具有上位機通信功能的數控分度頭

　1 引言

　　分度頭是機械加工中的重要裝備，是銑床主要附件之一，應用十分廣泛。許多零件如齒輪、離合器、花鍵軸及刀具開(kāi)齒等在銑削時(shí)都需要利用分度頭進(jìn)行分度。常用的機械分度頭主要是通過(guò)計算然后通過(guò)人工手動(dòng)分度完成，分度速度慢，勞動(dòng)強度高；市面上的數控分度頭準確可靠但是投資較大，而且購買(mǎi)的數控分度頭體積大，無(wú)法和中小型銑床配合加工尺寸較小的零件。

　　在項目實(shí)施過(guò)程中，需要在諸多圓盤(pán)上非等角度鉆孔 15 個(gè)。鑒于市售分度頭價(jià)位較高（5000－6000 元），筆者萌發(fā)了制造一臺簡(jiǎn)易、高精度數控分度頭的想法。根據實(shí)際需求，我們設計了一種體積較小能夠同實(shí)驗室內現有銑床配合、具有上位機通信功能的低成本數控分度頭。分度的計算工作由上位機來(lái)完成，分度速度快、精度高。機械加工、裝配都是在實(shí)驗室內完成，節約了大量成本。

　　2 系統結構與機械精度

　　系統結構如圖1 所示，單片機作為主控制器向步進(jìn)電機驅動(dòng)器發(fā)送脈沖、使能、方向三個(gè)信號來(lái)驅動(dòng)步進(jìn)電機工作。脈沖的個(gè)數以及頻率由上位機軟件完成計算，通過(guò)串行口發(fā)送給單片機，由單片機的一個(gè)定時(shí)器進(jìn)行輸出比較匹配，完成脈沖的發(fā)送，分度速度快。步進(jìn)電機通過(guò)機械減速器和同步帶驅動(dòng)卡盤(pán)實(shí)現精確分度。

圖 1 數控分度頭結構圖

　　分度頭的誤差是由于在實(shí)際進(jìn)行分度的時(shí)候有可能所分的度數不能整除，出現小數，單片機只能處理整數的脈沖數，小數部分就要舍去，由此導致分度頭的精度誤差。最大的誤差值就相當于舍去了一個(gè)完整的脈沖δ=θ/i，式中δ表示單片機發(fā)送一個(gè)脈沖卡盤(pán)所轉過(guò)的角度，θ表示步進(jìn)電機的步進(jìn)角，i 表示機械傳動(dòng)裝置的減速比。系統采用的步進(jìn)電機步進(jìn)角是1.8°，經(jīng)過(guò)1000 細分驅動(dòng)器的驅動(dòng)，實(shí)際的步進(jìn)角是0.36°，機械減速比是75:1，所以分度頭的最大誤差值是0.36°/ 75 = 0.0048°= 17.28″，比一般的手動(dòng)分度頭45″的精度要高出一倍以上。減小步進(jìn)電機的步進(jìn)角和增大機械減速比還可以進(jìn)一步提高系統的精度，但是這樣做會(huì )降低分度速度。在實(shí)際的應用中所選取的電機細分數和機械減速比已經(jīng)提供了足夠高的機械精度，能夠滿(mǎn)足實(shí)際加工需要。

　　3 與上位機通信

　　系統采用RS232 接口與上位機進(jìn)行通信。一般的USART 收發(fā)程序，往往是一段采用輪循方式完成數據收發(fā)的簡(jiǎn)單代碼。采用這種方式不僅大大降低了MCU 運行效率，而且也不適合于與其他的實(shí)際應用代碼相融合，無(wú)法實(shí)現結構化、模塊化的程序設計。根據AVR 單片機自身特點(diǎn)（片內含有高速大容量RAM），我們在片內RAM 中設置了一個(gè)接收緩沖區，采用一種底層驅動(dòng)+中間層函數的結構，把USART 接口部分相對地獨立出來(lái)，更加方便系統軟件的編寫(xiě)。

　　針對接收緩沖區的設計，我們采用一個(gè)類(lèi)似于環(huán)形隊列的結構，讀寫(xiě)緩沖區各用一個(gè)指針，再設一個(gè)計數器記錄緩沖區中未讀出的數據個(gè)數。主程序中每次讀取一個(gè)數據，讀指針指向下一個(gè)數據，計數器減1，每次發(fā)生接收中斷，寫(xiě)指針指向下一個(gè)數據，計數器加1。當主程序調用中間層函數接收數據時(shí)，如果接收緩沖區為空，單片機不必等待，可以繼續執行其他操作。而USART 硬件接收完一個(gè)數據以后，中斷函數將接收到的數據存入接收緩沖區，當主程序中的其他操作結束后由中間層函數來(lái)讀取。

　　控制命令由上位機發(fā)出，由五個(gè)字節組成一條完整的控制命令，格式如表 1 所示。

　　D0：控制字的起始字節，規定每個(gè)控制字的起始字節都是固定值0x42，即ASCII 碼中的‘B’，用來(lái)代表開(kāi)始；

　　D1：規定脈沖個(gè)數的高字節，在單片機中，我們用一個(gè)16 位的int 型變量存儲每一條控制命令的脈沖數，所以，上位機發(fā)過(guò)來(lái)的脈沖數就要被拆分成兩個(gè)字節；

　　D2：規定脈沖個(gè)數的低字節；

　　D3：這個(gè)字節的高四位中的第四位用來(lái)代表電機的轉動(dòng)方向（1 代表順時(shí)針，0 代表逆時(shí)針）；低四位用來(lái)代表電機的轉動(dòng)速度，分為15 個(gè)等級；

　　D4：控制字的結束字節，規定結束字節都是固定值0x45，即ASCII 中的‘E’，用來(lái)代表一條控制命令的結束。

　　系統的上位機界面如圖2所示，在上位機界面中可以方便地設置旋轉角度、電機轉速、電機的轉動(dòng)方向，并按照使用意圖進(jìn)行運動(dòng)。實(shí)物圖如圖3所示。