基于STM32的二軸激光雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 赫，裴莉莉，馬 軍

（1.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安 710068；2.長(zhǎng)安大學(xué)信息工程學(xué)院，陜西 西安 710064；3.蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

激光技術(shù)是1960年開始在全世界范圍內(nèi)興起的一項(xiàng)新技術(shù)，對(duì)各個(gè)領(lǐng)域都產(chǎn)生了一定的吸引力和影響力[1-2]。近年來，基于CNC(Computer Numerical Control)技術(shù)的激光雕刻機(jī)作為一種高科技產(chǎn)品開始大量出現(xiàn)在國(guó)際市場(chǎng)，其應(yīng)用方向廣闊，市場(chǎng)需求量大[3]。激光雕刻機(jī)主要組成包括：二氧化碳激光器、專用激光雕刻軟件、自動(dòng)激光雕刻控制系統(tǒng)以及精密的機(jī)械設(shè)備[4]。具有高速度、高精度、多功率的加工特點(diǎn)，從而兼?zhèn)涞窨趟俣瓤?、操作方式?jiǎn)便和出圖效果好的優(yōu)點(diǎn)，并且在一定程度上，解決了手工難以達(dá)到的立體效果[5]，并已廣泛運(yùn)用于廣告業(yè)、建筑業(yè)等領(lǐng)域[6]。

我國(guó)現(xiàn)代制造業(yè)正面臨著從“制造”到“智造”轉(zhuǎn)型升級(jí)的重大考驗(yàn)，需要對(duì)先進(jìn)的制造技術(shù)和智能裝備的技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)[7]?；谝陨媳尘埃延袑W(xué)者開展了對(duì)激光雕刻機(jī)的研究[8-9]。文獻(xiàn)[10]利用Pcomm32動(dòng)態(tài)鏈接庫、MFC類庫及控制卡指令等軟件編寫了電機(jī)控制系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩軸伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制和激光信號(hào)發(fā)生器等的控制。文獻(xiàn)[11]基于STM32 ARM內(nèi)核設(shè)計(jì)了一款多軸的通用型數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，解決了系統(tǒng)中速度和位移控制的問題，使運(yùn)動(dòng)更加平滑、高效。文獻(xiàn)[12]中采用Arduino UNO R3為主控制板，實(shí)現(xiàn)了圖像實(shí)時(shí)處理和打印。文獻(xiàn)[13]基于Arduino單片機(jī)的接口電路以及位于上位機(jī)的可重構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)，完成對(duì)自主開發(fā)的激光雕刻機(jī)的加工和測(cè)試。

以上研究為該文提供了良好的借鑒思路，為更好地改進(jìn)激光雕刻機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，文中設(shè)計(jì)了一款基于STM32單片機(jī)的二軸激光雕刻系統(tǒng)，完成了雕刻機(jī)二維平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和硬件電路設(shè)計(jì)。上位機(jī)系統(tǒng)通過對(duì)目標(biāo)雕刻圖形進(jìn)行圖形處理，實(shí)現(xiàn)原始圖形的閾值分割處理和軌跡劃分，再將軌跡編譯為G代碼指令，通過串口通信協(xié)議將指令傳輸?shù)较挛粰C(jī)STM32中[14]。下位機(jī)接收到信號(hào)后將G代碼解析，按照相應(yīng)的控制指令進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和激光器工作狀態(tài)的控制，同時(shí)結(jié)合硬件選型與電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)圖像的雕刻。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 總體設(shè)計(jì)

基于STM32單片機(jī)的二軸激光雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主流程可大致分為以下幾個(gè)部分：首先將待雕刻的目標(biāo)圖像導(dǎo)入上位機(jī)中，上位機(jī)經(jīng)過圖像處理和G代碼轉(zhuǎn)換，將所得到的圖像G代碼信息傳送至下位機(jī)，下位機(jī)對(duì)G代碼進(jìn)行解析，根據(jù)所產(chǎn)生的指令控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)并通過激光器控制電信號(hào)，使得激光器和步進(jìn)電機(jī)協(xié)同工作，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)工件圖像的激光雕刻。運(yùn)動(dòng)控制部分系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括軟件、硬件和機(jī)械控制。

圖1 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖

激光器提供激光光束，實(shí)現(xiàn)雕刻效果，X與Y軸步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)通過來自上位機(jī)傳送到下位機(jī)控制器中的G代碼指令來實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的基本組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)基本組成示意圖

要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的激光雕刻任務(wù)，雕刻機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和激光器需要協(xié)同工作，這就需要下位機(jī)和上位機(jī)必須保證進(jìn)行準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、高速的通信，使得傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和激光束的工作狀態(tài)保持協(xié)調(diào)。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

該文采用Altium Designer進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)和開發(fā)。首先創(chuàng)建與該工程相關(guān)的集成庫，然后繪制出相關(guān)電路原理圖，完成后將生成的完整原理圖導(dǎo)入PCB文件中，按照原理圖對(duì)應(yīng)的布線規(guī)則進(jìn)行手動(dòng)布線，檢查無誤后進(jìn)行覆銅。接著使用該軟件自帶電氣規(guī)則檢查無誤就可以進(jìn)行系統(tǒng)樣版打版，最后焊接所需要的元器件，經(jīng)測(cè)試無誤后可定版批量生產(chǎn)。

文中將Grbl平臺(tái)中的硬件部分進(jìn)行升級(jí)改進(jìn)，采用STM32F103C8T6微控制器自主定制一款二軸運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)，總體硬件框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件框圖

整個(gè)硬件平臺(tái)由外接的12 V直流電源適配器進(jìn)行供電，然后對(duì)輸入電壓進(jìn)行逐級(jí)降壓，給對(duì)應(yīng)模塊進(jìn)行供電。其中下位機(jī)接收到上位機(jī)系統(tǒng)通過串口協(xié)議發(fā)送的G代碼指令后，作為中控單元進(jìn)行傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和激光器的控制，用于在小范圍雕刻過程中進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算[15]。通過顯示屏顯示的相關(guān)參數(shù)，使用獨(dú)立按鍵對(duì)軟件進(jìn)行復(fù)位操作，并且通過X、Y軸的限位開關(guān)來確保整個(gè)雕刻過程處于指定的安全范圍內(nèi)[15]，防止意外情況發(fā)生。

1.2.1 主控制器選型

對(duì)于主控選型，51單片機(jī)由于其處理數(shù)據(jù)的能力和計(jì)算速度較差，難以符合該文的設(shè)計(jì)性能要求；MSP430雖然功耗較低，信號(hào)處理能力很強(qiáng)，但其芯片價(jià)格成本太高，開發(fā)難度較高，不是最佳的方案。該文最終選用具備高性價(jià)比高性能的STM32F103C8T6單片機(jī)作為激光雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的微控制芯片。

1.2.2 其他硬件選型

其他硬件選型如表1所示。

表1 主要硬件元器件

1.3 軟件設(shè)計(jì)

激光雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)加工過程對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，對(duì)實(shí)時(shí)響應(yīng)速度要求也比較高，整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)需要選用上位機(jī)與下位機(jī)前后臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來滿足高響應(yīng)速度的要求。再根據(jù)實(shí)際的成本控制和硬件資源情況，最終上位機(jī)選用PC機(jī)，下位機(jī)選用STM32微控制器。

上位機(jī)主要利用Visual Studio 2019軟件進(jìn)行開發(fā)。利用二值化對(duì)圖像進(jìn)行處理，將處理完成后的圖像進(jìn)行軌跡分割，通過串口協(xié)議傳送到下位機(jī)STM32。

下位機(jī)主要利用Keil uVision5軟件進(jìn)行開發(fā)。根據(jù)得到的每一條指令進(jìn)行動(dòng)作規(guī)劃和計(jì)算，將最終的規(guī)劃和計(jì)算結(jié)果通過電平信號(hào)發(fā)送到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和激光器模塊中得到動(dòng)作響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)雕刻定位的實(shí)時(shí)控制，并在物體表面燒蝕出圖像。

軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程

G代碼指令是由上位機(jī)發(fā)送給下位機(jī)的包含指定功能的組合代碼，通常一條指令對(duì)應(yīng)一個(gè)動(dòng)作，指令依據(jù)G代碼編碼規(guī)則構(gòu)成一段控制指令。這種針對(duì)指令解析的過程一般包括預(yù)處理、詞法語法分析和信息提取，具體流程如圖5所示。

圖5 G代碼解析流程

2 S型加減速算法設(shè)計(jì)

為了保證在加工作業(yè)過程中的步進(jìn)電機(jī)具有高精度的同時(shí)，還能高速地運(yùn)行并防止因?yàn)榧铀俣劝l(fā)生突變而導(dǎo)致有害振動(dòng)，在下位機(jī)控制系統(tǒng)中，采用S型加減速算法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)這種現(xiàn)象的有效抑制，其核心在于對(duì)速度提前規(guī)劃。在每個(gè)運(yùn)行過程中，加速度的改變都能夠使得步進(jìn)電機(jī)作業(yè)速度按照S型曲線的軌跡發(fā)生變化[16]，速度與其加速度的關(guān)系隨時(shí)間持續(xù)變化的過程如圖6所示。

圖6 速度與加速度隨時(shí)間變化曲線

分析圖6可知，加速度的變化曲線是梯形，主要分為7個(gè)階段，分別為加速時(shí)加速度增加階段、加速度恒定階段、加速度減小階段、勻速中加速度為零階段、減速時(shí)加速度增加階段、加速度恒定階段和加速度減小階段[17]。其中加速度a和速度V可以表示為式（1）：

變化過程中總的加速度或減速度段的運(yùn)行總長(zhǎng)由式（2）所得。

其中，Vs記作初速度，Ve記作末速度，Am記作最大加速度，Jm記作最大加加速度[18]。

關(guān)于S型加減速算法的軟件流程圖如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)中加減速算法軟件流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

機(jī)械結(jié)構(gòu)搭建完成之后，分別將測(cè)試成功的軟硬件按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行連接運(yùn)行。除了步進(jìn)電機(jī)脈沖信號(hào)和方向信號(hào)輸出之外，需要分別外接X、Y軸的兩個(gè)限位開關(guān)，以及復(fù)位按鈕。如圖8所示是搭建好的激光雕刻機(jī)實(shí)物圖。

圖8 雕刻機(jī)實(shí)物圖

得到完整的激光雕刻機(jī)硬件和機(jī)械結(jié)構(gòu)后，通過之前設(shè)計(jì)好的上位機(jī)軟件，選擇“?；铡眻D標(biāo)，將所選圖標(biāo)進(jìn)行一系列的圖像處理后，運(yùn)行加工程序，上位機(jī)自動(dòng)開始向下位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)送實(shí)施G代碼指令，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，速度、位移等控制良好。

圖9（a）為期望加工圖形，分別是蘭州理工大學(xué)與長(zhǎng)安大學(xué)?；铡D9（b）分別是這兩幅圖的軌跡分解效果圖，可以看出預(yù)定軌跡比較完整，沒有缺漏現(xiàn)象。圖9（c）是在硬紙板上的實(shí)物雕刻測(cè)試圖，可以看到圖案的邊緣比較光滑，沒有毛刺出現(xiàn)。說明該設(shè)計(jì)總體上解決了運(yùn)動(dòng)控制難的問題，精度較高，能夠達(dá)到預(yù)期效果。

圖9 雕刻效果圖

4 結(jié) 論

通過討論和介紹當(dāng)前的技術(shù)需求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款小型實(shí)用、成本低廉、工作穩(wěn)定、精度高的激光雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，易于后期的二次開發(fā)。軟件使用上、下位機(jī)架構(gòu)，設(shè)計(jì)精巧，選擇普適性強(qiáng)且簡(jiǎn)便穩(wěn)定的串口通信方式，為無基礎(chǔ)用戶提供便利，能夠輕松上手操作。

下位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用了很多集成的模塊進(jìn)行搭建，雖然提升了整個(gè)設(shè)計(jì)開發(fā)的效率，但在實(shí)際產(chǎn)品的功耗和經(jīng)濟(jì)性方面有一定的缺陷。在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)與上位機(jī)通信部分可以考慮直接設(shè)計(jì)脫機(jī)工作模式增加脫機(jī)控制器。同時(shí)，對(duì)于在實(shí)際激光雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)測(cè)試過程中處理步進(jìn)電機(jī)在特殊拐點(diǎn)出現(xiàn)細(xì)微沖擊現(xiàn)象的算法也需要進(jìn)一步提升和加強(qiáng)。