1.1背景及国内外研究现状

随着社会的不断进步、科学技术的不断强大，众多的高新技术被使用在日常生活的诸多领域。与此同时，凭借智能化和现代化等优势，激光加工技术也就得到了很好的发展的契机，其对加工制造业所起的作用愈发强烈。激光加工技术拥有别的技术无法代替无法比拟的特点和优势，因此在将来的制造业内，激光加工的竞争力是尤为的突出的。激光加工技术是正在极快发展的一种技术，激光加工技术永不停息的进步，推动着制造业以及产品工业的大踏步前进。

激光加工过程如下，首先激光器发出激光束使用一系列措施，最终聚焦到加工位置；被加工件吸收由激光器发射出来激光的光能，接着光能就会转化为热能，进而使工件发生融化、蒸发、汽化等现象，最终实现激光加工的目的。激光加工的原理是激光束和被加工件之间的反应，那么激光加工即是非接触的加工方式，因此就不会对工件产生作用力，从而不可能损坏工件，也不会因为在加工过程中使加工工具造成毁坏；而且因为激光加工过程不产生机械力作用于工件，所以在加工时对工件的定位和固定的要求不会太高。由激光加工的原理可得知激光加工时，通过聚焦的措施可使产生的光斑变得很小，甚至可以达到微米级别。而且针对加工要求的改变，激光器的输出功率可以较精确地调节以便于实现所要求的加工效果。对于精密精细加工以及精度要求较高的加工，虽然传统的加工技术已经非常熟练，可以加工许多高精度要求和精密精细的产品。但是鉴于传统加工的弊端以及加工的难度等方面，激光加工凭借它的特点更适用于精密精细以及高精度加工。针对一些在密闭装置内不便于拆卸的工件，激光加工还可以穿过装置，达到对密闭装置内的工件加工。

经过一些资料的查询，目前近几年全球的激光产业已经获得非常大的进步。激光产业可以实现几千万美元的产值，此外全球激光产业有着超过6％的销售额的增加；其中美国及德国在激光产业依然占有很大的优势，特别是在档次较高的激光系统产品上，基本上处于垄断的地位^[16]。

对于我国的激光雕刻方面，近年来激光雕刻自动化也不断发展。根据相关市场调查资料显示，我国激光设备的销售额正在快速的增长，这也充分说明我国的激光产业已经走出困境，已经走上实用化的道路。国内也有许多激光设备的设计研发、销售以及售后维护的相关企业单位的出现。我国目前有能力研究设计出

众多种激光加工产品，以满足各种不同的需求。企业保持激光设备的销售额逐年增长的趋势，给国内更多企业发展壮大激光产业的自信，促进了我国激光产业的发展。激光雕刻技术也成现代化生产制造不可或缺的组成部分之一。

1.2目的及意义

激光雕刻具有非接触、低噪声、高速度等特点，非常适合对亚克力板、橡胶、木材等非金属的雕刻加工，应用在工艺品、印刷等行业^[15]。传统的激光雕刻机存在体积大，操作复杂，价格高等因素，无疑影响了这一技术的普及与广泛应用，所以通用性强、成本低廉、便携式、智能化的机械臂激光雕刻具有重要的应用价值。先进的激光雕刻机械臂在雕刻时，其刻划非常的精细，而且雕刻线条能够达到毫米级甚至微米的级别；在产品的防伪应用上，使用激光雕刻技术在产品上做防伪标记会更加牢固和可靠。将计算机与机械臂结合使用，这样一来在使用机械臂的时候就显得更加的方便。使用到激光雕刻的领域十分广泛，而且国内还有较大的激光雕刻的市场。激光也是一种清洁能源，无论是从环境保护还是噪音控制方面，都优于传统的机加工。加上国家对高新技术产业的大力支持，激光雕刻产业的未来前景一片光明。凭借激光雕刻的特点及优势，激光雕刻的应用领域不断扩大，激光雕刻的优化和设计也更趋向于小型化、智能化、集成化，必将更加推动中国的激光雕刻产业的迅猛的成长^[16]。

本次毕业设计研究基于uArm Swift机械臂，该机械臂能完成写字、吸物体、激光雕刻、3D打印等功能。硬件平台已经有现成的，还需要掌握该机械臂机构与控制的基本概念，功能需求，学习机械臂运动学和逆运动学，掌握机械臂速度和静力的控制。软件方面，需要使用编程语言控制机械臂完成所需要的功能，本设计将使用python进行编程。所以在此毕业设计过程中，可以学习到有关机械臂运动学，智能控制以及人工智能编程等方面的知识，对目前火热的人工智能设备应用有所了解，机械臂运动学可以拓展到其他领域的应用。在其他领域的应用，在以后一定会更多，这不仅大大提高了我们的工作效率，而且丰富了我们的生活。同时这个设计也是对所学的知识的一次大应用，这将提高自我学习和应用的能力，对未来工作生活都有很大的帮助！

2. 研究的基本内容与方案

2.1.研究的基本内容及目标

机械臂激光雕刻是集光、机、电、计算机硬软件于一体的高新技术。激光雕刻并非单纯的加工技术，而是融合了计算机图像处理技术、激光技术与计算机技术的应用。小型激光雕刻机近几年发展极为迅速，这要归功于控制软件的开源化运动，为更多的爱好者提供学习研究激光雕刻机的机会。激光雕刻机一般雕刻对象为雕刻性能较好的木材、竹材， 雕刻时功率要适中，防止烧黑，所以采用功率较小的半导体激光模组，另外机械结构尽可能简化，便于携带。

机械臂的激光雕刻功能对机械臂的稳定性，准确性及灵活性有极高的要求。为达到目的，首先是要对uArm Swift机械臂的硬件平台了解，掌握机械臂机构与控制的基本概念、功能需求。学习机械臂运动学和逆运动学，掌握机械臂速度和静力的控制，然后建立机械臂激光雕刻的控制测量和控制模型，根据模型分析编码器的数据采集方法，并开发其运动驱动程序。总的来说就是掌握机械臂运动学，这是基础，然后才根据这些知识，在软件开发方面编程，写好对应的程序控制机械臂完成所需要的雕刻任务，最后实际的将准备好的程序烧录到机械臂中，验证是否达到预期效果，并对结果做出分析，相应的改进设计。