基于单片机的数控雕刻机系统设计方案

基于单片机的数控雕刻机系统设计方案，采用ATmega128单片机作为核心控制系统。

1 系统的总体设计

为满足该迷你数控雕刻机系统能够在非黑色金属材料上完成图案、文字的雕刻加工需求。设计了一款以ATmega128单片机为主控芯片的雕刻机系统，该系统包括步进电机驱动器模块、LCD12864液晶显示模块、键盘操作板模块、ATmega128单片机最小系统模块、超声波传感器、电源、串口通讯模块等几部分组成。

系统结构框图


在本系统设计中，采用了ATMEL公司生产的ATmega128单片机作为主控芯片。该单片机属于AVR系列单片机中一种，拥有128 kB程序存储器，自带产生PWM波模块，方便对步进电机、主轴电机的控制。其中，PC机用于利用MACH3软件实现待加工物G代码的解释，实现相关数据格式的转换，然后通过串口通讯模块下载到以ATmega128单片机为主控芯片的控制主板里。由于在雕刻机工作之前需要对雕刻头的初步定位，系统中设计了按键操作板，通过对按键操作板上的上下、左右、前后等六个按键的操作即可完成对雕刻头的初步定位，提高了加工效率以及节省材料。系统还设计了LCD12864液晶显示屏，便于对雕刻机在加工时雕刻头位置坐标以及加工用时等参数的观察。对三轴上的步进电机的控制，本系统中利用ATmega128单片机自带PWM模块产生的PWM波对步进电机驱动器的控制，从而实现对三轴的步进电机的精确控制。

2 功能模块选择

2.1 ATmega128单片机最小系统模块

ATmega128是由ATMEL公司设计的一款8位微处理器，具有128K字节的系统内可编程Flash，53个可编程的I/O口线，满足本设计中众多I/O口的需求，无需再扩展。此外，该单片机还拥有六路分辨率可编程的PWM，便于产生标准的脉冲信号。另外还拥有六个外部中断端口，可用于防碰撞设计。最小系统原理图如图2所示。


2.2 LCD12864液晶显示模块

为了观察雕刻机在加工时雕刻头位置坐标以及加工用时等参数，本系统设计了LCD12864液晶显示模块。LCD12864液晶显示屏可以显示汉字、大小写字母、其他各种符号等，满足设计要求。本设计中，利用ATmega128单片机来控制LCD12864，其中PC口作为并行数据口使用，向LCD12864并行串口传送数据。PF口作为控制片选、读写、复位、串并数据传送方式选择使用。LCD12864液晶显示模块如图3所示。


2.3 步进电机驱动模块

步进电机是一种将电脉冲信号转化为角位移的电磁机械装置，是数控系统常用的驱动执行组件。步进电机必须有驱动器和控制器才能正常的工作，驱动器的作用是对控制脉冲进行环行分配、功率放大，使步进电机绕组按一定顺序通电，控制电机转动。

本系统设计中，使用BL-210作为步进电机的驱动器，该驱动器实现高频斩波，恒流驱动，具有很强的抗干扰性、高频性能好、起动频率高、控制信号与内部信号实现光电隔离、电流可选、结构简单、运行平稳、可靠性好、噪声小，可带动1.0 A以下所有的步进电机。此外，细分数可选（1/2，1/4，1/8），对应的微步距角分别为（0.9°/STEP、0.45°/STEP、0.225°/STEP）。BL-210步进电机驱动器电路图如图4所示。A+、A-接步进电机A相。B+、B-接步进电机B相。CW-信号传，反之发转。CP-信号控制步进电机的速度，ATmega128单片机产生的PWM波从此端口输入，当PWM波频率高时，步进电机速度较快，反之较慢。CP+、CW+为输入控制信号的公共阳端，都接高电平。


2.4 键盘操作板模块

在雕刻加工之前，我们都要对雕刻机的雕刻头进行初步定位，使雕刻头处于一个理想的初始加工位置，这样做的主要的目的是为了节省原材料以及提高加工效率。在本设计系统中，设计了上下、左右、前后等6个按键，这6个按键与单片机的PA口连接。我们通过对这6个按键的操作即可完成对三轴步进电机的正反转，从而完成对雕刻机的雕刻头的初步定位。键盘操作板电路图如图5所示。


3 软件设计

在本系统软件设计中，选用AVR Studio作为嵌入式开发环境，C作为编写语言。AVR Studio集成开发环境包括了AVR Assembler编译器、AVR Studio调试功能、AVRProg串行、并行下载功能和JTAG ICE仿真等功能。利用这些功能我们可以在线编辑源代码，并在AVR器件上运行，方便AVR单片机开发者进行开发。C语言作为高级语言的一种，编写程序效率高，易懂。在编写程序中，采用模块化编写思想，整个软件系统由串口通讯模块、PWM波模块、LCD12864液晶显示模块、键盘扫描模块、超声波传感器引起中断等几部分组成。系统软件设计的程序流程图如图6所示。


4 防碰撞设计

实践生产表明，雕刻机在工作中经常会发生碰撞事故。造成碰撞的事故原因有很多，例如上位机产生的G代码不正确、雕刻头初步定位时操作不当、参数设置错误等。雕刻机一旦发生碰撞，轻则雕刻刀断裂，重则步进电机烧毁，甚至控制主板损坏。这样事故的发生不仅会造成不必要的经济损失，还会耽误工作、生产。因此在控制系统中也有必要设计一种装置，避免这样的碰撞事故的发生。

为了解决上述问题，在本设计中，主要是在每根滚珠丝杠的两端各安装了一个超声波传感器。当三轴方向上的移动平台快移动到边缘处，超声波传感器将会产生一个信号，并将这个信号传递给控制主板，控制主板随即停止产生脉冲信号，步进电机停止工作。

雕刻机作为一种典型机电一体化设备，要求精度高，系统稳定。本方案采用了AVR系列产品中的ATmega128作为该系统的主控芯片，性能稳定，使用方便。本方案中系统的设计按键操作板对雕刻头进行初步定位，方便、高效，满足方案设计的需求。