探析激光雕刻機(jī)曲面雕刻的技術(shù)方案

張德翔 郝傳柱 于智超

摘? 要：結(jié)合人們對工藝品激光雕刻基本功能要求，文章首先對曲面激光雕刻機(jī)的研究現(xiàn)狀做出了分析，設(shè)計了一款專門針對于曲面激光雕刻的機(jī)器，可以在雕刻曲面原料時極大地減小比例失調(diào)的問題。運用中心定位技術(shù)以及紅外定位技術(shù)，解決了曲面雕刻比例失調(diào)的難題。對比國內(nèi)外激光雕刻裝置，取其優(yōu)點。使曲面激光雕刻機(jī)雕刻精確，操作簡單，攜帶方便。

關(guān)鍵詞：曲面雕刻;中心定位;雕刻精確

Abstract：In combination with the basic functional requirements of laser engraving on arts and crafts，this paper firstly analyzes the research status of the curved surface laser engraving machine，and designs a machine specially for the curved surface laser engraving，which can greatly reduce the proportion imbalance in the engraving of curved surface materials. By using the center positioning technology and infrared positioning technology，the problem of misproportion of curved surface carving is solved. The advantages of laser engraving devices at home and abroad are compared. The curved surface laser engraving machine is precise，easy to operate and easy to carry.

Keywords：curved sculpture;center positioning;precise carving

0? 引? 言

人們在日常生活中，經(jīng)常會看到各種雕刻的板畫，而這類板畫都有一個共同的特點，都是平面的產(chǎn)品，對于曲面的產(chǎn)品這類雕刻機(jī)卻無能為力，所以，需要一種可以雕刻曲面產(chǎn)品的激光雕刻機(jī)，滿足人們對曲面工藝品的雕刻需求。該雕刻機(jī)具有便攜性，使用方便，在外出作業(yè)時方便攜帶，提高操作者的工作效率，而且，本產(chǎn)品可以對曲面、球面進(jìn)行雕刻，避免平面雕刻機(jī)雕刻產(chǎn)生尺寸失調(diào)的問題。此外，本產(chǎn)品對激光焦距要求不高，不需要專業(yè)人員的操作，而且對外部環(huán)境有很高的適應(yīng)能力。該曲面激光雕刻機(jī)體積小，雕刻精度高，運行穩(wěn)定，而且操作簡單，方便使用者的操作。普通的激光雕刻機(jī)大多只能進(jìn)行平面雕刻工作，而曲面激光雕刻機(jī)能夠在雕刻時不受雕刻物體外形的限制。可以根據(jù)個人的要求，對雕刻圖像進(jìn)行調(diào)整，避免在使用時帶來過多的人力及物力的損耗，即使在雕刻較小的曲面物體時，也能高精度的完成雕刻。近年來，隨著激光器的可靠性和實用性的提高，加上計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和光學(xué)器件的改進(jìn)促進(jìn)了激光雕刻技術(shù)的發(fā)展，使得激光雕刻技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。

1? 激光雕刻機(jī)研究現(xiàn)狀

目前，作者在山東華宇工學(xué)院實訓(xùn)的過程中，雕刻主要用到激光雕刻機(jī)或者數(shù)控車床進(jìn)行雕刻，在使用過程中有操作不方便等特點，而且價格昂貴。然而比較受歡迎的激光雕刻機(jī)，只能雕刻平面物體，在雕刻曲面時，會產(chǎn)生導(dǎo)入的圖形與雕刻過后曲面上的圖形比例失調(diào)的問題，而且體積非常大，連移動都非常困難，數(shù)控車床能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的雕刻工作，不過其使用需要專業(yè)人員的操作，而且運行速度慢，不適合用于木質(zhì)材料的雕刻工作。在精雕領(lǐng)域，國內(nèi)傳統(tǒng)機(jī)械精雕設(shè)備做得最好的是北京精雕，其在解決精細(xì)雕刻模具方面贏得了巨大的市場和成功。但由于機(jī)械刀雕的先天局限，仍有很多高精端雕刻無法實現(xiàn)。所以，基于本校的資源背景，由老師帶領(lǐng)設(shè)計團(tuán)隊潛心研究，筆者制作了一款不僅體積小而且還能進(jìn)行曲面雕刻的機(jī)器。

2? 曲面雕刻機(jī)設(shè)計需求

曲面雕刻機(jī)可以對曲面原料和平面原料進(jìn)行激光雕刻，采用激光雕刻原理和底盤、激光頭的360°旋轉(zhuǎn)，從點到線到面，不斷地改進(jìn)和優(yōu)化雕刻機(jī)的精度。采用Arduino單片機(jī)為微控制器，實現(xiàn)了一個可直接進(jìn)行雕刻的迷你激光雕刻機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括電源模塊、中央處理模塊、上位機(jī)模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、激光器驅(qū)動模塊、機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)模塊等部分，并具有弱光定位功能，系統(tǒng)采用Arduino Nano型單片機(jī)構(gòu)成中央處理系統(tǒng)模塊，通過對輸入的圖片進(jìn)行圖像處理，生出相關(guān)的光路文件，再利用串口將該文件導(dǎo)入Arduino中，結(jié)合步進(jìn)電機(jī)動作，激光的輸出功率調(diào)節(jié)，實現(xiàn)高精度的激光雕刻。作品具有創(chuàng)造性、先進(jìn)性、可行性、實用性;在一定程度上能夠解決曲刻比例失調(diào)的問題;解決外形不規(guī)范物體的雕刻難題;曲面雕刻機(jī)體積小、質(zhì)量輕，攜帶方便又操作簡單。同時能夠節(jié)省請專業(yè)維修、清潔人員的資金，能夠減少最初的成本投入以及設(shè)備的二次投入。在智能化的時代，雕刻機(jī)自動化程度越來越高，曲面雕刻機(jī)的體積小、質(zhì)量輕，攜帶方便又操作簡單等優(yōu)點決定了曲面雕刻機(jī)能夠走進(jìn)區(qū)別于具有一定購買力的個體商戶、大型商場等消費群體的小客戶群體，這在一定程度上推動了個體商業(yè)的發(fā)展。

3? 基于曲面激光雕刻機(jī)設(shè)計分析

3.1? 總體設(shè)計思路

市面上常見的雕刻機(jī)，不僅體積大且沒有對中效果，雕刻精度低、速度慢，無法調(diào)節(jié)精度和速度，經(jīng)過筆者的研究克服了以上缺點，并把雕刻機(jī)大小控制在長150 mm、寬80 mm、高20 mm。如圖1所示，曲面激光雕刻機(jī)制物臺能夠左右360°旋轉(zhuǎn)，激光頭可以進(jìn)行上下180°以上的旋轉(zhuǎn)，對物體進(jìn)行全方位雕刻，而且不間斷，不產(chǎn)生雕刻縫隙。能夠?qū)Φ窨虣C(jī)的雕刻速度進(jìn)行調(diào)整，高速情況下能夠清晰顯示圖像具體輪廓;而低速情況下運行穩(wěn)定，雕刻公差小，雕刻出來的圖像更加清晰，每一層紋理都清晰可見。在雕刻機(jī)的側(cè)面加紅外線裝置使雕刻機(jī)能自動檢測到物體中心，可使雕刻機(jī)雕刻出的圖案更加美觀。使用控制板，控制兩個旋轉(zhuǎn)軸的運行，在程序中加入測試功能，對步進(jìn)電機(jī)每一次位移測試進(jìn)行距離調(diào)整。與此同時，在控制板中加入降壓和穩(wěn)壓模塊，使用步進(jìn)電機(jī)控制模塊，保證步進(jìn)電機(jī)的穩(wěn)定運行。現(xiàn)有的曲面雕刻機(jī)在雕橢圓形球體狀的物體兩端時，因為兩端小，所以導(dǎo)致雕出來的圖案和文字也會跟著縮小，導(dǎo)致雕出來的圖案和文字不協(xié)調(diào)，筆者通過在激光頭上加裝紅外線傳感器克服了這一困難。