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(shè)計(jì)繪制電路板一體機(jī)的系統(tǒng)。對(duì)激光雕刻繪制電路板一體機(jī)電路設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)模塊、控制原理等進(jìn)行詳細(xì)的說明，經(jīng)實(shí)踐可知此方案繪制精度高、運(yùn)行速度快、經(jīng)濟(jì)效益明顯等特點(diǎn)。減少實(shí)驗(yàn)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(jié)合既可以增強(qiáng)其功能又可以節(jié)約硬件成本。

關(guān)鍵詞：激光；PCB繪制；Arduino；G代碼

中圖分類號(hào)：TN4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(shí)驗(yàn)室自制PCB電路板普遍采用兩種方法——熱轉(zhuǎn)印和濕轉(zhuǎn)印。這兩種方法的制作過程都比較繁瑣，需要的時(shí)間很長(zhǎng)，而且有時(shí)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)印不明顯，還需用記號(hào)筆來補(bǔ)充。所以研制一臺(tái)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?yàn)榧す獾窨虣C(jī)和繪制電路板機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)相近，故可以將激光雕刻和繪制電路板融為一體。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本智能PCB電路板繪制及激光雕刻機(jī)控制系統(tǒng)采用上下位機(jī)結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)的上位機(jī)和下位機(jī)，通過數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信與協(xié)同工作。上位機(jī)軟件自動(dòng)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(shí)將數(shù)據(jù)下載到下位機(jī)。同時(shí)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(dāng)前雕刻坐標(biāo)等功能，用戶可以通過上位機(jī)程序?qū)崟r(shí)觀察當(dāng)前雕刻狀態(tài)，從而提高作品的精確性。下位機(jī)選用Arduino單片為主控芯片，通過數(shù)據(jù)線獲取上位機(jī)傳送的信息并優(yōu)化路徑，再控制X、Y、Z三軸協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)雕刻機(jī)的精確工作目的。然后步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和數(shù)控雕刻智能PCB電路板雕刻機(jī)硬件執(zhí)行模塊。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊由3個(gè)步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成，步進(jìn)電機(jī)使用12V直流電源驅(qū)動(dòng)，分別控制X軸、Y軸水平坐標(biāo)和Z軸上下移動(dòng)實(shí)現(xiàn)印制電路板繪制和激光雕刻功能。進(jìn)行激光雕刻控制前，需要對(duì)激光雕刻圖像進(jìn)行細(xì)化處理[1]，激光的功率則是通過Arduino單片產(chǎn)生不同頻率的PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制大小，從而雕刻不同質(zhì)地的物品。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖，如圖1所示。

1.2 Arduino單片機(jī)

主控部分以Atmel公司的Arduino UNO為核心，其具有簡(jiǎn)潔的開發(fā)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(gè)數(shù)字輸入/輸出引腳，其中有6個(gè)具有PWM輸出功能，1個(gè)16MHz協(xié)振器，一個(gè)USB串口用于與上位機(jī)通信。在本設(shè)計(jì)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(jī)的2號(hào)和6號(hào)引腳控制X軸步進(jìn)電機(jī)，3號(hào)和5號(hào)引腳控制控制Y軸步進(jìn)電機(jī)，9號(hào)和10號(hào)引腳控制Z軸步進(jìn)電機(jī)，激光則用11號(hào)引腳控制。

1.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用A4988驅(qū)動(dòng)器，其主要由Arduino UNO產(chǎn)生不同占空比的PWM恒流控制微步距驅(qū)動(dòng)二相步進(jìn)電機(jī)。該驅(qū)動(dòng)器工作電壓可達(dá)35V，驅(qū)動(dòng)電流達(dá)1A，一個(gè)A4988驅(qū)動(dòng)器可以控制一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，這款驅(qū)動(dòng)板的細(xì)分為八細(xì)分，也就是將步進(jìn)電機(jī)的每一步細(xì)分為八小步，電機(jī)旋轉(zhuǎn)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(gè)驅(qū)動(dòng)分別控制X、Y、Z三個(gè)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，可精確實(shí)現(xiàn)三個(gè)維度自由活動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(tài)，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(qū)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)功率最大可達(dá)25W，本設(shè)計(jì)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(jī)對(duì)圖像進(jìn)行提取生成G代碼并發(fā)送到下位機(jī)，下位機(jī)則根據(jù)G代碼信息產(chǎn)生相應(yīng)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(shù)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(dòng)化對(duì)零件進(jìn)行加工。數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)以此為依據(jù)來控制機(jī)床的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而完成對(duì)零件的加工，并對(duì)模具、葉片等復(fù)雜曲面加工。此方案由上位機(jī)運(yùn)行的軟件對(duì)圖案進(jìn)行提取并自動(dòng)生成相應(yīng)的G代碼。下位機(jī)則通過串口讀取G代碼的信息從而控制X、Y、Z軸步進(jìn)電機(jī)或激光進(jìn)行繪圖或雕刻。將通過灰度轉(zhuǎn)換得到的激光雕刻灰度圖像數(shù)據(jù)翻譯成雕刻運(yùn)動(dòng)指令代碼序列，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)與激光電源電壓值進(jìn)行控制[3]。下位機(jī)控制圖，如圖3所示。

4 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)以Arduino UNO為主控制器，通過RS232于上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，上位機(jī)對(duì)電路圖及圖片進(jìn)行G代碼處理，提取線路和圖案坐標(biāo)路徑等信息，并將這些信息發(fā)送到下位機(jī)。下位機(jī)通過解析這些信息后控制電機(jī)或激光精確的打印出圖案。此方案電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、性能穩(wěn)定，市場(chǎng)前景廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[1] 程康娜，孫耀寧，朱子劍.基于數(shù)字圖像處理對(duì)NbC/Ni3Si基復(fù)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(shù)在材料加工中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望 [J].機(jī)床與液壓，2006（8）：221-223+178.

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

作者簡(jiǎn)介：郎朝先（1993.07-），男，漢族，貴州興義人，本科，湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院創(chuàng)新中心學(xué)生。研究方向：通信工程、智能控制、物聯(lián)網(wǎng)；通信作者：徐建（1981-），男，副教授。研究方向：嵌入式技術(shù)與智能控制研究。