激光雕刻论文介绍

目录１绪论................................................11.1题背景及意义....................................................11.2国内外研究概况..................................................21.3设计要求........................................................21.4主要研究内容....................................................22系统组成及其工作原理..................................32.1系统的组成......................................................32.2系统的工作原理..................................................43硬件电路的设计........................................43.1系统机械结构设计................................................43.2基于Atmel328构成的最小系统...................................73.1.1复位系统......................................................83.3电机驱动模块...................................................93.4继电器驱动激光头电路...........................................113.5电源电路...............................................................................................................124软件系统设计及系统调试...............................134.1下位机程序的烧写...............................................134.2上位机软件GrblController.....................................174.2.1GrblController简介.........................................174.2.2解读GrblController源码....................................194.3连接电路.......................................................204.4装配机械结构...................................................224.5生成NC文件....................................................254.5.1微店管家使用.................................................254.5.2ARTCAM使用简介...............................................264.6调试过程问题以及解决方法.......................................284.7误差分析以及避免方法...........................................295总结与展望..........................................305.1总结...........................................................305.2展望...........................................................30参考文献...............................................31附录一机械原理图与实物图...............................32附录二所有元器件以及购物清单...........................33附录三修改后的部分代码................................34致谢...................................................351基于AVR的激光雕刻机设计１绪论1.1题背景及意义激光雕刻机（LaserEngraving）加工物件是依靠数控技术为基础，激光为加工媒介。加工物件在激光雕刻照射下瞬间的熔化和气化的物理变性，能使激光雕刻达到加工的目的。激光加工特点：与材料表面没有接触，不受机械运动影响，表面不会变形，一般无需固定。[1]它不受材料的束缚，加工材料要求比较低。激光雕刻机的加工精度高，并且加工速度快，应用领域很广泛。它的加工平台是由计算机控制、电机传动、皮带和滑动轮带动，采用逐点标记方法使用激光雕刻出各种文字，符号和图案等等，它能很好的识别真伪，对于追踪产品质量有特殊的意义。用激光雕刻和切割物体，过程简单，耗资较低，如同在打印机打印纸张一样。上位机软件GrblController可以在Windowsxp和linux等多系统环境下使用。平面建模软件，如CorelDraw、ArtCam等进行设计，扫描得到的图形，矢量化的图文及多种CAD文件都可轻松地“打印”到雕刻机中。与打印机打印不同的地方是，打印机将墨粉涂抹到纸张上，而激光雕刻是将高能量的激光束射到木制品、亚克力、塑料制品、石材等材料表面之上使材料发生化学变化从而达到雕刻效果。[2]激光的出现在短短的时间内已经改变了人们的生活，改变了生活得方方面面，带动了产业的变革。总的来说激光雕刻具有以下几个特点：1、对材料要求比较少，而且对材料表面几乎没有任何伤害。由于发生的化学反应会使材料瞬间气化，所以雕刻相对传统工艺更加安全。2、范围广泛并且雕刻成本相对较低。3、精确细致，雕刻精度相对比较高。该激光雕刻机由于激光头瓦数（100mw蓝紫激光头）较小所以只能雕刻纸制品，皮革，竹片，木板有色塑料等材料。21.2国内外研究概况激光是20世纪以来人类的又一重大发明，它的原理早在1916年已被著名的物理学家爱因斯坦发现，但要直到1958年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现，并带动了一些新型学科的发展，如全息光学、傅立叶光学、非线性光学、光化学等。[3]我国激光雕刻平面市场一直紧跟世界发展潮流，但是，几乎国内的所有激光设备都滞留在平面雕刻的阶段，到目前为止依然没有一家企业或科学技术研究所能拿出一台三维激光雕刻机。一些精细的三维模型依旧依靠机器雕刻，或者手工雕刻。但是机雕和手雕都有很大的局限性和弱点，制约了精雕工艺的发展。1.3设计要求本次毕业设计主要要求为：1.学习了解AVR控制器结构与工作原理；2.学习和掌握solidwork软件绘制机械；3.掌握AltiumDesigner09绘制Pcb双面电路板的方法；4.掌握GrblController软件的使用；5.掌握ArtCam绘制矢量图并生成G代码；1.4主要研究内容本次课题使用Atmel328为主控芯片来实现对物体进行激光雕刻。主要有：操控ArduinoIDE开发平台来进行arduino2560系列编程实现各项功能；1.上位机软件GrblController的调试及更改关键代码；2.6560步进电机驱动电路板的研究；3.电源电路及继电器开关电路的研究；4.绘制矢量图软件ArtCam的使用；32系统组成及其工作原理2.1系统的组成基于AVR的激光雕刻机设计主要是基于Atmel公司的328系列芯片实现的，其设计有13个数字输入输出端口，以及5个模拟信号端口。而且基于该芯片的最小开发系统板ArduinoNano体积小巧。它可以轻松的插在任何一个DIP插座或者是面包板上。它具有一个USART接口（通用同步/异步接收器/发送器）[4]以及一个TWI（两线串行接口）外围设备，在Nano上它的SDA和SCL脚在模拟输入引脚A4和A5口。此外由于体积较小它只有一个USB口作为供电和下载的作用。设计的激光雕刻机从电子线路上主要包括以下几个模块：激光头继电器模块，电源模块，电机及其驱动电路模块。整个系统工作框图如图1.1所示。图1.1系统结构框图生成G代码导入图片刻画模型上位机（GrblController）解析G代码生成刀路下位机arduinoNano驱动X，Y轴步进电机驱动继电器电路激光头运动开始雕刻电源电路42.2系统的工作原理主控是基于AVR单片机的控制器，编译时所采用的编译环境是ArduinoIDE1.6.1，编写采用的机器语言是C++。如果想要激光雕刻机工作应该更改其头文件，需要在config.h文件中设置。头文件部分代码如图所示。该段代码定义了板子传输速率，和复位EEPROM的文件名称。图2.1部分头文件代码示例实际上当人们使用激光雕刻机雕刻时，需要通过一个界面进行控制和观测，我们使用的上位机是GrblController软件。该软件是一款全部开源的软件，它的作用主要是将待打印模型图生成数控代码传输到激光雕刻机的主控板中，并且可以在软件中看到打印机的工作情况（激光的暗灭、XY两主轴的位置参数、当前打印状态等），同时能够在特殊情况下进行手动调整参数。即通过上位机软件来控制下位机的运动。3硬件电路的设计3.1系统机械结构设计本次课程设计所采用的是十字滑台结构，该结构的主要特点是只有X，Y两个主轴，易于实现在实际生产生活中便于拿取。这次设计主要是由丝杆和同步轮来控制激光头的走向。实现其在水平面上的运动。如下图所示。十字滑台是立式加工中心的关键零部件之一，主要起支承工作台并使之沿X轴方向作左右运动的作用。十字滑台（又名滑鞍）的刚度和固有频率直接影响机床整机的刚度和固有频率，并最终影响机床的加工精度。[5]5如图3.1所示3D仿真模型十字滑台结构图3.2实物所示十字滑台结构6电机与丝杆之间通过联轴器实现连接实现了X，Y轴的运动：图3.3步进电机与丝杆连接而两个平行的X（Y）轴丝杆利用同步带和同步轮实现联动：图3.43D建模与实物图所示同步带带动另外Y轴进行运动机械设计主要分为以下几个步骤：1.利用Solidworks软件进行3D模型的建立；2.利用Solidworks软件进行受力分析，更改模型得到最终3D图样；3.利用3D打印机打印一些精度要求较低，受力较小的器件；4.按照图形尺寸购买所需丝杆，同步带，同步轮；5.按照图纸所示进行装配；73.2基于Atmel328构成的最小系统此次设计的主控芯片室友Atmel328构成的最小系统，简称ArduinoNano。首先介绍一下本次毕业设计主控芯片Atmel328系列芯片：图3.5所示ATmega328的简化框图ArduinoNano其技术参数如表3.1所示：表3.1Nano技术参数通过链接到PC的USB线给它供电。USB标准允许向另外一个未枚举USB设备（就是插入USB总线但是没有向主机报告自己身份的设备，例如USB电源转接头）提供5.0V最大100mA的电流，而枚举了的USB设备最多可以提供500mA的电流。Nano上还设置了一个3.3V稳压器。其工作时钟一般为16MH