基于STM32單片機的便攜式激光雕刻機研究

羅偉樹　譚偉付　趙芳菲　黃文東　過欣嵐

摘 要：我國的雕刻技術是從手工雕刻到大型機器雕刻，本研究是機器控制微型雕刻機，使用STM32單片機作為雕刻機的控制處理器，將激光雕刻技術、編程控制技術以及運動控制算法等技術融合在一起，而便攜式則是采用無邊框設計，單臂外伸，雙腳加寬，雙軌數軸，橫軸皮帶閉環傳導設計，構成一個基于STM32單片機的便攜式激光雕刻機。

關鍵詞：STM32單片機;激光雕刻;便攜式;編程導入

中圖分類號：TN249 文獻標識碼：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的手工工藝技術，這門技術歷史悠久。雕刻常帶給人以藝術美，歷史上更是出現了各種雕塑工藝。然而，隨著時代的發展，傳統的手工雕刻再難以滿足人們生產生活的需要，這時激光雕刻便應運而生。

1 整機系統設計方案

1.1 雕刻機的控制結構選擇

作為主要的控制處理器，STM32單片機將激光雕刻技術、嵌入式控制開發技術和運動控制算法等技術融合在一起，通過代碼進行操作和實際構圖，實現對圖形的設計和編譯。

該設計主要由上位機和下位機構成，再由各種小部件共同結合的小型設計，最后經過加工組合形成一個完整的控制結構。在結構的選擇處理上，各個環節都是經過精心設計選擇的，通過每個環節的相互聯動實現結合[1]。

1.2 控制系統整體設計

在控制系統中，主要包含了這些設計：在整體機體的控制結構上，選擇了主從式控制機器的結構;在控制系統的硬件設計中，采用硬件電路原理圖和電路板的設計和制作;在控制系統的軟件設計中，選擇電源電路控制、插補計算、運動控制、各驅動模塊控制、G代碼的解析和預處理、激光控制以及雕刻控制等技術。

不同的物件都有著不同的設計，需要激光雕刻機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，讓激光雕刻機能更好地控制系統，每個設計都能使激光雕刻機在實踐中得到更好的運用，通過分工等各個環節的相互結合、相互協作，實現高效作業，這就是激光雕刻機整體控制系統設計的宗旨。

1.3 機械結構設計

1.3.1 傳動結構

在機械結構的設計中，主要結構是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，這樣的設計具有更好的操作空間和更好的運動空間，X—Y軸型的設計也能更方便攜帶且在狹小的空間里作業，Y軸的設計也是在不同的物體上都可以作業，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，雕刻機的使用強度更大，結構更輕，使用壽命也更長[2]。

1.3.2 外形框架

在機器的外形框架上，主要用于支撐機器的整體結構的重要組成，滿足了機器對于精度和強度的需求。使用的材料結構必須是能承受機械的金屬材料，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

雕刻機按照相應的設計結構、執行結構、激光頭、框架組裝配置等設計完成，經過X—Y軸的設計進行組裝，在整體的結構上有著更加輕盈的體現，在視覺方面也有著更加立體的體現感，更能展示激光雕刻機的主題，更能凸顯出雕刻機的整體風格和雕刻機的整體設計理念，主要的整體結構如圖3所示。

2 整機系統硬件電路設計

2.1 硬件電路總體結構設計

在激光雕刻機的硬件控制系統的結構設計上，主要組成包含了：電源輸出模塊、上位機和下位機通信模塊、控制器模塊、兩個步進電機驅動模塊、激光控制模塊、輔助系統、散熱風扇系統[3]。

在各模塊電路設計時，為保證硬件系統的標準化和模塊化，參考相關符合控制器參數的典型電路。因硬件結構和軟件結構是相互配合工作，部分功能將在軟件中設計，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會占用較大內存和CPU時間會注意權衡。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計。

2.2 控制芯片選擇

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

第一，I/O引腳，開發板引出的PA與PB部分引腳，足夠開發使用。

第二，JTAG，開發板JTAG口可直接進行數據傳輸和仿真調試。

第三，USB轉串口接口，本開發板使用CH340芯片將USB轉為串口，計算機可直接通過該接口用USB進行串口數據傳輸，不需要串口工具。

第四，顯示器接口，開發板中設計有顯示器接口，可直接將顯示器對應引腳接入使用。

2.3 系統電源電路設計

在機器的用電模塊里，主要包含單片機開發板、步進電機、電機驅動模塊、激光頭、激光驅動電路及其他輔助設備。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，開關電源的總輸出為220 VAC—12 VD。

因單片機和激光驅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，從而達到降壓穩壓的功效。在步進電機里，驅動電路中用到的電壓電流相對較大，為了更好地調節電路的電壓，也為了達到設計效率，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，符合系統需求。

整體電路設計好后，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。隨即通過調節模塊上的可調節電阻改變輸出電壓的大小，輸出最高12 V，滿足多款電機。

2.4 電機及驅動系統設計

2.4.1 步進電機的選擇

根據系統的性能要求，選擇更適用于機器的步進電機，需要把步距角的高精度的優點和轉矩大小考慮到位，最后選用42BYGH34的混合式步進電機，該電機將永磁式和反應式的優點融合一體。

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

第一，當極對數與轉子齒數相等，則根據條件的需要，兩者可以在很大的范圍內變化。

第二，繞組電感隨轉子位置變化較小，更容易實現機器的最佳運行控制。

第三，軸向充磁磁路，使用高磁能積的新型永磁材料，有利于電機性能的提高。

第四，轉子磁鋼提供勵磁。

第五，在運行區域沒有易于看見的振蕩。

2.4.2 電機驅動模塊

選用電機為兩相四線步進電機，額定電壓為12 V，常用芯片為A4988的兩相四線步進電機驅動，也采用了A4988的電機驅動模塊。A4988步進電機是一個完整的微電機驅動器與內置轉換器，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電機。

對于自動電流衰減模式的檢測或選擇，過熱關閉電路、欠壓鎖定、交叉電流和接地短路、加載短路的保護。通過調節電位器，可以使輸出的電流達到最大，使得步進率更高。引腳定義如下：VMOT作為機器的電機供電接口，1A、1B、2A、2B作為機器電機的控制四線接口，VDD是機器的驅動模塊的供電口。根據各引腳定義，驅動模塊的應用電路。

2.5 激光及驅動系統設計

通過設計二極管限制電流的措施串聯限流電阻、使用AMC7135，由四個大功率晶體管和四個續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通和關斷并且是輪流交替導通和截止的，允許電流反向，則在工作中電樞電流始終是連續的，設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，控制機器的功率，另一個控制機器的通斷，當在電樞同側的兩個晶體管基極加相位達到相反時的基極驅動電壓，使得機器在工作交替的開關狀態。

在相同的兩個晶體管中，控制電壓為正時，一側電壓上的基極上級截止關斷電壓，另一側電壓的基極上施加飽和的驅動電壓。上述兩側的電壓基極能夠實現負相位相反的基極驅動電壓，使其發揮開關作用，同時一側電壓一直飽和，另一側電壓處于截止。

2.6 輔助系統設計

在激光頭工作時，其會產生嚴重的發熱現象，而激光頭會自發地進行散熱處理。而遇到橋路同側短路、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，當電流傳感器檢測將會發生系統事故的電流信號時，經電流/電壓變換的電路轉變為電壓信號。對被檢測的電流，當達到或超過一定值時，則電路輸出去觸發具有保持狀態的元件或電路，使控制電路失效。最后，完成機器系統硬件電路的設計，按照電路購買、連接與制作相關硬件。

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。

編寫單片機寄存器的頭文件。

加入延時函數。

設置正轉函數、反轉函數、雕刻函數。

用定時器設置串口比特率9 600和串口初始化。

開啟總中斷和判斷是否有串口數據的傳送。

發送數據a到SBUF，將單片機的數據發送到計算機。

4 總結與展望

激光雕刻具有靈活多樣、非接觸式加工、工件變形小等特性，激光雕刻設備的硬件的要求與軟件系統的研發應用具有十分重要的意義。關于基于STM32激光雕刻機的設計和選用的設備材料，從控制處理器到激光雕刻技術、編程控制等設計和選用，部分是沒有達到目標要求的。激光雕刻機是已經實現電腦連接，編寫程序后上傳所需雕刻內容便可。材料是采用無邊框設計，單臂外伸，雙腳加寬，雙軌數軸，橫軸皮帶閉環傳導設計，便可達到便攜式激光雕刻機的效果。

參考文獻

[1] 王春凱.移動通信工程中的微波傳輸基站勘察選址技術要點分析[J].數字通信世界，2018（9）：86，113.

[2] 楊旭.鐵塔基站建設地基勘察淺析[J].中小企業管理與科技（下旬刊），2017（33）：168-170.

[3] 余友根，李葒娜，袁帥帥，基于STM32單片機的激光雕刻機研究[J].科技與創新，2020（17）：119-120.

基金項目：2019級大學生創新創業訓練計劃項目資助（202113638079）