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引言
隨著科技的不斷進步，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)出獨特的優(yōu)勢。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械臂來實現(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，以及機械臂如何通過精確的步進電機控制，配合先進的路徑規(guī)劃軟件，來完成從簡單圖案到復(fù)雜設(shè)計的精細(xì)雕刻。無論是對于工業(yè)生產(chǎn)，還是個人創(chuàng)客項目，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器人臂，專為教育和自動化領(lǐng)域設(shè)計。它具有緊湊的金屬結(jié)構(gòu)，僅占用A5紙張大小的空間。配備高效步進電機，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)用場景。機器人臂搭載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踐的多功能機器人解決方案。

激光雕刻
激光雕刻是一種利用高能量激光束對物質(zhì)表面進行雕刻的技術(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)性強等優(yōu)點。激光雕刻是一種利用高能量激光束對物質(zhì)表面進行雕刻的技術(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)性強等優(yōu)點。

目前市面上激光雕刻機常見光源主要有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是CO2激光雕刻機，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
這里是一臺大型的CO2激光雕刻機的視頻，整個運作的流程。可以借助這個視頻了解激光雕刻是怎么工作的。

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

CO2激光雕刻機的工作原理主要分為：

激光產(chǎn)生：在CO2激光雕刻機中，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。這個混合物通常還包含氮氣、氦氣和/或氙氣。當(dāng)電流通過這種氣體混合物時，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)計的鏡子和光學(xué)系統(tǒng)進行放大和聚焦。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，材料在激光作用點會迅速升溫，導(dǎo)致材料熔化、蒸發(fā)或者通過化學(xué)分解去除，從而實現(xiàn)切割或雕刻。
控制系統(tǒng)：激光雕刻機通常配備有計算機控制系統(tǒng)，可以精確控制激光束的位置、移動速度和功率。這允許用戶根據(jù)需要設(shè)計復(fù)雜的圖案或文字，并精確地在材料上進行雕刻或切割。
冷卻系統(tǒng)：由于激光器在工作時會產(chǎn)生熱量，因此需要一個冷卻系統(tǒng)來維持激光器的適宜工作溫度，確保機器的穩(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)射激光的時間長度來實現(xiàn)功率控制。可以從圖片中很明顯的得出一個結(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
CO2的激光雕刻機已經(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。

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

安裝在機械臂末端

與機械臂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，讓機械臂跟隨路徑就能夠進行定制圖案的雕刻，也是很關(guān)鍵的一個部分，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上面進行圖形的制作以及機械臂的畫畫和雕刻功能。

luban interface

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

對目標(biāo)圖像進行柵格化處理，轉(zhuǎn)化為機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，會根據(jù)算法設(shè)計出一套機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，同時保證總旅程的距離或成本最小。例如下圖有四個城市，他們分別是0，1，2，3，他們之間往來的代價如下圖：

最優(yōu)解：0->1->2->3->0 =10

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

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

總結(jié)

通過文章的介紹，即使是一個對機械臂了解不深的人也能夠快速上手操作實現(xiàn)diy作品。不用十分鐘，就可以設(shè)計出一個獨特的圖案并進行雕刻，操作起來十分的便捷。雖然機械臂看著小巧，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電機，也可以實現(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非常實用的工具，適合多種不同的應(yīng)用場景和需求。

審核編輯 黃宇