迷你激光雕刻机(毕业设计说明书)

1、桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸编号： 毕业设计说明书题 目： 迷你激光雕刻机的 设计与实现 学院： 信息与通信学院 专 业： 电子信息工程 姓 名： 蓝蕾 学 号： 1061170103 指导教师单位： 信息对抗系 姓 名： 武小年 职 称： 副教授 题目类型： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发2014 年 5 月 20 日II桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸摘要激光雕刻技术随着时代的发展，日新月异，其应用的范围也是十分的广泛。激光雕刻是以数控为基本，激光加工为媒介的一种加工方法，它的特点是和所雕刻材料的表面没有直接接触，不会受到机械运动的影响，表面也不会

2、变形。本文采用Arduino单片机和Delphi语言设计和实现了一个可直接进行雕刻的迷你激光雕刻机系统。本系统的设计中主要包括的模块为串口通信模块、中央处理模块、电机驱动模块、激光器驱动模块、机械传动结构模块、外型框架模块等部分，具有弱光定位、在非金属物体表面烧刻出由计算机传输的图案、重复雕刻、印章阴阳雕刻等功能。系统主要采用Arduino UNO型单片机构成中央处理系统模块，通过串口通信模块与上位机软件进行通信，利用上位机软件对雕刻机系统完成包括手动进行前后左右移动、开关激光器、自动雕刻图案等功能。机械传动结构部分采用3D打印技术制作而成的滑块，通过与步进电机的结合，实现高精度的传动。关键词

3、：Arduino单片机；激光雕刻技术；步进电机；3D打印技术Abstractn modern times, there is a new industry gradually developed, on many occasions the processing technology is to use it, that is laser engraving technology.In laser engraving technology, completed in the form of CNC laser engraving or cutting, because the laser en

4、graving and carved objects without direct contact, so as not to cause like props processing deformation and loss.This paper adopts the Arduino microcontroller and Delphi language was designed and implemented a mini laser engraving machine can be directly to engraving system.Modules of this system in

5、cludes mainly for serial communication module, central processing module, motor drive module, laser driver module, the structure of the mechanical transmission module, the exterior framework module part, has a weak light positioning, burn carved in non-metallic surfaces by computer transmission desi

6、gn, repeat engraving, seal carving, Yin and Yang, and other functions.System mainly adopts the Arduino UNO type single chip module, central processing system software to communicate via a serial port communication module and the upper machine, using the PC software for engraving machine system inclu

7、des complete manually moving around, automatic switch laser, carvings, and other functions.Mechanical transmission structure parts produced by using 3 d printing technology of the sliding block, with the combination of the stepper motor, high precision of transmission.Key words: Arduino; laser engra

8、ving technology; stepper motor; 3D printing technology目录引言11 设计要求21.1 毕业设计题目21.2 设计的主要功能22 工作原理和系统结构23 硬件设计33.1 系统总电路图33.2 控制和数据处理模块43.3 串口通信电路103.4 电机驱动模块153.5 激光管驱动模块183.6 机械传动结构模块193.6.1 3D打印件193.6.2 二相四线步进电机213.6.3 亚克力面板243.6.4 滑台244 系统软件设计264.1 Arduino IDE介绍264.2 Delphi7软件简介264.3 系统主程序设计274.4 各

9、个模块的软件设计284.3.1 系统初始化模块284.3.2 控制协议分析模块294.3.3 指令任务执行模块314.4 上位机控制软件设计与实现345 系统测试365.1 测试工具和环境365.2 激光雕刻机整机调试365.3 测试流程376 总结40致 谢41参考文献42第 42 页 共 42 页桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸引言激光在20世纪60年代问世之后，在生产中很快得到了应用，而后，对其相关的基本理论研究不断的加深。各种各样的激光器逐步的发展起来，使得激光的应用领域也不断的被拓宽，规模也逐渐的被扩大，产生的社会与经济效益也更加的显著。激光技术得到了各个科技发达国家的高度重

10、视，并且也得到了许多发展中国家的高度重视，同时也给与了大量的投入。在二十世纪的科学技术发展中，新兴科技之一的激光技术成为了那个时代重要的发展标志。而自二十世纪八十年代至今，激光技术被全球的很多国家及政府作为国家级别的建设发展计划。例如, 英国的阿维尔计划, 美国的激光核聚变计划，日本的激光研究五年计划等。因为这些计划的实施使得激光技术迅速的发展起来，并且形成了一个生气盎然的新兴产业。大量的学科技术，多样的生产水平因为激光技术的发展而得到了提高。激光技术作为高新的加工工艺，广泛的被用来进行雕刻切割的处理，同时其得到了非常快速的发展。由于激光雕刻切割技术的机械传动结构搭建起来方便灵巧，并且低噪，低

11、损耗，高精度，拥有广泛的适用性，对于控制软件的开发设计十分方便易于控制。因为在高能量激光聚焦后，能够将被加工件瞬间气化，以此获得雕刻切割的效果，这样被加工的材料表面受到的影响较小，不会造成加工材料的刮痕或变形等，加工的缝隙也较小，尤其是对亚克力材料，切口较为整齐，无接触的加工所以不会产生加工接触力，无刀具的损耗，无模具，工件也无需特别装夹。而对激光雕刻技术的原理学习了解，及如何实现高精度雕刻等等，可以促进激光雕刻产业的发展。因此，迷你型激光雕刻机系统的设计是让更多人接触到激光雕刻技术的一项重要课题。市面上动辄几千上万的激光雕刻切割机器是普通人无法轻易尝试的，这对于那些想要接触激光技术的人们来说

12、，无疑是一道很高的门槛，而本设计的迷你型激光雕刻机系统，将激光雕刻技术从工业大型设备转变为家用小型设备，降低了激光雕刻技术的学习成本，使得更多有兴趣的人参与到激光雕刻技术的学习研究中。通过开发傻瓜型的控制软件，将机械传动部分小型化，采用功率较小的激光器，使得激光雕刻机变得简便易携带，操作也极为简单，同时也支持使用CNC机床的Gcode控制代码，因而能够对本机器进行二次开发学习。1 设计要求1.1 毕业设计题目 迷你激光雕刻机的设计与实现1.2 设计的主要功能本设计以Arduino UNO型单片机为核心，制作一个迷你激光雕刻机的设计和实现的主要功能如下：（1） 实现弱光定位，通过PWM的调节，将

13、激光的强度降至一个较低的数值，以便于雕刻前的定位设置。（2） 在非金属的物体表面烧刻出由计算机传输的图案，由上位机的控制软件发送指令至单片机进行动作。（3） 支持重复雕刻，在一次雕刻完成之后，雕刻机会自动返回雕刻初始位置，此时不移动电机位置，直接生成指令，可以再次在同样的位置进行雕刻，以达到修补首次雕刻时未出雕刻效果的部分区域。（4） 支持印章的阴阳雕刻，在光敏垫或部分胶皮材质上进行印章的雕刻，雕刻成型后即可上油墨进行盖印。（5） 可通过电脑端软件控制进行手动的上下左右移动，开光激光器等行为。（6） 使用由Arduino UNO型单片机构成的中央处理模块，完成对指令的发送接收，数据的处理以及进

14、行控制。2 工作原理和系统结构根据设计的要求，本课题的迷你激光雕刻机的设计与实现主要系统分为六个模块：串口通信模块、中央处理模块、电机驱动模块、激光器驱动模块、机械传动结构模块、外型框架模块，系统结构如图2-1所示。图2-1 系统结构框图1) 中央处理模块主要采用Arduino UNO型单片机设计，为本设计的核心模块，主要负责对其他部分进行数据处理和控制。2) 串口通信模块采用PL2303HXD芯片，对RS232电平与USB电平进行转换，负责电脑与单片机的实时通信传输。3) 电机驱动模块该模块使用了L9110S电机驱动芯片，该芯片主要是为了控制和驱动电机而设计。该芯片有两个TTL/CMOS兼容

15、电平的输入，故每驱动一个步进电机，则需要两枚L9110S芯片来提供二相四线步进电机所需要的线序脉冲。4) 激光器驱动模块使用SS8050 NPN型三极管构建控制激光器的开关电路，单片机通过发送高低电平信号，来控制三极管的通断。5) 机械传动结构模块由3D打印件、二相四线步进电机、亚克力面板组成，亚克力面板作为底板承载支架与电机，3D打印件与步进电机接合之后，步进电机能够带动3D打印件进行移动，以此达到机械传动的目的。6) 外型框架模块外型框架模块主要使用亚克力面板，通过螺丝的接合，制成搭载机械传动结构模块和电路板等物件的支架。3 硬件设计3.1 系统总电路图由Arduino UNO型单片机构成

16、的中央处理模块；由PL2303HXD构成的串口通信模块，四枚L9110S电机驱动芯片构成电机驱动模块；SS8050 NPN三极管构成激光器驱动电路，系统总电路图如图3-1所示。图3-1 系统总电路图3.2 控制和数据处理模块控制和数据处理模块采用Arduino UNO型单片机构成，由于Arduino单片机拥有运算能力较强，并且软件编程控制方便，功耗低，体积小、I/O口资源丰富、内置AD模数转换、通用性强和成本较低等优点。通过外界变压器提供的+5V电压供电，有源晶振输入时钟，控制模块能够正常工作；通过与串口通信模块连接上位机，可实现程序的下载，支持在线调试程序，并能使用上位机软件给单片机发送指令

17、，从而控制各个模块正常工作。控制和数据模块电路如图3-2所示。图3-2 控制与数据处理模块 Arduino，是一个开源的软硬件平台，通过对AVR单片机的二次封装开发，简化了单片机引脚的使用，并且有专用的开发编程语言。这个著名的开源硬件项目，诞生于意大利的一所设计学校。马西莫的学生经常抱怨找不到一个物美价廉好用的单片机来对机器人进行控制。之后，马西莫和朋友大卫讨论了这个问题，他们决定设计自己的电路板，并邀请学生大卫梅利斯设计编程语言。一个星期后，设计完成。电路板被命名为Arduino，来自学生经常去附近的一个酒吧。聪明的马西莫认为开源能够产生更广泛的传播效应，给Arduino带来更多的关注。于是

18、，他将设计数据发布到网上。正如马西莫所设想的那样，在短短几个月的时间，Arduino的发展快速增长，而且充满激情的爱好者也提出了很多改进电路和程序语言的建议。表3-1 主要性能参数工作电压1.8V-5.5V外部供电电压7V-12V最大外部供电电压（不推荐）20V数字输入/输出口14PWM 610位ADC 8 / 6(DIP)单个输入/输出管脚的直流电流值40mA3.3V管脚直流电流值50mAFlash Memory32KBSRAM2KBEEPROM1KB时钟频率16MHz16位定时器 / 计数器 18位定时器 / 计数器 2RTC YESSPI 2UART 1TWI 1WDT 1（带独立片内振

19、荡器）外部中断 24睡眠模式 6种硬件乘法器 YES片内振荡器 YES引脚电平中断/唤醒功能 YES掉电检测 YES上电复位 YES模拟比较器 YES工作温度范围:-40至85Arduino UNO单片机两种封装引脚如图3-3和图3-4及其功能：图3-3 TQFP32型封装图3-4 PDIP28型封装（1） VCC：数字电路的电源（2） GND：地（3） 数字端口（D1.D13）D1至D13是arduino经过重新封装之后进行编号的管脚，具有正常的数字输入输出功能，它的工作电压为5V，每一个I/O口能够接入与输出的最大电流为40毫安，同时也内置了20至50K的上拉电阻（默认为不连接状态）。除此

20、之外，有部分管脚具有其他特定的功能。1 D0、D1引脚：D0为串口信号RX，D1为串口信号TX,它们与串口通信芯片相连接，为串口信号的接收提供TTL电压。2 D2、D3引脚：外部中断触发引脚。3 D3、D5、D6、D9、D10、D11引脚：能够输出PWM脉冲。4 D10（SS）、D11(MOSI)、D12(MISO)、D13(SCK)：SPI通信接口。（4） 模拟端口（A0.A5)A0至A5是ADC输入管脚，在单片机内部配置有一个10位的ADC寄存器，用于将读入的模拟数据进行处理，将其转变为数字，便于用户对数据进行处理。（5） RESET复位输入引脚。低于最低时间低阈值长会导致系统复位。脉冲持

21、续时间小于复位之间的阈值。（6） XTAL1是晶振的输入端。（7） XTAL2是晶振的输出端。（8） AVCCAVCC为模拟A口与模数转换器提供了电压，若是ADC尚未进行工作，则AVCC与电源VCC进行连接。（9） AREF：进行A/D模数转换时需要的基准电压输入引脚。（10） 晶体振荡器如图3-5所示，石英的晶体与陶瓷谐振器一般常常被用来制作该振荡器。图3-5  晶体振荡器连接图若是要震得到的幅度完满，则需要对熔丝位CKOPT进行一定的程序编译工作。对于噪声环境与需要驱动第二时钟缓冲器的情况来说该模式非常适用，并且该模式的频率范围很宽1。若CKOPT没有被进行编程，则振荡器输出幅度

22、会变得比较小。这样就会降低器件的功耗，但是也因为这样，就导致了频率范围缩小，也不能够再运行别的时钟缓冲器。就谐振器而言，没有得到程序编译的CKOPT，其最大的频率是8兆赫兹，而经过程序编译之后则可以达到16兆赫兹。无论采用的是谐振器或晶体，两个电容的值要求相等，它们的值也可能取决于环境中的各项杂质参数1。表3-2 晶体振荡器工作模式CKOPTCKSEL3.1 频率范围 (MHz)电容C1和C2的推荐使用范围(pF)1101(1)0.4 - 0.911100.9 - 3.012 - 2211113.0 -&

23、#160;8.012 - 220101, 110, 1111.0 12 - 22晶体振荡器器拥有三种不同的工作模式，这三种不同的工作模式每一个都有一个最优的频率范围。通过对CKSEL3.1的进行一定的设定也会影响到振荡器的工作模式，如表3-2所示1。如图3-6所示，由于芯片采用了哈弗结构，并且具有单独分立的数据与程序总线，因此得到了最高的性能与并行性。程序存储器中的指令流水线通过各级运行。每当CPU执行一条命令时也会读取下一条的命令，单时钟周期运行指令由此得到实现11。在芯片的内部，通用工作寄存器被设计在快速访问寄存器中，而

24、当你需要对其进行访问的时候只需要一个时钟周期，因此ALU操作能够在一个时钟周期内进行的想法得以变为现实。当有两个相等的操作数在进行ALU操作的时候，它们的寄存器被访问，然后就会执行操作，将得到的结果发送回来，在这样的一次操作，也只需要一个时钟周期的时间。间接寻址寄存器指针能够对数据空间进行寻址，提高地址运算的效率，并且使用存储器的地址指针时，也可以利用其中一个指针来为其进行查找表的工作11。寄存器之间、寄存器与常数之间的运算可以使用ALU操作进行，单寄存器也能够进行ALU操作。在进行ALU之后，状态寄存器就能获取并显示新的结果。有无条件的跳转与指令的调用产生了程序的流通，以此能够对整个地址空间

25、进行直接寻址的操作1。引导程序区、应用程序区存在于程序存储器空间中，他们都具有特定的锁定位以及读写的保护。引导程序区中可以进行应用程序区的SPM指令编写。在堆栈中保存了中断以及子程序被调用时的程序计数器。而通用数据SRAM的大小也影响了置身其中的堆栈的大小。一个便于使用的中断模块被设计在芯片之中。控制寄存器会被设计在输入输出的空间里，而全局中断使能位被设计在状态器中。任何一个中断都会在中断的向量表里面获得一个单独分立的中断向量，如果优先级越来越低，那么就说明了它的地址越来越高。图3-6 芯片结构方框图3.3 串口通信电路本设计中采用PL2303HXD作为单片机与上位机之间的通信连接。PL230

26、3HXD自身的TXD和RXD引脚与单片机的PD0(RXD)和PD1(TXD）进行连接，以实现数据的传输。串口通信电路如图3-7所示。图3-7 串口通信电路在市面上有许多集成了RS232-USB接口的转换器，而我选择了PL2303HXD来设计串口通信模块。这块芯片能够使用了USB的接口，并且是一个全双工异步的串口通信设备，它的内部配置有振荡器，USB的控制与收发器，兼容UART协议，而为了能够让USB与RS232之间信号的转变也只是需要对外围电路加装若干颗电容器便能够完成需求。由于它的外围电路体积小，因此可以方便的内嵌进各种各样的电路及设备中，同时它也可以自动完成数据接收与发送的工作，令技术员不

27、需要再考虑其他的设计2。大多数的操作系统都能够安装上PL2303HXD的驱动程序，在电脑上可以显示为传统的COM口，也能够让基于COM口的应用轻松的转变成USB口的应用程序，而且通讯波特率能够达到6mb/s。它具有低功耗的睡眠与工作模式，对于手持设备是一个非常好的选择。PL2303HXD具有的特点包括：完全兼容USB协议；能够对波特率进行编程设置；可以设置不同的输出电压，以此来满足各种电压的应用需求；双向数据缓冲可以调节并且有512字节大小；内部有默认的ROM，也能够使用外置的E2PROM对设备的相关信息进行存储2。PL2303HXD主要性能参数：1. 兼容USB规范2.0 

28、; 2. 芯片内设计有USB 1.1收发器 3. 对RS232串行接口有良好支持 1） 全双工发送器TxD和接收器RxD2） RTS，CTS，DTR，DSR，DCD和RI的作用为调制解调控制 3） 5至8个数据位4） 具有各种握手模式 6） 奇偶判错，帧错误和串行中断检测 7） 可编程波特率从75bps到6 Mbps 8） 外部的RS232驱动下降控制 9） 独立的串行接口电源 4. 宽

29、广的流量控制机制 1） 自动与CTS / RTS流控制 2） 自动使用的XON / XOFF流量控制 3） 入站数据缓冲区溢出检测  5. 可配置的512个字节双向数据缓冲器 1） 256字节的输出缓冲区和256字节的输入缓冲区 2） 128字节的输出缓冲区和384字节的输入缓冲区 6. 具有唤醒的功能，通过远程控制相关调制信号的输入7. 四个通用的I/O口8. 外部的EEPROM可以用

30、于机器运行时对配置的存储  9. 驱动程序支持各大主流操作系统  10. 获得了微软驱动程序认证11. 小尺寸的28引脚SSOP封装图3-8 PL2303HXD引脚图各个引脚的功能解释如表3-3中所述。表3-3 各个引脚功能引脚 名字 类型 引 脚 描 述 1TXD输出 数据输出到串口； 2 DTR_N 输出 准备数据终端，低电平有效； 3 RST_N 输出 发送请求，低电平有效；

31、60;4 VDD_325 电源 IC电源，串口电压是多少V，那么串行端口就是多少V；5 RXD 输入 串口数据输入； 6 RI_N 输入/输出串行端口（环指示器）； 7GND 电源 接地； 8 NC   无连接9 DSR_N 输入/输出串行端口(数据集就绪) 10 DCD_N 输入/输出串行端口(数据载波检测) 11 CTS_N 输入/输出串行端口

32、(清除发送) 12 SHTD_N 输出 控制RS232收发器关机 13 EE_CLK 输入/输出串行EEPROM时钟 14 EE_DATA 输入/输出串行EEPROM数据 15 DP 输入/输出USB端口D+信号 16 DM 输入/输出USB端口D-信号 17 VO_33  常规3.3V电源输出 18 GND  接地 19 NC 

33、; 无连接 20 VDD_5 电源 USB端口的5V电压电源 21 GND  接地 22 GP0 输入/输出通用I/O引脚0 23 GP1 输入/输出通用I/O引脚1 24NC  无连接25 GND_A  模拟地锁相环 26 PLL_TEST 输入 锁相环测试27 OSC1 输入 晶体振荡器输入 28

34、0;OSC2 输入/输出晶体振荡器输出3.4 电机驱动模块本电机驱动模块采用L9110S电机驱动芯片，驱动电路如图3-9所示。图3-9 电机驱动电路其主要工作原理为：L9110S与单片机IO口进行连接，单片机收到上位机发送的指令后，依据单片机的内部程序给L9110S芯片输送相应的电平，一枚L9110S芯片包含两路输入、两路输出引脚，而一个二相四线步进电机则需要两个L9110S组成四路端口来完成对步进电机线序的输出。在本设计中采用的L9110S芯片是一枚能够对电机进行控制与驱动的芯片，它的内部包含了相应的分立电路器件，具有两组输入输出端口，减少了外围电路的设计，以此降低了成本，同时也让

35、系统安全性能有了显著的上升。两个输入端配置了TTL/CMOS，以此兼容电平，它们被设计在了芯片的内部，具有不错的抗干扰特性；而在输出端部分，每一个输出端能够输出大约800毫安的电流，以供对电机正反向转动的直接驱动，瞬间峰值电流能够达到2安；这枚芯片在各种电机或电磁器件上能够进行稳定无风险的驱动，这是由于它的内部安装了钳位二极管，使得芯片的输出饱和压降的值变得更小，令驱动时可能会造成的不良影响得以降低3。L9110主要性能参数：1. 宽电压的范围：2.5V至12V； 2. 每一个输出端能够持续输出800毫安的电流； 󰂄 3. 饱和压降的值比较低；&#

36、160;4. CPU可以直接进行连接，电平输出兼容TTL/CMOS5. 输出内置钳位二极管，适用于感性负载； 󰂄 6. 在芯片内部集成了控制与驱动功能； 󰂄 7. 管脚具有高压保护； 󰂄 8. 能够正常进行工作的温度为：从零下20摄氏度至80摄氏度。 L9110相关的电气性能介绍如表3-5中所示。表3-5 电气性能符 号 参 数  最 小典 型 最 大 单 位最大Vcc

37、电源电压2.2 512伏特最大Iout  输出的电流800 1000毫安 VHin输入的高电平2.2512伏特VLin输入的低电平00.450.6 伏特最大Pd 允许电源消耗800毫瓦Topr 能操作温度 -3525 80摄氏度L9110的封装如图3-10所示，本设计中采用的是SOP8型号封装。图3-10 L9110封装图图3-11 L9110引脚图L9110的引脚如图3-11所示，表3-4为引脚功能的介绍。表3-4 引脚功能介绍序号 符号 功能 1 OA

38、 A路输出管脚2 VCC 电源电压 3 VCC 电源电压 4 OB B路输出管脚5 GND  地线6 IA A路输入管脚 7 IB B路输入管脚 8 GND 地线引脚在接收信号时的波形如图3-12所示。图3-12 引脚波形图L9110引脚之间的电平逻辑关系如表3-5所述。表3-5 电平逻辑关系IAIBOAOBHLHLLHLHLLLLHHLL3.5 激光管驱动模块在本设计中，使用的是100mW的蓝紫

39、光激光器，采用SS8050 NPN型三极管作为控制通断的开关电路，驱动电路如图3-13所示。图3-13 激光器驱动电路在驱动电路中提供了两路输出，分别并联了四个8050三极管，因而支持升级大功率的激光管。单片机的I/O口连接8050三极管基极进行通断控制，D10引脚控制通断的一路为激光的负极，在设计的过程中，由于单片机在利用ICSP烧写Boootlader的时候需要使用到D11引脚，而电路中产生的漏电流影响到了该I/O口的电平，进而影响烧写，故D11引脚控制通断的一路改为激光的正极，以避免上述情况的发生。之所以选用SS8050三极管，是因为其是大众普遍使用的一种NPN型晶体三极管，我们可以在各

40、种各样的电路设计中看到它，它的使用范围非常的广泛，而在本设计中主要作用为开关电路。图3-14 8050三极管TO-92封装图在本设计中，处于对电路板的体积上的考虑，所以采用了的8050 三极管，它的封装为SOT23，如图3-15所示。图3-15 8050三极管SOT-23封装图8050的主要性能参数：1. 类型:开关型;2. 极性:NPN;3. 材料:硅;4. 集电极电流max:0.45 A;5. 直流电增益:10 to 60;6. 功耗:625 mW;7. 集电极-发射极电压max:24; 8. 特征频率:150 MHz9. PE8050 类型为NPN型三极管 耐压值30V 最大电流1.4A

41、 10. 3DG8050 类型为NPN型三极管 耐压值25V 最大电流1.4A11. 2SC8050 类型为NPN型三极管 耐压值25V 最大电流1.4A12. MC8050 类型为NPN型三极管 耐压值25V 最大电流650mA13. CS8050 类型NPN型三极管 耐压值25V 最大电流1.4A3.6 机械传动结构模块本模块主要由3D打印件、二相四线步进电机、亚克力面板组成，通过3D打印的滑块与步进电机的结合，从而达到步进电机带动滑块移动的目的。机械传动结构分为X轴滑台与Y轴滑台，X轴装载激光管进行横向的左右移动，Y轴上有置物面板，被雕刻物放置于面板上，进行纵向的前后移动，以此完成雕刻的

42、功能。3.6.1 3D打印件在设计中，3D打印件包括有滑块、支撑与别子，分别为图3-16、图3-17、图3-18所示。3D打印普遍使用的是ABS或PLA材料进行打印，即将数字模型逐层切片，一层一层进行打印，也有部分厂商已经开发出了可以使用其他材质进行打印的3D打印机。由于它能够快速的得到模型实物，因此对产品原型机的各个零件设计起到了十分重要的作用。本设计中，通过使用soildworks 3D建模软件，对机械传动结构模块中的部分零件进行了3D建模，再由3D打印机热堆叠打印出来。同时，本设计中3D打印部件所使用的材料为PLA材质，即通常所说的聚乳酸，这种材料是一种最近新兴的生物可降解材料，它充分使

43、用了可以再生的植物资源，例如玉米等所提炼得到的淀粉原料制作而成，其机械性能良好。PLA这种材料除了上述的可降解特性，同时也有属于自己的特性。一般来说，传统旧时所使用的生物可降解材质，它们的透光度，物理强度，对气候变化的抗力都不如普通使用的塑料材质。然而，PLA材料却具有比传统生物可降解材料更好的透光性，物理强度与良好的延展与抗拉强度，这就让它成为了各种产品广泛使用的材料。图3-16 3D打印滑块结构图3-17 3D打印支撑结构图3-18 3D打印别子结构3.6.2 二相四线步进电机本设计中使用的是二相四线步进电机，如图3-19所示。图3-19 二相四线步进电机本设计中使用的是二相四线步进电机。

44、从总体而言，所谓步进电机，就是以每一次的转动角度作为一步，通过单片机发送相应的脉冲，得到相应的角度位移，就是“步距角”，以此来对步进电机进行控制。在步进电机非过载状态停止时，它的位置、频率以及速度通常受到脉冲的数量控制，而不会因为负载产生变化。所以，精确定位可以利用脉冲数对角度的位移进行控制，并且脉冲的频率也可以对步进电机的速度进行调整。普遍的，大部分的步进电机接线都可以通过线的颜色进行区分，又因为步进电机的生产厂家的不同，导致了线色的不完全相同，因此，需要利用万用表对步进电机的引脚进行检测，确定线序。步进电机的内部结构就如图3-20所显示的那样，A与A-是相通的，B与B-是相通的。所以，A与

45、A-是一个组，B与B-则是另外一个组。图3-20 步进电机内部构造图步进电机的静态相关参数如下4：1. 相数：通常用m来表示这个参数，它指的是线圈在不一样的磁场里相应产生的对数。2. 静转矩：当电机在额定静电效果时，电机没有旋转运动，电机轴锁紧扭矩。3. 拍数：一般使用n进行表示，它指的是由于周期性的变化，其相应磁场中则应该有的脉冲数量，或者也可以表示为它转过一个齿距角应该要有的脉冲数量。4. 定位转矩：它指的是在我们没有给电机进行加电的时候，转子本身的锁定力矩。5. 步距角：它指的是，我们通过控制系统每次发送一个脉冲信号之后，电机进行转动的角度。用表示，的结果通常等于360度乘以（转子齿数量

46、*运行拍数），若以二相50齿的步进电机进行举例，那么运行步距角四个节拍是1.8度（一般叫作整步），八拍为0.9度（一般叫作半步）。步进电机动态指标术语4：1. 步距角精度：这是一个误差值，它的存在是由于电机每次转动一圈产生的实际的和理论中计算出来的值之间的一个差值而得到。可以通过一个比例的计算来进行表示，即是误差除以步距角再乘以百分比。不同的运行拍数这个数值不同，当以四拍运行的时候应该小于4%左右，当八拍运行的时候应该小于16%左右。2. 失步：当理论上应该产生的步数与步进电机实际运转时产生的步数不同时，则认为失步。3. 失调角：这是一个角度，是由于转子与定子之间齿轴线产生了差值，所以只要步进

47、电机在工作，就一定会出现失调角，即使是细分也没有办法消除。4. 最大空载起动频率：可以认为是在没有负载的情况下，步进电机以特定的驱动方式、电压及电流中所能够产生的最高的转动频率。5. 运行矩频特性：通过一定的要求测试出来的情况中，可以获得一个在转动时输出力矩与频率之间关系的曲线，这条曲线就是通常我们所说的运行矩频特性，这条曲线在步进电机大部分的动态曲线中显得尤为重要，通常也以此作为依据对步进电机的使用进行选择。6. 电机正反转控制：电机的时序为12-23-34-41时为正向转动，而时序变为41-34-23-12则是反向转动。步进电机的主要特点4：1. 步进电机的精度误差不会产生累积，通常就是说

48、在每一步表现出来的结果与理论计算出来应该到达的位置和之前的每一步产生的误差都是没有任何关系的，例如步进电机步距角1.8°，精度5%的话，就是每一步的实际到达的位置和理论上应该到达的位置之间的角度误差范围在步距角的5%之内，也就是每一步所在位置和理论位置的角度偏差在0.09°之内。2. 电机表面可以承受的最高温度。首先，不可控的过度高温就会使得电机产生退磁的现象，因此而影响到力矩，使其下降或是失步，所以，对于步进电机来说，它所能够承受的上限温度受制于不同的磁性材料的退磁点，对于大部分的材料来说，它们的退磁点通常在120摄氏度以上，也有超过这一数值的材料，可以达到190摄氏度，

49、六七十摄氏度的表面温度对于电机的运行是很正常的，不需要担心电机因为高温运行而损坏。3. 电机的力矩随着转速的降低而上升。在电机工作时，电机内部产生一个反向电动势，它的频率越低，产生的反向电动势则越小，由于它的存在，电机的速度减少下降，则力矩就会上升。4. 电机的速度高过一定数值之后就会产生啸声，同时也没有办法正常运转，而将速度降低之后，就可以正常启动工作。因为具有明显的特点，步进电机在这个科技不断发展，各种技术不断兴起的时代起到了不可替代的作用。在未来，经过一定的研发努力，步进电机的使用领域会得到不断的拓宽，变得更为广泛。步进电机的主要特性4：1. 驱动步进电机能够操作的驱动信号必须是一个脉冲

50、信号，当没有脉冲时，步进电机处于静止，若添加一个合适的脉冲信号将是在一个角度（称为步角）转动。频率正比于旋转速度和脉冲。2. 通常3X16个脉冲才能使三相的电机完成一圈的正常转动，这是因为它的步进角为7.5度，所以在使用的过程中需要充分考虑编程。3. 在很多场合中需要即时的对步进电机进行控制，而它的即时启动与急停能力就能满足需求。4. 为了对步进电机的转向进行变化，则需要调整相应的时序。3.6.3 亚克力面板在设计中，用亚克力面板分别切割制成了滑台底板与载物面板，如图3-21和图3-22所示。图3-21 滑台底板图3-22 载物面板3.6.4 滑台滑台由以上介绍过的3D打印件、二相四线步进电机

51、、亚克力面板组成。分别分为X轴滑台和Y轴滑台，两个滑台的结构基本相同，不同处在于，X轴上滑块搭载的是由别子固定的激光管，而Y轴的滑块上搭载的则是载物面板。由于设计的局限性，滑台的移动并不是同步的，而是先做横向运动，再做纵向运动。图3-23 X轴滑台图3-24 Y轴滑台3.7 外型框架模块外型的框架结构同样采用亚克力面板切割制作，并用不锈钢螺丝螺母结合。图2-25 外框框架4 系统软件设计4.1 Arduino IDE介绍Arduino IDE是Arduino的软件编程平台，由于其开源的特性，使得开发者可以方便的通过这样的开发环境对自己作品进行开发设计，同时IDE也具有良好的UI设计，所使用的编

52、程语言也是类C风格，任何对C语言有一定基础的开发者都可以对其轻松上手使用，而对于新手来说，入门的门槛也降低许多。由于Arduino的开源收获了大量的开发者分享的库文件，在制作作品或是学习使用的过程中就能省去了需要自己编写库文件的麻烦，从而加快了产品的开发时间。Arduino的IDE界面仅有六个按钮，分别为编译、上载、建立新程序、打开程序、保存程序、及串口监视器，简便的界面使得初学者能够更容易的对软件进行操作，而不会产生误解及疑惑，而面对那些功能繁复，有着许多眼花缭乱按钮的强大软件来说，更适合新手的使用，有利于培养并延续初学者的兴趣与信心。4.2 Delphi7软件简介Delphi7.0是美国一

53、家叫做宝蓝的公司设计开发的一个功能十分强大的编程软件，因为具有了可视化的编程环境，在使用过程中，就可以方便快捷的应用各种内嵌的组件，因为了有了大量的组件，让开发人员能够快速对应用程序进行设计与搭建，同时也能够依据自己的需求，重新修改编写相应的组件5。业界普遍称呼Delphi为第四代编程语言，因为它非常的易用，开发效率高，拥有大量的内嵌组件，功能强大。相对其他的语言，比如VC语言，它更为易学，更容易掌握，但是功能上绝不差于VC5。同时，Delphi中还提供了各种开发工具，包括了图像的编辑，数据库的处理，组件的编写，有各种各样的应用对于数据库的开发。另外，Delphi也可以自己的用户安装别的工具，

54、这使得它的使用变得更为广泛，这就是Delphi这个工具在行业内所具有的极大的优势5。Delphi在数据库方面也有着突出优势，能够让用户得到了更强大的数据库功能，例如：各种数据库结构的适应，从服务器/客户端模式到多层次的数据结构模式，更为高效率的数据库管理系统及引擎；更为强大的数据分析工具，以及海量的企业组件5。4.3 系统主程序设计该系统采用了模块化的软件编程，即所谓的模块化设计意味着程序编写开始时是先通过所需要的主函数、子函数、子过程之类的框架将整个控制软件的主要流程和结构进行表达，并安排定义调试好每一个框架间的输入、输出链接关系，而不是通过一个项将上位机的控制命令及相应的语句写入。为了获得

55、一系列算法来描述功能块作为一个单元是逐步细化的结果，并充当一个单元块的编程的方法中，实现其算法称为模块化。通过模块化进行编译的程序有着许多十分容易看到的好处，在一个软件开发的期间，完整的模块化的设计能够十分方便与顺畅的对编程的实现，使得其在实现过程中能够一直保持清晰的思路，减少潜伏的BUG，而在维护的期间，也有利于其他人的理解。本系统的下位机软件设计使用的编程语言是Arduino的类C语言，该语言是在原有C语言的基础上，重新封装定义，其优点在于仅需掌握少数几个指令，稍微了解C语言就可以轻松上手，快速应用，指令的可读性强。同时，由于其开源的特性，不需要像传统的C51单片机那样，需要自己编译大量的

56、类库，而是可以直接使用他人分享的库文件，因此，在作品的设计的过程中能够更快的开发出原型机。软件设计包含的环境名称：电脑端的操作系统环境为64位Windows 7，单片机的编程开发平台、以及程序下载使用的都是Arduino IDE，电脑端控制软件开发的平台是使用了Delphi7。主程序模块通常所应该做到的事情就是在机器启动之后对整个控制系统进行初始化以及对整体的软件系统的框架进行一定的构建，首先是机器与电脑端进行通信连接，并在电脑端的界面显示OK，确认连接成功，然后对各个I/O口进行初始化设置，再等待上位机的指令，进行下一步的操作。本设计的流程图如图4-1所示。图4-1 主程序流程图4.4 各个

57、模块的软件设计4.3.1 系统初始化模块1） 在Arduino软件体系中，需要先对单片机的I/O口等各项功能进行初始化设置，因此系统初始化模块的主要工作为对整机的引脚等进行初始化，系统在进行初始化设置时的模块程序流程图如图4-2所示。图4-2 系统初始化模块流程图2） 系统初始化模块的核心代码如下所示：void setup() Serial.begin(9600);/设置串口波特率pinMode(laser_pin, OUTPUT);/设置激光器控制I/O口状态digitalWrite(laser_pin,LOW);/设置激光器控制I/O口为低电平myStepper1.setSpeed(32);/步进电机