激光雕刻論文圖文

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1、目 錄緒論11.1題背景及意義11.2國(guó)內(nèi)外研究概況21.3設(shè)計(jì)要求21.4主要研究?jī)?nèi)容22 系統(tǒng)組成及其工作原理32.1系統(tǒng)的組成32.2系統(tǒng)的工作原理43 硬件電路的設(shè)計(jì)43.1系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)43.2 基于Atmel 328構(gòu)成的最小系統(tǒng)73.1.1復(fù)位系統(tǒng)83.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊93.4繼電器驅(qū)動(dòng)激光頭電路113.5電源電路124 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)調(diào)試134.1下位機(jī)程序的燒寫134.2 上位機(jī)軟件Grbl Controller174.2.1 Grbl Controller簡(jiǎn)介174.2.2 解讀Grbl Controller 源碼194.3連接電路204.4裝配機(jī)械結(jié)構(gòu)224.5生成

2、NC文件254.5.1微店管家使用254.5.2ARTCAM使用簡(jiǎn)介264.6調(diào)試過(guò)程問(wèn)題以及解決方法284.7誤差分析以及避免方法295 總結(jié)與展望305.1總結(jié)305.2展望30參考文獻(xiàn)30附錄一機(jī)械原理圖與實(shí)物圖31附錄二所有元器件以及購(gòu)物清單32附錄三 修改后的部分代碼33致謝34基于AVR的激光雕刻機(jī)設(shè)計(jì)緒論1.1題背景及意義 激光雕刻機(jī)（Laser Engraving ）加工物件是依靠數(shù)控技術(shù)為基礎(chǔ)，激光為加工媒介。加工物件在激光雕刻照射下瞬間的熔化和氣化的物理變性，能使激光雕刻達(dá)到加工的目的。激光加工特點(diǎn)：與材料表面沒(méi)有接觸，不受機(jī)械運(yùn)動(dòng)影響，表面不會(huì)變形，一般無(wú)需固定。它不受材

3、料的束縛，加工材料要求比較低。激光雕刻機(jī)的加工精度高，并且加工速度快，應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛。它的加工平臺(tái)是由計(jì)算機(jī)控制、電機(jī)傳 動(dòng)、皮帶和滑動(dòng)輪帶動(dòng)，采用逐點(diǎn)標(biāo)記方法使用激光雕刻出各種文字，符號(hào)和圖案等等，它能很好的識(shí)別真?zhèn)?，?duì)于追蹤產(chǎn)品質(zhì)量有特殊的意義。用激光雕刻和切割物體，過(guò)程簡(jiǎn)單，耗資較低，如同在打印機(jī)打印紙張一樣。上位機(jī)軟件Grbl Controller可以在Windowsxp和linux等多系統(tǒng)環(huán)境下使用。平面建模軟件 ，如CorelDraw、ArtCam等進(jìn)行設(shè)計(jì) ，掃描得到的圖形，矢量化的圖文及多種CAD文件都可輕松地“打印”到雕 刻機(jī)中。與打印機(jī)打印不同的地方是，打印機(jī)將墨粉涂抹到紙

4、張上，而激光雕刻是將高能量的激光束射到木制品、亞克力、塑料制品、石材等材料表面之上使材料發(fā)生化學(xué)變化從而達(dá)到雕刻效果。激光的出現(xiàn)在短短的時(shí)間內(nèi)已經(jīng)改變了人們的生活，改變了生活得方方面面，帶動(dòng)了產(chǎn)業(yè)的變革?？偟膩?lái)說(shuō)激光雕刻具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1、 對(duì)材料要求比較少，而且對(duì)材料表面幾乎沒(méi)有任何傷害。由于發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)會(huì)使材料瞬間氣化，所以雕刻相對(duì)傳統(tǒng)工藝更加安全。2、 范圍廣泛并且雕刻成本相對(duì)較低。3、 精確細(xì)致，雕刻精度相對(duì)比較高。該激光雕刻機(jī)由于激光頭瓦數(shù)（100mw藍(lán)紫激光頭）較小所以只能雕刻紙制品，皮革，竹片，木板有色塑料等材料。361.2國(guó)內(nèi)外研究概況激光是20世紀(jì)以來(lái)人類的又一重大發(fā)明，

5、它的原理早在1916 年已被著名的物理學(xué)家愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)，但要直到1958 年激光才被首次成功制造。激光是在有理論準(zhǔn)備和生產(chǎn)實(shí)踐迫切需要的背景下應(yīng)運(yùn)而生的，它一問(wèn)世，就獲得了異乎尋常的飛快發(fā)展，激光的發(fā)展不僅使古老的光學(xué)科學(xué)和光學(xué)技術(shù)獲得了新生，而且導(dǎo)致整個(gè)一門新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)，并帶動(dòng)了一些新型學(xué)科的發(fā)展，如全息光學(xué)、傅立葉光學(xué)、非線性光學(xué)、光化學(xué)等。我國(guó)激光雕刻平面市場(chǎng)一直緊跟世界發(fā)展潮流，但是，幾乎國(guó)內(nèi)的所有激光設(shè)備都滯留在平面雕刻的階段，到目前為止依然沒(méi)有一家企業(yè)或科學(xué)技術(shù)研究所能拿出一臺(tái)三維激光雕刻機(jī)。一些精細(xì)的三維模型依舊依靠機(jī)器雕刻，或者手工雕刻。但是機(jī)雕和手雕都有很大的局限性和弱點(diǎn)，

6、制約了精雕工藝的發(fā)展。1.3設(shè)計(jì)要求本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要要求為：1. 學(xué)習(xí)了解AVR控制器結(jié)構(gòu)與工作原理；2. 學(xué)習(xí)和掌握solidwork軟件繪制機(jī)械；3. 掌握Altium Designer 09繪制Pcb雙面電路板的方法；4. 掌握GrblController軟件的使用；5. 掌握ArtCam繪制矢量圖并生成G代碼；1.4主要研究?jī)?nèi)容本次課題使用Atmel 328為主控芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物體進(jìn)行激光雕刻。主要有： 操控Arduino IDE開(kāi)發(fā)平臺(tái)來(lái)進(jìn)行arduino 2560系列編程實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能；1. 上位機(jī)軟件Grbl Controller的調(diào)試及更改關(guān)鍵代碼；2. 6560步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板

7、的研究；3. 電源電路及繼電器開(kāi)關(guān)電路的研究；4. 繪制矢量圖軟件ArtCam的使用；2 系統(tǒng)組成及其工作原理2.1系統(tǒng)的組成 基于AVR的激光雕刻機(jī)設(shè)計(jì)主要是基于Atmel 公司的328系列芯片實(shí)現(xiàn)的，其設(shè)計(jì)有13個(gè)數(shù)字輸入輸出端口，以及5個(gè)模擬信號(hào)端口。而且基于該芯片的最小開(kāi)發(fā)系統(tǒng)板Arduino Nano體積小巧。它可以輕松的插在任何一個(gè)DIP插座或者是面包板上。它具有一個(gè)USART接口（通用同步/異步接收器/發(fā)送器）以及一個(gè)TWI（兩線串行接口）外圍設(shè)備，在Nano上它的SDA和SCL腳在模擬輸入引腳A4和A5口。此外由于體積較小它只有一個(gè)USB口作為供電和下載的作用。設(shè)計(jì)的激光雕刻機(jī)

8、從電子線路上主要包括以下幾個(gè)模塊：激光頭繼電器模塊，電源模塊，電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路模塊。整個(gè)系統(tǒng)工作框圖如圖1.1所示。生成G代碼電源電路激光頭運(yùn)動(dòng)開(kāi)始雕刻驅(qū)動(dòng)繼電器電路驅(qū)動(dòng)X，Y軸步進(jìn)電機(jī)下位機(jī)arduinoNano解析G代碼生成刀路上位機(jī)（Grbl Controller）刻畫模型導(dǎo)入圖片 圖1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.2系統(tǒng)的工作原理主控是基于AVR單片機(jī)的控制器，編譯時(shí)所采用的編譯環(huán)境是Arduino IDE 1.6.1，編寫采用的機(jī)器語(yǔ)言是C+。如果想要激光雕刻機(jī)工作應(yīng)該更改其頭文件，需要在文件中設(shè)置。頭文件部分代碼如圖所示。該段代碼定義了板子傳輸速率，和復(fù)位EEPROM的文件名稱。 圖2.1

9、部分頭文件代碼示例實(shí)際上當(dāng)人們使用激光雕刻機(jī)雕刻時(shí)，需要通過(guò)一個(gè)界面進(jìn)行控制和觀測(cè)，我們使用的上位機(jī)是Grbl Controller軟件。該軟件是一款全部開(kāi)源的軟件，它的作用主要是將待打印模型圖生成數(shù)控代碼傳輸?shù)郊す獾窨虣C(jī)的主控板中，并且可以在軟件中看到打印機(jī)的工作情況（激光的暗滅、XY兩主軸的位置參數(shù)、當(dāng)前打印狀態(tài)等），同時(shí)能夠在特殊情況下進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整參數(shù)。即通過(guò)上位機(jī)軟件來(lái)控制下位機(jī)的運(yùn)動(dòng)。3 硬件電路的設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本次課程設(shè)計(jì)所采用的是十字滑臺(tái)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是只有X，Y兩個(gè)主軸，易于實(shí)現(xiàn)在實(shí)際生產(chǎn)生活中便于拿取。這次設(shè)計(jì)主要是由絲桿和同步輪來(lái)控制激光頭的走向。實(shí)現(xiàn)

10、其在水平面上的運(yùn)動(dòng)。如下圖所示。 十字滑臺(tái)是立式加工中心的關(guān)鍵零 部件之一，主要起支承工作臺(tái)并使之沿 X 軸方向作左右運(yùn)動(dòng)的作用。十字滑臺(tái)（又名滑鞍）的剛度和固有頻率直接影響機(jī) 床整機(jī)的剛度和固有頻率，并最終影響 機(jī)床的加工精度。如圖3.1所示3D仿真模型十字滑臺(tái)結(jié)構(gòu)圖3.2實(shí)物所示十字滑臺(tái)結(jié)構(gòu) 電機(jī)與絲桿之間通過(guò)聯(lián)軸器實(shí)現(xiàn)連接實(shí)現(xiàn)了X，Y軸的運(yùn)動(dòng)：圖3.3步進(jìn)電機(jī)與絲桿連接而兩個(gè)平行的X（Y）軸絲桿利用同步帶和同步輪實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)：圖3.4 3D建模與實(shí)物圖所示同步帶帶動(dòng)另外Y軸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)主要分為以下幾個(gè)步驟：1. 利用Solidworks軟件進(jìn)行3D模型的建立；2. 利用Solidwork

11、s軟件進(jìn)行受力分析，更改模型得到最終3D圖樣；3. 利用3D打印機(jī)打印一些精度要求較低，受力較小的器件；4. 按照?qǐng)D形尺寸購(gòu)買所需絲桿，同步帶，同步輪；5. 按照?qǐng)D紙所示進(jìn)行裝配；3.2 基于Atmel 328構(gòu)成的最小系統(tǒng) 此次設(shè)計(jì)的主控芯片室友Atmel 328構(gòu)成的最小系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱Arduino Nano。首先介紹一下本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主控芯片Atmel 328系列芯片：圖3.5所示ATmega328的簡(jiǎn)化框圖技術(shù)參數(shù)處理器程序存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器EEPROM芯片引腳數(shù)字I/O引腳模擬輸入PWM輸出串口Arduino NanoATmega32832KB2KB1KB28/32*14661Arduino

12、 Nano其技術(shù)參數(shù)如表3.1所示：表3.1 Nano技術(shù)參數(shù)通過(guò)鏈接到PC的USB線給它供電。USB標(biāo)準(zhǔn)允許向另外一個(gè)未枚舉USB設(shè)備（就是插入U(xiǎn)SB總線但是沒(méi)有向主機(jī)報(bào)告自己身份的設(shè)備，例如USB電源轉(zhuǎn)接頭）提供5.0V最大100mA的電流，而枚舉了的USB設(shè)備最多可以提供500mA的電流。Nano上還設(shè)置了一個(gè)3.3V穩(wěn)壓器。其工作時(shí)鐘一般為16MHz，每一路能輸出和接入最大電流為40mA。圖3.6 最小系統(tǒng)此外，某些引腳有特異功能，串行信號(hào)：串行0 - 0（RX）和1（TX）；。串行端口0和內(nèi)部USB TTL atmega8u2芯片連接到接收信號(hào)提供串口TTL電平。2路外部中斷：2(中

13、斷0)，3(中斷 1)。觸發(fā)中斷的方式有多種，可設(shè)置為上升沿觸發(fā)、或者設(shè)置為下降沿觸。6路PWM脈沖寬度調(diào)制（3，5，6，8，9，10）：提供8位PWM輸出。含有SPI通信接口Arduino用于測(cè)試其好壞的LED的接口，當(dāng)輸出給LED為高電平是LED亮，當(dāng)輸出給LED為低電平是LED滅。其中6模擬量輸入：每條道路都有10位分辨率（即，1024個(gè)不同的值），默認(rèn)的輸入信號(hào)范圍為05V。3.1.1復(fù)位系統(tǒng)復(fù)位電路肩負(fù)著上單片機(jī)在程序執(zhí)行出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)復(fù)位的角色，復(fù)位引腳RESET和復(fù)位電路之間有一個(gè)觸發(fā)器開(kāi)關(guān)，其作用是減少噪聲干擾，每經(jīng)過(guò)一個(gè)機(jī)器周期，復(fù)位電路通過(guò)輸出電平采樣，之后根據(jù)所需要的信號(hào)進(jìn)行

14、內(nèi)部復(fù)位操作。在單片機(jī)的時(shí)鐘電路正常工作后，當(dāng)RST引腳上連續(xù)給出兩個(gè)機(jī)器周期的1時(shí)，芯片就會(huì)自動(dòng)默認(rèn)復(fù)位操作。圖3.7復(fù)位電路3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用TB6560AHQ作為驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)2個(gè)2相42步進(jìn)電機(jī)。圖3.8 6560驅(qū)動(dòng)正面照功能簡(jiǎn)介：1. 工作電壓直流10V-35V。建議使用開(kāi)關(guān)電源DC24V供電。2. 采用6N137高速光藕，保證高速不失步。3. 采用東芝TB6560AHQ全新原裝芯片，內(nèi)有低壓關(guān)斷、過(guò)熱停車及過(guò)流保護(hù)電路， 保證最優(yōu)性能。4. 額定最大輸出為：3A，峰值3.5A。5. 適合42，57步進(jìn)3A以內(nèi)的兩相/四相/四線/六線步進(jìn)電機(jī)，不適合超過(guò)3A的步進(jìn)電

15、機(jī)。6. 自動(dòng)半流功能。7. 細(xì)分：整步，半步，1/8步，1/16步，最大16細(xì)分。在同類產(chǎn)品中的特色：1、電流級(jí)逐可調(diào)，滿足多種應(yīng)用需求。2、自動(dòng)半流可調(diào)。3、采用6N137高速光藕，保證高速不失步。4、電流采樣電阻采用高精度、大功率電阻，保證電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。5、板印設(shè)置說(shuō)明，不用說(shuō)明書(shū)亦可操作。6、采用厚密齒散熱器，散熱良好。表3.2 6560工作電流設(shè)置表3.3 靜止時(shí)最小電流 靜止時(shí)最小電流一般設(shè)置為20%。表3.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)細(xì)分設(shè)置和衰減設(shè)置經(jīng)過(guò)查閱資料得知，2相42步進(jìn)電機(jī)額定電流為1.5A，但實(shí)際操作中給1.5A電機(jī)發(fā)熱太嚴(yán)重，所以最后決定給1.2A電流。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中T8絲桿導(dǎo)程

16、為8mm（滑塊轉(zhuǎn)動(dòng)一周走過(guò)的行程為8mm），所以設(shè)置為8倍細(xì)分。即撥碼開(kāi)關(guān)數(shù)值表3.5 撥碼開(kāi)關(guān)數(shù)值數(shù)值SW1SW2SW3S1S2S3S4S5S600011100111至此步進(jìn)電機(jī)設(shè)置完畢。2相42電機(jī)1.2A工作電流點(diǎn)擊扭力為：（P為工作功率；n為輸出的轉(zhuǎn)速） 經(jīng)計(jì)算得到2相42電機(jī)扭矩為5.5kg/cm，可以滿足X，Y軸運(yùn)動(dòng)。主控板采用16MHz晶振，2相42步進(jìn)電機(jī)步距角為：，采用8倍細(xì)分驅(qū)動(dòng)，連接一個(gè)30mm長(zhǎng)的絲桿所以最小單個(gè)脈沖可轉(zhuǎn)動(dòng)最小距離為： 該精度基本可以滿足一般雕刻要求。導(dǎo)程為8mm的T8絲桿，所以X，Y軸電機(jī)參數(shù)為： 即200個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周。3.4繼電器驅(qū)動(dòng)激光頭電路

17、 激光頭只有兩種狀態(tài)，用繼電器開(kāi)關(guān)控制即可。而且5v繼電器響應(yīng)狀態(tài)以及相應(yīng)時(shí)間可以滿足激光頭活動(dòng)狀態(tài)。采用電磁繼電器，電磁繼電器工作原理和特性是電磁式繼電器，這種繼電器由鐵芯，線圈，銜鐵，觸電簧片等組成。只要在繼電器線圈兩端加上電壓，線圈中就會(huì)有電流流過(guò)，有電磁感應(yīng)得知，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁力，銜鐵就會(huì)在電磁力的作用下克服彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開(kāi)觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線圈斷開(kāi)點(diǎn)以后，磁力隨之消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力返回，使動(dòng)觸點(diǎn)與的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）吸合。通過(guò)電磁的效應(yīng)，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。區(qū)分繼電器的“常開(kāi)、常閉”觸點(diǎn)：通常是根據(jù)繼電器線圈未通電時(shí)處于斷

18、開(kāi)的靜觸點(diǎn)，稱為“常開(kāi)觸點(diǎn)”；處于接通的靜觸點(diǎn)稱為“常閉觸點(diǎn)”。 圖3.12 繼電器電路通過(guò)三極管達(dá)到控制電流的作用使繼電器可以閉合或者斷開(kāi)。3.5電源電路 在本次設(shè)計(jì)中電源電路主要有兩部分：1.為電機(jī)驅(qū)動(dòng)板提供電源；2.為激光頭提供5V電源；圖3.13 24v開(kāi)關(guān)電源及其接線圖接220v轉(zhuǎn)24v電源，驅(qū)動(dòng)板電源電路：激光頭5v供電電源用3節(jié)5號(hào)電池代替。效果也是很理想的。4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)調(diào)試4.1下位機(jī)程序的燒寫 上位機(jī)軟件的燒寫主要是講 .hex文件燒入到AVR中從而控制X，Y軸電機(jī)按照NC代碼進(jìn)行雕刻。主要分為以下幾個(gè)步驟：1. 下載工程文件（ ZIP即可下載工程文件圖4.1 Gr

19、bl controller 官網(wǎng)2. 下載WinAVR和OpenJumper Serial Assistant （Arduino燒錄軟件）3. 設(shè)置WinAVR參數(shù)輸出.hex文件圖4.2 安裝好以后根目錄下WinAVR軟件圖4.3 PN主界面介紹 配置過(guò)程比較復(fù)雜首先配置字體顏色以及個(gè)人喜好，之后開(kāi)始配置工作菜單圖4.4 配置avr-gcc菜單在開(kāi)始菜單界面點(diǎn)擊：tools-options即可進(jìn)入avr-gcc工具菜單。之后才配置Mfile（這一步至關(guān)重要）Makefile的設(shè)置是將D:WinAVRbin下的wish84.exe、tcl84.dll、tk84.dll三個(gè)文件（默認(rèn)安裝到D盤）

20、復(fù)制到D:WinAVRmfile目錄下。并用PN打開(kāi)D:WinAVRmfilemfile.tcl。修改成下圖所示：圖4.5 配置Mfile 之后再設(shè)置ISP Programmer工具。設(shè)置好以后新建一個(gè)工程文件，點(diǎn)擊Make all。即可生成想要的Grbl Controller.hex圖4.6 生成.hex文件圖4.7導(dǎo)入生成的hex文件4. 打開(kāi)OpenJumper Serial Assistant 串口助手，點(diǎn)擊Hex下載按鈕，配置好參數(shù)，Arduino型號(hào)選擇ATmega328 串口選擇電腦上識(shí)別到的arduino串口，之后點(diǎn)擊下載即可實(shí)現(xiàn)hex文件的燒錄。 在首次使用該軟件時(shí)提示Avr

21、-gcc不可用報(bào)錯(cuò)。之后經(jīng)過(guò)查閱資料得到解決辦法如下在Arduino IDE根目錄下查找Avr-gcc之后復(fù)制黏貼到串口助手Avr-gcc文件夾下即可。圖4.8 利用串口助手燒錄hex文件5. 檢查剛剛燒入的hex文件是否有效，如下圖所示，打開(kāi)串口調(diào)試在發(fā)送區(qū)域輸入：$G 若接受區(qū)反饋到Grbl 0.8c$ for help即為成功。接受區(qū)域反饋數(shù)據(jù)為Grbl 版本。圖4.9驗(yàn)證hex文件4.2 上位機(jī)軟件Grbl Controller4.2.1 Grbl Controller簡(jiǎn)介 Grbl是一款針對(duì)Atmel AVR ATmega328芯片的嵌入式G代碼編譯和運(yùn)動(dòng)控制器。 它具有性能高，成本

22、低等優(yōu)點(diǎn)，并且還能基于并口運(yùn)動(dòng)控制，可以用于用于CNC雕刻。Grbl可以運(yùn)行在Arduino (Duemillanove/Uno) 前提是只要它配備了Atmega 328型芯片。 控制器由計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編寫并優(yōu)化，利用了AVR 芯片的每一個(gè)靈巧特性來(lái)實(shí)現(xiàn)精確時(shí)序和異步控制。它可以保持超過(guò)30kHz的穩(wěn)定、無(wú)偏差的控制脈沖 它接受標(biāo)準(zhǔn)的G代碼而且通過(guò)了數(shù)個(gè)CAM工具的輸出測(cè)試。弧形、圓形和螺旋的運(yùn)動(dòng)都可以像其他一些基本G代碼命令一樣完美支持。函數(shù)和變量目前并不支持，在以后發(fā)售的版本中可以完美兼容。 Grbl 包含完整的前瞻性加速度控制。它意味著控制器將提前16到20個(gè)運(yùn)動(dòng)來(lái)規(guī)劃運(yùn)行速度，以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的

23、加速和無(wú)沖擊的轉(zhuǎn)彎。圖4.10 Grbl 雕刻界面圖4.11 每個(gè)軸的控制界面 如圖所示圖中可以控制單擊按鈕每一步移動(dòng)尺寸最小移動(dòng)距離為0.001mm但由于本次畢業(yè)設(shè)計(jì)精讀達(dá)不到所以每次最小移動(dòng)距離為0.1mm。Spindle On是控制激光頭的開(kāi)關(guān)，勾選激光頭應(yīng)該被點(diǎn)亮，去掉是激光頭熄滅。此次激光雕刻機(jī)沒(méi)有Z軸但是Grbl支持3軸聯(lián)動(dòng)，有機(jī)會(huì)將在以后的學(xué)習(xí)和生活中利用CNC實(shí)現(xiàn)3軸聯(lián)動(dòng)。4.2.2 解讀Grbl Controller 源碼Grbl源代碼由C語(yǔ)言所編寫，其中包括數(shù)個(gè)頭文件，以及眾多函數(shù)。下位機(jī)代碼流程圖如圖所示：電腦（上位機(jī)）串口通信協(xié)議 控制串口規(guī)劃刀路X，Y軸控制下位機(jī)接受

24、開(kāi)始雕刻驅(qū)動(dòng)電機(jī)激光頭控制 G代碼圖4.12 代碼流程圖 對(duì)于Grbl 而言可以直接在軟件設(shè)置中配置電機(jī)參數(shù)而不用去修改冗長(zhǎng)的代碼。這樣即使是對(duì)C語(yǔ)言一竅不通的人們而言也是很容易修改的。如下圖所示：其中前3列數(shù)值為經(jīng)常要修改的數(shù)值，經(jīng) 3.3節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)計(jì)算得，X，Y軸步進(jìn)電機(jī)每200個(gè)脈沖運(yùn)動(dòng)1mm，所以將值改為195。改為195的目的是為了減小點(diǎn)擊回滾所帶來(lái)的誤差所以稍微小于計(jì)算值200。圖中還列出點(diǎn)擊運(yùn)動(dòng)加速度，以及電機(jī)回滾速度,結(jié)偏差，最小弧度等等.圖4.13 Grbl 修改界面4.3連接電路在準(zhǔn)備好一切之后開(kāi)始連接電路，按照Grbl頭文件接線即可。部分引腳定義代碼如下：#define

25、STEPPING_DDR DDRD#define STEPPING_PORT PORTD#define X_STEP_BIT 2 / 定義X軸脈沖輸入Pin 2#define Y_STEP_BIT 3 / 定義Y軸脈沖輸入Pin 3/ #define Z_STEP_BIT 4 / 定義Z軸脈沖輸入Pin 4(由于Grbl默認(rèn)是3軸的但是存在Z軸會(huì)對(duì)歸零是有影響所以將有Z軸的地方注釋掉即可)#define X_DIRECTION_BIT 5 / 定義X軸電機(jī)方向輸入Pin 5#define Y_DIRECTION_BIT 6 / 定義X軸電機(jī)方向輸入Pin 6#define Z_DIRECTIO

26、N_BIT 7 / 定義X軸電機(jī)方向輸入 Pin 7#define SPINDLE_ENABLE_DDR DDRB#define SPINDLE_ENABLE_PORT PORTB#define SPINDLE_ENABLE_BIT 4 / 定義激光頭引腳 Pin 12將#define STEP_MASK (1X_STEP_BIT)|(1Y_STEP_BIT)|(1Z_STEP_BIT) / All step bits改為：#define STEP_MASK (1X_STEP_BIT)|(1Y_STEP_BIT)）第二處可以要修改的地方就是控制繼電器的代碼，如果繼電器和測(cè)試結(jié)果正好相反則先開(kāi)始

27、我得想法是將常開(kāi)端口和常閉端口接線互換一下，后來(lái)事實(shí)證明在主控板通電瞬間會(huì)使激光頭亮起會(huì)直接燒穿紙張，也會(huì)在木板上留下一個(gè)雕刻痕跡。最后通過(guò)查閱資料有了以下辦法：1.文本編輯器打開(kāi) spindle_control.c文件2.把所有出現(xiàn) 1SPINDLE_ENABLE_BIT 和 (180mm才能保證整個(gè)裝配體的穩(wěn)定。如圖所示：圖4.16 為了更加穩(wěn)定的鋁型材 之后在裝好上層的4根鋁架子把上層的鋁架子按照合理的順序安裝好上層，之后在底層的鋁框架上安裝好兩個(gè)電機(jī)：圖4.17 安裝好的兩個(gè)電機(jī)接下來(lái)安裝激光頭支架和激光頭，如下圖所示：圖4.18 安裝好的激光頭和激光頭支架 安裝到這一步十字滑臺(tái)的結(jié)構(gòu)

28、已經(jīng)完全安裝好了，這是由于有較多地方結(jié)構(gòu)比較松動(dòng)，結(jié)構(gòu)最為不穩(wěn)定，所以可以用膠槍或者502將電機(jī)固定好，上膠之后等幾分鐘讓其風(fēng)干之后在松開(kāi)手。 下面一步就是把剛才安裝好的上層的鋁架按照大小扣到剛剛穩(wěn)定好的十字滑臺(tái)上方用點(diǎn)力氣將其壓好之后就可以用剩余的角件和內(nèi)六角螺絲將整個(gè)鋁架結(jié)構(gòu)固定好。 緊接著就是一步即將安裝好的機(jī)械架子松散的地方用切合的方法將其固定死。這是一個(gè)很費(fèi)時(shí)費(fèi)力的活，所以安裝的時(shí)候一定要小心也一定要有耐心。 最后一步也是至關(guān)重要的一步：上皮帶輪，這一步需要兩個(gè)人做，并且還需要3把尖嘴鉗。具體操作如下：首先把接口處用銼刀打磨平整；接著一個(gè)人用兩把尖嘴鉗捏到皮帶兩端使皮帶完全處于緊繃的

29、狀態(tài)；然后另外一個(gè)人一只手拿著502另一只手握著一把尖嘴鉗，先把502涂抹均勻在接口平面處等到膠水涂開(kāi)以后用另外一只手的尖嘴鉗夾緊接口處利用502的快干性和強(qiáng)粘合性將皮帶黏好。圖4.19 裝配好以后的激光雕刻機(jī)裝配好以后經(jīng)過(guò)檢測(cè)該激光雕刻機(jī)的雕刻面積為15*15。可以用于雕刻紙制品以及皮革和木頭。4.5生成NC文件 NC文件可以直接導(dǎo)入到Grbl中實(shí)現(xiàn)雕刻圖案的目的。下面介紹幾個(gè)常用的生成NC文件的軟件。圖4.20 常用的生成NC文件軟件4.5.1微店管家使用微雕管家是一款傻瓜軟件，它的使用比較簡(jiǎn)單，沒(méi)有畫圖功能但是可以把圖片導(dǎo)出為NC文件。具體操作如下：圖4.21 微雕管家使用點(diǎn)擊右上方導(dǎo)入

30、圖片之后選中一幅圖片之后點(diǎn)擊連接設(shè)備然后開(kāi)始雕刻軟件會(huì)自動(dòng)控制激光頭讓其雕刻。要注意的一點(diǎn)是打開(kāi)微雕管家之后應(yīng)該把Grbl Controller關(guān)掉，因?yàn)殡娔X只給Arduino分配了一個(gè)端口，所以必須要關(guān)掉Grbl才可以雕刻。4.5.2ARTCAM使用簡(jiǎn)介接下來(lái)將以artcam生成一個(gè)簡(jiǎn)單的NC代碼為例講解一下artcam軟件使用。1. 下載artcam2008，并且打開(kāi)軟件2. 在開(kāi)始界面點(diǎn)擊新建項(xiàng)目文件新的模型，如下圖所示：圖4.22 新建artcam文件3. 輸入自己想要的紙張大小，點(diǎn)擊確定。4. 在左邊的菜單欄中找到字體選項(xiàng)單擊進(jìn)行設(shè)置字體模式，在輸入框里輸入漢字即可圖4.23 在輸入

31、框中輸入文字5. 在左邊的菜單里選取道路路徑，并且選擇加工方式。圖4.24選取加工方式6.選區(qū)刀具圖4.25 選取加工刀具7. 設(shè)置材料，生成刀路并經(jīng)行預(yù)覽圖4.26生成刀路并經(jīng)行預(yù)覽Inkscape軟件使用與ArtCam軟件及其相似，在此不詳細(xì)介紹。4.6調(diào)試過(guò)程問(wèn)題以及解決方法 在調(diào)試過(guò)程中遇到許多問(wèn)題：1. 機(jī)械結(jié)構(gòu)問(wèn)題，先開(kāi)始第一種機(jī)械結(jié)構(gòu)沒(méi)有同步帶結(jié)果由于器件誤差太大導(dǎo)致失敗不得不放棄。結(jié)構(gòu)如下圖：圖4.27 第一種機(jī)械結(jié)構(gòu)2. 由于3D打印的零件精度不高有些地方不得不用過(guò)盈配合。4.7誤差分析以及避免方法主要機(jī)械誤差有：滾珠絲桿螺距誤差；同步帶節(jié)距誤差；傳動(dòng)反向間隙誤差。解決方法：

32、優(yōu)化軟件與硬件之間的聯(lián)合（主要）；使傳動(dòng)皮帶繃緊。5 總結(jié)與展望5.1總結(jié)在本次設(shè)計(jì)中，通過(guò)對(duì)資料查找，方案論證，英文資料翻譯，Solidworks硬件電路設(shè)計(jì)，Altium Designer繪制PCB，線路板制作，及開(kāi)源上位機(jī)調(diào)試，學(xué)會(huì)了做成一臺(tái)激光雕刻機(jī)，達(dá)到了預(yù)期的功能。長(zhǎng)時(shí)間看激光雕刻會(huì)的白內(nèi)障，注意對(duì)眼睛的保護(hù)。5.2展望本次設(shè)計(jì)通過(guò)硬件組裝和上位機(jī)調(diào)試及實(shí)際雕刻體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了DIY一臺(tái)開(kāi)源激光雕刻機(jī)的愿望，基本上滿足要求。但是本次畢設(shè)還存在一些問(wèn)題，對(duì)過(guò)程中的主要改進(jìn)有： (1)十字滑臺(tái)結(jié)構(gòu)不方便增加Z軸，對(duì)以后的改進(jìn)比較困難； (2) 不能脫機(jī)工作，應(yīng)該加一個(gè)SD卡槽可以直接讀取N

33、C代碼經(jīng)行雕刻；(3)實(shí)際雕刻空間不是很大，第一次做機(jī)械還有很多值得注意的地方。參考文獻(xiàn)1百度百科激光雕刻2百度經(jīng)驗(yàn)激光雕刻切割技術(shù)淺析3江海河.激光加工技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展及展望.光電子技術(shù)與信息,2001: l 14 4百度百科.USART:5蔣素清.立式銑削加工中心結(jié)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)分析J.長(zhǎng)沙大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，22(2):21236Dale Wheat.Arduino技術(shù)內(nèi)幕.人民郵電出版社，2013，7：137百度文庫(kù).繼電器工作原理.2012，10：18grbl開(kāi)源項(xiàng)目代碼 2013-09-129Mauro Vaccarezza;Veronica Papa.3D printing: a val

34、uable resource in human anatomy education J.Anatomical Science International.2015.Vol.90.No.1.64-65.10A. D. Squires;E. Constable;R. A. Lewis.3D Printed Terahertz Diffraction Gratings And LensesJ.Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves.2015.Vol.36.No.1.72-80.11孫帥.誰(shuí)都可以做微型激光雕刻機(jī)一起來(lái)揭秘?cái)?shù)控設(shè)備的神秘

35、面.無(wú)線電雜志，2013：4 212612徐曉明.基于嵌入式微處理器的激光雕刻機(jī)系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā).天津理工大學(xué),2006,12:68附錄一機(jī)械原理圖與實(shí)物圖圖1 原理圖圖2 組裝實(shí)物圖附錄二所有元器件以及購(gòu)物清單器件名稱數(shù)量鋁型材300mm8個(gè)鋁型材95mm2個(gè)鋁型材115mm2個(gè)固定角件12套T8絲桿長(zhǎng)280mm4套滾珠軸承內(nèi)徑8mm6個(gè)6mm光軸長(zhǎng)260mm2個(gè)6mm光軸長(zhǎng)280mm2個(gè)6mm內(nèi)徑光軸軸承4個(gè)8mm內(nèi)徑光軸軸承4個(gè)500mw藍(lán)紫激光器1個(gè)護(hù)目鏡1副激光散熱架1套聯(lián)軸器583個(gè)42步進(jìn)電機(jī)2個(gè)6560電機(jī)驅(qū)動(dòng)板2個(gè)220v轉(zhuǎn)24v電源1個(gè)繼電器電路期間1套同步輪內(nèi)徑8mm4個(gè)皮

36、帶2m3D打印機(jī)器件若干300*90亞克力板4塊Arduino Nano驅(qū)動(dòng)板1塊附錄三 修改后的部分代碼修改#ifndef config_h#define config_h/ IMPORTANT:#define DEFAULTS_GENERIC / Default settings. #define DEFAULTS_GENERIC/ Serial baud rate#define BAUD_RATE 9600/ Serial baud rate/ NOTE: All step bit and direction pins must be on the same port.#define S

37、TEPPING_DDR DDRD#define STEPPING_PORT PORTD#define X_STEP_BIT 2 / Uno Digital Pin 2#define Y_STEP_BIT 3 / Uno Digital Pin 3/#define Z_STEP_BIT 4 / Uno Digital Pin 4#define X_DIRECTION_BIT 5 / Uno Digital Pin 5#define Y_DIRECTION_BIT 6 / Uno Digital Pin 6/#define Z_DIRECTION_BIT 7 / Uno Digital Pin 7

38、#define STEP_MASK (1X_STEP_BIT)|(1Y_STEP_BIT) / All step bits#define DIRECTION_MASK (1X_DIRECTION_BIT)|(1Y_DIRECTION_BIT) / All direction bits#define STEPPING_MASK (STEP_MASK | DIRECTION_MASK) / All stepping-related bits (step/direction)致謝 經(jīng)由2個(gè)月日日夜夜的學(xué)習(xí)和努力，這次畢業(yè)最終的設(shè)計(jì)結(jié)果以勝利告終。我學(xué)到了很多書(shū)本上沒(méi)有的東西，同時(shí)也鞏固了大學(xué)四年來(lái)學(xué)的東西。這對(duì)我來(lái)說(shuō)是一次進(jìn)步，在機(jī)械組裝和調(diào)試方面能力方面也增強(qiáng)了。再次要特別感謝程老師和同學(xué)對(duì)我的幫助，在硬件的原理圖和PCB制作過(guò)程中更加順利，上位機(jī)調(diào)試方面也很迅速，尤其是在調(diào)試階段，有了老師和學(xué)弟的幫助才使我能夠順利的完成調(diào)試。 同時(shí)還要感謝給予我?guī)椭覐埑退耐瑢W(xué)以及徐明萌學(xué)長(zhǎng)，在solidworks軟件開(kāi)始入門和最后調(diào)試都給予很大幫助，讓我在調(diào)試方面能夠成功完成。是大家的團(tuán)結(jié)合作才使這次畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠取得成功。最后，在此對(duì)在此次畢設(shè)過(guò)程中給予過(guò)幫助的人一并表示感謝，謝謝你們給予的力量和幫助，謝謝！