基于Arduino的激光雕刻机

西北民族大学电气工程学院 兰 栋 张国恒 王昭武 蓝剑锋 苏梦梦 王艺翔

随着时代的发展，激光雕刻技术日新月异，其应用的范围也是十分的广泛。激光雕刻技术是以数控为基础，激光雕刻为目的的一种加工方法，它的优点在于与被雕刻材料没有直接的接触，即精度很高，雕刻出的图形、文字与原图高度一致，同样也不会受到机械摩擦所产生的热量的影响，即被雕刻材料表面不会产生形变[1]。

激光在20世纪60 年代出现之后，在生产中很快得到了应用，而后，对其相关的基本理论研究不断的加深。各种各样的激光器逐步的发展起来，使得激光的应用领域也不断的被拓宽，规模也逐渐的被扩大，产生的社会与经济效益也更加的显著。而自二十世纪八十年代至今，激光技术被全球的很多国家及政府作为国家级别的建设发展计划。因为这些计划的实施使得激光技术迅速的发展起来，并且形成了一个生气盎然的新兴产业。大量的学科技术，多样的生产水平因为激光技术的发展而得到了提高。

激光技术作为高新的加工工艺，广泛的被用来进行雕刻切割的处理，同时其得到了非常快速的发展。由于激光雕刻切割技术的机械传动结构搭建起来方便灵巧，并且低噪，低损耗；高精度，拥有广泛的适用性，对于控制软件的开发设计十分方便易于控制。通过高能量激光聚焦后，被雕刻材料能够被瞬间气化，从而获得图形、文字的高精度雕刻，这样被加工的材料表面受到的影响比较小，不会使加工材料变形或产生刮痕等，加工的缝隙也较小，特别是对亚克力材料，切口较为平整[2]。由于是无接触的加工，所以不会产生加工接触力，没有刀具的损耗，无模具，工件也不需要特别夹持。通过对激光雕刻技术原理的学习了解，及实现高精度雕刻的方法等等，促进了激光雕刻产业的发展。因此，迷你型激光雕刻机系统的设计让更多人接触到激光雕刻技术。

1 设计的主要功能

Arduino Nano采用USB 接口的核心电路板，它最大的特点就是体积小巧，具有较强的互动效果。Nano的处理器核心是AT-mega328P-AU单片机，同时具有14路数字输入/输出口，8路模拟输入，1对TTL电平串口收发端口RX/TX,支持ISP、USB下载，且支持多种供电模式[3]。

本设计以Arduino Nano型单片机为核心，制作一个迷你激光雕刻机的设计，实现以下主要功能。

(1)实现弱光定位，通过PWM的调节，将激光的强度降至一个较低的数值，以便于雕刻前的定位设置。

(2)在非金属的物体表面烧刻出由计算机传输的图案，由上位机将光路文件导入单片机中，单片机对雕刻文件进行处理，控制电机位置和激光状态进行雕刻。

(3)支持重复雕刻，在一次雕刻完成之后，雕刻机会自动返回雕刻初始位置，此时不移动电机位置，直接生成指令，可以再次在同样的位置进行雕刻，以达到修补首次雕刻时未出雕刻效果的部分区域。

(4)可以实现印章的阴阳雕刻，在光敏垫或部分胶皮材质上进行印章的雕刻，雕刻成型后即可上油墨进行盖印。

(5)可通过硬件、硬件控制进行手动的上下左右运动，开光激光器等行为。

(6)使用由Arduino Nano型单片机构成的中央处理模块，完成对指令的发送接收，数据的处理以及进行控制。

2 系统结构

根据设计的要求，激光雕刻机的设计与实现主要系统分为八个模块:电源模块、中央处理模块、上位机模块、串口通信模块、电机驱动模块、激光器驱动模块、机械传动结构模块、显示模块，系统结构如图1所示。

2.1 电源模块

步进电机部分采用采用12V、2A来进行供电，5V、2A的电源为单片机、激光驱动模块提供所需要的电能。

2.2 中央处理模块

主要采用Arduino Nano型单片机设计，是设计的核心模块，主要负责对其他部分进行数据处理分析和监控控制。采用Arduino Nano型单片机构成，由于Arduino单片机拥有的运算能力较强，并且软件编程控制方便，功耗低，体积小、I/0口资源丰富、内置AD模数转换、通用性强和成本较低等优点。通过外界变压器提供的+5V 电压供电，有源晶振输入时钟，控制模块能够正常工作；通过与串口通信模块连接上位机，可实现程序的下载，支持在线调试程序，并能使用上位机软件给单片机发送指令，从而控制各个模块正常工作。

图1 系统结构框图

2.3 上位机模块

对激光强度线性设置、步进电机移动速度设置、激光打开时间设置、步进电机移动步数设置、打开图片文件、图片黑白转换处理、图片左右转换处理、手动前后左右运动控制、激光弱光定位、激光强光打开、激光关闭、开始、暂停等功能。

2.4 串口通信模块

采用PL2303HXD 芯片，对RS232电平与USB电平进行转换，负责电脑与单片机的实时通信传输。

2.5 电机驱动模块

该模块使用了L9110S 电机驱动芯片,该芯片主要是为了控制和驱动电机而设计。该芯片有两个TTL/CMOS 兼容电平的输入，故每驱动一个步进电机，则需要两枚L9110S芯片来提供二相四线步进电机所需要的线序脉冲。

2.6 激光器驱动模块

使用SS8050 NPN型三极管构建控制激光器的开关电路，单片机通过发送高低电平信号，来控制三极管的通断。

2.7 机械传动结构模块

由3D 打印件、二相四线步进电机、亚克力面板组成，亚克力面板作为底板承载支架与电机，3D 打印件与步进电机接合之后，步进电机能够带动3D打印件进行移动，以此达到机械传动的目的。

2.8 显示模块

加装的显示屏主要显示所雕刻文字和图形的进程，方便使用者较直观地了解加工进度，加工时间及其精度。

3 系统的软件设计

该系统采用了模块化的软件编程，即所谓的模块化设计意味着程序编写开始时是先通过所需要的主函数、子函数、子过程之类的框架将整个控制软件的主要流程和结构进并安排定义调试好每一个框架间的输入、输出链接关系，而不是通过一个项将行表达，上位机的控制命令及相应的语句写入。为了获得一系列算法来描述功能块作为一个单元是逐步细化的结果，并充当一个单元块的编程的方法中，实现其算法称为模块化。

本系统的下位机软件设计使用的编程语言是Arduino 的类C语言，该语言是在原有C语言的基础上，重新封装定义，其优点在于仅需掌握少数几个指令，稍微了解C语言就可以轻松上手，快速应用，指令的可读性强。同时，由于其开源的特性，不需要像传统的C51单片机那样，需要自己编译大量的类库，而是可以直接使用他人分享的库文件，因此，在作品的设计的过程中能够更快的开发出原型机[4]。

图2 主程序流程图

4 调试的结果

激光雕刻机与上位机进行连接，控制软件界面显示OK,为连接成功。将测试小木板固定于Y轴滑台的载物面板上，打开激光器强光控制，对激光器的焦距进行调节，使其处于最佳焦距，若能点燃测试小木板，则视为成功对焦；然后打开激光器的弱光控制，移动X、Y轴进行雕刻前的定位，并载入所要雕刻的24 位BMP格式图片，生成雕刻指令，开始雕刻。雕刻的过程中，可以观察测试小木板上的图样是否出现错位、缺失和失真等现象，如无上述现象直至雕刻完成，则说明激光雕刻机的工作正常。

5 发展前景

激光雕刻机系统是基于了Arduino 单片机[5]为核心，利用硬件与软件相结合，与电脑端进行通信交互，并使用自开发上位机控制软件进行手动控制或自动雕刻设定好的测试图片的例子。在串口通信的设计中采用了PL2303HXD芯片,保证了上位机与下位机正常稳定的通信，而使用L9110S 电机驱动芯片对二相四线步进电机进行驱动，在实际的应用中得到了良好的运动精度。而激光器的驱动采用了SS8050 NPN型三极管，并不是使用常用的继电器等开关器件，提高了线性控制激光强度的精度，为灰度图片的雕刻提供了有效的保证。

整机的硬件部分小巧，轻便，工作稳定，精度高，成本较低，应用灵活，易于二次开发；软件部分操作简易，人性化，为无基础用户提供了便利，能够轻松上手。对于想要学习有关激光雕刻技术，但被过高的门槛限制的人们提供了方便，降低了学习的成本，具有良好的发展前景。

[1]郑晓,王君,汪泉,任军,梁斌．一种基于Delta机器人的激光雕刻机[J]．现代制造工程,2017(12)．

[2]崔承云,崔熙贵,石贵峰．激光雕刻非金属固体材料的表面形貌[J]．红外与激光工程,2014(12)．

[3]高铭阳．单片机的原理及接口技术[J]．电子技术与软件工程,2017(04)．

[4]王欣,马青玉．基于Arduino的LED光立方设计[J]．南京师范大学学报(工程技术版),2013(04)．

[5]蔡睿妍．Arduino的原理及应用[J]．电子设计工程,2012(16)．