郎朝先 许璇 徐建 韦晟

摘 要：本研究基于G代码的激光雕刻设计绘制电路板一体机的系统。对激光雕刻绘制电路板一体机电路设计、驱动模块、控制原理等进行详细的说明，经实践可知此方案绘制精度高、运行速度快、经济效益明显等特点。减少实验室制作小型PCB板制作的麻烦，还可以使用激光打印出想要的图案，二者结合既可以增强其功能又可以节约硬件成本。

关键词：激光；PCB绘制；Arduino；G代码

中图分类号：TN4 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）04-0047-02

Abstract：This paper is based on G code laser engraving and drawing circuit board system. After a series of elaborated experiments of examining its circuit design，drive module and making a detailed description of the control principle，the authors come to the conclusion. This scheme is high precision，fast in running and yields good economic returns which can reduce the hassle of making small PCB panels in the lab，and is helpful to use lasers to print the desired patterns thus saving the hardware costs.

Keywords：lasers；PCB drawing；Arduino；G code

0 引 言

通常情况下，研究人员在实验室自制PCB电路板普遍采用两种方法——热转印和湿转印。这两种方法的制作过程都比较繁琐，需要的时间很长，而且有时会导致转印不明显，还需用记号笔来补充。所以研制一台可以低成本PCB电路的仪器，直接可以绘制出电路图，这样可以省掉很多步骤，方便制作电路板。因为激光雕刻机和绘制电路板机的机械结构相近，故可以将激光雕刻和绘制电路板融为一体。

1 系统设计原理

1.1 系统总体设计

本智能PCB电路板绘制及激光雕刻机控制系统采用上下位机结构，控制系统的上位机和下位机，通过数据线实现数据通信与协同工作。上位机软件自动解析由Altium Designer等软件生成的PCB电路图信息和图片信息，雕刻时将数据下载到下位机。同时该软件还具有显示PCB电路板雕刻效果、雕刻路径、线路图和当前雕刻坐标等功能，用户可以通过上位机程序实时观察当前雕刻状态，从而提高作品的精确性。下位机选用Arduino单片为主控芯片，通过数据线获取上位机传送的信息并优化路径，再控制X、Y、Z三轴协调工作，实现雕刻机的精确工作目的。然后步进电机驱动模块和数控雕刻智能PCB电路板雕刻机硬件执行模块。步进电机驱动模块由3个步进电机及其驱动模块构成，步进电机使用12V直流电源驱动，分别控制X轴、Y轴水平坐标和Z轴上下移动实现印制电路板绘制和激光雕刻功能。进行激光雕刻控制前，需要对激光雕刻图像进行细化处理[1]，激光的功率则是通过Arduino单片产生不同频率的PWM（脉冲宽度调制）控制大小，从而雕刻不同质地的物品。系统总体设计图，如图1所示。

1.2 Arduino单片机

主控部分以Atmel公司的Arduino UNO为核心，其具有简洁的开发语言和丰富的IO接口种类，一直深受广大用户喜欢。Arduino UNO是基于ATmega328的微控制器，拥有14个数字输入/输出引脚，其中有6个具有PWM输出功能，1个16MHz协振器，一个USB串口用于与上位机通信。在本设计中所用到的串口和PWM输出引脚也可以满足上述需求。在此方案中单片机的2号和6号引脚控制X轴步进电机，3号和5号引脚控制控制Y轴步进电机，9号和10号引脚控制Z轴步进电机，激光则用11号引脚控制。

1.3 步進电机驱动

步进电机驱动采用A4988驱动器，其主要由Arduino UNO产生不同占空比的PWM恒流控制微步距驱动二相步进电机。该驱动器工作电压可达35V，驱动电流达1A，一个A4988驱动器可以控制一台步进电机，这款驱动板的细分为八细分，也就是将步进电机的每一步细分为八小步，电机旋转一周需要1600步才能完成，所以可以更加精确地打印出所需的电路图及激光刻图。在此方案中采用三个驱动分别控制X、Y、Z三个步进电机运动，可精确实现三个维度自由活动。步进电机驱动原理图，如图2所示。

2 激光功率控制

激光加工是利用激光束聚焦形成的高功率密度光斑，将材料快速加热至汽化状态，从而获得所需要的图案和切缝的加工方法[2]。激光功率控制则是试用L298N作为驱动，其驱动功率最大可达25W，本设计使用的激光头为0.5W，可以充分满足印制需求，也可方便以后更换功率大的激光头。激光功率控制原理则是通过上位机对图像进行提取生成G代码并发送到下位机，下位机则根据G代码信息产生相应的PWM脉冲控制激光的功率，在物件上雕刻出明暗不一的图案。

3 G代码

G代码是数控程序中的指令，是NC加工中的重要文件，具有广泛的通用性，可以高自动化对零件进行加工。数控机床系统以此为依据来控制机床的各项运动，进而完成对零件的加工，并对模具、叶片等复杂曲面加工。此方案由上位机运行的软件对图案进行提取并自动生成相应的G代码。下位机则通过串口读取G代码的信息从而控制X、Y、Z轴步进电机或激光进行绘图或雕刻。将通过灰度转换得到的激光雕刻灰度图像数据翻译成雕刻运动指令代码序列，对步进电机的运动与激光电源电压值进行控制[3]。下位机控制图，如图3所示。

4 结 论

本设计以Arduino UNO为主控制器，通过RS232于上位机进行数据通信，上位机对电路图及图片进行G代码处理，提取线路和图案坐标路径等信息，并将这些信息发送到下位机。下位机通过解析这些信息后控制电机或激光精确的打印出图案。此方案电路结构简单、成本较低、性能稳定，市场前景广阔。

参考文献：

[1] 程康娜，孙耀宁，朱子剑.基于数字图像处理对NbC/Ni3Si基复合涂层的定量分析 [J].特种铸造及有色合金，2015，35（7）：746-749.

[2] 陈绮丽，黄诗君，张宏超.激光技术在材料加工中的应用现状与展望 [J].机床与液压，2006（8）：221-223+178.

[3] 钟英，郭锋，张红彬.DVD激光头的补偿控制电路的仿真和分析 [J].电子设计工程，2015，23（4）：68-70.

作者简介：郎朝先（1993.07-），男，汉族，贵州兴义人，本科，湖北民族学院信息工程学院创新中心学生。研究方向：通信工程、智能控制、物联网；通信作者：徐建（1981-），男，副教授。研究方向：嵌入式技术与智能控制研究。