一種迷你數控雕刻機系統的設計方案

0 引言

隨著(zhù)藝術(shù)模型、機械加工、工裝模具等產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，對加工設備提出的要求越來(lái)越高，雕刻機作為上述產(chǎn)業(yè)的重要組成部分也發(fā)生了快速的發(fā)展。

目前，傳統雕刻機體積大、操作復雜、售價(jià)高。不僅需要專(zhuān)門(mén)的計算機搭載專(zhuān)門(mén)的軟件，還需要專(zhuān)業(yè)操作人員進(jìn)行控制，而且傳統雕刻機主要用于批量生產(chǎn)，對于一些雕刻機愛(ài)好者和模具設計師想利用雕刻機雕刻單件自己設計的作品，傳統雕刻機專(zhuān)業(yè)性強，費用高，不切實(shí)際。此外，一些傳統的雕刻機使用之前需要人工通過(guò)轉動(dòng)三軸方向的手輪對雕刻頭進(jìn)行初步定位，精度、效率低。還有一些高端雕刻機采用軟件對雕刻頭初步定位，但是設備昂貴。

鑒于此，精心設計了一種迷你數控雕刻機系統。該系統不僅操作簡(jiǎn)單、方便，而且雕刻頭初步定位精度精確、效率高。

1 系統的總體設計

為滿(mǎn)足該迷你數控雕刻機系統能夠在非黑色金屬材料上完成圖案、文字的雕刻加工需求。設計了一款以ATmega128單片機為主控芯片的雕刻機系統，該系統包括步進(jìn)電機驅動(dòng)器模塊、LCD12864液晶顯示模塊、鍵盤(pán)操作板模塊、ATmega128單片機最小系統模塊、超聲波傳感器、電源、串口通訊模塊等幾部分組成。

系統結構框圖如圖1所示。

在本系統設計中，采用了ATMEL公司生產(chǎn)的ATmega128單片機作為主控芯片。該單片機屬于A(yíng)VR系列單片機中一種，擁有128 kB程序存儲器，自帶產(chǎn)生PWM波模塊，方便對步進(jìn)電機、主軸電機的控制。其中，PC機用于利用MACH3軟件實(shí)現待加工物G代碼的解釋?zhuān)瑢?shí)現相關(guān)數據格式的轉換，然后通過(guò)串口通訊模塊下載到以ATmega128單片機為主控芯片的控制主板里。由于在雕刻機工作之前需要對雕刻頭的初步定位，系統中設計了按鍵操作板，通過(guò)對按鍵操作板上的上下、左右、前后等六個(gè)按鍵的操作即可完成對雕刻頭的初步定位，提高了加工效率以及節省材料。系統還設計了LCD12864液晶顯示屏，便于對雕刻機在加工時(shí)雕刻頭位置坐標以及加工用時(shí)等參數的觀(guān)察。對三軸上的步進(jìn)電機的控制，本系統中利用ATmega128單片機自帶PWM模塊產(chǎn)生的PWM波對步進(jìn)電機驅動(dòng)器的控制，從而實(shí)現對三軸的步進(jìn)電機的精確控制。

2 功能模塊選擇

2.1 ATmega128單片機最小系統模塊

ATmega128是由ATMEL公司設計的一款8位微處理器，具有128K字節的系統內可編程Flash，53個(gè)可編程的I/O口線(xiàn)，滿(mǎn)足本設計中眾多I/O口的需求，無(wú)需再擴展。此外，該單片機還擁有六路分辨率可編程的PWM，便于產(chǎn)生標準的脈沖信號。另外還擁有六個(gè)外部中斷端口，可用于防碰撞設計。最小系統原理圖如圖2所示。

2.2 LCD12864液晶顯示模塊

為了觀(guān)察雕刻機在加工時(shí)雕刻頭位置坐標以及加工用時(shí)等參數，本系統設計了LCD12864液晶顯示模塊。LCD12864液晶顯示屏可以顯示漢字、大小寫(xiě)字母、其他各種符號等，滿(mǎn)足設計要求。本設計中，利用ATmega128單片機來(lái)控制LCD12864，其中PC口作為并行數據口使用，向LCD12864并行串口傳送數據。PF口作為控制片選、讀寫(xiě)、復位、串并數據傳送方式選擇使用。LCD12864液晶顯示模塊如圖3所示。

2.3 步進(jìn)電機驅動(dòng)模塊

步進(jìn)電機是一種將電脈沖信號轉化為角位移的電磁機械裝置，是數控系統常用的驅動(dòng)執行組件。步進(jìn)電機必須有驅動(dòng)器和控制器才能正常的工作，驅動(dòng)器的作用是對控制脈沖進(jìn)行環(huán)行分配、功率放大，使步進(jìn)電機繞組按一定順序通電，控制電機轉動(dòng)。

本系統設計中，使用BL-210作為步進(jìn)電機的驅動(dòng)器，該驅動(dòng)器實(shí)現高頻斬波，恒流驅動(dòng)，具有很強的抗干擾性、高頻性能好、起動(dòng)頻率高、控制信號與內部信號實(shí)現光電隔離、電流可選、結構簡(jiǎn)單、運行平穩、可靠性好、噪聲小，可帶動(dòng)1.0 A以下所有的步進(jìn)電機。此外，細分數可選(1/2，1/4，1/8)，對應的微步距角分別為(0.9°/STEP、0.45°/STEP、0.225°/STEP)。BL-210步進(jìn)電機驅動(dòng)器電路圖如圖4所示。A+、A-接步進(jìn)電機A相。B+、B-接步進(jìn)電機B相。CW-信號傳，反之發(fā)轉。CP-信號控制步進(jìn)電機的速度，ATmega128單片機產(chǎn)生的PWM波從此端口輸入，當PWM波頻率高時(shí)，步進(jìn)電機速度較快，反之較慢。CP+、CW+為輸入控制信號的公共陽(yáng)端，都接高電平。

2.4 鍵盤(pán)操作板模塊

在雕刻加工之前，我們都要對雕刻機的雕刻頭進(jìn)行初步定位，使雕刻頭處于一個(gè)理想的初始加工位置，這樣做的主要的目的是為了節省原材料以及提高加工效率。在本設計系統中，設計了上下、左右、前后等6個(gè)按鍵，這6個(gè)按鍵與單片機的PA口連接。我們通過(guò)對這6個(gè)按鍵的操作即可完成對三軸步進(jìn)電機的正反轉，從而完成對雕刻機的雕刻頭的初步定位。鍵盤(pán)操作板電路圖如圖5所示。

3 軟件設計

在本系統軟件設計中，選用AVR Studio作為嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境，C作為編寫(xiě)語(yǔ)言。AVR Studio集成開(kāi)發(fā)環(huán)境包括了AVR Assembler編譯器、AVR Studio調試功能、AVRProg串行、并行下載功能和JTAG ICE仿真等功能。利用這些功能我們可以在線(xiàn)編輯源代碼，并在A(yíng)VR器件上運行，方便AVR單片機開(kāi)發(fā)者進(jìn)行開(kāi)發(fā)。C語(yǔ)言作為高級語(yǔ)言的一種，編寫(xiě)程序效率高，易懂。在編寫(xiě)程序中，采用模塊化編寫(xiě)思想，整個(gè)軟件系統由串口通訊模塊、PWM波模塊、LCD12864液晶顯示模塊、鍵盤(pán)掃描模塊、超聲波傳感器引起中斷等幾部分組成。系統軟件設計的程序流程圖如圖6所示。

4 防碰撞設計

實(shí)踐生產(chǎn)表明，雕刻機在工作中經(jīng)常會(huì )發(fā)生碰撞事故。造成碰撞的事故原因有很多，例如上位機產(chǎn)生的G代碼不正確、雕刻頭初步定位時(shí)操作不當、參數設置錯誤等。雕刻機一旦發(fā)生碰撞，輕則雕刻刀斷裂，重則步進(jìn)電機燒毀，甚至控制主板損壞。這樣事故的發(fā)生不僅會(huì )造成不必要的經(jīng)濟損失，還會(huì )耽誤工作、生產(chǎn)。因此在控制系統中也有必要設計一種裝置，避免這樣的碰撞事故的發(fā)生。

為了解決上述問(wèn)題，在本設計中，主要是在每根滾珠絲杠的兩端各安裝了一個(gè)超聲波傳感器。當三軸方向上的移動(dòng)平臺快移動(dòng)到邊緣處，超聲波傳感器將會(huì )產(chǎn)生一個(gè)信號，并將這個(gè)信號傳遞給控制主板，控制主板隨即停止產(chǎn)生脈沖信號，步進(jìn)電機停止工作。

5 結束語(yǔ)

雕刻機作為一種典型機電一體化設備，要求精度高，系統穩定。本方案采用了AVR系列產(chǎn)品中的ATmega128作為該系統的主控芯片，性能穩定，使用方便。本方案中系統的設計按鍵操作板對雕刻頭進(jìn)行初步定位，方便、高效。經(jīng)通過(guò)對自制的迷你數控雕刻機的實(shí)驗，控制效果穩定，滿(mǎn)足方案設計的需求。