基于单片机的激光打标旋转台设计

基于单片机的激光打标旋转台设计目录TOC\o"1-3"\h\u132081引言 摘要：为有效改善激光打标在打印非规则圆柱型物体时，激光无法自动调节聚焦面的情况，该文设计了一款基于STC89C52的激光打标旋转台。系统以STC89C52为主控制器，通过压力传感器采集物体给其的压力，并与主控器设定参数比较，根据控制策略，调节放置物品的升降平台高度，达到使物体表面位于激光打标聚焦面的目的。关键词:压力传感器；步进电机；STC89C52单片机1引言激光加工技术是利用激光束对工件表面进行加工和处理的一种高精度加工方法，包括激光打孔，激光雕刻，激光切割，激光焊接等。激光打标也是激光加工技术里广为应用的一种途径，它通常用于在物体表面进行图案，数字，文字等的标记，在目前的制造业中有着广泛应用，比如可以对金属、陶瓷、玻璃、塑料等物品进行图像刻画，可以起到装饰或者标识作用，相比起其他打标方式，激光打标产生的环境污染少，打标清晰，打标效率高，在多个重要领域都有很好的应用价值和前景。激光打标的效果受焦点影响极大,稍微高于或低于聚焦面高度，都会因为能量不足，无明显打标痕迹，而调大激光功率又会对物体造成损伤。[1]寻常激光打标台因为不能根据物体高度进行自动调焦，通常只能在平面打标，所以出现了旋转激光打标台，可以通过使柱体或球体旋转，使激光对曲面也能打标。但由于现代工业的发展，越来越多的表面起伏大的非规则工艺品开始出现，普通旋转打标台虽然能解决激光无法对曲面物体进行打标的问题，但无法解决物体曲面切面高度不统一，与激光聚焦面不在同一水平面的问题。因此对一些表面有高低落差的柱形物体而言，打标效果不是很好，经常会有图像发生变形，打标痕迹不统一等情况的出现。而本旋转打标台可以使激光在非规则圆柱形物体上进行均匀打标，能够减少上述情况的发生，使得激光打标的适用范围更广。2激光打标旋转台的总体设计图1组成框图如图1所示，该激光打标旋转台由三大部分组成，使物体升降的升降平台，控制物体升降的控制系统以及机械框架。整个作品在机械框架中运行。激光打标机驱动步进电机1带动滚轴旋转，从而使柱形物体旋转，柱形物体在横躺旋转过程中，切面高度不一致，触碰到贴近物体表面安装的压力传感器，产生信号，并传给单片机，单片机将信号处理后控制丝杆步进电机旋转，使物体上升或者下降。3激光打标旋转台的硬件设计3.1激光打标旋转台的机械设计3.1.1机械框架搭建图2机械框架示意图整个作品的机械框架如图2所示，采用铝型材进行搭建，铝型材搭建结实且美观，且轻便快捷，成型方便，搭建周期短。激光打标旋转台框架的具体数据如表1所示。采用的是2cm*2cm的铝型材。整体框架长宽高分别为40cm、24cm、29cm；两层升降台长宽分别为15cm、15cm；滚珠丝杆长17cm，导柱长23cm。表1激光打标旋转台的具体数据长/厘米宽/厘米高/厘米材质整体框架402429铝材升降台一层1515铝材升降台二层1515铝材滚珠丝杆17不锈钢导柱23不锈钢该框架的大小限定了打标物体的尺寸，适用于直径为3cm至10cm的柱形物体。3.1.2升降平台搭建该打标旋转台的升降部分类似于一个简易的丝杆升降机。丝杆升降机是利用螺纹丝杆的旋转运动，带动升降平台上下移动，从而实现物品的升降运输的装置。具体来说，当电机带动螺纹丝杆旋转时，螺纹丝杆上的螺纹与丝杆承重螺母上的螺纹配合，使承重螺母随螺纹丝杆旋转。升降平台固定在承重螺母上，当承重螺母移动时，升降平台也随之上下移动。丝杆升降机的升降速度与电机转速成正比，升降高度与丝杆长度成正比。丝杆升降机由电机、螺纹丝杆、承重螺母、丝杆套筒、升降平台等组成。其中，电机是丝杆升降机的动力源，螺纹丝杆和承重螺母构成了升降机的传动机构，通过螺纹的配合实现升降平台的上下运动；升降平台是丝杆升降机的工作部件，用于承载物品并实现升降运输。[2]整个升降平台放置在机械框架的右半部分。首先是升降传动装置的设计和搭建。升降平台可以看作一个框架滑块，选用单驱动（即一个步进电机）双丝杆作为升降平台的升降动力装置，利用同步传送带保证了两边丝杆运动状态同步，使滑块在上升时保持水平。单丝杆的模组需要考虑的丝杆长径比、导程、精度等，这些问题在设计双丝杆时也需要考虑。双丝杆模组还需要特别注意的是两个滚珠丝杆的同步问题。两个丝杆相当于两个动力，两个动力作用于同一个滑块上，两个丝杆不同步就会造成滑块卡住。因此选用单驱动加同步带的组合保证两根丝杆的旋转速度相同，上升高度相同。同步带安装在带有同步轮的固定在丝杆的丝杆套筒上。双丝杆分别安装在升降平台左右两边的中间位置，平台四角安装有固定作用的导柱，防止平台在上下移动过程中前后摇晃。T型丝杆相较于滚珠丝杆而言有一好处，在垂直运动过程中可以做到自锁，到达规定位置时，电机停止转动，即可停止上升或下降，不需额外加固定装置和减速装置。其次是升降平台的制作。放置物品的升降台由滚轴与两层铝制框组成，柱形物体放置在滚轴上，滚轴固定在框架上，框架之间有弹簧连接，弹簧安装在四角支撑的导柱上，这样降低了脆弱物体被磕碰坏的风险。下一步进行由激光打标控制的步进电机和滚轴的安装，电机安装在框架上方左侧，通过同步带和安有同步轮的滚轴相连，当电机旋转则带动滚轴旋转，从而使物体旋转。最后压力传感器横向安装在框架上方右侧。当物体上升到一定距离就会触碰到框架顶部的压力传感器，当物体继续上升就会产生更大的压力值。3.2激光打标旋转台的电路设计3.2.1激光打标旋转台的电路设计图选择用Proteus进行电路的设计示意图。设计示意图如图3：图3电路设计示意图3.2.2控制芯片及电机的选择本作品的主控制芯片选择为STC89C52RC。相较于ATC系列而言，STC89C52系列单片机的指令系统和ATC系列相同，但实际操作却更为简洁：烧录程序方便：ATC系列芯片必须用下载器才可下载程序，而STC89C52可以使用USB转串口下载，所需下载软件stc-isp可以从STC官网免费下载，且操作方法简单，还可以实时反馈单片机串口传输的数据；执行速度快：STC系列单片机的执行速度时ATC系列的3-30倍，在对时序有严格要求的模块进行控制时能更为精准；环境适应性强：STC系列单片机对工作环境要求低，电压高于3.3V就可正常工作，而ATC系列的工作电压必须达到5V。用于运动控制的电机主要有步进电机，伺服电机两种，能对自动化设备的运动轨迹和运动方式进行精准定位，常用于自动化设备制造领域。步进电机是离散运动装置。它的名字来源于它的工作特性，它是通过一步一步地转动固定的角度来运动的，每一步称为一个步进。当步进电机驱动器收到一个脉冲信号，就会驱动步进电机往设定的方向转动一个固定角度。这种工作原理使得步进电机能够以离散的方式准确控制位置和速度。[3,4,5]通过建立反馈回路，闭环步进电机具有了高效率、高精度的特点，不仅拥有伺服电机的部分性能，同时又价格低廉。且步进电机控制简单，只需用51单片机发送脉冲信号给步进电机驱动器即可，[4,5]而伺服电机需要另接驱动电路。又因为本作品有体积要求，步进电机有更为小巧的体型进行选择，所以选用步进电机作为运动控制装置。升降平台所用电机为42步进电机，选用型号为D5424681A，适用于小中型自动化设备。旋转滚轴选用电机同样为步进电机，型号为42J1834-810。3.2.3电机驱动的选择由于51单片机的I/O口输出电流过小，无法直接驱动步进电机，因此步进电机的运行需要用其他装置放大电流进行驱动。本作品选择的驱动器为雷赛M415B步进电机驱动器，用于驱动两相混合步进电机。驱动方法简单，所需单片机引脚少，只需要发射脉冲信号给相应端口即可。供电电源接到驱动器上，接上电源后，驱动器侧面指示灯发亮，标志着驱动器可以进行工作。图4雷赛M415B步进电机驱动器如图4为M415B图片，介绍如下：最上方四个接线端口为Signal端：PUL为脉冲输入信号。DIR方向输入信号，用于改变电机运转方向；不接该口会朝一个默认方向转动；ENA为使能信号，用于使能或禁止驱动器输出；OPTO为脉冲、方向、使能信号电源正端，接5v。最下方六个接线端口为HighVoltage端：A+和A-，B+和B-分别接步进电机A相和B相绕组的正负端。步进电机一般有两组共四条线引出，取两条线相连，若用手转电机不能转动，则为一组。将一组线接入A+,A-，另一组B+，B-。中间6个拨码开关端口为Setting端，用于控制细分数，输出电流大小，具体规则已在M415B表面的表格上写明。标签PKCurrent为峰值电流大小，使用时注意不要超过该值。峰值电流大小由s1，s2，s3控制，将三个开关按指定方式拨关即可。标签Microstep是细分数，一个细分数下电机转动1.8°。举例来说，1*1.8**200=360°，即在细分数为1.8°的情况下，旋转360°需要200个脉冲信号。细分数由s4，s5，s6,共同控制，将驱动器侧面s4，s5，s6拨到指定位置即可调节。3.2.4传感器模块的选择本作品选用的传感器为应变式称重传感器。传感器应变片用粘合剂贴在弹性体上（通常为合金材质的小长方体），在受到外力作用后，粘贴在弹性体的应变片随之发生形变引起电阻变化，电阻变化使组成的惠斯登电桥失去平衡，输出一个与外力成\t"/whf1205/article/details/_blank"线性正比变化的电压信号，[6]如图5所示。应变式称重传感器又被称为拉压力传感器，被广泛用于工业称重、配料秤、电子秤、领域秤、吊钩秤等检测压力的测力场所。称重传感器感受到的重力实际上为物体给其的压力，所以可以替换压力传感器使用。图5称重传感器原理示意图该称重传感器模块搭配了一个HX711模块，可以将传感器输出的模拟电压信号转换为数字信号。HX711模块包括了稳压电路，时钟震荡电路，放大电路，A/D转换电路。用一个模块集成了等其它同类型芯片所需要的外围电路，节约了作品空间，减少了模块连接复杂程度。上电自动复位功能简化了模块的初始化过程。模块搭配芯片为HX711，这是一款专为高精度称重传感器而设计的24位A/D转换器芯片。HX711芯片与单片机的信号传输采用串口传输，除去VCC和GND接口外，只需要两个引脚，时钟引脚PD_SCK及数据引脚DOUT，用来输出数据，选择输入通道和增益。当DOUT从高电平变成低电平后，PD_SCK可以开始输入25到27个不等的时钟脉冲。按脉冲个数由高位到地位进行数据读取。24个时钟脉冲完成，24位输出数据从高到低逐位读取完成。第25至27个时钟脉冲用来选择下一次A/D转换的输入通道和增益，详见表2。[7]表2输入通道和增益选择PD_SCK脉冲数输入通道增益25A12826B3227A644激光打标旋转台软件设计4.1程序编写作品选用控制芯片为STC89C52，采用C语言进行编程，编译软件为keil4。主程序流程图如图6：图6主程序流程图当按下开发板电源开关后，系统开始进行信号采集，判断是否收到运行信号。运行信号由按键提供，按键一端接地，另一端接单片机P0.7引脚，由于使用的为普中科技51单片机开发板，所以IO口默认为高电平，当按键按下时，单片机端口电压下拉，变为低电平。经过去抖动程序后，若仍为低电平，则说明收到运行信号，可以进行下一步，若仍为低电平，就说明未收到运行信号，需要继续进行信号采集。运行时先给电机自动发送定量脉冲信号，使物体开始旋转上升一段固定距离，此时，单片机开始读取压力传感器信号，U即此时单片机读取到的模拟电压量，US1、US2为单片机内提前设定的参考压力值所对应的电压值，当US1<U<US2时，说明此时物体处于的位置刚好，不需要做调整，命令电机停下即可；当U<US1时，说明物体位置过低，需要命令电机上升；当U>US2时，说明此时物体位置过高，需要命令电机下降。示意图如图7。进行调整后，单片机继续读取压力传感器信号，重复上述步骤，直至物体处于规定范围内。图7电压示意图正常运行时绿灯闪烁，若为上升命令，则黄灯亮，若为下降命令则红灯亮；当物体到达指定位置时（即结束时），绿灯闪烁，红灯灭，黄灯灭，蜂鸣器响1秒。根据led灯的状态，可以更直观地判断单片机发送的命令与电机运动情况的契合度。4.2不同模块程序编写首先是传感器模块。传感器输出电压计算公式如下:UFSO=UE*S（1）UFSO是满量程输出电压，即最大输出电压，UE是激励电压，即为传感器的供电电压，S是该传感器的灵敏度，大小为1.0mV/V。供电电压的计算方式如下：VAVDD=VBG(R1+R2)/R2（2）VAVDD是HX711集成模块上稳压电路的输出电压，也是称重传感器的供电电压，即集成板上的E+，AGND是HX711模块的模拟接地电压，即集成板上的E-。VBG为HX711模块的基准电压，为1.25V。R1、R2是放大电路的输入、输出电阻。R1=20K,R2=8.2K。因此算得VAVDD=4.3V，UE=4.3V。所以算得满量程电压UFSO=4.3mV。根据芯片手册有:GUO/UE=x/2^24(3)G为HX711选择的增益，UO为传感器输出电压，x为经增益放大后的输出电压经AD转换后的数值。选择128倍增益，得最大输出电压为550.4mV，AD转换后转为24位数值输出为550.4mV*2^24/4.3V≈2147483。由于不需要输出具体压力值，只需要对压力值进行比较，因此可以只直接比较AD转换后的电压数值的大小，不需要加入转换压力值的程序。HX711模块易受温度影响，因此要考虑温度补偿。通过查询与HX711芯片相关的技术手册可得到对应的环境温度下的补偿系数，即可用于传感器模块的温度压力补偿和修正。[8]本作品选用芯片为海芯科技出品，官方资料显示该芯片在增益为128的情况下，输入零点漂移为±12nV/℃，增益漂移为±7ppm/℃。其次是升降模块。升降平台选用的T型丝杆导程为1，即旋转一圈，螺母上升1mm。选用步进电机的细分数设置为1.8°，单片机发送200个脉冲信号，即可使平台上升1mm。根据此时压力值对应电压值和设定压力值对应电压值之差可以决定上升高度，使单片机向步进电机驱动器发送对应脉冲数。当物体停留在设定高度一段时间后，即代表物体表面完成激光打印后，激光打标电机驱动器发送信号，使其控制步进电机1旋转，带动物体旋转到另一面进行激光雕刻。此时旋转台重复上述步骤，直至该物体打标全部完成。5实物调试5.1模块调试对不同模块进行检测。首先对微控制器STC89C52进行检测，用keil4编写一个简单的流水灯程序，通过st-link下载器和专用下载软件STC-isp进行串口下载进开发板。观察led灯的响应，发现在轮流点亮过程中有闪烁现象。通过电压表对单片机输出端口和led灯端口进行检测，发现是该开发板的led灯接口和导线接触不良，单片机控制一切正常，可以使用。然后将为作品编写的程序进行改写，分别发送上升，下降，停止命令，测试一下led灯反应模块对单片机发送的命令能否正常响应，测试结果没有问题。其次对传感器模块进行检测，该模块是从一个小电子称上拆卸下来的，在未拆卸前，将传感器模块与单片机进行连接，编写一个简单的HX711驱动程序，将其下载进单片机后，开始测试。通过STC-isp串口助手反馈HX711传递给单片机的数据。硬件上电复位后，传递的AD值即为空载的AD值，该值保存在全局变量中，程序中会减去该变量。然后选择一个已知重量的物品，此次测试中选择的是一盒牛奶，约重100g，比较输出结果和实际重量，得到误差为1g左右。随后将该压力传感器上下颠倒固定在框架上，从下方给其压力。因为测物体重量时，物体给其的压力是竖直向下的，为了保证数据的准确性，同时减少数据转换的麻烦程度，选择改变压力传感器的固定方式。因为手动加压无法定量控制压力大小，所以不能进行误差计算，只能通过不断加大压力观察电压大小是否按照规律变化。经检测，发现该压力传感器的工作规律正常，可以用作压力检测。然后，对电机模块进行检测，同样编写一个简单的驱动程序下载给单片机，通过单片机控制电机驱动，然后观察步进电机的旋转情况。在此过程中，不断修改发送给驱动器的脉冲数，观察电机是否按预期情况旋转。经过检测后发现电机可以按预期工作。之后将主程序下载进单片机，分别预设三个压力值，分别大于，小于预定压力，处于预定压力范围内，将与之对应的电压值传递给单片机进行处理，随后观察步进电机的旋转情况与单片机命令是否一致，与led灯的响应状况是否一致。最后，检测电机能否成功带动丝杆转动，将步进电机旋转轴和丝杆上的同步轮连接在一起，同步轮和螺旋丝杆固定在一起，用手轻轻托住承重螺母，保证它不受重力影响下落，观察它是否能随着丝杆旋转上升。用游标卡尺检测上升高度，发现电机带动丝杆上升的精度满足要求。5.2整体调试不同芯片和电路系统在仿真时没问题，但是实物制作出来后受到环境和芯片质量的影响需要进行调试。第一种情况是导线过多导致电路信号传输不稳定，作品在程序里进行了一定改良，加入了一段反复判断的字句，确保了读取数据的准确性。第二种情况是，物体还没有完成升降步骤，激光打标机就开始驱动旋转轴电机带动物体旋转，这也与单片机的程序反应速度有关，需要尽量提高单片机发送脉冲的速度，并减短了单片机读取传感器的时间间隔，使单片机能更快对实物的运行情况做出相应控制。也可以增大丝杆步进电机的细分角，使其一次性旋转较多距离。第三种情况是物体的上升距离与设定距离误差过大。排查后发现是物体重力过大，丝杆步进电机转矩不足，导致无法抬升物体至指定高度。需要换取重力较小的物体或者换取较大转矩的步进电机。第四种情况是，升降台上升过程不平行，出现一边高一边低的现象。其中一个原因是不同导柱对升降台的摩擦大小不同，需要对导柱上的污渍和锈迹进行清除，用润滑油润滑。另一个原因是同步带过松，导致步进电机带动一根丝杆旋转时，另一丝杆不同步，需要换取合适的同步带同时在搭建框架时，一定要保证升降平台两层方形框架平行且水平，否则会影响传感器的传递信号的准确性。激光打标结果如下图所示，图8是在普通激光旋转打标台打标的结果，图9是经过单片机控制的旋转台处理的结果。图8普通激光旋转打标台打标结果图图9基于单片机的激光旋转打标台打标结果图分析图8，可以发现，在凸起部分，激光打标痕迹变浅，说明对于表面有高度差的物体，激光打标的效果受到了较大影响，而图9同样为有高度差的表面