機械畢業(yè)設計論文廢舊光驅改造激光雕刻機設計全套圖紙

1、天津濱海職業(yè)學院全日制高等職業(yè)教育畢業(yè)實踐環(huán)節(jié)畢業(yè)設計（典型性項目）說明書廢舊光驅改造激光雕刻機設計全套圖紙，加153893706作者：院系：天津濱海職業(yè)學院機電工程系專業(yè)：機電一體化年級：2011級學號：20110141334指導教師：時間：2014年3月主要內(nèi)容簡介傳統(tǒng)的雕刻加工是一門技術性要求很高的手工技藝，在藝術品、標牌、首飾等行業(yè)具有悠久的歷史，產(chǎn)品的質量主要取決與雕刻師傅的技藝水平，而且勞動生產(chǎn)率低、成本高、可重復性差。隨著時代的進步，科技的發(fā)展，雕刻機成為我們現(xiàn)代人與時俱進的先進工具,它省時省力又環(huán)保，應用也越來越廣泛。近幾年來中國的雕刻機迅速地發(fā)展著，從以前的手工雕刻轉變?yōu)楝F(xiàn)在

2、的機器雕刻。雕刻機給人們帶來了巨大的方便，不僅節(jié)省了雕刻時間，還提高了雕刻的工藝，雕刻機的出現(xiàn)也帶動了許多行業(yè)的發(fā)展，像木工雕刻機、石材雕刻機、數(shù)控雕刻機等等。本文簡要的介紹了雕刻機的研究意義，詳細的分析了雕刻機的總體布局并介紹用廢舊光驅改造激光雕刻機的詳細過程，本文是在參考現(xiàn)有舊廢光驅的基礎上，設計的一種小型雕刻機，適合一般的塑料板、鋁板等普通材料的機械加工。 關鍵字：激光器，數(shù)控，激光雕刻機目錄第一章前言4第二章數(shù)控激光雕刻機的總體設計5第一節(jié)激光雕刻機的概述及其工作過程5第二節(jié)激光傳輸方式的設計6一、激光系統(tǒng)的介紹6二、對現(xiàn)有的控制系統(tǒng)的光路的改進6三、激光雕刻機的構成及原理7第三章廢舊

3、光驅改造激光雕刻機設計8第一節(jié)工具和材料8第二節(jié)拆解 dvd-rom 驅動器9第三節(jié)組裝激光發(fā)射器11第四節(jié)制作機械部分14第五節(jié)電子器件16第六節(jié)準備 arduino19第七節(jié)最終組裝以及額外配件20第八節(jié)制作完成22設計總結24參考文獻25第一章 前 言研究意義：由于數(shù)控激光雕刻機在雕刻中的準確性、可靠性和精確性上大大超過了機械雕刻機和電腦雕刻機數(shù)控激光雕刻機的激光雕刻技術己經(jīng)在工業(yè)雕刻和其他領域里得到了很好的發(fā)展并取得了很好的效果。并且數(shù)控激光雕刻機是采用數(shù)控機床模式結合光學系統(tǒng)雕刻切割速度快精度高性能穩(wěn)定整機使用壽命長。傳統(tǒng)的激光雕刻機是采用反射鏡反射的方法將激光從激光器傳輸?shù)奖患庸げ?/p>

4、料表面。這種雕刻機對穩(wěn)定性有較高的要求并且對幾個反射鏡的調節(jié)也比較困難。該方法通過耦合器將激光能量耦合到傳能光纖中通過移動光纖的輸出端完成激光雕刻的任務。這種激光雕刻是一種無磨損、效率高的新工藝解決了光學透鏡存在的偏轉和穩(wěn)定問題使刻線在任何地點都保持均勻功率恒定圖形光滑且適合大范圍加工。如圖1所示描述了數(shù)控激光雕刻機的整體結構。圖1 數(shù)控激光雕刻機的結構簡圖第二章 數(shù)控激光雕刻機的總體設計第一節(jié) 激光雕刻機的概述及其工作過程近年來大型激光加工設備通常采用光束移動的方法稱為“飛動導光”。在激光加工中“飛動導光”系統(tǒng)同光束固定的導光系統(tǒng)相比具有更大的靈活性、更高的加工速度以及更低的制造成本但在這樣

5、的系統(tǒng)中光束的傳輸距離是變化的。在這樣大的傳輸距離下如果采用普通的機械導光臂傳輸激光激光的聚焦光斑直徑、焦平面和聚焦焦深在不同的位置將發(fā)生很大的變化這會對激光加工質量帶來嚴重的影響限制了激光加工的范圍。因此市場上常見的激光加工系統(tǒng)加工范圍普遍偏小。在此次設計中我采用圖2所示的結構圖進行設計。圖2 激光雕刻系統(tǒng)的結構圖首先，當設計一種產(chǎn)品時應該了解其工作流程和工作原理數(shù)控激光雕刻機的工作原理是通過計算機接口把所要雕刻的圖樣編成程序然后通過電機的驅動器來驅動電機的運轉來使工作臺產(chǎn)生走向同時運動控制卡控制著激光的開關來進行激光雕刻其激光雕刻的工作流程如圖3所示：圖3 激光雕刻系統(tǒng)的工作過程圖第二節(jié)

6、激光傳輸方式的設計一、激光系統(tǒng)的介紹激光雕刻系統(tǒng)由于采用傳能光纖代替原有光路通過耦合器將激光能量耦合到傳能光纖中經(jīng)由光纖輸出的激光能量對被加工材料進行雕刻。這不僅解決了現(xiàn)有激光雕刻設備普遍雕刻范圍偏小的問題還提高了輸出激光的穩(wěn)定性增加了激光能量的轉換效率。目前激光雕刻機的激光掃描方式均為振鏡掃描式和全反射鏡式。數(shù)控激光雕刻系統(tǒng)是利用耦合器將激光耦合到傳能光纖中通過移動光纖輸出端實現(xiàn)大幅面積的雕刻。利用光纖傳輸?shù)膬?yōu)越性傳統(tǒng)的激光雕刻機是采用反射鏡反射的方法將激光從激光器傳輸?shù)奖患庸げ牧媳砻?。這種雕刻機對穩(wěn)定性有較高的要求并且對幾個反射鏡的調節(jié)也比較困難。二、對現(xiàn)有的控制系統(tǒng)的光路的改進本系統(tǒng)則利

7、用傳能光纖傳輸 co2激光能量進行雕刻的新方法。該方法通過耦合器將激光能量耦合到傳能光纖中通過移動光纖的輸出端完成激光雕刻的任務。這種激光雕刻是一種無磨損、效率高的新工藝解決了光學透鏡存在的偏轉和穩(wěn)定問題使刻線在任何地點都保持均勻功率恒定圖形光滑且適合大范圍加工。現(xiàn)在的雕刻機光路都是利用反射鏡或是機械關節(jié)導光臂來實現(xiàn)激光的轉向和聚焦的由于多關節(jié)機械導光臂產(chǎn)生運動誤差的積累難以保證激光傳輸?shù)臏蚀_性另外反射鏡與聚焦鏡屬于耗材如果不及時保養(yǎng)雕刻產(chǎn)生的煙塵積累就會腐蝕鏡片表面的鍍膜破損的鏡片不能充分反射、透射激光反而會吸收激光產(chǎn)生的熱量影響雕刻效果。采用光纖及配套密封的聚焦透鏡設計光路光在光纖中傳輸能

8、防止外面因素粉塵污染聚焦頭及反射鏡而且由于光纖中傳輸?shù)募す饽Ｊ椒浅：镁劢购蟮墓獍叻浅＠硐刖哂邪霃叫A度高能量穩(wěn)定等的特點。圖4 激光耦合原理圖圖示4為激光通過耦合器進入光纖中的原理圖。由激光器1發(fā)出的 co2激光束經(jīng)反射鏡2轉向90度后進入光學系統(tǒng)3中。把光纖4的入射端面對準光學系統(tǒng)3的焦點并且保持光纖入射端的光軸與光學系統(tǒng)光軸重合。傳能光纖4的輸出端固定在運動系統(tǒng)的支架5上控制系統(tǒng)使支架5在工作臺6上按照雕刻圖案進行運動。從圖中可以看出它節(jié)省了反射鏡的數(shù)量從而避免了多個反射鏡的偏轉及振動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適合于大范圍雕刻加工而且這種用傳能光纖傳輸 co2 激光

9、能量的光路系統(tǒng)結構簡單調整方便可行。此外由于激光經(jīng)耦合器在光纖中傳輸在實現(xiàn)雕刻時避免了環(huán)境的影響。三、激光雕刻機的構成及原理在該系統(tǒng)采用傳能光纖代替機械導光臂作為光路傳輸 co2 激光能量由于傳能光纖具有良好的傳輸性能和柔性傳輸?shù)奶攸c解決了原有激光雕刻系統(tǒng)雕刻范圍與雕刻質量的問題使所開發(fā)的激光雕刻系統(tǒng)有了更多更廣泛的應用。我們自行設計和試制的激光雕刻系統(tǒng)為了能夠體現(xiàn)了數(shù)控激光雕刻機的雕刻的性能要求其加工范圍盡可能大但是由于目前還是實驗樣機只是一種原理的展示過大又會造成不必要的浪費所以我們綜合考慮各方面因素通過對目前激光加工設備的市場進行廣泛的調查與研究最終把雕刻范圍確定在1200×1

10、400mm。第三章 廢舊光驅改造激光雕刻機設計現(xiàn)在是時候和大家分享我最新的制作項目了一臺低成本的激光雕刻機，雖然工作空間略微小了些，無論如何它仍然能有效工作，而且成本非常低，大多數(shù)人都有能力制作出一個復制品。第一節(jié) 工具和材料大部分硬件都可以利用廢品制作。鋁型材、中密度纖維板和各種螺母、螺栓以及導線。但部分物品需要另行購買。大部分電子器件都可以在 sparcfun上找到，其余的可以到e-bay或者舊貨交換市場碰碰運氣。圖5 部分材料圖1.激光發(fā)射器外殼（圖中），2.easydrive 驅動器電路（圖中），3.arduino (這是控制電路的核心)，4.easydrive 步進驅動器，5.兩臺d

11、vd-rom 驅動器，并且至少需要一臺dvd-r 驅動器來提供激光發(fā)射器，6.激光發(fā)射器外殼(在e-bay上可以找到零售的)，7.激光發(fā)射器驅動電路(我用的是簡單的基于lm317的電路)，8.各種螺帽、螺栓以及其他的建材。第二節(jié) 拆解 dvd-rom 驅動器圖6 壞掉了的 dvd-rom 驅動器在 dvd-rom 驅動器中所需要的只有步進電動機組件和激光二極管。我的運氣不太好，發(fā)現(xiàn)我的 dvd-rom 帶有一塊非常難處理的塑料組件。于是我拆開了三臺 dvd-rom 驅動器，卻只用了兩臺里的零件。拆解的過程相當有難度，而且我打開過的大部分 dvd-rom 驅動器差不多都是這樣的。在移除了驅動器底

12、部的螺釘以后，就能把它像個蓋子一樣掀開了。很可能會在底蓋下面看到兩塊電路板，這兩塊對我們都毫無用處。但是要記得保留下其他有用的零件，供其他的制作項目使用。例如在靠前的電路板下面有一臺值得留下來的小型直流電動機。圖7 拆除電路板現(xiàn)在該把前面板連同前置托盤一起拆下來了。當你把托盤拉出來以后前面板就會變得松散。接下來的步驟需要拆卸螺釘，或許還需要一些蠻力。拆除兩塊電路板。當心連接在步進電動機上的排線。圖8 將這個電動機拆除。如果把 dvd-rom 驅動器的右側朝上放置并把頂蓋移除，就應該能發(fā)現(xiàn)我們正在尋找的東西步進電動機組件。擰開螺絲，直接把它取出來就行。把主軸電動機拆除，它可能有點用處，但是我覺得

13、驅動它來太麻煩，于是我就把它們拋棄了。它們通常是用三顆非常小的螺絲固定起來的，不過有時它們會是一個更大的組件的一部分，因此在拆除時候要小心，不要弄壞了支撐鏡頭的兩根桿。鏡頭只要用最合適的方法把它拆下來就行了，我們需要留下一個光滑的表面，之后在上面連接一些其他的零件。小心不要弄壞了 dvdr 驅動器的激光二極管。圖9 拆除部件這一整塊部件都要拆掉，放在一邊為將來的制作項目做準備。第三節(jié) 組裝激光發(fā)射器激光二極管圖10 驅動器中取出二極管從 dvdr 驅動器中取出激光發(fā)射器并不難，不過大部分的鏡頭組件的外形都各不相同。找出激光二極管然后從組件中將它們拆下來。圖11 部分零件1.從鏡頭上拆下來的磁鐵

14、，2.鏡子和透鏡，3.激光二極管，4.廢物其中有一些光學器件和兩塊磁鐵，你可以把它們屯下來為將來的制作項目做準備。圖12 從支架取出激光二極管需要把激光二極管從支架上拆下來。這需要使一點微弱的力道。小心別傷著了激光二極管。其中一個是紅外激光二極管，另一個是我們所需要的紅色激光二極管。當把兩個二極管拆下來以后你一定要小心翼翼。這兩個二極管非常小，也非常脆弱。從二極管上去除那一小片連接電路版，然后用兩節(jié) 7 號電池檢查一下紅色激光二極管是否健在。圖13 將二極管安裝到外殼中已經(jīng)有了裸奔的二極管，是時候把二極管安裝到外殼中了。在激光發(fā)射器外殼背部的小孔正好可以讓二極管的引腳穿過。把二極管放入外殼中，

15、并用外殼的背面和鉗子非常小心地把二極管壓入外殼中。圖14 二極管安裝完畢現(xiàn)在二極管已經(jīng)牢牢地安置在外殼中了，當完成這一步后，就駛入了終點前順暢的直車道了。把導線焊接在正極和負極引腳上。然后把鏡頭用螺絲擰上這樣就搞定了。再用一些膠帶把鏡頭固定到位。圖15 工作中二極管大的功率及電流178 毫瓦的輸出功率很不錯了。不過這會讓二極管進入過載狀態(tài)。二極管的工作電流為 310 毫安。第四節(jié) 制作機械部分圖16用一片壓克力板作為底座為了盡可能地簡單，我找了一塊正好比 dvd-rom 驅動器的步進電動機組件略大一些的中密度纖維板。它將成為底座，固定住 x 軸和 y 軸的方向。我找到了一些墊片來固定 y 軸方

16、向，不過幾根螺栓和數(shù)個螺母也能有不錯的效果。這里的尺寸要求并不嚴格，不過必須確保每一根軸都與其他的軸相互垂直。我發(fā)現(xiàn)把第一層組件安裝在中密度纖維板上以后在對齊各個零件時會方便一些。圖17 激光二極管組件圖工作空間位于老的激光二極管組件上。確保它表明平整且水平放置，然后在上面涂上些膠水固定好，工作空間就完成了。我發(fā)現(xiàn)一塊1/4 英寸的壓克力板剛好合適。它能讓工作空間保持足夠的穩(wěn)定性，不過由于激光能夠射穿它，所以我不確定這是否存在安全隱患。后來我想出了一個在我看來效果最棒的解決方案。我切下了一片與壓克力板的大小相同的dvdr 驅動器的金屬外殼，然后用膠水把它粘了上去。這樣工作空間依然非常穩(wěn)定，而且

17、強度也足夠了。它還有一個有利的作用，那就是你可以用磁鐵把你想要雕刻的東西固定在工作空間上。圖18 鋁材料作為x軸我在廢品箱里找到了一些鋁型材。把它當作了 x 軸，不過你可以使用任何穩(wěn)固而且夠長的材料。圖19 測量組件上的安裝孔一件重要的事情在于，組件上的安裝孔并不是對稱的。記得測量從支架底端到直線導軌的距離。這樣你就能確保所有的零件都對齊。你安裝 x 軸的位置取決于激光發(fā)射器的安裝位置。激光發(fā)射器應該位于工作區(qū)域的中心，而 y 軸位于中間。當你將兩軸安裝在基座板上的時候，先確定所有的零件都相互成直角，然后鉆幾個供螺絲擰入的小導孔。圖20 尺寸要求這里最重要的尺寸要求就是保證所有的東西都是四方的

18、直角激光發(fā)射器的支架不一定要做得很復雜，我用的是一小片塑料板和一個夾子，然后把所有的東西都用膠水粘起來。用夾子固定激光發(fā)射器，這樣就可以靠簡單地把激光發(fā)射器上下滑動來改變焦點位置。和其他的零件一樣，它的尺寸并不重要，只要一切都相互垂直就行。這里只有一個尺寸是需要你斟酌一番的，那就是激光發(fā)射器的位置。當 y 軸和 x 軸位于中央位置時，它應該處于工作空間的中心。第五節(jié) 電子器件圖21 排線尋找所需的排線時，舊電腦最合適不過了。這些排線雖不易焊接，但效果很好。我在兩臺步進電動機上都進行了相同的焊接。我開始焊接步進電動機。用一根排線連接步進電動機，然后把它們焊接在 dvd電路板上已有的接口上。我在另

19、一頭焊接了一個四引腳的插頭，這樣就能插在試驗電路板上使用。圖22easydriver 和 arduino 的初次測試對 easydriver 也進行相同的處理，焊上引腳插頭，然后插在試驗電路板上使用。easydriver 有兩個引腳，叫做 ms1 和 ms2，它們用于設定步進的序列。將它們雙雙連在 easydriver 的5伏電壓輸出上。這樣就把步進序列設為了微步進控制。把從步進電動機伸出的四根引腳連接在電動機的輸出端，而控制引腳連在 arduino 上。除了這些以外，easydriver 還需要連上電動機電源。我用一個12伏的電源適配器驅動電動機、風扇和 arduino。圖23在焊接所有的引

20、腳時都要記得檢查位置是否正確圖24把easydrives安裝在插座中激光發(fā)射器的驅動電路是用基于 lm317 的電路制作的，不需要特殊配件。這樣的驅動電路可以正常工作，但效果遠遠說不上是理想。我給激光二極管的驅動電流太大了，大約在 300 毫安，你要是也這么做，那么二極管的壽命不會太長。最好的解決方案應該是找一個更強大的激光發(fā)射器和驅動器，但為了堅持廉價和diy的精神，我還是想要使用 dvdr 驅動器本身的激光發(fā)射器。激光發(fā)射器開關和風扇所使用的是同一個繼電器。圖25電路板布置圖第六節(jié) 準備 arduino針對這一項目對 arduino 進行設置。打開你最喜歡的串行終端，然后打開arduino

21、 所連接的端口。你應該會收到一條歡迎信息：grbl 0.6b'$' to dump current settings"（輸入“$”清空當前設置）如果你輸入一個 $ 然后回車，你會看到一系列選項。類似于這樣子：$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.

22、100 (mm/arc segment)$7 = 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 軸和 y 軸的 steps/mm 值都修改為 53.333。只要輸入“$0=53.333”然后回車，接著輸入“$1=53.333”然后回車即可。因為我們并沒有用到 z 軸，所以可以把它忽略掉。加速度可以提高到大約 100 的程度（輸入“$8=100”然后回車）。當我們緩慢地操作這

23、臺機器的時候，加速度也會很高。加速度太低的另一個副作用是在控制器不停地嘗試加速和減速，但卻無法達到全速時，曲線圖形會比直線受到更劇烈的燒灼。你有可能和我一樣發(fā)現(xiàn)有一根軸反掉了。這很容易修正。選項 $7 讓你能夠改變軸的方向。我想要改變 x 軸的方向，于是我輸入了“$7=8”，這是因為我想要修改 3 號位（8 = 00001000 二進制），如果你想要修改 y 軸的方向，那么就輸入 16（00010000）或者要修改兩根軸的話，就輸入 24（00011000）。現(xiàn)在已經(jīng)完成了電腦設置的準備。如果想要嘗試進行幾下移動的話，可以輸入“g91 g28 x0 y0【回車】”把軸的位置歸零。然后輸入“x10 y10【回車】”。應該會看到兩根軸向上都發(fā)生了 10 毫米的移動。第七節(jié) 最終組裝以及額外配件圖26 制作風扇降溫當把 easydrivers 裝到一個盒子里時，就需要用一個風扇為它們降溫。它可是會瘋狂地發(fā)熱。為了完善這臺小型雕刻機，我用從一