基于ATmega128的迷你數(shù)控雕刻機系統(tǒng)設(shè)計

湯成建，陳 躍 ，閆勇程，滿家祥，孫 根

（徐州工程學(xué)院 江 蘇 徐 州 2 21008）

隨著藝術(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(shè)備提出的要求越來越高，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[1]。

目前，傳統(tǒng)雕刻機體積大、操作復(fù)雜、售價高。不僅需要專門的計算機搭載專門的軟件，還需要專業(yè)操作人員進行控制，而且傳統(tǒng)雕刻機主要用于批量生產(chǎn)，對于一些雕刻機愛好者和模具設(shè)計師想利用雕刻機雕刻單件自己設(shè)計的作品，傳統(tǒng)雕刻機專業(yè)性強，費用高，不切實際[2]。此外，一些傳統(tǒng)的雕刻機使用之前需要人工通過轉(zhuǎn)動三軸方向的手輪對雕刻頭進行初步定位，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(shè)備昂貴。

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

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

為滿足該迷你數(shù)控雕刻機系統(tǒng)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(shè)計了一款以ATmega128單片機為主控芯片的雕刻機系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括步進電機驅(qū)動器模塊、LCD12864液晶顯示模塊、鍵盤操作板模塊、ATmega128單片機最小系統(tǒng)模塊、超聲波傳感器、電源、串口通訊模塊等幾部分組成。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System block diagram

在本系統(tǒng)設(shè)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AVR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，方便對步進電機、主軸電機的控制。其中，PC機用于利用MACH3軟件實現(xiàn)待加工物G代碼的解釋[3]，實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，然后通過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[4]。由于在雕刻機工作之前需要對雕刻頭的初步定位，系統(tǒng)中設(shè)計了按鍵操作板，通過對按鍵操作板上的上下、左右、前后等六個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(jié)省材料。系統(tǒng)還設(shè)計了LCD12864液晶顯示屏，便于對雕刻機在加工時雕刻頭位置坐標以及加工用時等參數(shù)的觀察。對三軸上的步進電機的控制，本系統(tǒng)中利用ATmega128單片機自帶PWM模塊產(chǎn)生的PWM波對步進電機驅(qū)動器的控制，從而實現(xiàn)對三軸的步進電機的精確控制。

圖2 ATmega128最小系統(tǒng)原理圖Fig.2 The principle diagram of the atmega128 system

2 功能模塊選擇

2.1 ATmega128單片機最小系統(tǒng)模塊

ATmega128是由ATMEL公司設(shè)計的一款8位微處理器，具有128K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，53個可編程的I/O口線，滿足本設(shè)計中眾多I/O口的需求，無需再擴展[5]。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。另外還擁有六個外部中斷端口，可用于防碰撞設(shè)計。最小系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

2.2 LCD12864液晶顯示模塊

為了觀察雕刻機在加工時雕刻頭位置坐標以及加工用時等參數(shù)，本系統(tǒng)設(shè)計了LCD12864液晶顯示模塊[6]。LCD12864液晶顯示屏可以顯示漢字、大小寫字母、其他各種符號等，滿足設(shè)計要求。本設(shè)計中，利用ATmega128單片機來控制LCD12864，其中PC口作為并行數(shù)據(jù)口使用，向LCD12864并行串口傳送數(shù)據(jù)。PF口作為控制片選、讀寫、復(fù)位、串并數(shù)據(jù)傳送方式選擇使用。LCD12864液晶顯示模塊如圖3所示。

圖3 LCD12864液晶顯示模塊Fig.3 LCD12864 display module

2.3 步進電機驅(qū)動模塊

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

本系統(tǒng)設(shè)計中，使用BL-210作為步進電機的驅(qū)動器，該驅(qū)動器實現(xiàn)高頻斬波，恒流驅(qū)動，具有很強的抗干擾性、高頻性能好、起動頻率高、控制信號與內(nèi)部信號實現(xiàn)光電隔離、電流可選、結(jié)構(gòu)簡單、運行平穩(wěn)、可靠性好、噪聲小，可帶動1.0 A以下所有的步進電機。此外，細分數(shù)可選（1/2，1/4，1/8）， 對應(yīng)的微步距角分別為 （0.9°/STEP、0.45°/STEP、0.225°/STEP）。BL-210步進電機驅(qū)動器電路圖如圖4所示。A+、A-接步進電機A相，B+、B-接步進電機B相。CW-信號控制步進電機的正反轉(zhuǎn)，當CW-輸入高電平時，步進電機正傳，反之發(fā)轉(zhuǎn)。CP-信號控制步進電機的速度，ATmega128單片機產(chǎn)生的PWM波從此端口輸入，當PWM波頻率高時，步進電機速度較快，反之較慢。CP+、CW+為輸入控制信號的公共陽端，都接高電平。

圖4 BL-210步進電機驅(qū)動器電路圖Fig.4 BL-210 stepper motor driver schematics

2.4 鍵盤操作板模塊

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

圖5 鍵盤操作板電路圖Fig.5 Keyboard diagram

3 軟件設(shè)計

在本系統(tǒng)軟件設(shè)計中，選用AVR Studio作為嵌入式開發(fā)環(huán)境，C作為編寫語言。AVR Studio集成開發(fā)環(huán)境包括了AVR Assembler編譯器、AVR Studio調(diào)試功能、AVR Prog串行、并行下載功能和JTAG ICE仿真等功能[7]。利用這些功能我們可以在線編輯源代碼，并在AVR器件上運行，方便AVR單片機開發(fā)者進行開發(fā)。C語言作為高級語言的一種，編寫程序效率高，易懂。在編寫程序中，采用模塊化編寫思想，整個軟件系統(tǒng)由串口通訊模塊、PWM波模塊、LCD12864液晶顯示模塊、鍵盤掃描模塊、超聲波傳感器引起中斷等幾部分組成。系統(tǒng)軟件設(shè)計的程序流程圖如圖6所示。

圖6 軟件設(shè)計的流程圖Fig.6 Flow chart the software design

4 防碰撞設(shè)計

實踐生產(chǎn)表明，雕刻機在工作中經(jīng)常會發(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、雕刻頭初步定位時操作不當、參數(shù)設(shè)置錯誤等。雕刻機一旦發(fā)生碰撞，輕則雕刻刀斷裂，重則步進電機燒毀，甚至控制主板損壞。這樣事故的發(fā)生不僅會造成不必要的經(jīng)濟損失，還會耽誤工作、生產(chǎn)。因此在控制系統(tǒng)中也有必要設(shè)計一種裝置，避免這樣的碰撞事故的發(fā)生。

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

5 結(jié)束語

雕刻機作為一種典型機電一體化設(shè)備，要求精度高，系統(tǒng)穩(wěn)定。本設(shè)計采用了AVR系列產(chǎn)品中的ATmega128作為該系統(tǒng)的主控芯片，性能穩(wěn)定，使用方便。本系統(tǒng)設(shè)計的按鍵操作板對雕刻頭進行初步定位，方便、高效。經(jīng)通過對自制的迷你數(shù)控雕刻機的實驗，控制效果穩(wěn)定，滿足設(shè)計的需求。

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