開源四軸協(xié)作機(jī)械臂ultraArm激光雕刻技術(shù)案例！

注意安全事項(xiàng)
開始之前，請(qǐng)確保您已采取適當(dāng)?shù)陌踩胧?，例如用于激光操作的防護(hù)眼鏡、滅火器和通風(fēng)良好的區(qū)域。

引言
隨著科技的不斷進(jìn)步，激光雕刻技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今制造行業(yè)中不可或缺的一部分。它以其高精度、高效率和廣泛的材料適應(yīng)性，在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本文將深入探討激光雕刻的工作原理，以及如何通過一款四軸全金屬機(jī)械臂來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的雕刻路徑跟隨。我們將詳細(xì)解析激光頭的發(fā)射原理、激光與材料的相互作用，以及機(jī)械臂如何通過精確的步進(jìn)電機(jī)控制，配合先進(jìn)的路徑規(guī)劃軟件，來完成從簡單圖案到復(fù)雜設(shè)計(jì)的精細(xì)雕刻。無論是對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)，還是個(gè)人創(chuàng)客項(xiàng)目，激光雕刻技術(shù)的應(yīng)用都展現(xiàn)出了無限的可能性。接下來，讓我們一起揭開激光雕刻技術(shù)的神秘面紗，探索它與機(jī)械臂結(jié)合的創(chuàng)新應(yīng)用。

產(chǎn)品
ultraArm P340
ultraArm P340，由Elephant Robotics開發(fā)，是一款桌面型的高性能機(jī)器人臂，專為教育和自動(dòng)化領(lǐng)域設(shè)計(jì)。它具有緊湊的金屬結(jié)構(gòu)，僅占用A5紙張大小的空間。配備高效步進(jìn)電機(jī)，ultraArm P340擁有±0.1mm的重復(fù)定位精度和高穩(wěn)定性。作為一款4軸協(xié)作機(jī)器人，它能夠執(zhí)行雕刻、繪畫和抓取等多種任務(wù)，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景。機(jī)器人臂搭載Arduino兼容的Mega2560控制板，具備340mm的工作半徑，并可配備不同附件以適應(yīng)各種功能需求。這些特性使得ultraArm P340成為適用于教育和實(shí)踐的多功能機(jī)器人解決方案。

激光雕刻
激光雕刻是一種利用高能量激光束對(duì)物質(zhì)表面進(jìn)行雕刻的技術(shù)。它通過激光器產(chǎn)生的激光束精確地照射到材料表面，利用高熱能迅速將材料局部蒸發(fā)或熔化，從而在材料表面留下永久性的標(biāo)記或圖案。與傳統(tǒng)的機(jī)械雕刻方法相比，激光雕刻具有無接觸、精度高、速度快和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。激光雕刻是一種利用高能量激光束對(duì)物質(zhì)表面進(jìn)行雕刻的技術(shù)。它通過激光器產(chǎn)生的激光束精確地照射到材料表面，利用高熱能迅速將材料局部蒸發(fā)或熔化，從而在材料表面留下永久性的標(biāo)記或圖案。與傳統(tǒng)的機(jī)械雕刻方法相比，激光雕刻具有無接觸、精度高、速度快和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

目前市面上激光雕刻機(jī)常見光源主要有CO2光源，光纖光源，紫光光源，綠光光源，二極管光源，其激光波長不同，雕刻效能差異也很大。

我們今天使用到的激光雕刻機(jī)是CO2激光雕刻機(jī)，主要是和雕刻的材質(zhì)有木頭，皮革，塑料等非金屬材料。

激光雕刻的原理
這里是一臺(tái)大型的CO2激光雕刻機(jī)的視頻，整個(gè)運(yùn)作的流程?？梢越柚@個(gè)視頻了解激光雕刻是怎么工作的。

https://www.youtube.com/watch?v=d5pru79E1ak

CO2激光雕刻機(jī)的工作原理主要分為：

激光產(chǎn)生：在CO2激光雕刻機(jī)中，激光是通過激發(fā)含有二氧化碳的氣體混合物來產(chǎn)生的。這個(gè)混合物通常還包含氮?dú)?、氦氣?或氙氣。當(dāng)電流通過這種氣體混合物時(shí)，它激發(fā)CO2分子，產(chǎn)生激光光。
激光放大和聚焦：產(chǎn)生的激光經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的鏡子和光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行放大和聚焦。通過聚焦激光，可以將其能量集中在非常小的點(diǎn)上，從而達(dá)到高能量密度。
材料加工：聚焦的激光束照射到材料表面，由于激光的高能量，材料在激光作用點(diǎn)會(huì)迅速升溫，導(dǎo)致材料熔化、蒸發(fā)或者通過化學(xué)分解去除，從而實(shí)現(xiàn)切割或雕刻。
控制系統(tǒng)：激光雕刻機(jī)通常配備有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，可以精確控制激光束的位置、移動(dòng)速度和功率。這允許用戶根據(jù)需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的圖案或文字，并精確地在材料上進(jìn)行雕刻或切割。
冷卻系統(tǒng)：由于激光器在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，因此需要一個(gè)冷卻系統(tǒng)來維持激光器的適宜工作溫度，確保機(jī)器的穩(wěn)定性和效率。
PWM，脈沖寬度調(diào)制是用來控制激光的輸出功率的，這種技術(shù)通過控制激光器發(fā)射激光的時(shí)間長度來實(shí)現(xiàn)功率控制。可以從圖片中很明顯的得出一個(gè)結(jié)論，當(dāng)pwm的百分比越高，嗦雕刻出來的效果就越深。

CO2激光雕刻機(jī)
CO2的激光雕刻機(jī)已經(jīng)非常普遍了，隨便一搜索就有各式各樣的，我們使用的是這一款。

這種雕刻機(jī)就很方便，能夠通過IO接口來進(jìn)行控制，可以裝配在UltraArm末端。

安裝在機(jī)械臂末端

與機(jī)械臂IO口連接

在下方墊上鋁合金板，避免下方物被激光射穿

接下來只要根據(jù)圖案的路徑，讓機(jī)械臂跟隨路徑就能夠進(jìn)行定制圖案的雕刻，也是很關(guān)鍵的一個(gè)部分，激光雕刻的控制系統(tǒng)。

Elephant Luban-控制系統(tǒng)
Elephant Luban是一款軟件，集成了ultraArm P340的寫字畫畫功能，激光雕刻功能。可以在Luban上面進(jìn)行圖形的制作以及機(jī)械臂的畫畫和雕刻功能。

luban interface

圖像處理
要在機(jī)械臂的工作半徑內(nèi)設(shè)計(jì)圖形，luban是專門適配ultraArm的軟件，白色區(qū)域的是機(jī)械臂可以達(dá)到的范圍。所以我們要在白色的區(qū)域進(jìn)行圖案的繪制。

對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行柵格化處理，轉(zhuǎn)化為機(jī)械臂能夠理解的路徑/指令，通常是G-code代碼文件。

路徑規(guī)劃算法
在生成G-Code代碼文件時(shí)，會(huì)根據(jù)算法設(shè)計(jì)出一套機(jī)械臂最為合適的路徑規(guī)劃。這里用到了商旅性問題（TSP）算法。https://en.wikipedia.org/wiki/Travelling_salesman_problem

TSP：它的目標(biāo)是找到一條路徑，使得旅行推銷員可以訪問一系列城市各一次并最終返回出發(fā)城市，同時(shí)保證總旅程的距離或成本最小。例如下圖有四個(gè)城市，他們分別是0，1，2，3，他們之間往來的代價(jià)如下圖：

最優(yōu)解：0->1->2->3->0 =10

同樣的道理，通過對(duì)圖形的分析，確定雕刻路徑最有順序，以減少移動(dòng)時(shí)間和提高效率。生成 的G-code代碼如下，發(fā)送點(diǎn)位給機(jī)械臂去執(zhí)行。

導(dǎo)入到工作區(qū)域，可以預(yù)覽機(jī)械臂運(yùn)行的軌跡（灰色的線），以及激光雕刻的效果圖。

總結(jié)

通過文章的介紹，即使是一個(gè)對(duì)機(jī)械臂了解不深的人也能夠快速上手操作實(shí)現(xiàn)diy作品。不用十分鐘，就可以設(shè)計(jì)出一個(gè)獨(dú)特的圖案并進(jìn)行雕刻，操作起來十分的便捷。雖然機(jī)械臂看著小巧，但它的性能足以完成雕刻應(yīng)用。

不僅如此，ultraArm p340搭載著高精度的步進(jìn)電機(jī)，也可以實(shí)現(xiàn)一些3C輕工業(yè)，裝配，質(zhì)檢，分揀等重復(fù)性的工作。ultraArm的多功能性和靈活性使其成為一個(gè)非常實(shí)用的工具，適合多種不同的應(yīng)用場(chǎng)景和需求。

審核編輯 黃宇