（西华大学 机械工程学院 四川 成都 610039）
摘要：激光雕刻主要应用在工业加工，为了实现适用于普通场所的激光雕刻平台系统建设，根据设计需求雕刻图案，本文提出一种基于Arduino的激光雕刻平台系统设计。首先分析二维打印平台立体结构设计，解析双轴运动模式，设计系统运动控制流程；然后应用坐标变换理论，将上位机中图形坐标打印点的运动映射到设备参考坐标系中，结合串口通信实现对平台的实时监控。该设计具有自动化雕刻，操作简单，成本低，体积小的特点，十分适合家庭，学校场所使用。
关键词：激光雕刻；Arduino；自动化平台；步进电机
引言：
随着微电子技术快速发展，数控雕刻机作为一种典型的机电一体化设备正在往高精度、网络化、柔性化、低成本的目标研发设计[1]。目前，数控雕刻机主要为商用，要求使用者具备数控加工知识而且设备体积大，价格高，难以为家庭、学校等有加工设计或教学需求所使用。而Arduino作为一种基于开放原始代码的simple I/O平台，其开放源代码的电路设计、低价格的微处理控制器，支持多种的程序等功能特点[2]，从艺术互动产品[3]到机器人[4-5]等领域的开发及设计具有广泛应用。因此，本平台以Arduino单片机作为主控芯片，接收上位机信息并驱动步进电机移动及激光发射器进行激光雕刻。此外，其具有良好的人机交互页面、操作过程简单且自动化、成本低，符合目前对激光雕刻机的发展需求。
1.系统结构设计
激光雕刻平台应该满足一下4个要求：第一，具有自动且连续雕刻的功能，接收数据信息后自动驱动步进电机及激光发射器完成雕刻，无过多操作；第二，雕刻完成后能够自动停止，减少耗电；第三，步进电机的转动角精度足够高，保证图形的精度；第四，具有友好的人机交互界面，能随时观察雕刻情况。
根据目标功能设定实现自动化雕刻，本系统设定4个模块：上位机数据处理，下位机数据处理，电机模块，激光模块。（每个模块组成系统如图一所示）本系统工作原理：上位机将图片进行数据处理转换为步进电机的转动角，传递到Arduino单片机，Arduino单片机通过L298n驱动板驱动两个步进电机在X轴，Y轴进行移动，同时驱动固定在步进电机上的激光发射器发射出激光，在平台上进行雕刻。
2.系统硬件设计
在激光雕刻平台建设中，以Arduino单片机作为中央处理器，连接上位机与步进电机还有激光发射器。将标准电压220V的交流电直接给适配器降压到12V连接驱动板给步进电机和激光发射器供电，驱动板上引出5V电压给Arduino单片机供电。Arduino单片机作为系统核心，控制所有硬件结构，如图1所示。
图1 系统硬件结构原理图
3.硬件选择
单片机的选择：控制系统的核心选择Arduino单片机，实现步进电机及激光发射器的工作功能。Arduino系统优点如下：硬件平台开放，程序开发可以免费下载，开发者可以根据需求自行修改；能控制步进电机，舵机等各类电机转动，使用库极其方便；与上位机通讯方便快捷，运用串口监视器可以直观的了解通讯情况。基于以上优点，中央处理器采用Arduino单片机来进行数据处理和控制。
42步进电机：步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。由于步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，在速度、位置等控制领域应用步进电机进行控制变得非常简单，仅需用单极性直流电源对其供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动，故选择用42步进电机作为本系统的电机模块。
激光发射器：本系统选用激光等级为Class I：低输出激光的激光发射器，在满足基本的雕刻要求基础上保证雕刻安全。
L298n驱动板：采用ST公司的L298N芯片，可以直接驱动两路3-30V直流电机，并提供了5V输出接口，可以给5V单片机电路系统供电,支持3.3VMCU控制，可以方便的控制直流电机速度和方向，也可以控制2相步进电机，最大功耗：20W。
uln2003驱动板：Uln2003是高耐压，大电流达林顿系列，由七个硅NPN达林顿管组成。Uln2003的每一对达林顿管都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和COMS电路直接相连，具有电流增益高，工作电压高，温度范围宽，带负载能力强等特点，适用于各类要求高速大功率驱动的系统。
4.软件设计
Arduino单片机平台是一种开源电子平台，程序设计都采用模块化。由于Arduino的硬件和软件都是开放的资源。所以代码和程序设计可以被任何人使用，加工和发布，直接下载使用。本平台只要是通过核心处理器控制相关元器件和电路来实现系统功能，有助控制模块和驱动控制模块控制实现。图2 为软件系统原理框图(核心控制是Arduino单片机)：
图2 系统软件原理框图
5.上位机
上位机采用运用易语言编写的上位机软件，具有友好的人机交互界面，方便操作，选择图片后能够自动雕刻。
结束语：
本设计基于Arduino单片机为核心处理器，通过上位机程序控制，利用激光发射器和42步进电机构建了一个2D激光雕刻平台。良好的人际交互系统，可以让用户随时在电脑上了解雕刻的进度。系统成本低，体积小，操作简单等特点，十分适用于家庭，学校等场合，将是一款经济有效的Arduino激光雕刻产品。
【参考文献】
[1] 彭丹丹.高速高精度数控雕刻机控制技术的研究[D]安徽.合肥工业大学,2005
[2] 蔡睿妍.Arduino的原理及应用[J].电子设计工程.2012(16)
[3] 王欣,马青玉.基于Arduino的LED光立方设计[J].南京师范大学学报(工程技术版). 2013(04).
论文作者:陈绪浩，肖淑莹，李星，周敏，陈伟
论文发表刊物:《科技中国》2017年2期
论文发表时间:2017/5/2
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