基于STM32单片机的便携式激光雕刻机研究

罗伟树　谭伟付　赵芳菲　黄文东　过欣岚

摘 要：我国的雕刻技术是从手工雕刻到大型机器雕刻，本研究是机器控制微型雕刻机，使用STM32单片机作为雕刻机的控制处理器，将激光雕刻技术、编程控制技术以及运动控制算法等技术融合在一起，而便携式则是采用无边框设计，单臂外伸，双脚加宽，双轨数轴，横轴皮带闭环传导设计，构成一个基于STM32单片机的便携式激光雕刻机。

关键词：STM32单片机;激光雕刻;便携式;编程导入

中图分类号：TN249 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2022）03--03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.03.040

雕刻一直以來是一门特别传统的手工工艺技术，这门技术历史悠久。雕刻常带给人以艺术美，历史上更是出现了各种雕塑工艺。然而，随着时代的发展，传统的手工雕刻再难以满足人们生产生活的需要，这时激光雕刻便应运而生。

1 整机系统设计方案

1.1 雕刻机的控制结构选择

作为主要的控制处理器，STM32单片机将激光雕刻技术、嵌入式控制开发技术和运动控制算法等技术融合在一起，通过代码进行操作和实际构图，实现对图形的设计和编译。

该设计主要由上位机和下位机构成，再由各种小部件共同结合的小型设计，最后经过加工组合形成一个完整的控制结构。在结构的选择处理上，各个环节都是经过精心设计选择的，通过每个环节的相互联动实现结合[1]。

1.2 控制系统整体设计

在控制系统中，主要包含了这些设计：在整体机体的控制结构上，选择了主从式控制机器的结构;在控制系统的硬件设计中，采用硬件电路原理图和电路板的设计和制作;在控制系统的软件设计中，选择电源电路控制、插补计算、运动控制、各驱动模块控制、G代码的解析和预处理、激光控制以及雕刻控制等技术。

不同的物件都有着不同的设计，需要激光雕刻机有着很好的操作要求，通过代码及其各种运动控制操作组合，让激光雕刻机能更好地控制系统，每个设计都能使激光雕刻机在实践中得到更好的运用，通过分工等各个环节的相互结合、相互协作，实现高效作业，这就是激光雕刻机整体控制系统设计的宗旨。

1.3 机械结构设计

1.3.1 传动结构

在机械结构的设计中，主要结构是X—Y轴，X轴作为主轴，作用是带动激光头的移动，而Y轴是工作台的基础，这样的设计具有更好的操作空间和更好的运动空间，X—Y轴型的设计也能更方便携带且在狭小的空间里作业，Y轴的设计也是在不同的物体上都可以作业，更利于解决不同物体的制作上的各种难题。使用带滑轮的传动带实现传动，并且在传动带的滑轮上附上方形的新型合成钢材料，这样一来，雕刻机的使用强度更大，结构更轻，使用寿命也更长[2]。

1.3.2 外形框架

在机器的外形框架上，主要用于支撑机器的整体结构的重要组成，满足了机器对于精度和强度的需求。使用的材料结构必须是能承受机械的金属材料，所以，框架则选择了轻巧且强度较大的亚克力材料，在材料选择上主要以铝合金等较为常见且性能良好的金属材料，具有更加好的防氧化性能，让器械保持更好的持久性。

1.3.3 整体搭建

雕刻机按照相应的设计结构、执行结构、激光头、框架组装配置等设计完成，经过X—Y轴的设计进行组装，在整体的结构上有着更加轻盈的体现，在视觉方面也有着更加立体的体现感，更能展示激光雕刻机的主题，更能凸显出雕刻机的整体风格和雕刻机的整体设计理念，主要的整体结构如图3所示。

2 整机系统硬件电路设计

2.1 硬件电路总体结构设计

在激光雕刻机的硬件控制系统的结构设计上，主要组成包含了：电源输出模块、上位机和下位机通信模块、控制器模块、两个步进电机驱动模块、激光控制模块、辅助系统、散热风扇系统[3]。

在各模块电路设计时，为保证硬件系统的标准化和模块化，参考相关符合控制器参数的典型电路。因硬件结构和软件结构是相互配合工作，部分功能将在软件中设计，这样对于硬件电路会相对简单。同时，为避免这些功能在软件中实现会占用较大内存和CPU时间会注意权衡。而为了提高电路的可靠性，还会在硬件电路中增加抗干扰设计。

2.2 控制芯片选择

在本设计中，STM32单片机作为控制处理器，结合产品的高性能，低耗能，实时性强，低电压等特点，同时也具备了处理性强、集中度高等优点。开发板配置的许多模块接口都可以直接使用，开发板直接可用，开发板资源中可用到的有：

第一，I/O引脚，开发板引出的PA与PB部分引脚，足够开发使用。

第二，JTAG，开发板JTAG口可直接进行数据传输和仿真调试。

第三，USB转串口接口，本开发板使用CH340芯片将USB转为串口，计算机可直接通过该接口用USB进行串口数据传输，不需要串口工具。

第四，显示器接口，开发板中设计有显示器接口，可直接将显示器对应引脚接入使用。

2.3 系统电源电路设计

在机器的用电模块里，主要包含单片机开发板、步进电机、电机驱动模块、激光头、激光驱动电路及其他辅助设备。因这些模块和电路所需的电压等级不同，并且由于所需最大电压为12 V，所以，开关电源的总输出为220 VAC—12 VD。

因单片机和激光驱动电路用到的电压为5 V，此处将采用小型降压电路中常使用到的LM7805芯片将12 V电压降至5 V，从而达到降压稳压的功效。在步进电机里，驱动电路中用到的电压电流相对较大，为了更好地调节电路的电压，也为了达到设计效率，选用了模块解决问题。用LM2596S为核心的芯片BUCK电路，电路输出电压范围为3.2 V～46 V，输出电压为1.25 V～35 V，符合系统需求。

整体电路设计好后，输入12 V电源，LM7805芯片两端接入滤波电容，输出即为5 V电压。而LM2696S模块只需将电源接到输入口。随即通过调节模块上的可调节电阻改变输出电压的大小，输出最高12 V，满足多款电机。

2.4 电机及驱动系统设计

2.4.1 步进电机的选择

根据系统的性能要求，选择更适用于机器的步进电机，需要把步距角的高精度的优点和转矩大小考虑到位，最后选用42BYGH34的混合式步进电机，该电机将永磁式和反应式的优点融合一体。

在驱动方面，除了电机的设计尽量减少绕组电感量之外，还要对驱动电源采取措施，提高导通相电流前后沿的速度，以提高电机运行的性能。与此同时，还具备了以下优点：

第一，当极对数与转子齿数相等，则根据条件的需要，两者可以在很大的范围内变化。

第二，绕组电感随转子位置变化较小，更容易实现机器的最佳运行控制。

第三，轴向充磁磁路，使用高磁能积的新型永磁材料，有利于电机性能的提高。

第四，转子磁钢提供励磁。

第五，在运行区域没有易于看见的振荡。

2.4.2 电机驱动模块

选用电机为两相四线步进电机，额定电压为12 V，常用芯片为A4988的两相四线步进电机驱动，也采用了A4988的電机驱动模块。A4988步进电机是一个完整的微电机驱动器与内置转换器，易于操作，它可在全步、半步、四分之一、八步和十六步模式下运行双极步进电机。

对于自动电流衰减模式的检测或选择，过热关闭电路、欠压锁定、交叉电流和接地短路、加载短路的保护。通过调节电位器，可以使输出的电流达到最大，使得步进率更高。引脚定义如下：VMOT作为机器的电机供电接口，1A、1B、2A、2B作为机器电机的控制四线接口，VDD是机器的驱动模块的供电口。根据各引脚定义，驱动模块的应用电路。

2.5 激光及驱动系统设计

通过设计二极管限制电流的措施串联限流电阻、使用AMC7135，由四个大功率晶体管和四个续流二极管组成四个大功率并分为两组，同组中的两个晶体管同时导通和关断并且是轮流交替导通和截止的，允许电流反向，则在工作中电枢电流始终是连续的，设计一个恒流的电路模块，可以使激光头正常运行。而两个具有开关作用的8050三极管，一个与PWM输出的控制信号可以与控制激光头连接，控制机器的功率，另一个控制机器的通断，当在电枢同侧的两个晶体管基极加相位达到相反时的基极驱动电压，使得机器在工作交替的开关状态。

在相同的两个晶体管中，控制电压为正时，一侧电压上的基极上级截止关断电压，另一侧电压的基极上施加饱和的驱动电压。上述两侧的电压基极能够实现负相位相反的基极驱动电压，使其发挥开关作用，同时一侧电压一直饱和，另一侧电压处于截止。

2.6 辅助系统设计

在激光头工作时，其会产生严重的发热现象，而激光头会自发地进行散热处理。而遇到桥路同侧短路、欠电压/过电压、过热、瞬间停电等问题时，电流就会中断或限流，当电流传感器检测将会发生系统事故的电流信号时，经电流/电压变换的电路转变为电压信号。对被检测的电流，当达到或超过一定值时，则电路输出去触发具有保持状态的元件或电路，使控制电路失效。最后，完成机器系统硬件电路的设计，按照电路购买、连接与制作相关硬件。

3 程序

程序图如图5所示，操作图如图6所示。

通过串口上位机控制X轴、Y轴、激光头的动作完成雕刻，比特率9 600。

编写单片机寄存器的头文件。

加入延时函数。

设置正转函数、反转函数、雕刻函数。

用定时器设置串口比特率9 600和串口初始化。

开启总中断和判断是否有串口数据的传送。

发送数据a到SBUF，将单片机的数据发送到计算机。

4 总结与展望

激光雕刻具有灵活多样、非接触式加工、工件变形小等特性，激光雕刻设备的硬件的要求与软件系统的研发应用具有十分重要的意义。关于基于STM32激光雕刻机的设计和选用的设备材料，从控制处理器到激光雕刻技术、编程控制等设计和选用，部分是没有达到目标要求的。激光雕刻机是已经实现电脑连接，编写程序后上传所需雕刻内容便可。材料是采用无边框设计，单臂外伸，双脚加宽，双轨数轴，横轴皮带闭环传导设计，便可达到便携式激光雕刻机的效果。

参考文献

[1] 王春凯.移动通信工程中的微波传输基站勘察选址技术要点分析[J].数字通信世界，2018（9）：86，113.

[2] 杨旭.铁塔基站建设地基勘察浅析[J].中小企业管理与科技（下旬刊），2017（33）：168-170.

[3] 余友根，李荭娜，袁帅帅，基于STM32单片机的激光雕刻机研究[J].科技与创新，2020（17）：119-120.

基金项目：2019级大学生创新创业训练计划项目资助（202113638079）