基于STM32單片機(jī)的激光雕刻機(jī)研究

余友根，李葒娜，袁帥帥

（天津理工大學(xué)，天津300380）

激光的產(chǎn)生標(biāo)志著一個(gè)新興學(xué)科的誕生，激光有高能量密度、相干性高、單色性好、方向性很好、能通過電能轉(zhuǎn)化等特性，在工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域中的到極速發(fā)展。工作過程中激光的高能量對(duì)工件進(jìn)行照射產(chǎn)生升華效應(yīng)、汽化效應(yīng)和溶蝕效應(yīng)[1]，從而形成切縫和雕刻的效果，最后達(dá)到雕刻目標(biāo)。

1 整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 雕刻機(jī)的控制結(jié)構(gòu)選擇

激光雕刻機(jī)控制方式分為單機(jī)式、主從式控制兩種。本次設(shè)計(jì)選用主從式控制結(jié)構(gòu)，由上位機(jī)和下位機(jī)構(gòu)成。總體控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為：控制系統(tǒng)硬件模塊包括硬件電路原理圖和電路板的設(shè)計(jì)和制作，控制系統(tǒng)軟件模塊包括電源電路控制、插補(bǔ)計(jì)算、運(yùn)動(dòng)控制、各驅(qū)動(dòng)模塊控制、G代碼的解析和預(yù)處理、激光控制、雕刻控制等[2]。

1.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.3.1 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

機(jī)械結(jié)構(gòu)選擇是X-Y軸結(jié)構(gòu)。主軸作為X軸帶動(dòng)激光頭的移動(dòng)，橫軸作為Y軸作為工作臺(tái)基礎(chǔ)。傳動(dòng)可選用傳動(dòng)帶滑輪加方形鋁型材組合使用，有強(qiáng)度大、壽命長、結(jié)構(gòu)輕、不易變形等優(yōu)點(diǎn)。

X軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

1.3.2 外形框架

雕刻機(jī)的外框架用于支撐整個(gè)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，既要滿足精度又要滿足強(qiáng)度。使用金屬材料結(jié)構(gòu)重，因此框架選擇亞克力材料，結(jié)構(gòu)十分輕巧，強(qiáng)度大。

1.3.3 整體搭建

雕刻機(jī)按照機(jī)械結(jié)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、激光頭、框架裝配設(shè)計(jì)完成，整體效果如圖3所示。

圖3雕刻機(jī)整體效果圖

2 整機(jī)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)激光雕刻機(jī)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖，主要由以下幾個(gè)部分組成：電源輸出模塊、上位機(jī)和下位機(jī)通信模塊、控制器模塊、兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、激光控制模塊、輔助系統(tǒng)、散熱風(fēng)扇系統(tǒng)。

2.2 控制芯片選擇

結(jié)合雕刻機(jī)設(shè)計(jì)要求和處理速度要求，采用STM32系列單片機(jī)。開發(fā)板配置很多模塊接口，直接使用即可，開發(fā)板直接可用，例如I/O引腳，開發(fā)板引出的PA與PB部分引腳，足夠開發(fā)使用。

2.3 系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)

激光雕刻機(jī)用電模塊包括單片機(jī)開發(fā)板、步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、激光頭、激光驅(qū)動(dòng)電路及其他輔助設(shè)備。采用220VAC-12VD開關(guān)電源作為總電源輸出。

步進(jìn)電機(jī)所在驅(qū)動(dòng)電路所需電壓電流較大，因此設(shè)計(jì)應(yīng)電壓可以調(diào)節(jié)。為了設(shè)計(jì)效率，選用模塊解決問題。以LM2596S為核心的芯片BUCK電路，輸出電壓為1.25～35 V，滿足要求。

2.4 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.4.1 步進(jìn)電機(jī)的選擇

需要根據(jù)系統(tǒng)的性能要求選擇合適的步進(jìn)電機(jī)，考慮步距角應(yīng)具有高精度的優(yōu)點(diǎn)以及轉(zhuǎn)矩的大小，最后選用型號(hào)為42BYGH34的混合式步進(jìn)電機(jī)。

2.4.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

設(shè)計(jì)選用電機(jī)為兩相四線步進(jìn)電機(jī)，額定電壓為12 V，因此常用兩相四線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片A4988，使用基于A4988的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

引腳定義如：VMOT為電機(jī)供電接口，1A、1B、2A、2B為電機(jī)控制四線接口，VDD為驅(qū)動(dòng)模塊供電口。根據(jù)各引腳定義，驅(qū)動(dòng)模塊的應(yīng)用電路如圖4所示。

圖4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

2.5 激光及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過設(shè)計(jì)二極管限流措施串聯(lián)限流電阻、使用AMC7135，如圖5所示，設(shè)計(jì)一個(gè)恒流電路模塊，滿足激光頭的正常運(yùn)行。兩個(gè)8050三極管具有開關(guān)作用，一個(gè)與PWM輸出控制信號(hào)連接控制激光頭的功率，另一個(gè)控制激光頭的通斷。

圖5激光頭電源電路

2.6 輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

激光頭工作中激光頭會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的發(fā)熱現(xiàn)象，需進(jìn)行散熱處理。最后，整機(jī)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)完成，按照設(shè)計(jì)電路購買、連接、制作相關(guān)硬件即可。

3 總結(jié)與展望

本次基于STM32激光雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)滿足設(shè)備便攜式、節(jié)能、提高工作效率等設(shè)計(jì)的目標(biāo)要求。由于受到設(shè)計(jì)時(shí)間和筆者專業(yè)水平的局限，雕刻機(jī)還有很多擴(kuò)展的各種功能未能實(shí)現(xiàn)，例如增加手機(jī)軟件作為上位機(jī)，如此設(shè)計(jì)能使雕刻機(jī)達(dá)到便攜的目的。