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1、天津滨海职业学院全日制高等职业教育毕业实践环节毕业设计（典型性项目）说明书废旧光驱改造激光雕刻机设计全套图纸，加153893706作者：院系：天津滨海职业学院机电工程系专业：机电一体化年级：2011级学号：20110141334指导教师：时间：2014年3月主要内容简介传统的雕刻加工是一门技术性要求很高的手工技艺，在艺术品、标牌、首饰等行业具有悠久的历史，产品的质量主要取决与雕刻师傅的技艺水平，而且劳动生产率低、成本高、可重复性差。随着时代的进步，科技的发展，雕刻机成为我们现代人与时俱进的先进工具,它省时省力又环保，应用也越来越广泛。近几年来中国的雕刻机迅速地发展着，从以前的手工雕刻转变为现在
2、的机器雕刻。雕刻机给人们带来了巨大的方便，不仅节省了雕刻时间，还提高了雕刻的工艺，雕刻机的出现也带动了许多行业的发展，像木工雕刻机、石材雕刻机、数控雕刻机等等。本文简要的介绍了雕刻机的研究意义，详细的分析了雕刻机的总体布局并介绍用废旧光驱改造激光雕刻机的详细过程，本文是在参考现有旧废光驱的基础上，设计的一种小型雕刻机，适合一般的塑料板、铝板等普通材料的机械加工。 关键字：激光器，数控，激光雕刻机目录第一章前言4第二章数控激光雕刻机的总体设计5第一节激光雕刻机的概述及其工作过程5第二节激光传输方式的设计6一、激光系统的介绍6二、对现有的控制系统的光路的改进6三、激光雕刻机的构成及原理7第三章废旧
3、光驱改造激光雕刻机设计8第一节工具和材料8第二节拆解 DVD-Rom 驱动器9第三节组装激光发射器11第四节制作机械部分14第五节电子器件16第六节准备 Arduino19第七节最终组装以及额外配件20第八节制作完成22设计总结24参考文献25第一章 前 言研究意义：由于数控激光雕刻机在雕刻中的准确性、可靠性和精确性上大大超过了机械雕刻机和电脑雕刻机数控激光雕刻机的激光雕刻技术己经在工业雕刻和其他领域里得到了很好的发展并取得了很好的效果。并且数控激光雕刻机是采用数控机床模式结合光学系统雕刻切割速度快精度高性能稳定整机使用寿命长。传统的激光雕刻机是采用反射镜反射的方法将激光从激光器传输到被加工材
4、料表面。这种雕刻机对稳定性有较高的要求并且对几个反射镜的调节也比较困难。该方法通过耦合器将激光能量耦合到传能光纤中通过移动光纤的输出端完成激光雕刻的任务。这种激光雕刻是一种无磨损、效率高的新工艺解决了光学透镜存在的偏转和稳定问题使刻线在任何地点都保持均匀功率恒定图形光滑且适合大范围加工。如图1所示描述了数控激光雕刻机的整体结构。图1 数控激光雕刻机的结构简图第二章 数控激光雕刻机的总体设计第一节 激光雕刻机的概述及其工作过程近年来大型激光加工设备通常采用光束移动的方法称为“飞动导光”。在激光加工中“飞动导光”系统同光束固定的导光系统相比具有更大的灵活性、更高的加工速度以及更低的制造成本但在这样
5、的系统中光束的传输距离是变化的。在这样大的传输距离下如果采用普通的机械导光臂传输激光激光的聚焦光斑直径、焦平面和聚焦焦深在不同的位置将发生很大的变化这会对激光加工质量带来严重的影响限制了激光加工的范围。因此市场上常见的激光加工系统加工范围普遍偏小。在此次设计中我采用图2所示的结构图进行设计。图2 激光雕刻系统的结构图首先，当设计一种产品时应该了解其工作流程和工作原理数控激光雕刻机的工作原理是通过计算机接口把所要雕刻的图样编成程序然后通过电机的驱动器来驱动电机的运转来使工作台产生走向同时运动控制卡控制着激光的开关来进行激光雕刻其激光雕刻的工作流程如图3所示：图3 激光雕刻系统的工作过程图第二节
6、激光传输方式的设计一、激光系统的介绍激光雕刻系统由于采用传能光纤代替原有光路通过耦合器将激光能量耦合到传能光纤中经由光纤输出的激光能量对被加工材料进行雕刻。这不仅解决了现有激光雕刻设备普遍雕刻范围偏小的问题还提高了输出激光的稳定性增加了激光能量的转换效率。目前激光雕刻机的激光扫描方式均为振镜扫描式和全反射镜式。数控激光雕刻系统是利用耦合器将激光耦合到传能光纤中通过移动光纤输出端实现大幅面积的雕刻。利用光纤传输的优越性传统的激光雕刻机是采用反射镜反射的方法将激光从激光器传输到被加工材料表面。这种雕刻机对稳定性有较高的要求并且对几个反射镜的调节也比较困难。二、对现有的控制系统的光路的改进本系统则利
7、用传能光纤传输 CO2激光能量进行雕刻的新方法。该方法通过耦合器将激光能量耦合到传能光纤中通过移动光纤的输出端完成激光雕刻的任务。这种激光雕刻是一种无磨损、效率高的新工艺解决了光学透镜存在的偏转和稳定问题使刻线在任何地点都保持均匀功率恒定图形光滑且适合大范围加工。现在的雕刻机光路都是利用反射镜或是机械关节导光臂来实现激光的转向和聚焦的由于多关节机械导光臂产生运动误差的积累难以保证激光传输的准确性另外反射镜与聚焦镜属于耗材如果不及时保养雕刻产生的烟尘积累就会腐蚀镜片表面的镀膜破损的镜片不能充分反射、透射激光反而会吸收激光产生的热量影响雕刻效果。采用光纤及配套密封的聚焦透镜设计光路光在光纤中传输能
8、防止外面因素粉尘污染聚焦头及反射镜而且由于光纤中传输的激光模式非常好聚焦后的光斑非常理想具有半径小圆度高能量稳定等的特点。图4 激光耦合原理图图示4为激光通过耦合器进入光纤中的原理图。由激光器1发出的 CO2激光束经反射镜2转向90度后进入光学系统3中。把光纤4的入射端面对准光学系统3的焦点并且保持光纤入射端的光轴与光学系统光轴重合。传能光纤4的输出端固定在运动系统的支架5上控制系统使支架5在工作台6上按照雕刻图案进行运动。从图中可以看出它节省了反射镜的数量从而避免了多个反射镜的偏转及振动引起的光束偏差使得激光光斑在雕刻的任何位置大小一致适合于大范围雕刻加工而且这种用传能光纤传输 CO2 激光
9、能量的光路系统结构简单调整方便可行。此外由于激光经耦合器在光纤中传输在实现雕刻时避免了环境的影响。三、激光雕刻机的构成及原理在该系统采用传能光纤代替机械导光臂作为光路传输 CO2 激光能量由于传能光纤具有良好的传输性能和柔性传输的特点解决了原有激光雕刻系统雕刻范围与雕刻质量的问题使所开发的激光雕刻系统有了更多更广泛的应用。我们自行设计和试制的激光雕刻系统为了能够体现了数控激光雕刻机的雕刻的性能要求其加工范围尽可能大但是由于目前还是实验样机只是一种原理的展示过大又会造成不必要的浪费所以我们综合考虑各方面因素通过对目前激光加工设备的市场进行广泛的调查与研究最终把雕刻范围确定在12001400mm。
10、第三章 废旧光驱改造激光雕刻机设计现在是时候和大家分享我最新的制作项目了一台低成本的激光雕刻机，虽然工作空间略微小了些，无论如何它仍然能有效工作，而且成本非常低，大多数人都有能力制作出一个复制品。第一节 工具和材料大部分硬件都可以利用废品制作。铝型材、中密度纤维板和各种螺母、螺栓以及导线。但部分物品需要另行购买。大部分电子器件都可以在 Sparcfun上找到，其余的可以到E-bay或者旧货交换市场碰碰运气。图5 部分材料图1.激光发射器外壳（图中），2.Easydrive 驱动器电路（图中），3.Arduino (这是控制电路的核心)，4.Easydrive 步进驱动器，5.两台DVD-rom
11、 驱动器，并且至少需要一台DVD-R 驱动器来提供激光发射器，6.激光发射器外壳(在E-bay上可以找到零售的)，7.激光发射器驱动电路(我用的是简单的基于LM317的电路)，8.各种螺帽、螺栓以及其他的建材。第二节 拆解 DVD-Rom 驱动器图6 坏掉了的 DVD-Rom 驱动器在 DVD-Rom 驱动器中所需要的只有步进电动机组件和激光二极管。我的运气不太好，发现我的 DVD-Rom 带有一块非常难处理的塑料组件。于是我拆开了三台 DVD-Rom 驱动器，却只用了两台里的零件。拆解的过程相当有难度，而且我打开过的大部分 DVD-Rom 驱动器差不多都是这样的。在移除了驱动器底部的螺钉以后
12、，就能把它像个盖子一样掀开了。很可能会在底盖下面看到两块电路板，这两块对我们都毫无用处。但是要记得保留下其他有用的零件，供其他的制作项目使用。例如在靠前的电路板下面有一台值得留下来的小型直流电动机。图7 拆除电路板现在该把前面板连同前置托盘一起拆下来了。当你把托盘拉出来以后前面板就会变得松散。接下来的步骤需要拆卸螺钉，或许还需要一些蛮力。拆除两块电路板。当心连接在步进电动机上的排线。图8 将这个电动机拆除。如果把 DVD-Rom 驱动器的右侧朝上放置并把顶盖移除，就应该能发现我们正在寻找的东西步进电动机组件。拧开螺丝，直接把它取出来就行。把主轴电动机拆除，它可能有点用处，但是我觉得驱动它来太麻
13、烦，于是我就把它们抛弃了。它们通常是用三颗非常小的螺丝固定起来的，不过有时它们会是一个更大的组件的一部分，因此在拆除时候要小心，不要弄坏了支撑镜头的两根杆。镜头只要用最合适的方法把它拆下来就行了，我们需要留下一个光滑的表面，之后在上面连接一些其他的零件。小心不要弄坏了 DVDR 驱动器的激光二极管。图9 拆除部件这一整块部件都要拆掉，放在一边为将来的制作项目做准备。第三节 组装激光发射器激光二极管图10 驱动器中取出二极管从 DVDR 驱动器中取出激光发射器并不难，不过大部分的镜头组件的外形都各不相同。找出激光二极管然后从组件中将它们拆下来。图11 部分零件1.从镜头上拆下来的磁铁，2.镜子和
14、透镜，3.激光二极管，4.废物其中有一些光学器件和两块磁铁，你可以把它们屯下来为将来的制作项目做准备。图12 从支架取出激光二极管需要把激光二极管从支架上拆下来。这需要使一点微弱的力道。小心别伤着了激光二极管。其中一个是红外激光二极管，另一个是我们所需要的红色激光二极管。当把两个二极管拆下来以后你一定要小心翼翼。这两个二极管非常小，也非常脆弱。从二极管上去除那一小片连接电路版，然后用两节 7 号电池检查一下红色激光二极管是否健在。图13 将二极管安装到外壳中已经有了裸奔的二极管，是时候把二极管安装到外壳中了。在激光发射器外壳背部的小孔正好可以让二极管的引脚穿过。把二极管放入外壳中，并用外壳的背
15、面和钳子非常小心地把二极管压入外壳中。图14 二极管安装完毕现在二极管已经牢牢地安置在外壳中了，当完成这一步后，就驶入了终点前顺畅的直车道了。把导线焊接在正极和负极引脚上。然后把镜头用螺丝拧上这样就搞定了。再用一些胶带把镜头固定到位。图15 工作中二极管大的功率及电流178 毫瓦的输出功率很不错了。不过这会让二极管进入过载状态。二极管的工作电流为 310 毫安。第四节 制作机械部分图16用一片压克力板作为底座为了尽可能地简单，我找了一块正好比 DVD-Rom 驱动器的步进电动机组件略大一些的中密度纤维板。它将成为底座，固定住 X 轴和 Y 轴的方向。我找到了一些垫片来固定 Y 轴方向，不过几根
16、螺栓和数个螺母也能有不错的效果。这里的尺寸要求并不严格，不过必须确保每一根轴都与其他的轴相互垂直。我发现把第一层组件安装在中密度纤维板上以后在对齐各个零件时会方便一些。图17 激光二极管组件图工作空间位于老的激光二极管组件上。确保它表明平整且水平放置，然后在上面涂上些胶水固定好，工作空间就完成了。我发现一块1/4 英寸的压克力板刚好合适。它能让工作空间保持足够的稳定性，不过由于激光能够射穿它，所以我不确定这是否存在安全隐患。后来我想出了一个在我看来效果最棒的解决方案。我切下了一片与压克力板的大小相同的DVDR 驱动器的金属外壳，然后用胶水把它粘了上去。这样工作空间依然非常稳定，而且强度也足够了
17、。它还有一个有利的作用，那就是你可以用磁铁把你想要雕刻的东西固定在工作空间上。图18 铝材料作为X轴我在废品箱里找到了一些铝型材。把它当作了 X 轴，不过你可以使用任何稳固而且够长的材料。图19 测量组件上的安装孔一件重要的事情在于，组件上的安装孔并不是对称的。记得测量从支架底端到直线导轨的距离。这样你就能确保所有的零件都对齐。你安装 X 轴的位置取决于激光发射器的安装位置。激光发射器应该位于工作区域的中心，而 Y 轴位于中间。当你将两轴安装在基座板上的时候，先确定所有的零件都相互成直角，然后钻几个供螺丝拧入的小导孔。图20 尺寸要求这里最重要的尺寸要求就是保证所有的东西都是四方的直角激光发射
18、器的支架不一定要做得很复杂，我用的是一小片塑料板和一个夹子，然后把所有的东西都用胶水粘起来。用夹子固定激光发射器，这样就可以靠简单地把激光发射器上下滑动来改变焦点位置。和其他的零件一样，它的尺寸并不重要，只要一切都相互垂直就行。这里只有一个尺寸是需要你斟酌一番的，那就是激光发射器的位置。当 Y 轴和 X 轴位于中央位置时，它应该处于工作空间的中心。第五节 电子器件图21 排线寻找所需的排线时，旧电脑最合适不过了。这些排线虽不易焊接，但效果很好。我在两台步进电动机上都进行了相同的焊接。我开始焊接步进电动机。用一根排线连接步进电动机，然后把它们焊接在 DVD电路板上已有的接口上。我在另一头焊接了一
19、个四引脚的插头，这样就能插在试验电路板上使用。图22Easydriver 和 Arduino 的初次测试对 Easydriver 也进行相同的处理，焊上引脚插头，然后插在试验电路板上使用。Easydriver 有两个引脚，叫做 MS1 和 MS2，它们用于设定步进的序列。将它们双双连在 Easydriver 的5伏电压输出上。这样就把步进序列设为了微步进控制。把从步进电动机伸出的四根引脚连接在电动机的输出端，而控制引脚连在 Arduino 上。除了这些以外，Easydriver 还需要连上电动机电源。我用一个12伏的电源适配器驱动电动机、风扇和 Arduino。图23在焊接所有的引脚时都要记得
20、检查位置是否正确图24把Easydrives安装在插座中激光发射器的驱动电路是用基于 LM317 的电路制作的，不需要特殊配件。这样的驱动电路可以正常工作，但效果远远说不上是理想。我给激光二极管的驱动电流太大了，大约在 300 毫安，你要是也这么做，那么二极管的寿命不会太长。最好的解决方案应该是找一个更强大的激光发射器和驱动器，但为了坚持廉价和DIY的精神，我还是想要使用 DVDR 驱动器本身的激光发射器。激光发射器开关和风扇所使用的是同一个继电器。图25电路板布置图第六节 准备 Arduino针对这一项目对 Arduino 进行设置。打开你最喜欢的串行终端，然后打开Arduino 所连接的端
21、口。你应该会收到一条欢迎信息：Grbl 0.6b$ to dump current settings（输入“$”清空当前设置）如果你输入一个 $ 然后回车，你会看到一系列选项。类似于这样子：$0 = 400.0 (steps/mm x)$1 = 400.0 (steps/mm y)$2 = 400.0 (steps/mm z)$3 = 30 (microseconds step pulse)$4 = 480.0 (mm/sec default feed rate)$5 = 480.0 (mm/sec default seek rate)$6 = 0.100 (mm/arc segment)$7
22、 = 0 (step port invert mask. binary = 0)$8 = 25 (acceleration in mm/sec2)$9 = 300 (max instant cornering speed change in delta mm/min)把 X 轴和 Y 轴的 steps/mm 值都修改为 53.333。只要输入“$0=53.333”然后回车，接着输入“$1=53.333”然后回车即可。因为我们并没有用到 Z 轴，所以可以把它忽略掉。加速度可以提高到大约 100 的程度（输入“$8=100”然后回车）。当我们缓慢地操作这台机器的时候，加速度也会很高。加速度太低的另
23、一个副作用是在控制器不停地尝试加速和减速，但却无法达到全速时，曲线图形会比直线受到更剧烈的烧灼。你有可能和我一样发现有一根轴反掉了。这很容易修正。选项 $7 让你能够改变轴的方向。我想要改变 X 轴的方向，于是我输入了“$7=8”，这是因为我想要修改 3 号位（8 = 00001000 二进制），如果你想要修改 Y 轴的方向，那么就输入 16（00010000）或者要修改两根轴的话，就输入 24（00011000）。现在已经完成了电脑设置的准备。如果想要尝试进行几下移动的话，可以输入“G91 G28 X0 Y0【回车】”把轴的位置归零。然后输入“X10 Y10【回车】”。应该会看到两根轴向上都
24、发生了 10 毫米的移动。第七节 最终组装以及额外配件图26 制作风扇降温当把 Easydrivers 装到一个盒子里时，就需要用一个风扇为它们降温。它可是会疯狂地发热。为了完善这台小型雕刻机，我用从一张画框中拆下来的 Masonite 牌纤维板制作了一个小盒子。只要用胶水粘起来就行了。图27 安装Arduino把 Arduino 反过来用螺钉拧紧在底部。这样这台雕刻机就变成了一件方便好用的小工具。图28 磁铁的顶部粘上一个螺母可以很好地按住工件图29 调激光发射器位置当激光发射器处于最低的位置时，焦点应对准工作空间的表面，为了改变焦点，就得通过拧动螺丝来调整镜头。或者可以先把焦点定在工作空间
25、上，之后再把激光发射器在支架上上下滑动。当激光发射器处于支架上最低位置时，我把它的焦点固定好。接着我所需要做的就只是测量工件的厚度，然后把激光发射器抬升相同的高度。大部分情况下我只要把工件靠在激光发射器的支架旁边，然后把激光发射器移动到正确的高度上就行了。第八节 制作完成图30 完整实物图形以下是到目前为止我用雕刻机制作的物品，我会尽量用图片来展示。图31钥匙链图32备忘录设计总结在此次设计过程中在现有雕刻技术的基础上展开对数控激光雕刻机的设计研究针对雕刻机产业化中涉及到的新型结构设计、数控技术及驱动控制系统设计等关键技术进行了研究结合数控技术在机电产业中的运用介绍了采用直流步进电机及谐波齿轮减速器等精密传动部件进行驱动电机设计使得雕刻机传动环节减少结构简单提高了系统的精度减少维护工作量同时也简化了生产工艺。实际结果表明用这种设计方案设计的雕刻控制系统降低了生产成本提高了雕刻机定位精度。简要介绍了电机运动学分析以及直流步进电机放大电路的设计。参考文献1.于政涛,黄新银.基于微机的激光雕刻机控制系统设计，电子技术应用,2000.12. 徐德高,金刚.脉宽调制变换型稳压电源M，北京科学出版社,1983.33.丁元杰，单片微机原理及应用J，机械工业出版社，1997.74.李华等，MCS-51系统单片机实用接口技术，北京航空航天大学出版社，2002.9