郭宗昊 張盛陽(yáng) 周家樂(lè) 霍建振

摘 要 本文在數(shù)控機(jī)床理論與創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，基于arduino平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一種性價(jià)比高、體型小、穩(wěn)定性強(qiáng)的多功能寫(xiě)字機(jī)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)上位機(jī)傳輸?shù)腉代碼信息的采集、翻譯后控制兩個(gè)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，進(jìn)而控制刀頭移動(dòng)。通過(guò)藍(lán)牙模塊亦可通過(guò)手機(jī)進(jìn)行無(wú)線操控，便于調(diào)試。該系統(tǒng)具有搭建簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、功能易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 arduino平臺(tái);寫(xiě)字機(jī);藍(lán)牙;激光雕刻

引言

現(xiàn)如今，我國(guó)的教育水平相較于之前有了很大的提升，但發(fā)展仍然有一些不平衡，一些學(xué)校、教育機(jī)構(gòu)缺少教育條件，學(xué)生雖然學(xué)習(xí)了一些機(jī)床的工作原理，但卻無(wú)法將知識(shí)與實(shí)際相結(jié)合，本項(xiàng)目建立了一個(gè)便宜簡(jiǎn)易的機(jī)床模型，從而使學(xué)生更好地將知識(shí)與實(shí)際結(jié)合;而在學(xué)校小型實(shí)驗(yàn)室中，常常會(huì)需要切割一些脆性材料，但一方面通過(guò)鍘刀等物理器具切割時(shí)，切口往往不直，或者大面積崩裂，另一方面，市面上的激光切割裝置價(jià)格高昂，小型實(shí)驗(yàn)室往往難以負(fù)擔(dān)，而且一些DIY愛(ài)好者往往喜歡在作品上留下自己的印記，市面上的激光裝置功率太大，只能做到切割，而無(wú)法做到雕刻圖案，而通過(guò)本項(xiàng)目的激光切割雕刻功能則能解決上述的成本與精細(xì)度問(wèn)題;另外，對(duì)于一些文案工作者，往往會(huì)需要大量謄抄一些文章，作為本項(xiàng)目的基礎(chǔ)功能，寫(xiě)字功能可以幫助他們節(jié)省時(shí)間，用戶也可以通過(guò)軟件生成自己的字跡，讓一般人分辨不出是否出自機(jī)器之手。本項(xiàng)目的進(jìn)行主要從硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行[1]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及硬件選擇

為了達(dá)成高內(nèi)聚低耦合，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，在挑選硬件時(shí)，除了硬件本身要穩(wěn)定之外，與其他部分連接后構(gòu)成的系統(tǒng)也要穩(wěn)定。

本項(xiàng)目的硬件系統(tǒng)主要包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分，激光切割部分，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)部分，藍(lán)牙驅(qū)動(dòng)模塊，以及Arduino控制器。其中，手機(jī)端與電腦端軟件負(fù)責(zé)圖片處理，并分別通過(guò)藍(lán)牙模塊和USB轉(zhuǎn)接線與主板通信。

1.1 電機(jī)的選擇

市面上可供選擇的步進(jìn)電機(jī)很多，這里我們選用兩個(gè)42HB2401A步進(jìn)電機(jī)來(lái)帶動(dòng)齒條，進(jìn)一步使功能頭在平面上移動(dòng)。電機(jī)的額定電壓為3.57V。額定電流為1.7A，扭矩為0.31N.m。

1.2 激光頭的選擇

激光頭多種多樣，由于本項(xiàng)目有簡(jiǎn)小、便宜的要求，我們這里選用波長(zhǎng)為450nm功率為3000mw的CNC藍(lán)紫光激光頭，除了小巧便宜，它還具有可以調(diào)節(jié)PWM的功能，因此可以直接調(diào)試，不需要改寫(xiě)程序，功率調(diào)大可以用于切割，功率調(diào)小可以用于雕刻，應(yīng)用靈活方便。

1.3 舵機(jī)的選擇

舵機(jī)作為控制起筆落筆的重要器件，要求反應(yīng)靈敏，耐磨耐用，價(jià)格低廉。這里我們選用SG90S，這款舵機(jī)工作扭力為2.0kg（4.8V），反應(yīng)速度為0.11s（4.8V），塑料齒的轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍是90～180°，且重量?jī)H有13.6g，便于機(jī)器靈活移動(dòng)[2]。

1.4 藍(lán)牙模塊的選擇

藍(lán)牙模塊用于與手機(jī)等移動(dòng)上位機(jī)進(jìn)行聯(lián)系，這里選用HC-06藍(lán)牙模塊，工作頻段為2.4G，工作電壓3.0～3.6V，有效接收距離為10m，適于在教室等場(chǎng)合進(jìn)行展示，也便于學(xué)生親自動(dòng)手體驗(yàn);支持8位數(shù)據(jù)位，1位停止位、無(wú)奇偶校驗(yàn)的通信格式。

1.5 控制板的選擇

主控板選擇arduino uno r3，其上搭載的主控芯片為AVR的ATmega328P，且arduino系列產(chǎn)品都擁有簡(jiǎn)單易用的Arduino IDE作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，便于程序調(diào)試;arduino uno r3的時(shí)鐘頻率為16MHz，14路數(shù)字IO出口，六路模擬輸入，輸入電壓7-12V，六路PWM通道。

1.6 串口通信

通過(guò)arduino uno r3的主控芯片ATmega328內(nèi)置的UART進(jìn)行與上位機(jī)的串口通信，再通過(guò)板上自帶的CH340這一USB 總線的轉(zhuǎn)接芯片就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[3]。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用corexy結(jié)構(gòu)，通過(guò)一根齒條在經(jīng)過(guò)固定板上的從動(dòng)軸、電機(jī)下面的主動(dòng)軸多次改向后，使齒條回到原來(lái)的固定板，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)軸，主動(dòng)軸帶動(dòng)齒條，齒條帶動(dòng)機(jī)械臂上的固定板來(lái)使機(jī)械臂在滑軌上移動(dòng)。

X軸：將電機(jī)放在X軸兩端，通過(guò)對(duì)兩個(gè)電機(jī)的調(diào)控，控制機(jī)器在X軸方向（左右）和Y方向（上下）的運(yùn)動(dòng);考慮到電氣接線的緣故，我們將控制板放置在X軸左邊的固定板上，這樣導(dǎo)線可以在不碰觸滑動(dòng)路徑、不影響機(jī)器運(yùn)動(dòng)的條件下連接主控板和舵機(jī)、電機(jī)等驅(qū)動(dòng)裝置[4]。

3 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一個(gè)多功能寫(xiě)字機(jī)系統(tǒng)，采用corexy運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，使電機(jī)不工作在運(yùn)動(dòng)軸上，保證了運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性的同時(shí)搭建也比較簡(jiǎn)易。針對(duì)教育水平各地區(qū)各學(xué)校發(fā)展不平衡，一些學(xué)校和教育機(jī)構(gòu)雖然教授機(jī)床的相關(guān)課程，但卻沒(méi)有相應(yīng)的條件能夠使學(xué)生可以動(dòng)手實(shí)踐，本項(xiàng)目可作為簡(jiǎn)易的教具機(jī)床使用。除了具備傳統(tǒng)的電腦控制，使用藍(lán)牙功能后，還可以手機(jī)控制機(jī)械臂移動(dòng)，不再受電腦攜帶不易的限制，可在普通教室作為學(xué)生了解機(jī)床的簡(jiǎn)易教具。另外，通過(guò)配置各種不同的模塊裝置后就具有作為教具、寫(xiě)字、繪制圖案、雕刻、切割等功能。且本項(xiàng)目硬件方面有體積小、造價(jià)低、搭建簡(jiǎn)易的優(yōu)點(diǎn)，利于在課堂、小型實(shí)驗(yàn)室使用;軟件操作簡(jiǎn)單，利于無(wú)基礎(chǔ)用戶上手。

參考文獻(xiàn)

[1] 馮亮，辛建，富東贏.基于arduino的激光雕刻&寫(xiě)字機(jī)的研發(fā)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2018，（34）：92.

[2] 田軍，楊磊，薛榮.基于智能控制的直流電機(jī)PWM調(diào)速[J].價(jià)值工程，2019，（18）：46.

[3] 劉勇，張東升，齊高峰.基于Arduino的一種桌面型激光雕刻系統(tǒng)的研發(fā)[J].花炮科技與市場(chǎng)，2018，（1）：59.

[4] 蔡睿妍.Arduino的原理及應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，（16）：3.

作者簡(jiǎn)介

郭宗昊（1999-），男;學(xué)歷：本科生，現(xiàn)就讀單位：臨沂大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，研究方向：自動(dòng)控制、單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)。

霍建振（1972-），男;學(xué)歷：碩士，副教授，現(xiàn)就職單位：臨沂大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，研究方向：自動(dòng)控制、電力電子技術(shù)及電力拖動(dòng)。

[基金項(xiàng)目] 臨沂市科技攻關(guān)項(xiàng)目（編號(hào)：2015GG031）。