激光雕刻繪制電路板一體機的設計

郎朝先 許璇 徐建 韋晟

摘 要：本研究基于G代碼的激光雕刻設計繪制電路板一體機的系統。對激光雕刻繪制電路板一體機電路設計、驅動模塊、控制原理等進行詳細的說明，經實踐可知此方案繪制精度高、運行速度快、經濟效益明顯等特點。減少實驗室制作小型PCB板制作的麻煩，還可以使用激光打印出想要的圖案，二者結合既可以增強其功能又可以節約硬件成本。

關鍵詞：激光；PCB繪制；Arduino；G代碼

中圖分類號：TN4 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）04-0047-02

Abstract：This paper is based on G code laser engraving and drawing circuit board system. After a series of elaborated experiments of examining its circuit design，drive module and making a detailed description of the control principle，the authors come to the conclusion. This scheme is high precision，fast in running and yields good economic returns which can reduce the hassle of making small PCB panels in the lab，and is helpful to use lasers to print the desired patterns thus saving the hardware costs.

Keywords：lasers；PCB drawing；Arduino；G code

0 引 言

通常情況下，研究人員在實驗室自制PCB電路板普遍采用兩種方法——熱轉印和濕轉印。這兩種方法的制作過程都比較繁瑣，需要的時間很長，而且有時會導致轉印不明顯，還需用記號筆來補充。所以研制一臺可以低成本PCB電路的儀器，直接可以繪制出電路圖，這樣可以省掉很多步驟，方便制作電路板。因為激光雕刻機和繪制電路板機的機械結構相近，故可以將激光雕刻和繪制電路板融為一體。

1 系統設計原理

1.1 系統總體設計

本智能PCB電路板繪制及激光雕刻機控制系統采用上下位機結構，控制系統的上位機和下位機，通過數據線實現數據通信與協同工作。上位機軟件自動解析由Altium Designer等軟件生成的PCB電路圖信息和圖片信息，雕刻時將數據下載到下位機。同時該軟件還具有顯示PCB電路板雕刻效果、雕刻路徑、線路圖和當前雕刻坐標等功能，用戶可以通過上位機程序實時觀察當前雕刻狀態，從而提高作品的精確性。下位機選用Arduino單片為主控芯片，通過數據線獲取上位機傳送的信息并優化路徑，再控制X、Y、Z三軸協調工作，實現雕刻機的精確工作目的。然后步進電機驅動模塊和數控雕刻智能PCB電路板雕刻機硬件執行模塊。步進電機驅動模塊由3個步進電機及其驅動模塊構成，步進電機使用12V直流電源驅動，分別控制X軸、Y軸水平坐標和Z軸上下移動實現印制電路板繪制和激光雕刻功能。進行激光雕刻控制前，需要對激光雕刻圖像進行細化處理[1]，激光的功率則是通過Arduino單片產生不同頻率的PWM（脈沖寬度調制）控制大小，從而雕刻不同質地的物品。系統總體設計圖，如圖1所示。

1.2 Arduino單片機

主控部分以Atmel公司的Arduino UNO為核心，其具有簡潔的開發語言和豐富的IO接口種類，一直深受廣大用戶喜歡。Arduino UNO是基于ATmega328的微控制器，擁有14個數字輸入/輸出引腳，其中有6個具有PWM輸出功能，1個16MHz協振器，一個USB串口用于與上位機通信。在本設計中所用到的串口和PWM輸出引腳也可以滿足上述需求。在此方案中單片機的2號和6號引腳控制X軸步進電機，3號和5號引腳控制控制Y軸步進電機，9號和10號引腳控制Z軸步進電機，激光則用11號引腳控制。

1.3 步進電機驅動

步進電機驅動采用A4988驅動器，其主要由Arduino UNO產生不同占空比的PWM恒流控制微步距驅動二相步進電機。該驅動器工作電壓可達35V，驅動電流達1A，一個A4988驅動器可以控制一臺步進電機，這款驅動板的細分為八細分，也就是將步進電機的每一步細分為八小步，電機旋轉一周需要1600步才能完成，所以可以更加精確地打印出所需的電路圖及激光刻圖。在此方案中采用三個驅動分別控制X、Y、Z三個步進電機運動，可精確實現三個維度自由活動。步進電機驅動原理圖，如圖2所示。

2 激光功率控制

激光加工是利用激光束聚焦形成的高功率密度光斑，將材料快速加熱至汽化狀態，從而獲得所需要的圖案和切縫的加工方法[2]。激光功率控制則是試用L298N作為驅動，其驅動功率最大可達25W，本設計使用的激光頭為0.5W，可以充分滿足印制需求，也可方便以后更換功率大的激光頭。激光功率控制原理則是通過上位機對圖像進行提取生成G代碼并發送到下位機，下位機則根據G代碼信息產生相應的PWM脈沖控制激光的功率，在物件上雕刻出明暗不一的圖案。

3 G代碼

G代碼是數控程序中的指令，是NC加工中的重要文件，具有廣泛的通用性，可以高自動化對零件進行加工。數控機床系統以此為依據來控制機床的各項運動，進而完成對零件的加工，并對模具、葉片等復雜曲面加工。此方案由上位機運行的軟件對圖案進行提取并自動生成相應的G代碼。下位機則通過串口讀取G代碼的信息從而控制X、Y、Z軸步進電機或激光進行繪圖或雕刻。將通過灰度轉換得到的激光雕刻灰度圖像數據翻譯成雕刻運動指令代碼序列，對步進電機的運動與激光電源電壓值進行控制[3]。下位機控制圖，如圖3所示。

4 結 論

本設計以Arduino UNO為主控制器，通過RS232于上位機進行數據通信，上位機對電路圖及圖片進行G代碼處理，提取線路和圖案坐標路徑等信息，并將這些信息發送到下位機。下位機通過解析這些信息后控制電機或激光精確的打印出圖案。此方案電路結構簡單、成本較低、性能穩定，市場前景廣闊。

參考文獻：

[1] 程康娜，孫耀寧，朱子劍.基于數字圖像處理對NbC/Ni3Si基復合涂層的定量分析 [J].特種鑄造及有色合金，2015，35（7）：746-749.

[2] 陳綺麗，黃詩君，張宏超.激光技術在材料加工中的應用現狀與展望 [J].機床與液壓，2006（8）：221-223+178.

[3] 鐘英，郭鋒，張紅彬.DVD激光頭的補償控制電路的仿真和分析 [J].電子設計工程，2015，23（4）：68-70.

作者簡介：郎朝先（1993.07-），男，漢族，貴州興義人，本科，湖北民族學院信息工程學院創新中心學生。研究方向：通信工程、智能控制、物聯網；通信作者：徐建（1981-），男，副教授。研究方向：嵌入式技術與智能控制研究。