吳波，劉財勇

（攀枝花學院，四川攀枝花， 617000）

0 引言

數(shù)控加工技術是進行復雜加工的一種自動化技術，激光雕刻機采用了這一技術，但是市面上的激光雕刻機大多用于工業(yè)，面向個人用戶的激光雕刻機存在費用昂貴、體積大不易搬運等問題，于是越來越多的人選擇自己DIY 一臺激光雕刻機。本文面向普通家庭和個人愛好者，根據(jù)市場考察和成本分析，采用開放式的框架設計，主體機構較為簡單，而且運動載荷小，造價也低，易于安裝，能夠完成日常生活中的絕大部分工作需求。主要機械結構采用步進電機、同步帶、滑塊和導軌實現(xiàn)平移運動，硬件方案采用MCU 作為控制系統(tǒng)的中心，采用開源軟件GRBL 控制系統(tǒng)作為軟件設計方案。

1 總體設計

■1.1 工作原理

本簡易激光雕刻機由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)主要有上位機、步進電機、單片機、激光器等組件。系統(tǒng)軟件部分使用單片機開發(fā)軟件。在激光雕刻機工作時，先在上位機中處理需要雕刻的圖案，將它轉化成矢量圖，然后對矢量圖進行數(shù)據(jù)處理，通過串口通信技術將G 代碼由上位機傳送至單片機，然后單片機進行雕刻路線處理。其中，上位機包含了處理圖片程序和刀路仿真部分，單片機中包含了步進電機的速度控制模塊和限位控制模塊，最后由電機驅動板控制步進電機的正反轉運動，從而實現(xiàn)圖案的雕刻。激光雕刻機總體方案如圖1 所示。

圖1 激光雕刻機總體方案

■1.2 機械結構設計

本設計通過使用步進電機、直線軸承、同步輪和同步帶的聯(lián)合傳動，來實現(xiàn)激光器在X 軸和Y 軸方向的雕刻運動。直線光軸作為X 軸和Y 軸方向上的導軌，分別位于激光器的兩側，當?shù)窨虣C啟動時，步進電機帶動同步帶處于張緊狀態(tài)，達到精準傳動的目的，本設計X 軸最大行程280mm，Y 軸最大行程290mm，用戶可更改光軸長度實現(xiàn)最大行程的改變。本設計連接部件可采用3D 打印制作，在具體安裝時涉及電機安裝位置等因素的考慮，可以增設惰輪使步進電機轉矩傳遞到同步帶和同步輪。圖2 為雕刻機三維模型圖。

圖2 雕刻機三維模型

2 系統(tǒng)硬件電路設計

■2.1 主控電路設計

本設計根據(jù)市場上常用的單片機成本及性能分析，決定選用ATMEGA328P 處理器為主要控制器，并將其置于Arduino UNO 平臺。ATMEGA328P 是美國Atmel 公司在哈佛結構上制造的一個增強的、內(nèi)置Flash 的RISC 簡化的命令集合，具有1MIPS/MHz 的高速運算能力。該微處理器工作于0~20Hz，包含2K 的RAM，1K 的帶電可擦可編程讀取內(nèi)存EEPROM，32 個8bt 的工作暫存器；32K 可編程序存儲器，6 個PWM 信道，6 個10btADC；2 個可編程序串行輸入，2 個8bt 計時/計數(shù)，1 個16bt 計時/計數(shù)。最多23 個8bt 的雙向I/O 端口，最多20MIPS 的處理速度，高可靠性，I/O 端口的驅動性能，以及具有大量的芯片內(nèi)外部設備的資源[1]。主控電路模塊主要控制下位機與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸，并將編譯好的文件下載到單片機中，同時接收來至上位機的G 代碼并處理。ATmega328p最小系統(tǒng)包含ATmega328p 芯片、通信接口和晶振。使用的是CH340 作為串口芯片，我們注意到的是，串口芯片的TXD 要與MCU（ATmega328p）的RXD 連接，串口芯片的RXD 與MCU 的TXD 連接，線路中的1k 電阻是為了防止產(chǎn)生振蕩。圖3 為主控電路圖。

圖3 主控電路

■2.2 串口通信模塊設計

要想實現(xiàn)簡易激光雕刻機控制器以及PC 端的數(shù)據(jù)連接傳輸，需應用數(shù)據(jù)端口轉化為USB 通信的方式來完成連接，本設計選擇的通訊轉換芯片為PL2303，其具有RS233-USB 信號的接口，采用了一種全雙向的、多個USB 接口的通訊，可以與多種驅動設備相匹配。通過USB 與RS232 的雙向信號變換，本設計既能從PC 上接收到數(shù)據(jù)，又能把RS232 的信號傳送到PC 端。通過外部線路與RS232 構成的通訊組件，實現(xiàn)了單片機的串行和USB 端口的數(shù)據(jù)傳輸。圖4 即為本簡易激光雕刻機串口通信模塊電路圖。其中，TXD 和RXD 負責控制系統(tǒng)的通訊，VDD、GND、DP、DM負責與PC 的通訊。

圖4 串口通信模塊

■2.3 電機驅動模塊設計

本課題所設計的簡易激光雕刻機的X、Y 方向控制軸線是由兩臺步進電機組成的，為實現(xiàn)對兩臺步進電機的精密控制，利用A4988 驅動芯片，各驅動兩臺步進電機，由定時傳送高頻率的脈沖信號，實現(xiàn)對兩臺激光陀螺的精密控制與控制。本設計內(nèi)設變換裝置，使用時，只要在工作時按一定的脈沖數(shù)值，即可實現(xiàn)微步傳動，且操作簡便。A4988 型步進電機驅動器能以不同的步進方式對步進電機進行驅動，其輸出的電壓為35V，電流為2A。該系統(tǒng)的特點是RDS 的輸出很低，可以實現(xiàn)對功耗的同步整流，并可以實現(xiàn)對電壓變化的實時監(jiān)測。A4988的關鍵部件是開閉時間電流穩(wěn)壓器，它的最大特點是可以在低速的混合衰變條件下工作，無需變換到相序列和頻率的控制，適用于用來驅動步進電機[2]。圖5 為步進電機驅動模塊電路圖。

圖5 步進電機模塊

A4988 驅動器在“STEP”引腳輸入脈沖后，A4988 驅動器就可以驅動步進電機完成一個微小的運動，不需要執(zhí)行一個高頻率的控制線或者一個復雜的接口程序。

■2.4 激光器控制模塊

對于激光器的控制，本設計采用PWM 控制，通過模擬信號電平來完成數(shù)字編碼。在計算機中，只有通過相應的信號轉換后，才能對不同的數(shù)據(jù)類型進行后續(xù)處理，它對其他模擬電路的控制是使用了經(jīng)過中央處理器的數(shù)據(jù)，最終結果是將數(shù)字信號轉化為相應的模擬信號來完成信號的轉換。在任意一段時間，直流供電的電路有且僅有開路和閉路兩種情形，說明此時PWM 信號為數(shù)字信號。通電后的電路電壓，傳輸?shù)较鄳木w管只能是脈沖信號，而脈沖信號則是通過高頻率變換開路閉路形成的，從而實現(xiàn)激光器的控制。電路圖見圖6。

圖6 激光控制模塊

3 系統(tǒng)軟件設計

■3.1 控制程序設計

Arduino 基于processing IDE 開發(fā)，可通過USB 接口直接進行編程和通信，其界面友好，語法簡單，基于wiring 語言開發(fā)，是對AVRGCC 庫的二次封裝，不需要太多的單片機基礎、編程基礎，適合快速開發(fā)[3]。Arduino IDE 可以在Windows、Macintosh OSX、Linux 3 大主流操作系統(tǒng)上運行，適合跨平臺開發(fā)并具有兼容性。Arduino 下位機通過串口接收上位機命令和數(shù)據(jù)，接收圖像處理后的雕刻軌跡數(shù)據(jù)，啟動步進電機進行雕刻，并實時反饋數(shù)據(jù)到上位機，以便于判斷雕刻是否正確。程序流程圖如圖7 所示。

圖7 Arduino 程序流程圖

■3.2 上位機軟件

目前家用小型手工雕刻機價格低廉，主要原因是用戶只需購置硬件設備，而控制軟件采用網(wǎng)絡開源軟件，市面上開源軟件較多，而本設計上位機選擇的是Laser GRBL，此軟件是源于德國的一種嵌入式G 代碼編譯和運動控制開源程序，主要用于機械加工時的運動控制。軟件內(nèi)置EEPROM包含了許多形狀的控制算法，能夠控制弧形、圓形等運動軌跡。GRBL 有著良好的加速度控制，使得其在控制機床進行加工運動的時，主軸與導軌副等運動非常平穩(wěn)，減少了一部分對于機床的沖擊與加工過程中的噪音，也能夠保證被加工工件的精度，能夠有效地保護機床，延長使用壽命。同時軟件具有記憶功能，每次斷電后不需要再次輸入數(shù)據(jù)設置。GRBL 的動作控制實質上是利用計算機對G 編碼進行分析，例如G01 是一種線性的運動，它的參數(shù)包含了方位和大小。在雕刻過程中，可通過GRBL 軟件界面觀察雕刻程序運行進度，是否與實際的雕刻形狀相符，以便于檢查雕刻機運行是否正常。與傳統(tǒng)的專門的、價格高昂的CNC 雕刻機械相比，以GRBL 為控制系統(tǒng)的激光雕刻設備具有成本低、效率高的特點，具有很好的推廣價值[4]。上位機軟件程序流程圖如圖8 所示，控制軟件界面如圖9 所示。

圖8 上位機軟件程序流程圖

圖9 控制軟件界面

4 結束語

本設計開發(fā)了一款手工、簡易激光雕刻機，該簡易激光雕刻機主要由底座、X 軸聯(lián)軸器、普通聯(lián)軸器等模塊組成。在此基礎上，設計了簡易激光雕刻機控制系統(tǒng)，采用ATMEGA328P 單片機作為主控模塊，并進行步進電機選型、激光器選型，設計了電機驅動電路、串口通信電路以及激光器控制電路。在GRBL 開源軟件的基礎上進行了簡易激光雕刻機控制系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)，最后利用厚度為三毫米的薄板，進行了簡易激光雕刻機調(diào)試，圖10 為雕刻結果，驗證了本簡易激光雕刻機的可靠性與可行性。

圖10 試刻結果