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，它的原理早在1916 年已被著名的物理學(xué)家愛因斯坦發(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)，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)電路板的研究；3. 電源電路及繼電器開關(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)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<config.h>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 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)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Solidworks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 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。即撥碼開關(guān)數(shù)值表3.5 撥碼開關(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 激光頭只有兩種狀態(tài)，用繼電器開關(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)（常開觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線圈斷開點(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、常閉”觸點(diǎn)：通常是根據(jù)繼電器線圈未通電時(shí)處于斷開的靜觸點(diǎn)，稱為“常開觸點(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。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 Grbl 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，之后開始配置工作菜單圖4.4 配置avr-gcc菜單在開始菜單界面點(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）復(fù)制到D:WinAVRmfile目錄下。并用PN打開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-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?；⌒?、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)接受開始雕刻驅(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)備好一切之后開始連接電路，按照Grbl頭文件<config.h>接線即可。部分引腳定義代碼如下：#define 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_DIRECTION_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 (1<<X_STEP_BIT)|(1<<Y_STEP_BIT)|(1<<Z_STEP_BIT) / All step bits改為：#define STEP_MASK (1<<X_STEP_BIT)|(1<<Y_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)果正好相反則先開始我得想法是將常開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 spindle_control.c文件2.把所有出現(xiàn) 1<<SPINDLE_ENABLE_BIT 和 (1<<SPINDLE_ENABLE_BIT) 的地方相互交換一下；3.保存將改好的源代碼重新編譯，得到新的hex文件之后在燒錄到Arduino Nano中。圖4.14 接好實(shí)物圖如圖所示圖4.15 利用軟件所畫模擬連接方法在接線是一定要注意自己的X，Y軸方向的正負(fù)，先找好激光雕刻機(jī)的零點(diǎn)之后在接步進(jìn)電機(jī)的2相，使之能夠按照自己定義好的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，如若方向相反則將步進(jìn)電機(jī)A，B相交換連線即可。圖中數(shù)字I/O12口接到繼電器輸入端，繼電器常開端和公共端接繼電器電源端口?，F(xiàn)在激光雕刻機(jī)就可以完美的工作了。最后值得注意的是一定要檢查好所有的連線之后在通電，驅(qū)動(dòng)板電源24V如果接反會(huì)燒壞驅(qū)動(dòng)板芯片。4.4裝配機(jī)械結(jié)構(gòu)如果一切測(cè)試正常就可以按照SolidWorks裝配體對(duì)機(jī)器經(jīng)行裝配了。首先用內(nèi)六角螺絲固定底層4根鋁架子，裝配是一定要保證在同一個(gè)水平面上，之后再用內(nèi)六角螺絲將四周2塊長(zhǎng)55mm的呂型材固定，而另外兩塊呂型材的長(zhǎng)度必須要保證>80mm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)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?？梢杂糜诘窨碳堉破芬约捌じ锖湍绢^。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)入圖片之后選中一幅圖片之后點(diǎn)擊連接設(shè)備然后開始雕刻軟件會(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，并且打開軟件2. 在開始界面點(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：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NC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開源項(xiàng)目代碼 2013-09-129Mauro Vaccarezza;Veronica Papa.3D printing: a valuable 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<config.h>#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 STEPPING_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#define STEP_MASK (1<<X_STEP_BIT)|(1<<Y_STEP_BIT) / All step bits#define DIRECTION_MASK (1<<X_DIRECTION_BIT)|(1<<Y_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！