以单片机为主控芯片的迷你数控雕刻机系统设计

引言

随着艺术模型、机械加工、工装模具等产业的飞速发展，对加工设备提出的要求越来越高，雕刻机作为上述产业的重要组成部分也发生了快速的发展。

目前，传统雕刻机体积大、操作复杂、售价高。不仅需要专门的计算机搭载专门的软件，还需要专业操作人员进行控制，而且传统雕刻机主要用于批量生产，对于一些雕刻机爱好者和模具设计师想利用雕刻机雕刻单件自己设计的作品，传统雕刻机专业性强，费用高，不切实际。此外，一些传统的雕刻机使用之前需要人工通过转动三轴方向的手轮对雕刻头进行初步定位，精度、效率低。还有一些高端雕刻机采用软件对雕刻头初步定位，但是设备昂贵。

鉴于此，精心设计了一种迷你数控雕刻机系统。该系统不仅操作简单、方便，而且雕刻头初步定位精度精确、效率高。

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。

系统结构框图如图1所示。

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。

5 结束语

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。经通过对自制的迷你数控雕刻机的实验，控制效果稳定，满足方案设计的需求。