基于STM32單片機(jī)的便攜式激光雕刻機(jī)研究

羅偉樹　譚偉付　趙芳菲　黃文東　過欣嵐

摘 要：我國的雕刻技術(shù)是從手工雕刻到大型機(jī)器雕刻，本研究是機(jī)器控制微型雕刻機(jī)，使用STM32單片機(jī)作為雕刻機(jī)的控制處理器，將激光雕刻技術(shù)、編程控制技術(shù)以及運動控制算法等技術(shù)融合在一起，而便攜式則是采用無邊框設(shè)計，單臂外伸，雙腳加寬，雙軌數(shù)軸，橫軸皮帶閉環(huán)傳導(dǎo)設(shè)計，構(gòu)成一個基于STM32單片機(jī)的便攜式激光雕刻機(jī)。

關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī);激光雕刻;便攜式;編程導(dǎo)入

中圖分類號：TN249 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1064（2022）03--03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.03.040

雕刻一直以來是一門特別傳統(tǒng)的手工工藝技術(shù)，這門技術(shù)歷史悠久。雕刻常帶給人以藝術(shù)美，歷史上更是出現(xiàn)了各種雕塑工藝。然而，隨著時代的發(fā)展，傳統(tǒng)的手工雕刻再難以滿足人們生產(chǎn)生活的需要，這時激光雕刻便應(yīng)運而生。

1 整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 雕刻機(jī)的控制結(jié)構(gòu)選擇

作為主要的控制處理器，STM32單片機(jī)將激光雕刻技術(shù)、嵌入式控制開發(fā)技術(shù)和運動控制算法等技術(shù)融合在一起，通過代碼進(jìn)行操作和實際構(gòu)圖，實現(xiàn)對圖形的設(shè)計和編譯。

該設(shè)計主要由上位機(jī)和下位機(jī)構(gòu)成，再由各種小部件共同結(jié)合的小型設(shè)計，最后經(jīng)過加工組合形成一個完整的控制結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)的選擇處理上，各個環(huán)節(jié)都是經(jīng)過精心設(shè)計選擇的，通過每個環(huán)節(jié)的相互聯(lián)動實現(xiàn)結(jié)合[1]。

1.2 控制系統(tǒng)整體設(shè)計

在控制系統(tǒng)中，主要包含了這些設(shè)計：在整體機(jī)體的控制結(jié)構(gòu)上，選擇了主從式控制機(jī)器的結(jié)構(gòu);在控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計中，采用硬件電路原理圖和電路板的設(shè)計和制作;在控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，選擇電源電路控制、插補計算、運動控制、各驅(qū)動模塊控制、G代碼的解析和預(yù)處理、激光控制以及雕刻控制等技術(shù)。

不同的物件都有著不同的設(shè)計，需要激光雕刻機(jī)有著很好的操作要求，通過代碼及其各種運動控制操作組合，讓激光雕刻機(jī)能更好地控制系統(tǒng)，每個設(shè)計都能使激光雕刻機(jī)在實踐中得到更好的運用，通過分工等各個環(huán)節(jié)的相互結(jié)合、相互協(xié)作，實現(xiàn)高效作業(yè)，這就是激光雕刻機(jī)整體控制系統(tǒng)設(shè)計的宗旨。

1.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.3.1 傳動結(jié)構(gòu)

在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，主要結(jié)構(gòu)是X—Y軸，X軸作為主軸，作用是帶動激光頭的移動，而Y軸是工作臺的基礎(chǔ)，這樣的設(shè)計具有更好的操作空間和更好的運動空間，X—Y軸型的設(shè)計也能更方便攜帶且在狹小的空間里作業(yè)，Y軸的設(shè)計也是在不同的物體上都可以作業(yè)，更利于解決不同物體的制作上的各種難題。使用帶滑輪的傳動帶實現(xiàn)傳動，并且在傳動帶的滑輪上附上方形的新型合成鋼材料，這樣一來，雕刻機(jī)的使用強度更大，結(jié)構(gòu)更輕，使用壽命也更長[2]。

1.3.2 外形框架

在機(jī)器的外形框架上，主要用于支撐機(jī)器的整體結(jié)構(gòu)的重要組成，滿足了機(jī)器對于精度和強度的需求。使用的材料結(jié)構(gòu)必須是能承受機(jī)械的金屬材料，所以，框架則選擇了輕巧且強度較大的亞克力材料，在材料選擇上主要以鋁合金等較為常見且性能良好的金屬材料，具有更加好的防氧化性能，讓器械保持更好的持久性。

1.3.3 整體搭建

雕刻機(jī)按照相應(yīng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)、執(zhí)行結(jié)構(gòu)、激光頭、框架組裝配置等設(shè)計完成，經(jīng)過X—Y軸的設(shè)計進(jìn)行組裝，在整體的結(jié)構(gòu)上有著更加輕盈的體現(xiàn)，在視覺方面也有著更加立體的體現(xiàn)感，更能展示激光雕刻機(jī)的主題，更能凸顯出雕刻機(jī)的整體風(fēng)格和雕刻機(jī)的整體設(shè)計理念，主要的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2 整機(jī)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 硬件電路總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

在激光雕刻機(jī)的硬件控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計上，主要組成包含了：電源輸出模塊、上位機(jī)和下位機(jī)通信模塊、控制器模塊、兩個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊、激光控制模塊、輔助系統(tǒng)、散熱風(fēng)扇系統(tǒng)[3]。

在各模塊電路設(shè)計時，為保證硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，參考相關(guān)符合控制器參數(shù)的典型電路。因硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)是相互配合工作，部分功能將在軟件中設(shè)計，這樣對于硬件電路會相對簡單。同時，為避免這些功能在軟件中實現(xiàn)會占用較大內(nèi)存和CPU時間會注意權(quán)衡。而為了提高電路的可靠性，還會在硬件電路中增加抗干擾設(shè)計。

2.2 控制芯片選擇

在本設(shè)計中，STM32單片機(jī)作為控制處理器，結(jié)合產(chǎn)品的高性能，低耗能，實時性強，低電壓等特點，同時也具備了處理性強、集中度高等優(yōu)點。開發(fā)板配置的許多模塊接口都可以直接使用，開發(fā)板直接可用，開發(fā)板資源中可用到的有：

第一，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。

第二，JTAG，開發(fā)板JTAG口可直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和仿真調(diào)試。

第三，USB轉(zhuǎn)串口接口，本開發(fā)板使用CH340芯片將USB轉(zhuǎn)為串口，計算機(jī)可直接通過該接口用USB進(jìn)行串口數(shù)據(jù)傳輸，不需要串口工具。

第四，顯示器接口，開發(fā)板中設(shè)計有顯示器接口，可直接將顯示器對應(yīng)引腳接入使用。

2.3 系統(tǒng)電源電路設(shè)計

在機(jī)器的用電模塊里，主要包含單片機(jī)開發(fā)板、步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動模塊、激光頭、激光驅(qū)動電路及其他輔助設(shè)備。因這些模塊和電路所需的電壓等級不同，并且由于所需最大電壓為12 V，所以，開關(guān)電源的總輸出為220 VAC—12 VD。

因單片機(jī)和激光驅(qū)動電路用到的電壓為5 V，此處將采用小型降壓電路中常使用到的LM7805芯片將12 V電壓降至5 V，從而達(dá)到降壓穩(wěn)壓的功效。在步進(jìn)電機(jī)里，驅(qū)動電路中用到的電壓電流相對較大，為了更好地調(diào)節(jié)電路的電壓，也為了達(dá)到設(shè)計效率，選用了模塊解決問題。用LM2596S為核心的芯片BUCK電路，電路輸出電壓范圍為3.2 V～46 V，輸出電壓為1.25 V～35 V，符合系統(tǒng)需求。

整體電路設(shè)計好后，輸入12 V電源，LM7805芯片兩端接入濾波電容，輸出即為5 V電壓。而LM2696S模塊只需將電源接到輸入口。隨即通過調(diào)節(jié)模塊上的可調(diào)節(jié)電阻改變輸出電壓的大小，輸出最高12 V，滿足多款電機(jī)。

2.4 電機(jī)及驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

2.4.1 步進(jìn)電機(jī)的選擇

根據(jù)系統(tǒng)的性能要求，選擇更適用于機(jī)器的步進(jìn)電機(jī)，需要把步距角的高精度的優(yōu)點和轉(zhuǎn)矩大小考慮到位，最后選用42BYGH34的混合式步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)將永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點融合一體。

在驅(qū)動方面，除了電機(jī)的設(shè)計盡量減少繞組電感量之外，還要對驅(qū)動電源采取措施，提高導(dǎo)通相電流前后沿的速度，以提高電機(jī)運行的性能。與此同時，還具備了以下優(yōu)點：

第一，當(dāng)極對數(shù)與轉(zhuǎn)子齒數(shù)相等，則根據(jù)條件的需要，兩者可以在很大的范圍內(nèi)變化。

第二，繞組電感隨轉(zhuǎn)子位置變化較小，更容易實現(xiàn)機(jī)器的最佳運行控制。

第三，軸向充磁磁路，使用高磁能積的新型永磁材料，有利于電機(jī)性能的提高。

第四，轉(zhuǎn)子磁鋼提供勵磁。

第五，在運行區(qū)域沒有易于看見的振蕩。

2.4.2 電機(jī)驅(qū)動模塊

選用電機(jī)為兩相四線步進(jìn)電機(jī)，額定電壓為12 V，常用芯片為A4988的兩相四線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，也采用了A4988的電機(jī)驅(qū)動模塊。A4988步進(jìn)電機(jī)是一個完整的微電機(jī)驅(qū)動器與內(nèi)置轉(zhuǎn)換器，易于操作，它可在全步、半步、四分之一、八步和十六步模式下運行雙極步進(jìn)電機(jī)。

對于自動電流衰減模式的檢測或選擇，過熱關(guān)閉電路、欠壓鎖定、交叉電流和接地短路、加載短路的保護(hù)。通過調(diào)節(jié)電位器，可以使輸出的電流達(dá)到最大，使得步進(jìn)率更高。引腳定義如下：VMOT作為機(jī)器的電機(jī)供電接口，1A、1B、2A、2B作為機(jī)器電機(jī)的控制四線接口，VDD是機(jī)器的驅(qū)動模塊的供電口。根據(jù)各引腳定義，驅(qū)動模塊的應(yīng)用電路。

2.5 激光及驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

通過設(shè)計二極管限制電流的措施串聯(lián)限流電阻、使用AMC7135，由四個大功率晶體管和四個續(xù)流二極管組成四個大功率并分為兩組，同組中的兩個晶體管同時導(dǎo)通和關(guān)斷并且是輪流交替導(dǎo)通和截止的，允許電流反向，則在工作中電樞電流始終是連續(xù)的，設(shè)計一個恒流的電路模塊，可以使激光頭正常運行。而兩個具有開關(guān)作用的8050三極管，一個與PWM輸出的控制信號可以與控制激光頭連接，控制機(jī)器的功率，另一個控制機(jī)器的通斷，當(dāng)在電樞同側(cè)的兩個晶體管基極加相位達(dá)到相反時的基極驅(qū)動電壓，使得機(jī)器在工作交替的開關(guān)狀態(tài)。

在相同的兩個晶體管中，控制電壓為正時，一側(cè)電壓上的基極上級截止關(guān)斷電壓，另一側(cè)電壓的基極上施加飽和的驅(qū)動電壓。上述兩側(cè)的電壓基極能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)相位相反的基極驅(qū)動電壓，使其發(fā)揮開關(guān)作用，同時一側(cè)電壓一直飽和，另一側(cè)電壓處于截止。

2.6 輔助系統(tǒng)設(shè)計

在激光頭工作時，其會產(chǎn)生嚴(yán)重的發(fā)熱現(xiàn)象，而激光頭會自發(fā)地進(jìn)行散熱處理。而遇到橋路同側(cè)短路、欠電壓/過電壓、過熱、瞬間停電等問題時，電流就會中斷或限流，當(dāng)電流傳感器檢測將會發(fā)生系統(tǒng)事故的電流信號時，經(jīng)電流/電壓變換的電路轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?。對被檢測的電流，當(dāng)達(dá)到或超過一定值時，則電路輸出去觸發(fā)具有保持狀態(tài)的元件或電路，使控制電路失效。最后，完成機(jī)器系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計，按照電路購買、連接與制作相關(guān)硬件。

3 程序

程序圖如圖5所示，操作圖如圖6所示。

通過串口上位機(jī)控制X軸、Y軸、激光頭的動作完成雕刻，比特率9 600。

編寫單片機(jī)寄存器的頭文件。

加入延時函數(shù)。

設(shè)置正轉(zhuǎn)函數(shù)、反轉(zhuǎn)函數(shù)、雕刻函數(shù)。

用定時器設(shè)置串口比特率9 600和串口初始化。

開啟總中斷和判斷是否有串口數(shù)據(jù)的傳送。

發(fā)送數(shù)據(jù)a到SBUF，將單片機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機(jī)。

4 總結(jié)與展望

激光雕刻具有靈活多樣、非接觸式加工、工件變形小等特性，激光雕刻設(shè)備的硬件的要求與軟件系統(tǒng)的研發(fā)應(yīng)用具有十分重要的意義。關(guān)于基于STM32激光雕刻機(jī)的設(shè)計和選用的設(shè)備材料，從控制處理器到激光雕刻技術(shù)、編程控制等設(shè)計和選用，部分是沒有達(dá)到目標(biāo)要求的。激光雕刻機(jī)是已經(jīng)實現(xiàn)電腦連接，編寫程序后上傳所需雕刻內(nèi)容便可。材料是采用無邊框設(shè)計，單臂外伸，雙腳加寬，雙軌數(shù)軸，橫軸皮帶閉環(huán)傳導(dǎo)設(shè)計，便可達(dá)到便攜式激光雕刻機(jī)的效果。

參考文獻(xiàn)

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基金項目：2019級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目資助（202113638079）