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

摘要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)迷你數(shù)控雕刻機(jī)的控制，提出了一種基于ATmega128的迷你數(shù)控雕刻機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并完成系統(tǒng)了的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)部分主要是電源電壓轉(zhuǎn)換電路以及以ATmega128單片機(jī)為主控芯片的控制主板與各模塊相連電路;軟件設(shè)計(jì)部分主要是利用AVR Studio開(kāi)發(fā)環(huán)境編程，實(shí)現(xiàn)ATmega128單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)、主軸電機(jī)、超聲波傳感器等部件的控制以及實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)握手。重點(diǎn)設(shè)計(jì)了利用鍵盤(pán)操作板對(duì)雕刻頭的初步定位系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)便、安全可靠等特點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

隨著藝術(shù)模型、機(jī)械加工、工裝模具等產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)加工設(shè)備提出的要求越來(lái)越高，雕刻機(jī)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(tǒng)雕刻機(jī)體積大、操作復(fù)雜、售價(jià)高。不僅需要專門(mén)的計(jì)算機(jī)搭載專門(mén)的軟件，還需要專業(yè)操作人員進(jìn)行控制，而且傳統(tǒng)雕刻機(jī)主要用于批量生產(chǎn)，對(duì)于一些雕刻機(jī)愛(ài)好者和模具設(shè)計(jì)師想利用雕刻機(jī)雕刻單件自己設(shè)計(jì)的作品，傳統(tǒng)雕刻機(jī)專業(yè)性強(qiáng)，費(fèi)用高，不切實(shí)際。此外，一些傳統(tǒng)的雕刻機(jī)使用之前需要人工通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)三軸方向的手輪對(duì)雕刻頭進(jìn)行初步定位，精度、效率低。還有一些高端雕刻機(jī)采用軟件對(duì)雕刻頭初步定位，但是設(shè)備昂貴。

鑒于此，精心設(shè)計(jì)了一種迷你數(shù)控雕刻機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

為滿足該迷你數(shù)控雕刻機(jī)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(jì)了一款以ATmega128單片機(jī)為主控芯片的雕刻機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器模塊、LCD12864液晶顯示模塊、鍵盤(pán)操作板模塊、ATmega128單片機(jī)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。

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了ATMEL公司生產(chǎn)的ATmega128單片機(jī)作為主控芯片。該單片機(jī)屬于AVR系列單片機(jī)中一種，擁有128 kB程序存儲(chǔ)器，自帶產(chǎn)生PWM波模塊，方便對(duì)步進(jìn)電機(jī)、主軸電機(jī)的控制。其中，PC機(jī)用于利用MACH3軟件實(shí)現(xiàn)待加工物G代碼的解釋，實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)串口通訊模塊下載到以ATmega128單片機(jī)為主控芯片的控制主板里。由于在雕刻機(jī)工作之前需要對(duì)雕刻頭的初步定位，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了按鍵操作板，通過(guò)對(duì)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(duì)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(jì)了LCD12864液晶顯示屏，便于對(duì)雕刻機(jī)在加工時(shí)雕刻頭位置坐標(biāo)以及加工用時(shí)等參數(shù)的觀察。對(duì)三軸上的步進(jìn)電機(jī)的控制，本系統(tǒng)中利用ATmega128單片機(jī)自帶PWM模塊產(chǎn)生的PWM波對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)三軸的步進(jìn)電機(jī)的精確控制。

2 功能模塊選擇

2.1 ATmega128單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊

ATmega128是由ATMEL公司設(shè)計(jì)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(gè)可編程的I/O口線，滿足本設(shè)計(jì)中眾多I/O口的需求，無(wú)需再擴(kuò)展。此外，該單片機(jī)還擁有六路分辨率可編程的PWM，便于產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào)。另外還擁有六個(gè)外部中斷端口，可用于防碰撞設(shè)計(jì)。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(jī)在加工時(shí)雕刻頭位置坐標(biāo)以及加工用時(shí)等參數(shù)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(hào)等，滿足設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)中，利用ATmega128單片機(jī)來(lái)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(xiě)、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。

2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

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

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，使用BL-210作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)高頻斬波，恒流驅(qū)動(dòng)，具有很強(qiáng)的抗干擾性、高頻性能好、起動(dòng)頻率高、控制信號(hào)與內(nèi)部信號(hào)實(shí)現(xiàn)光電隔離、電流可選、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行平穩(wěn)、可靠性好、噪聲小，可帶動(dòng)1.0 A以下所有的步進(jìn)電機(jī)。此外，細(xì)分?jǐn)?shù)可選(1/2，1/4，1/8)，對(duì)應(yīng)的微步距角分別為(0.9°/STEP、0.45°/STEP、0.225°/STEP)。BL-210步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路圖如圖4所示。A+、A-接步進(jìn)電機(jī)A相.B+、B-接步進(jìn)電機(jī)B相。CW-信號(hào)傳，反之發(fā)轉(zhuǎn)。CP-信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)的速度，ATmega128單片機(jī)產(chǎn)生的PWM波從此端口輸入，當(dāng)PWM波頻率高時(shí)，步進(jìn)電機(jī)速度較快，反之較慢。CP+、CW+為輸入控制信號(hào)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(duì)雕刻機(jī)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(jié)省原材料以及提高加工效率。在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了上下、左右、前后等6個(gè)按鍵，這6個(gè)按鍵與單片機(jī)的PA口連接。我們通過(guò)對(duì)這6個(gè)按鍵的操作即可完成對(duì)三軸步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而完成對(duì)雕刻機(jī)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(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(diào)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編輯源代碼，并在AVR器件上運(yùn)行，方便AVR單片機(jī)開(kāi)發(fā)者進(jìn)行開(kāi)發(fā)。C語(yǔ)言作為高級(jí)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(tǒng)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(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的程序流程圖如圖6所示。

4 防碰撞設(shè)計(jì)

實(shí)踐生產(chǎn)表明，雕刻機(jī)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(jī)產(chǎn)生的G代碼不正確、雕刻頭初步定位時(shí)操作不當(dāng)、參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤等。雕刻機(jī)一旦發(fā)生碰撞，輕則雕刻刀斷裂，重則步進(jìn)電機(jī)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(jì)損失，還會(huì)耽誤工作、生產(chǎn)。因此在控制系統(tǒng)中也有必要設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(dāng)三軸方向上的移動(dòng)平臺(tái)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(hào)，并將這個(gè)信號(hào)傳遞給控制主板，控制主板隨即停止產(chǎn)生脈沖信

號(hào)，步進(jìn)電機(jī)停止工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

雕刻機(jī)作為一種典型機(jī)電一體化設(shè)備，要求精度高，系統(tǒng)穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)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(jì)的按鍵操作板對(duì)雕刻頭進(jìn)行初步定位，方便、高效。經(jīng)通過(guò)對(duì)自制的迷你數(shù)控雕刻機(jī)的實(shí)驗(yàn)，控制效果穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)的需求。