基于Arduino的激光雕刻机的设计(含CAD零件图装配图)

基于Arduino的激光雕刻机的设计(含CAD零件图装配图)(论文说明书25000字,外文翻译,CAD图5张)
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;
2.1  激光雕刻机的工作原理
   在绪论中已经介绍过激光雕刻的方法和原理，就是利用激光高能量的特性使被加工的材料受到灼烧从而发生物理化学变化，从而达到烧刻的效果，得到加工的图案。激光雕刻机有X轴和Y轴两个方向的运动台。通过主控制器控制这两个轴的旋转带动激光的移动或者激光和工件的移动。与传统雕刻机相比，只需要两个步进电机就可以对整个机器很好地进行控制。控制器还根据目标图像控制激光的开光。比如控制器通过产生0和1两种数字信号来控制激光对加工物体的照射，0为低电平激光关闭物体不受照射，1为高电平激光打开照射物体，加工完一点后激光通过控制移动到下一点继续进行加工，按此原理最通过控制激光路径和激光的通断，从而激光在工件表面有规律地雕刻形成目标加工图案。雕刻深度还可以通过控制器产生PWM信号，调制解调后控制激光功率，功率越小雕刻深度越浅，所以不论图像复杂程度如何，或者要求有层次感和过渡颜色的效果，激光雕刻都可以实现。
 机械传动系统分析
该方案机械框架选择龙门铣床结构，具有原理简单、结构稳定、使用方便等优点。进给系统采用丝杠螺母副传动，步进电机开环控制可满足定位精度的要求，易于维护。电机通过支架固定在机械框架上，通过联轴器与丝杠相连。滚珠丝杠与圆柱直线导轨（光杠）平行安装，通过直线轴承滑块和丝杠螺母的固定，将电机的回转运动转换成直线运动。两根丝杠在空间垂直，一根带动激光头向Y方向运动，另一根带动工作面板向X方向运动，加工工件固定在工作面板上，这样通过X-Y轴的运动可以控制激光束在加工工件表面的位置。工作行程要求X=180mm,Y=300mm，工作行程并不是很大，属于桌面级小型雕刻机，所以工作台面规格应为300*180。机械框架的底部面积应大于300*180，丝杠光杠的长度应与机械框架的长宽一致或略长于机械框架以便留出余量。
 

 
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