基于A(yíng)VR單片機的智能分度頭研究

摘要：隨著(zhù)現代數控技術(shù)的不斷發(fā)展，分度頭技術(shù)不斷成熟，類(lèi)型眾多。對于分度頭的設計來(lái)說(shuō)，目前重點(diǎn)的工作是如何實(shí)現傳統分度頭的智能化，從而提高工件在機床上加工的精確性、穩定性以及便捷性。文中主要介紹了如何在A(yíng)tmega16單片機控制系統中實(shí)現分度頭的智能化，并且設計了單片機的硬件電路。最后對智能分度頭軟件的實(shí)現進(jìn)行了編程。

關(guān)鍵詞：分度頭;AVR;控制;智能化

在傳統的機械加工行業(yè)中，采用較多的是分度精度低、分度柔性差、操作人員勞動(dòng)強度大的手工分度頭。隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，對機械設備的柔性化和自動(dòng)化程度要求越來(lái)越高，加工精度的要求也越來(lái)越高。

目前國外先進(jìn)水平的分度頭一般采取半閉環(huán)控制系統，用伺服電機的編碼器作為反饋回路的檢測元件，每轉脈沖數為2 500 P，精度較高，但價(jià)格也昂貴。如日本NIKKEN公司生產(chǎn)的數控分度頭的分辨率可達到0.001°，定位精度為15”。

國內很多單位也對數控分度頭做了大量的理論研究和產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)工作，例如華中科技大學(xué)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )方法對分度頭進(jìn)行誤差補償，能夠使分度誤差達到15”;山東煙臺機床廠(chǎng)采用意大利技術(shù)，采用半閉環(huán)控制系統，使分度精度達到20”。

文中設計了一種體積較小能夠同實(shí)驗室內現有銑床配合、具有手動(dòng)模式和自動(dòng)模式功能的低成本智能分度頭。分度的計算工作由Atmega16單片機來(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。

1 智能分度頭的總體設計思想

文中設計的智能分度頭工作模式分為兩種：自動(dòng)模式和手動(dòng)模式。當工件安裝到分度頭的夾具上后，在自動(dòng)模式下，通過(guò)數控機床控制器輸入使能信號、脈沖信號以及方向信號。分度頭按系統指令要求進(jìn)行分度。

在手動(dòng)模式下，又分兩種控制方式：一是通過(guò)手輪旋轉及倍率調節按鈕，進(jìn)行分度，并實(shí)時(shí)顯示分度頭所處位置以及轉速;二是輸入分度所需參數(包括等分度數、轉速、方向)等。然后，Atmega16按照設定的工作模式、分度參數進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和運算，運算結果和指令又通過(guò)I/O接口電路送入步進(jìn)電機驅動(dòng)器來(lái)控制步進(jìn)電動(dòng)機運行，并將工作狀態(tài)顯示在顯示屏上。步進(jìn)電動(dòng)機通過(guò)蝸輪蝸桿結構將運動(dòng)傳遞到分度主軸，然后通過(guò)夾具帶動(dòng)工件進(jìn)行分度。在回零模式下，通過(guò)回零電路，使分度頭進(jìn)行回零。

2 系統硬件的總體設計

設計以Atmega16為主控芯片，并且有回零電路、按鍵電路、電源電路、顯示電路以及驅動(dòng)電路。如圖1所示。

2.1 控制系統模塊

設計采用ATmega16單片機作為驅動(dòng)步進(jìn)電機的主控芯片，為了獲得最高的性能以及并行性，AVR采用了Harvard結構，具有獨立的數據和程序總線(xiàn)。程序存儲器里的指令通

過(guò)一級流水線(xiàn)運行。CPU在執行一條指令的同時(shí)讀取下一條指令。這個(gè)概念實(shí)現了指令的單時(shí)鐘周期運行。程序存儲器是可以在線(xiàn)編程的FLASH，能夠很好的滿(mǎn)足橢圓插補的計算以及程序的燒寫(xiě)功能，并且用16位定時(shí)器T1來(lái)產(chǎn)生PWM波，能獲得較寬頻率的脈沖波。T1工作在相位和頻率修正PWM模式，可以產(chǎn)生高精度、相位和頻率都準確的PWM波形，十分適合于電機的控制。

單片機的PD口以及PA5～PA7接LCD12864顯示電路，PD2口用來(lái)產(chǎn)生PWM波驅動(dòng)步進(jìn)電機，PD0和PD1口與MAX232相連和上位機進(jìn)行串口通信。其主控電路如圖2所示。

2.2 電源電路模塊

LM25705是美國安森美半導體公司生產(chǎn)的新型開(kāi)關(guān)式降壓型穩壓電路。它們的作用與LM7805三端穩壓器差不多，不過(guò)由于該系統穩壓電源采用了開(kāi)關(guān)技術(shù)，所以它的效率要比普通的三端穩壓器要高，而且該系列穩壓器的輸入電壓范圍比普通二端穩壓器更廣。

LM2575—5.0的基本應用電路為，外接4個(gè)元件，最大輸入電壓為40 V，最小輸入電壓為7.0 V，最大負載電流為1.0 A，最高環(huán)境溫度為50 ℃，最低環(huán)境溫度為0℃。

本設計所采用LM2575為Atmega16提供電源，有效保證了單片機的工作。如圖3所示。

2.3 上位機串口通信模塊

本系統采用max232芯片進(jìn)行單片機與上位機的通信，MAX232外圍需要4個(gè)電解電容C14、C13、C10、C9，是內部電源轉換所需電容。其取值均為1μF/25 V。一般選用鉭電容并且應盡量靠近芯片，C11為0.1μF的去耦電容。與Atmega16連接如圖4所示。

2.4 按鍵電路

當需要在手動(dòng)模式下工作時(shí)，通過(guò)按鍵輸入分度所需參數。設計通過(guò)PB口與各個(gè)按鍵相連，如圖5所示。

2.5 步進(jìn)電機電路

文中所采用步進(jìn)電機的驅動(dòng)芯片是東芝公司推出的低功耗、高集成兩相混合式芯片TB6560，其主要特點(diǎn)是：內部集成雙全橋MOSFET驅動(dòng);最高耐壓為40 V，單相輸出最大電流3.5 A;并有整步，1/2、1/8、1/16細分方式;具有過(guò)電流保護功能，采用HZIP25封裝。

2.5.1 光電隔離電路

步進(jìn)電機有3個(gè)控制信號，CLK、CW和ENABLE，分別控制電機的轉角、速度和使能，均需要通過(guò)光電耦合器和芯片相連接。光電耦合器又叫做光電隔離器，可以防止電機干擾和損壞接口板電路，還可以對控制信號進(jìn)行整形。如圖6所示。

文中采用兩片高速光耦6N137來(lái)隔離管腳CLK和CW，可以保證信號耦合后不會(huì )發(fā)生滯后和畸變而影響電機驅動(dòng)，并且信號傳輸速率可達10 MHz;使用1片TLP521來(lái)隔離ENABLE使能信號。

2.5.2 步進(jìn)電機主電路

如圖7所示，步進(jìn)電機的主電路由驅動(dòng)電路和邏輯控制電路兩部分組成。

步進(jìn)電機的驅動(dòng)電路采用28 V直流電.電壓為4.5～40 V。其中VMB、VMA作為步進(jìn)電機驅動(dòng)電源引腳，分別接入瓷片去耦電容和電解電容來(lái)進(jìn)行穩壓。OUT_AP、OUT_AM、OUT_BP、OUT_BM 引腳分別為電機的兩相輸出接口。NFA和NFB分別為電機A、B相最大驅動(dòng)電流定義引腳，其計算公式為：Iout(A)=0.5(V)/RNF，假設電機每相的最大驅動(dòng)電流為2.5 A，則RNF=0.28 Ω，則PGNDA、PGNDB、SGND分別為電機A、B相驅動(dòng)引腳地和邏輯電源地。

邏輯控制電路的電源為5 V，VDD是邏輯電源引腳，外接去耦電容和旁路電容減小噪聲;M0和PROTECT分別為工作狀態(tài)和過(guò)流保護指示燈;M1和M2為細分設置引腳，與撥碼開(kāi)關(guān)連接能得到不同的細分值。

2.6 顯示模塊

顯示電路作為智能分度頭的輸出接口，可以顯示加工過(guò)程中的狀態(tài)等信息。本設計中顯示模塊采用OCMJ4X8A液晶顯示屏，可以方便地顯示漢字及圖形;可全屏顯示系統所有信息;電路結構簡(jiǎn)單，便于控制，功耗低，滿(mǎn)足配合單片機的液晶驅動(dòng)模塊顯示數據的需求。

3 系統的軟件設計

3.1 軟件設計的總體思路

本研究的軟件設計采用C語(yǔ)言編程，與匯編語(yǔ)言相比，有較好的移植性。程序設計使用2個(gè)標志位i、j來(lái)實(shí)現系統的邏輯控制。當自動(dòng)模式按鍵按下后，標志位i=0;當手動(dòng)模式按鍵按下，標志位i=1。在手動(dòng)模式下，標志位j=0時(shí)，手輪脈沖發(fā)生器產(chǎn)生作用;標志位j=1時(shí)，可以通過(guò)輸入分度數、轉速和轉向來(lái)控制步進(jìn)電機。如果沒(méi)有按鍵被按下，則主程序進(jìn)行循環(huán)掃描。

3.2 系統程序流程圖

系統的流程圖如圖8所示。

4 結束語(yǔ)

文中提出了一種智能分度頭的設計方案，通過(guò)Atmega16單片機使分度頭具有自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制模式，能方便的進(jìn)行對分度頭的控制。試驗證明，效果良好，達到預期目標。