基于STM32單片機的激光雕刻機研究

余友根，李葒娜，袁帥帥

（天津理工大學，天津300380）

激光的產生標志著一個新興學科的誕生，激光有高能量密度、相干性高、單色性好、方向性很好、能通過電能轉化等特性，在工業生產和實際應用領域中的到極速發展。工作過程中激光的高能量對工件進行照射產生升華效應、汽化效應和溶蝕效應[1]，從而形成切縫和雕刻的效果，最后達到雕刻目標。

1 整機系統設計方案

1.1 雕刻機的控制結構選擇

激光雕刻機控制方式分為單機式、主從式控制兩種。本次設計選用主從式控制結構，由上位機和下位機構成?？傮w控制結構如圖1所示。

1.2 控制系統整體設計

控制系統的設計為：控制系統硬件模塊包括硬件電路原理圖和電路板的設計和制作，控制系統軟件模塊包括電源電路控制、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、雕刻控制等[2]。

1.3 機械結構設計

1.3.1 傳動結構

機械結構選擇是X-Y軸結構。主軸作為X軸帶動激光頭的移動，橫軸作為Y軸作為工作臺基礎。傳動可選用傳動帶滑輪加方形鋁型材組合使用，有強度大、壽命長、結構輕、不易變形等優點。

X軸傳動結構如圖2所示。

圖2傳動結構

1.3.2 外形框架

雕刻機的外框架用于支撐整個傳動結構，既要滿足精度又要滿足強度。使用金屬材料結構重，因此框架選擇亞克力材料，結構十分輕巧，強度大。

1.3.3 整體搭建

雕刻機按照機械結構、執行機構、激光頭、框架裝配設計完成，整體效果如圖3所示。

圖3雕刻機整體效果圖

2 整機系統硬件電路設計

2.1 硬件電路總體結構設計

設計激光雕刻機控制系統的硬件結構圖，主要由以下幾個部分組成：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。

2.2 控制芯片選擇

結合雕刻機設計要求和處理速度要求，采用STM32系列單片機。開發板配置很多模塊接口，直接使用即可，開發板直接可用，例如I/O引腳，開發板引出的PA與PB部分引腳，足夠開發使用。

2.3 系統電源電路設計

激光雕刻機用電模塊包括單片機開發板、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。采用220VAC-12VD開關電源作為總電源輸出。

步進電機所在驅動電路所需電壓電流較大，因此設計應電壓可以調節。為了設計效率，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 電機及驅動系統設計

2.4.1 步進電機的選擇

需要根據系統的性能要求選擇合適的步進電機，考慮步距角應具有高精度的優點以及轉矩的大小，最后選用型號為42BYGH34的混合式步進電機。

2.4.2 電機驅動模塊

設計選用電機為兩相四線步進電機，額定電壓為12 V，因此常用兩相四線步進電機驅動芯片A4988，使用基于A4988的電機驅動模塊。

引腳定義如：VMOT為電機供電接口，1A、1B、2A、2B為電機控制四線接口，VDD為驅動模塊供電口。根據各引腳定義，驅動模塊的應用電路如圖4所示。

圖4步進電機驅動電路圖

2.5 激光及驅動系統設計

通過設計二極管限流措施串聯限流電阻、使用AMC7135，如圖5所示，設計一個恒流電路模塊，滿足激光頭的正常運行。兩個8050三極管具有開關作用，一個與PWM輸出控制信號連接控制激光頭的功率，另一個控制激光頭的通斷。

圖5激光頭電源電路

2.6 輔助系統設計

激光頭工作中激光頭會產生嚴重的發熱現象，需進行散熱處理。最后，整機系統硬件電路設計完成，按照設計電路購買、連接、制作相關硬件即可。

3 總結與展望

本次基于STM32激光雕刻機的設計滿足設備便攜式、節能、提高工作效率等設計的目標要求。由于受到設計時間和筆者專業水平的局限，雕刻機還有很多擴展的各種功能未能實現，例如增加手機軟件作為上位機，如此設計能使雕刻機達到便攜的目的。