DIY微型激光雕刻机--未完待续

年前比较闲，在x宝捡垃圾时看到“微型步进丝杆电机”才2元一个，想想一直想DIY一个微型激光雕刻机，顺便学习运动控制相关的知识，于是果断下单买了10个，开始了激光雕刻机的爬坑之路。
本着低成本，低难度，高效率的态度，打算先尽可能使用模块搭建硬件，后期有必要的话再考虑画PCB。

设计目标

实现一个55mm*55mm（丝杆最长58mm）雕刻面积的激光雕刻机，其中激光模块可以更换为“笔”成为一个画图机。

材料选型

1.框架结构：采用亚克力拼装，配合螺钉、螺帽加固；
2.电机：丝杆电机、舵机；

3.电机驱动：采用开源3D打印机普遍使用的A4988模块；

4.手动控制：遥感模块；

5.主控：手头刚好有一块stm32f103最小系统；

6.电源：外部供电采用手头的12V2A适配器，电源稳压采用2596可调DC-DC稳压模块为单片机与4988提供5V；

7.其他：一些mos，开关，电容，线材、排针、各型号螺丝等。

工具准备

• 软件：

Pro/E：框架结构设计，干涉模拟，尺寸确定；
LaserGRBL：基于.net的开源激光切割软件，用于生成G代码；
Keil：集成开发环境；
Grbl：开源嵌入式G代码解释器与运动控制器，包含完整的前瞻性加速度控制，目前只支持Atmega 328，需要移植到STM32上（重点）；
AD：设计电路。

• 硬件：

电烙铁、螺丝刀、游标卡尺、万用表等；

结构设计

关于机械结构设计，考虑成本、加工难度，采用亚克力切割拼装实现。因此需要设计出每一块亚克力的切割形状，并且再软件上进行装配，以保证各个连接处均的能吻合，同时进行运动模拟，保证运动过程中不会出现干涉等现象。

• 整体图：
  
• 步进电机：
  绘制过程中必须保证，游标卡尺测量出的孔位，大小精确，以免后期安装出现问题，关于丝杆导程，暂时先按照大概量出的3mm计算，后期可以再代码上调整每毫米脉冲数。

• 亚克力连接处：
  连接处采用榫卯结构，同时配合螺钉螺帽进行加固（图中螺钉未画出）。

• 滑台：
  为了低成本实现滑台，这里采用尼龙（较好的自润滑性）作为滑块，使用镀洛的光杆作为滑轨，减少滑动过程中的摩擦。（Y轴采用同样结构）

硬件电路

由于配件多为模块，因此直接采用洞洞板搭建下，进行调试。
整体框图如下：

A4988驱动模块需要提供两种电源，其中12V用于步进电机。

• 整体布局如下
  

在焊接所有器件时，先对步进电机进行测试

简单编写了步进电机的驱动程序，发现步进电机运行一段时间后，电机温度较高，烫手，降低电机供电电压温度下降，但是扭矩下降，后期根据实际情况确定稳定工作的电压。

GRBL移植

Grbl是一款针对Arduino/AVR328芯片的嵌入式G代码解释器和运动控制器。
移植Grbl到stm32主要需要围绕定时器、GPIO、串口、中断、EEPROM等硬件部分进行修改，在移植之前，先了解下什么时G代码。

G代码

标准G代码是数控程序中的指令。一般都称为G指令。使用G代码可以实现快速定位、逆圆插补、顺圆插补、中间点圆弧插补、半径编程、跳转加工。可以直接用来驱动机床，各种控制系统，是一种数控行业标准。不同的数控系统，G代码规则会有所出入，但是基本指令基本相同，Grbl支持大部分G代码。

下面介绍几个常用的G代码指令：

1.G00 快速定位

功能：将刀具（这里指激光头）快速移动到指定位置
格式：G00 IP---（IP是刀具移动的终点坐标值）
例：从A点快速移动到B点，G00 X100 Y50

2.G01直线插补

功能：使刀具沿直线移动到指定的位置
格式：G01 IP---F---（IP是刀具移动的终点坐标值、F是刀具进给速度（这里指激光头移动速率））
例：从A点以500mm/min切削移动到B点，G01 X100 Y50 F500

3.G02（顺时针）、G03（逆时针）圆弧插补

功能：在指定的平面上使刀具沿圆弧移动到指定的位置
格式：G02（G03） IP---R(I--J--)F--（R:  是圆弧半径（大于180为-小于180为+）、I:   是X轴圆弧起点到圆心的增量值、 J:   是Y轴圆弧起点到圆心的增量值）
例：从A点以500mm/min切削移动到B点，G02 X100 Y50 R20 F500或G02 X100 Y50 I20 J0 F500

4.G28参考点返回

功能：以各轴的快速移动速度进行参考点位置定位
格式：G28 IP--
例：Z轴回零点,G28 Z0

5.G90绝对值指令

功能：绝对值指令让机器将坐标解释为绝对坐标

6.G91增量值指令

功能：增量值指令与绝对值指令相反，它让机器将坐标解释为相对坐标

7.M00程序停止

功能：程序停止后可以按循环起动键继续加工

8.M02程序结束

功能：程序结束后不可以继续启动加工，且程序停在当前位置

9.M30程序结束并返回

功能：程序结束后并返回到程序开头

10.M03主轴正转

格式 ： M03 S-- （S:主轴转速（这里指激光功率））

11.M05主轴停止

功能：停止主轴转动（这里指关闭激光输出）

移植

年后事情多起来了，目前移植只完成了、定时器与GPIO，剩下的部分只能日后更新了。。。
2019-03-10 未完待续