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現(xiàn)今社會(huì)日益提倡綠色節(jié)能、低碳環(huán)保，在此背景下，本作品利用51系列單片機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)改制成一種新型實(shí)用的微型激光雕刻機(jī)。主要定位于桌面型、個(gè)性化要求的微型激光雕刻機(jī)，在個(gè)人電腦中安裝雕刻機(jī)上位機(jī)，用戶即可將圖片或者文字通過取模軟件轉(zhuǎn)換成位圖文件 ，導(dǎo)入到上位機(jī)中進(jìn)行實(shí)物的自動(dòng)加工?？蓪?shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)創(chuàng)意的實(shí)時(shí)呈現(xiàn)，操作人性化、維護(hù)簡(jiǎn)單化、應(yīng)用場(chǎng)合靈活化。
本作品采用廉價(jià)低功耗單片機(jī)處理器，控制伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)及激光頭的工作通斷，通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)的方式將上位機(jī)處理的數(shù)據(jù)逐行發(fā)送到單片機(jī)緩存中，由單片機(jī)讀取并運(yùn)動(dòng)控制程序控制私服電機(jī)，以及激光的通斷，實(shí)現(xiàn)平面區(qū)域內(nèi)的掃描與雕刻。
控制器采用基于51指令集的STC12C5A6062單片機(jī)，完全兼容常見的51、52系列單片機(jī)，片內(nèi)存儲(chǔ)達(dá)60K，完全能應(yīng)對(duì)串口收發(fā)的數(shù)據(jù)的容量要求。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用L298N驅(qū)動(dòng)模塊，采用ST公司原裝全新的L298N芯片， SMT工藝穩(wěn)定性高，使用高質(zhì)量鋁電解電容，使電路穩(wěn)定工作?？梢灾苯域?qū)動(dòng)兩路3-16V直流電機(jī)，并提供了5V輸出接口（輸入最低只要6V）可以給5V單片機(jī)電路系統(tǒng)供電（低紋波系數(shù)）,支持3.3V MCU ARM控制，可以方便的控制直流電機(jī)速度和方向
步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)采用單片機(jī)編程控制，由計(jì)算機(jī)處理后的精確插補(bǔ)軌跡信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，單片機(jī)處理后輸出驅(qū)動(dòng)脈沖，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊接收驅(qū)動(dòng)脈沖從而對(duì)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確控制。
當(dāng)今人們?cè)絹碓綗嶂杂趥€(gè)性化設(shè)計(jì)與制作，對(duì)于一個(gè)屬于自己唯一的、能反應(yīng)自己個(gè)性的手工藝品及裝飾佩件情有獨(dú)鐘，并且在這樣一個(gè)追求個(gè)性、追求創(chuàng)新的社會(huì)環(huán)境下，人們也更愿意花更多的時(shí)間來“DIY”，親手雕琢自己的創(chuàng)意，本產(chǎn)品可代替原始的一般手工微雕刻技術(shù)，可使雕刻工藝得到更好的提高，不僅滿足了客戶群體對(duì)時(shí)尚、個(gè)性、獨(dú)特、小型雕刻飾品的追求，同時(shí)多樣性的雕刻更豐富了市場(chǎng)。

激光器采用405nm，200MW可調(diào)焦藍(lán)紫激光器，12V直流供電，接口簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，性能穩(wěn)定，壽命可達(dá)8000小時(shí)。

1.1 主要方案的確定
控制器采用基于51指令集的STC12C5A60S2單片機(jī)，完全兼容常見的51、52系列單片機(jī)，片內(nèi)存儲(chǔ)達(dá)60K，能應(yīng)對(duì)串口收發(fā)的數(shù)據(jù)的容量要求。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用L298N驅(qū)動(dòng)模塊，采用ST公司原裝全新的L298N芯片， SMT工藝穩(wěn)定性高，使用高質(zhì)量鋁電解電容，使電路穩(wěn)定工作?？梢灾苯域?qū)動(dòng)兩路3-16V直流電機(jī)，并提供了5V輸出接口（輸入最低只要6V）可以給5V單片機(jī)電路系統(tǒng)供電（低紋波系數(shù)）,支持3.3V MCU ARM控制，可以方便的控制直流電機(jī)速度和方向
步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)采用單片機(jī)編程控制，由計(jì)算機(jī)處理后的精確插補(bǔ)軌跡信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，單片機(jī)處理后輸出驅(qū)動(dòng)脈沖，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊接收驅(qū)動(dòng)脈沖從而對(duì)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確控制。
激光器采用405nm，200MW可調(diào)焦紅色激光器，12V直流供電，接口簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，性能穩(wěn)定，壽命可達(dá)8000小時(shí)。
1.2 總體結(jié)構(gòu)框圖
根據(jù)方案設(shè)計(jì)的確定，本作品主要由STC12C5A60S2單片機(jī)電機(jī)控制模塊、X軸與Y軸步進(jìn)電機(jī)、激光器、主體支撐結(jié)構(gòu)等組成。雕刻的圖案通過計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)換成位置信息指令傳送至單片機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)，單片機(jī)控制系統(tǒng)處理收到的數(shù)據(jù)反應(yīng)到電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)在控制系統(tǒng)的指令下按照規(guī)定的線路運(yùn)行，在此期間主控芯片控制著激光器的通斷。在電機(jī)與激光器的雙重配合下最終可完成對(duì)圖案的雕刻。
2.1 主控芯片STC12C5A60S2單片機(jī)系統(tǒng)：
主控芯片：
STC12C5A60S2是一款基于51指令集的單片機(jī)，該單片機(jī)具有較大的內(nèi)部存儲(chǔ)空間，能將串口發(fā)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，并且通過程序?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)、以及激光進(jìn)行控制。
2.2 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)：
L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。
步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)采用單片機(jī)編程控制，由計(jì)算機(jī)處理后的精確插補(bǔ)軌跡信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，單片機(jī)處理后輸出驅(qū)動(dòng)脈沖，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊接收驅(qū)動(dòng)脈沖從而對(duì)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確控制。芯片小巧易用，配合51單片機(jī)主控確定雕刻行程，使其精準(zhǔn)運(yùn)行，雕刻出那些復(fù)雜有創(chuàng)意的圖片。
2.3 激光器控制系統(tǒng)：
激光頭主要包括：激光發(fā)生器（又稱激光二極管），半反光棱鏡，物鏡，透鏡以及光電二極管這幾部分。激光頭固定在X軸上，隨著軸的運(yùn)動(dòng)雕刻圖案。工作時(shí)，51主控芯片通過與PC數(shù)據(jù)通信控制繼電器的通斷，繼電器與激光頭連接，從而控制激光頭精準(zhǔn)工作。 2.4 主體結(jié)構(gòu)介紹：
與其他微型激光雕刻機(jī)相對(duì)比，本雕刻機(jī)利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)、動(dòng)態(tài)模擬仿真、有限元分析等方法，進(jìn)行雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)，根據(jù)強(qiáng)化功能、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、減少成本等目標(biāo)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化參數(shù)選擇，達(dá)到整體優(yōu)化或最佳結(jié)構(gòu)目標(biāo)。控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等都隱藏于下方，并帶風(fēng)扇扇熱功能，能有效地給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊扇熱；X軸在機(jī)身頂部左右移動(dòng)，機(jī)身下部Y軸安裝在滑臺(tái)上前后移動(dòng)，上下兩軸配合，保證雕刻圖形的完整性，平臺(tái)小巧、精密度高，結(jié)合軟件與單片機(jī)處理器，控制X軸垂直于平臺(tái)左右移動(dòng)， Y軸前后移動(dòng)，兩軸精度、步進(jìn)數(shù)嚴(yán)格一致，從機(jī)械結(jié)構(gòu)上減少了雕刻精度上的誤差。

控制器采用基于51指令集的STC12C5A60S2單片機(jī)，此單片機(jī)平臺(tái)有著良好的人機(jī)交互編譯環(huán)境，大大地降低了編程的繁瑣與復(fù)雜程度，成本及難度相對(duì)于其它平臺(tái)更有優(yōu)勢(shì)，也大大降低了本雕刻機(jī)研發(fā)時(shí)間與成本，提升性價(jià)比。并采用先進(jìn)的插補(bǔ)算法進(jìn)行軌跡和路徑的精確控制，雕刻系統(tǒng)工作時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡一般由直線、圓弧組成，對(duì)于一些復(fù)雜的圖形，則采用直線或者圓弧逼近的方法。插補(bǔ)算法就是數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算，將加工部件的輪廓、電機(jī)運(yùn)動(dòng)描述出來，邊計(jì)算邊發(fā)送進(jìn)給指令，其中，差補(bǔ)過程采用逐點(diǎn)點(diǎn)比較法的方法，使用階梯直線來逼近被差補(bǔ)的直線或者圓弧，一般是按偏差判別、偏差計(jì)算和終點(diǎn)判別四個(gè)步驟來實(shí)現(xiàn)一次軌跡的精確差補(bǔ)過程。在判別的同時(shí)，發(fā)送進(jìn)給指令，并為下一個(gè)點(diǎn)的偏差計(jì)算做準(zhǔn)備。此微型激光雕刻機(jī)利用軟件執(zhí)行插補(bǔ)算法，依托計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，為雕刻機(jī)提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)輸入，并且，軟件端能根據(jù)圖形的雕刻進(jìn)度進(jìn)行實(shí)時(shí)的反饋，顯示當(dāng)前的雕刻進(jìn)度和工作狀態(tài)。軟件簡(jiǎn)單易用，人性化設(shè)計(jì)，可自定義雕刻圖形與文字，充分發(fā)揮其自主性、靈活性與DIY的特點(diǎn)。

第十四屆“挑戰(zhàn)杯”二等獎(jiǎng)