驱动系统分析5
3.3计算机控制系统分析6
3.4工作环境分析6
4机械传动方案的设计8
4.1 X轴和Y轴丝杠的选取计算8
4.1.1 X轴丝杠的选取计算8
4.1.2 Y轴丝杠的选取计算10
4.1.3丝杠校核计算13
4.2导向光杆的选取计算16
4.3 X轴和Y轴的电机选取计算17
4.4联轴器的选择21
5硬件电路的设计23
5.1主控模块的选择23
5.2电机驱动模块的选择25
5.3激光功率调节模块的说明28
5.4脱机模块的设计29
5.5 DC降压电路的设计33
5.6电源适配器的选择35
6 CNC软件及程序设计说明36
6.1 CNC装置软件概述36
6.2 GRBL框架37
6.3 GRBL算法说明37
6.4源程序参数设置说明41
7上位机软件说明43
7.1参数配置43
7.2软件操作45
结束语49
附录：激光雕刻机物料表50
参考文献54
外文资料55
外文资料翻译64
致谢71

1引言
1.1课题背景及意义
激光雕刻机是以数控技术为基础，以激光为加工工具，将传统的主轴电机用激光头代替，加工物体在激光的照射下瞬间受到灼烧而融化或气化，从而达到激光雕刻的目的。激光加工与材料表面没有直接接触，不受机械运动影响而发生形变，而且激光加工精度高，加工速度快。加工平台由计算机控制，电机传动，丝杆滑块或皮带滑轮带动，采用逐点标记方法使用激光雕刻出各种文字，符号和图案等。激光加工技术在工业应用范围很广，激光切割是利用高功率密度激光束照射被切割材料，使材料很快被加热至汽化温度，蒸发形成孔洞，随着光束对材料的移动，孔洞连续形成宽度很窄的（如0．1mm左右）切缝，完成对材料的切割，与激光雕刻只是激光功率上的区别。用激光切割或雕刻物体具有过程简单，且与传统的雕刻机和线切割相比材料损耗低，如同打印。上位机软件GrblController可以在Windows和linux等多系统环境下使用。
本课题研究具有较高的实际意义和经济意义。本课题涉及机械制图、计算机应用等众多知识，将这些理论与实际制图、程序编辑结合起来对于个人思维的开拓和工程经验的积累都有重要作用，对于个人能力培养和综合素质的训练都起到了十分重要的作用。
1.2国内外研究概况
激光自1960年问世后,很快在生产中得到应用。其后,随着对有关基本理论研究的不断深化。各类激光器件不断地发展,使其应用领域也不断拓宽，应用规模逐渐扩大，所获得的社会效益和经济效益更加显着。作为高科技之一的激光技术,是20世纪科学技术发展的重要标志和现代信息社会光电子技术重要支柱之一。激光技术不仅受到技术先进国家的高度重视，而且也受到许多发展中国家的高度重视，并给与大量的投入。20世纪80年代以来，在很多国家，政府都把激光技术列为国家级发展计划。例如，英国的“阿维尔几乎阿”,美国的“激光核聚变计划”,日本的“激光研究五年计划”等。这些计划的实施使激光技术得到迅速发展,且已经形成了一个生机勃勃的新兴产业。与此同时,激光技术的发展大大促进了多种技术、学科、多种生产水平的进步和提高,影响之大,举世瞩目。在激光技术中激光雕刻技术是较常见的。激光雕刻有三种方式:C

工作台滑板A2

工作台装配图A0

激光头装配图A1

流程图A0