基于STM32 的激光雕刻機控制系統(tǒng)設(shè)計

趙永勝，郭 棟，吳佳琪，武東輝，郭文帥

（遼寧工業(yè)大學 電氣工程學院，遼寧 錦州 121001）

隨著現(xiàn)代科技的進步，激光加工相關(guān)研究的不斷深入，激光的應(yīng)用領(lǐng)域也在變廣，給社會帶來的經(jīng)濟效益更加明顯。激光雕刻適用于塑料、橡膠、木材、亞克力板等非金屬材料的加工，目前在服飾、印刷、工藝、廣告等領(lǐng)域應(yīng)用需求越來越廣泛[1]。傳統(tǒng)雕刻機操作復雜、售價高，需要專業(yè)人員進行控制，個人使用不切實際[2]。當前激光雕刻的灰度圖像大多是只有低灰度級別的二值圖像，這種圖像由于灰度級別太低，無法滿足高質(zhì)量激光雕刻圖像的需求[3]。為實現(xiàn)簡單方便、高效快速和效果逼真的激光雕刻，本文進行了激光雕刻機控制系統(tǒng)的設(shè)計。

1 設(shè)計原理方案

激光雕刻機系統(tǒng)由PC 機、激光雕刻機控制器和機械傳動結(jié)構(gòu)模塊組成，整體框圖如圖1 所示。其中，激光雕刻機控制器以STM32 為核心處理器，包括位置電機驅(qū)動電路、激光器驅(qū)動電路、通信接口電路和人機接口電路等功能電路。PC 機實現(xiàn)給定文字或圖片信息的解析提取；激光雕刻機控制器根據(jù)接收PC 機的解析數(shù)據(jù)，經(jīng)控制算法運算后控制X、Y 軸位置電機運動軌跡及激光部件的開關(guān)狀態(tài)和激光強度，進而實現(xiàn)激光雕刻的功能。在處理激光雕刻軌跡方面，采用融合了基于圖像掃描算法和S 型加減速算法[4]的控制算法，提高了激光部件的加工速度。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 STM32 最小系統(tǒng)

STM32 最小系統(tǒng)由晶振電路、復位電路、JLINK 接口電路以及BOOT 模式電路組成。晶振電路為系統(tǒng)提供準確的時鐘頻率，STM32 需要配置2個晶振，一個為外部高頻晶振，通常為8 MHz，經(jīng)PLL 倍頻后系統(tǒng)正常工作時使用；另一個為外部低頻晶振，通常為32.768 kHz，系統(tǒng)待機或低功耗時使用。復位電路接到單片機的復位引腳，當按鍵按下時復位引腳變?yōu)榈碗娖?，系統(tǒng)實現(xiàn)復位；BOOT模式設(shè)為00 模式，程序下載至flash 區(qū)；JLINK 接口電路用于系統(tǒng)程序的仿真和下載。

2.2 位置電機驅(qū)動電路設(shè)計

位置電機驅(qū)動模塊用來驅(qū)動X軸和Y軸方向的步進電機，通過對電機的轉(zhuǎn)速、方向和啟?？刂?，實現(xiàn)按雕刻軌跡運動。位置電機驅(qū)動模塊采用帶過流保護和轉(zhuǎn)換器的DMOS 型的A4988 芯片實現(xiàn)，A4988 芯片采用關(guān)斷時間電流穩(wěn)壓器作為核心部件，無中間轉(zhuǎn)換步驟，只需在“步進”引腳輸入一個脈沖，即可驅(qū)動步進電機產(chǎn)生微步，非常適合作為激光雕刻機的電機驅(qū)動芯片。位置電機驅(qū)動模塊電路設(shè)計如圖2 所示。

圖2 位置電機驅(qū)動模塊電路圖

A4988 引腳功能為：VMOT 為電機供電接口；1A、1B、2A、2B 為步進電機控制線接口；VDD為驅(qū)動模塊供電接口；SLP 為睡眠模式，低電平有效；STEP 為脈沖輸入端口；DIR 為正反轉(zhuǎn)控制口；EN 為使能口，控制芯片是否工作；MS1、MS2、MS3 為模式選擇端，可控制步進電機的步進角的細分。由圖2 可知，在具體的使用中只需控制STEP和DIR 即可，其余引腳按照默認配置，STEP 接收STM32 發(fā)出的脈沖信號驅(qū)動步進電機產(chǎn)生微步，DIR 接收STM32 發(fā)出的方向控制信號控制步進電機的轉(zhuǎn)向。

2.3 WIFI 通信電路設(shè)計

鑒于WIFI 通信比有線通信有更好更廣泛的適應(yīng)性、擴展性，設(shè)備維護上也更容易實現(xiàn)，本設(shè)計選用透傳能力強的USR-C216“有人”WIFI 模塊來實現(xiàn)激光雕刻機控制器接入Internet 網(wǎng)絡(luò)，與PC 機進行通信。USR-C216 集成了基頻芯片、MAC 模塊和射頻收發(fā)單元，能夠支持TCP/IP 協(xié)議等多種通信協(xié)議。WIFI 通信電路設(shè)計如圖3 所示。

圖3 USR-C216 接口電路原理圖

2.4 其他電路設(shè)計

此外，進行了人機接口電路(包括LCD 顯示電路、按鍵電路)、USB 轉(zhuǎn)串口電路、光電隔離電路等模塊的設(shè)計。

3 PC 機軟件設(shè)計

3.1 信息提取

3.1.1 文字、位圖信息的提取

文字和位圖的雕刻主要以激光部件在待雕刻工件上“打點”的方式進行，因此兩者的提取信息方式類似。

(1)文字信息提取，首先對需要的文字進行取模，采用逐行、逆向的方式把其轉(zhuǎn)化為二進制數(shù)，進而實現(xiàn)二值化處理，從而呈現(xiàn)出黑(0)、白(1)兩種顏色的效果。

(2)位圖信息提取，首先對位圖的像素位數(shù)進行判斷，若像素位數(shù)為1 位，則不需進行二值化處理，反之，則需要進行二值化處理。在二值化處理過程中，為了得到理想的二值圖像，本設(shè)計采用局部動態(tài)閾值法設(shè)置每一個子塊的局部閾值，將所有小于閾值的像素設(shè)定為黑色(0)，所有大于或等于閾值的像素設(shè)定為白色(1)。

文字、位圖的信息提取完成后，根據(jù)黑(0)、白(1)的分布進行雕刻，黑點表示控制激光部件工作，白點表示控制激光部件不工作[5]。

3.1.2 灰度圖信息的提取

灰度圖是指只含亮度信息不含色彩信息的圖像，通常把灰度分為256 階(8 位像素)，用0～255表示圖像中點(每個像素)的顏色深度，該值稱為灰度值，255 為白色，0 為黑色。由于人眼對綠色的敏感最高，對藍色敏感最低，因此，本設(shè)計將圖像中的3 個分量以不同的權(quán)值進行加權(quán)平均，以得到較為合理的灰度圖像[6]，加權(quán)計算公式：

首先由公式(1)計算得出灰度圖各像素點的灰度值，然后讀取其縱向、橫向各像素點個數(shù)確定圖像邊界，最后通過灰度值來確定激光雕刻能級以及激光部件的運動速度，進而產(chǎn)生不同深淺層次的雕刻圖案。

3.2 PC 機界面設(shè)計

PC 機主要用來實現(xiàn)給定文字或圖片信息的解析提取，并將解析的信息及設(shè)置的命令發(fā)送至激光雕刻機控制器。設(shè)計的PC 機界面如圖4 所示。

圖4 PC 機界面

4 雕刻算法設(shè)計

4.1 雕刻路徑算法

激光雕刻機的雕刻路徑算法原理與針式打印機的工作原理類似，即激光部件在待雕刻工件的表面從左到右、從上到下進行逐行掃描，通過平行運動和換行運動2 種操作實現(xiàn)圖像雕刻功能。

針對激光雕刻機雕刻連續(xù)小線段時出現(xiàn)連續(xù)換行、精度低和效率低等問題，采用了一種具有速度前瞻功能的S 型曲線加減速算法。利用離散的S型曲線加減速算法對雕刻速度進行規(guī)劃，從而提高雕刻效率，保證速度的連續(xù)性，減少沖擊力，滿足雕刻精度要求。S 型加減速控制算法如式(2)所示。其中a為激光部件運動的加速度，v為進給速度，實質(zhì)是通過改變激光部件在運動過程中不同時間段內(nèi)的加速度，從而使其在該時間段內(nèi)的運動速度按照S 型曲線的軌跡變化。

4.2 圖像雕刻算法

文字、位圖的雕刻是建立在圖像二值化的基礎(chǔ)上完成的，雕刻算法簡單易懂。首先，通過二值化后的像素值(0，1)實現(xiàn)對激光部件的開關(guān)控制；其次，算法處理后圖像數(shù)據(jù)記錄順序為掃描行內(nèi)從左到右，掃描行間從下到上，進而確定了x 軸、y 軸電機的運行方向；最終，實現(xiàn)文字和位圖的雕刻。

灰度圖的雕刻與文字、位圖的雕刻相似，但雕刻效果卻有著非常大的差異，此算法靈活方便，可根據(jù)用戶需求提高雕刻效果?；叶然蟮膱D片采用8 位像素點形成具有256 階的灰度圖(常用)，此類灰度圖灰度值在(0～255)變化，并以其為控制變量形成雕刻深淺的約束，可實現(xiàn)層次分明的雕刻效果。若需要層次更加豐富的灰度圖像，只需通過增加灰度圖像素點的位數(shù)來實現(xiàn)灰度階數(shù)的增加，進而達到更高的雕刻效果?；叶入A數(shù)與像素點位數(shù)關(guān)系如式(3)所示，其中，L為灰度圖階數(shù)，n為像素點位數(shù)。

本算法中每個像素的灰度值與激光功率值呈線性關(guān)系。綜合考慮雕刻速度與雕刻效果，選為8位像素點，則雕刻時激光功率的控制函數(shù)為：

式中：Z[·]為灰度圖的數(shù)據(jù)地址所對應(yīng)的灰度值；99 為像素起始位地址；n為有效像素點總個數(shù)；x為當前像素個數(shù)；P0為默認激光強度。

5 系統(tǒng)測試

5.1 系統(tǒng)實物圖

本文所研究的激光雕刻機系統(tǒng)實物如圖5 所示，工作流程為：PC 機完成文字和圖像信息提取及指令發(fā)送，激光雕刻機控制器接收PC 機的數(shù)據(jù)，進行雕刻路徑及速度規(guī)劃，控制位置電機運動及激光部件實現(xiàn)激光雕刻的功能。

5.2 激光雕刻效果

根據(jù)給定文字及圖片信息，激光雕刻機雕刻效果如圖6、圖7 所示。

圖5 整體實物圖

圖6 文字雕刻效果圖

圖7 灰度圖雕刻效果圖

6 結(jié)論

從硬件電路設(shè)計、雕刻算法等方面，介紹了激光雕刻機控制系統(tǒng)的實現(xiàn)過程，并通過系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，驗證了激光雕刻機的文字、圖片雕刻功能，達到了預期的效果。測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有雕刻清晰、效果逼真、速度快等優(yōu)點。