开源四轴协作机械臂ultraArm激光雕刻技术案例！

注意安全事项

开始之前，请确保您已采取适当的安全措施，例如用于激光操作的防护眼镜、灭火器和通风良好的区域。

引言

随着科技的不断进步，激光雕刻技术已经成为当今制造行业中不可或缺的一部分。它以其高精度、高效率和广泛的材料适应性，在众多领域展现出独特的优势。本文将深入探讨激光雕刻的工作原理，以及如何通过一款四轴全金属机械臂来实现精准的雕刻路径跟随。我们将详细解析激光头的发射原理、激光与材料的相互作用，以及机械臂如何通过精确的步进电机控制，配合先进的路径规划软件，来完成从简单图案到复杂设计的精细雕刻。无论是对于工业生产，还是个人创客项目，激光雕刻技术的应用都展现出了无限的可能性。接下来，让我们一起揭开激光雕刻技术的神秘面纱，探索它与机械臂结合的创新应用。

产品

ultraArm P340

ultraArm P340，由Elephant Robotics开发，是一款桌面型的高性能机器人臂，专为教育和自动化领域设计。它具有紧凑的金属结构，仅占用A5纸张大小的空间。配备高效步进电机，ultraArm P340拥有±0.1mm的重复定位精度和高稳定性。作为一款4轴协作机器人，它能够执行雕刻、绘画和抓取等多种任务，适用于多种应用场景。机器人臂搭载Arduino兼容的Mega2560控制板，具备340mm的工作半径，并可配备不同附件以适应各种功能需求。这些特性使得ultraArm P340成为适用于教育和实践的多功能机器人解决方案。

激光雕刻

激光雕刻是一种利用高能量激光束对物质表面进行雕刻的技术。它通过激光器产生的激光束精确地照射到材料表面，利用高热能迅速将材料局部蒸发或熔化，从而在材料表面留下永久性的标记或图案。与传统的机械雕刻方法相比，激光雕刻具有无接触、精度高、速度快和适应性强等优点。激光雕刻是一种利用高能量激光束对物质表面进行雕刻的技术。它通过激光器产生的激光束精确地照射到材料表面，利用高热能迅速将材料局部蒸发或熔化，从而在材料表面留下永久性的标记或图案。与传统的机械雕刻方法相比，激光雕刻具有无接触、精度高、速度快和适应性强等优点。

目前市面上激光雕刻机常见光源主要有CO2光源，光纤光源，紫光光源，绿光光源，二极管光源，其激光波长不同，雕刻效能差异也很大。

我们今天使用到的激光雕刻机是CO2激光雕刻机，主要是和雕刻的材质有木头，皮革，塑料等非金属材料。

激光雕刻的原理

这里是一台大型的CO2激光雕刻机的视频，整个运作的流程。可以借助这个视频了解激光雕刻是怎么工作的。

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

CO2激光雕刻机的工作原理主要分为：

1. 激光产生：在CO2激光雕刻机中，激光是通过激发含有二氧化碳的气体混合物来产生的。这个混合物通常还包含氮气、氦气和/或氙气。当电流通过这种气体混合物时，它激发CO2分子，产生激光光。
2. 激光放大和聚焦：产生的激光经过特殊设计的镜子和光学系统进行放大和聚焦。通过聚焦激光，可以将其能量集中在非常小的点上，从而达到高能量密度。
3. 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，材料在激光作用点会迅速升温，导致材料熔化、蒸发或者通过化学分解去除，从而实现切割或雕刻。
4. 控制系统：激光雕刻机通常配备有计算机控制系统，可以精确控制激光束的位置、移动速度和功率。这允许用户根据需要设计复杂的图案或文字，并精确地在材料上进行雕刻或切割。
5. 冷却系统：由于激光器在工作时会产生热量，因此需要一个冷却系统来维持激光器的适宜工作温度，确保机器的稳定性和效率。

PWM，脉冲宽度调制是用来控制激光的输出功率的，这种技术通过控制激光器发射激光的时间长度来实现功率控制。可以从图片中很明显的得出一个结论，当pwm的百分比越高，嗦雕刻出来的效果就越深。

CO2激光雕刻机

CO2的激光雕刻机已经非常普遍了，随便一搜索就有各式各样的，我们使用的是这一款。

这种雕刻机就很方便，能够通过IO接口来进行控制，可以装配在UltraArm末端。

安装在机械臂末端

与机械臂IO口连接

在下方垫上铝合金板，避免下方物被激光射穿

接下来只要根据图案的路径，让机械臂跟随路径就能够进行定制图案的雕刻，也是很关键的一个部分，激光雕刻的控制系统。

Elephant  Luban–控制系统

Elephant Luban是一款软件，集成了ultraArm P340的写字画画功能，激光雕刻功能。可以在Luban上面进行图形的制作以及机械臂的画画和雕刻功能。

luban interface

图像处理

要在机械臂的工作半径内设计图形，luban是专门适配ultraArm的软件，白色区域的是机械臂可以达到的范围。所以我们要在白色的区域进行图案的绘制。

对目标图像进行栅格化处理，转化为机械臂能够理解的路径/指令，通常是G-code代码文件。

路径规划算法

在生成G-Code代码文件时，会根据算法设计出一套机械臂最为合适的路径规划。这里用到了商旅性问题（TSP）算法。https://en.wikipedia.org/wiki/Travelling_salesman_problem

TSP：它的目标是找到一条路径，使得旅行推销员可以访问一系列城市各一次并最终返回出发城市，同时保证总旅程的距离或成本最小。例如下图有四个城市，他们分别是0，1，2，3，他们之间往来的代价如下图：

最优解：0->1->2->3->0 =10

同样的道理，通过对图形的分析，确定雕刻路径最有顺序，以减少移动时间和提高效率。生成 的G-code代码如下，发送点位给机械臂去执行。

导入到工作区域，可以预览机械臂运行的轨迹（灰色的线），以及激光雕刻的效果图。

https://www.youtube.com/shorts/1aZXAowi8Ac?feature=share

总结

通过文章的介绍，即使是一个对机械臂了解不深的人也能够快速上手操作实现diy作品。不用十分钟，就可以设计出一个独特的图案并进行雕刻，操作起来十分的便捷。虽然机械臂看着小巧，但它的性能足以完成雕刻应用。

不仅如此，ultraArm p340搭载着高精度的步进电机，也可以实现一些3C轻工业，装配，质检，分拣等重复性的工作。ultraArm的多功能性和灵活性使其成为一个非常实用的工具，适合多种不同的应用场景和需求。