基于avr單片機(jī)與cnc的小型激光雕刻裝置設(shè)計-機(jī)電畢業(yè)論文

1、<p>　　齊 齊 哈 爾 大 學(xué)</p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）</b></p><p>　　題 目 基于AVR單片機(jī)與CNC的小型激光雕刻機(jī)設(shè)計</p><p>　　學(xué) 院 機(jī)電工程學(xué)院</p><p>　　專業(yè)班級

2、 機(jī)電134班</p><p>　　學(xué) 號 2013113006</p><p>　　學(xué)生姓名 羅 龍 昇</p><p>　　指導(dǎo)老師 吳 志 東</p><p><b>　　成 績</

3、b></p><p>　　2017 年 06 月 20 日</p><p><b>　　鄭 重 聲 明</b></p><p>　　本人呈交的學(xué)位論文，是在老師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，所有數(shù)據(jù)、圖片資料真實(shí)可靠。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文的研究成果不包含他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。對本論文所涉及的研究工作做

4、出貢獻(xiàn)的其他個人或集體，均已在文中以明確的方式標(biāo)明。本學(xué)位論文的知識產(chǎn)權(quán)屬于培養(yǎng)單位。</p><p>　　本人簽名: 日期： </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　激光作為新興技術(shù)，發(fā)展速度飛快，該技術(shù)的運(yùn)用范圍也日漸寬廣。激光雕刻是以CNC

5、為基礎(chǔ)的一種加工方法，以激光加工為主要加工手段，其優(yōu)點(diǎn)是不直接接觸雕刻材料的表面，不受機(jī)械運(yùn)動接觸面的影響，會產(chǎn)生摩擦痕跡。</p><p>　　在本文中，采用了ATMEL 328單片機(jī)和C語言編程設(shè)計了小型激光雕刻機(jī)裝置。本系統(tǒng)的設(shè)計中主要包括的模塊為中央處理器模塊、USB通信模塊、驅(qū)動模塊、激光器繼電控制模塊、機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊等部分，具有自動歸位、中斷后繼續(xù)雕刻、印章對稱雕刻等功能。</p><

6、;p>　　系統(tǒng)主要采用ATmel 328型單片機(jī)構(gòu)成中央處理器模塊，通過USB通信模塊與上位機(jī)軟件進(jìn)行通信，通過上位機(jī)控制軟件對雕刻機(jī)系統(tǒng)完成包括遙控激光頭進(jìn)行前后左右移動、開關(guān)激光器、自動雕刻圖案等功能。機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)部分采用絲杠、光桿、載物臺等結(jié)構(gòu)，通過與步進(jìn)電機(jī)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動。</p><p>　　關(guān)鍵詞：Arduino單片機(jī)；激光雕刻技術(shù)；步進(jìn)電機(jī)；3D打印</p><p

7、><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the development of the times, the development of laser technology is advancing by leaps and bounds, and the application of this technology is more and more ext

8、ensive. Laser engraving is a kind of processing method based on CNC, with the laser processing as the main means of processing, the utility model has the advantages of surface is not in direct contact with engraved mater

9、ial, no mechanical movement will produce the effect of interface friction marks.</p><p>　　In this paper, ATMEL microcontroller and C language program are used to design a small laser engraving machine system

10、. The design of this system mainly includes the module as the central processor module, USB communication module, drive module, laser relay control module, mechanical module part, with automatic reset and interrupt to se

11、al carving, engraving function symmetry.</p><p>　　The system is mainly used ATmel 328 type microcontroller to communicate through the central processor module, USB communication module and the PC software, t

12、hrough PC control software including remote laser head to move around, and automatically switch laser engraving graphics functions for the case of engraving system. The structure of mechanical transmission adopts the str

13、ucture of lead screw, light rod and load stage, and realizes the high precision transmission with the stepping motor.</p><p>　　Key words: Arduino; laser engraving technology; stepper motor; 3D printing </

14、p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p>　　第 1 章 緒 論1</p><p>　　1.1 激光打印技術(shù)簡介1</p><p>　　1.2本設(shè)

15、計主要目標(biāo)功能1</p><p>　　第 2 章 系統(tǒng)工作流程及控制原理3</p><p>　　2.1 系統(tǒng)工作流程3</p><p>　　2.2 控制方法設(shè)計3</p><p>　　2.2.1 系統(tǒng)模塊化設(shè)計3</p><p>　　2.2.2 核心算法設(shè)計4</p><p>　　第

16、 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計5</p><p>　　3.1中央處理器模塊5</p><p>　　3.2電機(jī)驅(qū)動設(shè)計7</p><p>　　3.3系統(tǒng)框架設(shè)計8</p><p>　　3.3.1 步進(jìn)電機(jī)模塊9</p><p>　　3.3.2 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計11</p><p>　　3.3.3

17、X軸滾珠絲杠螺母副11</p><p>　　3.3.4 Y軸滾珠絲杠螺母副14</p><p>　　3.4步進(jìn)電機(jī)相關(guān)參數(shù)計算15</p><p>　　3.4.1 轉(zhuǎn)動慣量計算15</p><p>　　3.4.2 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算16</p><p>　　3.4.3 最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算17</p>

18、<p>　　3.4.4 性能校核17</p><p>　　第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計19</p><p>　　4.1 軟件開發(fā)環(huán)境介紹19</p><p>　　4.1.1 Arduino IDE 介紹19</p><p>　　4.1.2 Delphi7軟件簡介19</p><p>　　4.2 脈沖

19、增量插補(bǔ)算法設(shè)計與實(shí)現(xiàn)19</p><p>　　4.3 軟件控制系統(tǒng)設(shè)計21</p><p>　　4.3.1 步進(jìn)電機(jī)控制21</p><p>　　4.3.2 USB數(shù)控系統(tǒng)控制22</p><p>　　4.4 系統(tǒng)主程序設(shè)計23</p><p>　　4.5 其他軟件部分設(shè)計24</p>&l

20、t;p>　　4.4.1 系統(tǒng)初始化模塊24</p><p>　　4.4.2 控制協(xié)議分析模塊24</p><p>　　4.4.3 指令任務(wù)執(zhí)行模塊26</p><p>　　4.6 上位機(jī)軟件設(shè)計28</p><p>　　第 5 章 系統(tǒng)測試30</p><p>　　5.1 測試環(huán)境30</p&g

21、t;<p>　　5.2 激光雕刻機(jī)整機(jī)測試30</p><p>　　5.3 激光雕刻機(jī)整機(jī)調(diào)試30</p><p><b>　　總 結(jié)29</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)30</b></p><p><b>　　附錄133</b></

22、p><p><b>　　致 謝40</b></p><p><b>　　緒 論</b></p><p>　　1.1 激光雕刻技術(shù)簡介</p><p>　　激光技術(shù)誕生于上世紀(jì)60年代，并在日常環(huán)境中得到了迅速的應(yīng)用。相關(guān)理論研究成果增加。各種形式的激光器近年來發(fā)展迅速，技術(shù)范圍也不斷擴(kuò)大，周邊產(chǎn)品也逐

23、漸豐富多彩，導(dǎo)致社會產(chǎn)品種類和經(jīng)濟(jì)效益的變化更加明顯。激光先進(jìn)技術(shù)的運(yùn)用也得到了多個科技發(fā)達(dá)國家深度研究，與此同時也獲得了大量科技發(fā)展中國家的研究深入，同樣這些國家也給與了該新興技術(shù)大量的付出與探索。在上世紀(jì)科技發(fā)展的過程中，激光技術(shù)作為創(chuàng)新技術(shù)之一，是整個時代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志。自1980以來，激光加工已被許多國家作為一個國家級的未來發(fā)展計劃。這些計劃的設(shè)計與實(shí)施給予了激光技術(shù)一個新的舞臺，并逐漸編織了一個空前的新興產(chǎn)業(yè)[1]。大

24、量先進(jìn)的技術(shù)、各種生產(chǎn)加工方法，從而使得激光技術(shù)發(fā)展得到了顯著的提高。</p><p>　　激光作為一種新型的加工技術(shù)，已被廣泛用作雕刻和切割的刀具。同時，該技術(shù)也得到了迅速擴(kuò)大。由于激光雕刻切割機(jī)的機(jī)床結(jié)構(gòu)相對簡單并且容易改造，設(shè)備運(yùn)行期間摩擦小 ，本實(shí)用新型具有損耗低、精度高、改造應(yīng)用廣泛、上位機(jī)控制和軟件設(shè)計可靠、易于再次開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。由于在高功率的激光束，可以得到物體立即氣化，雕刻成型的作用，物體表面的效果

25、不是那么的準(zhǔn)備，不會出現(xiàn)劃痕或變形加工對象的不利影響，在這個過程中，裂縫很小，尤其是對PLA或ABS材料，處理干凈的位置，沒有加工過程中不會出現(xiàn)點(diǎn)接觸應(yīng)力、加工刀具、加工對象沒有特殊的夾緊裝置。并通過對激光技術(shù)的探索，使用，逐漸發(fā)現(xiàn)問題，可以使得該技術(shù)行業(yè)領(lǐng)域不斷完善。所以，小型激光雕刻機(jī)的設(shè)計將會是大眾化普及激光技術(shù)的一個直接途徑。</p><p>　　價格高昂的數(shù)控雕刻機(jī)床讓很多人望而卻步，除非專業(yè)學(xué)者，普通

26、人接觸激光技術(shù)的機(jī)會目前而言還是小之又小，而小型激光雕刻機(jī)的設(shè)計，將激光雕刻技術(shù)從工業(yè)領(lǐng)域的專業(yè)運(yùn)用變更成為隨處可見的辦公教學(xué)領(lǐng)域運(yùn)用，普及了數(shù)控技術(shù)和激光技術(shù)，使得越來越多的人可以參與到數(shù)控激光機(jī)床的研究中[2]。通過十分友好UI設(shè)計的上位機(jī)控制軟件，機(jī)械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計精簡，使得整個機(jī)床變得簡介露骨、攜帶方便，使用簡單大眾化，但也支持專業(yè)的Gcode控制，它可以在機(jī)器學(xué)習(xí)與發(fā)展上有事半功倍的成效。</p><p>

27、;　　1.2本設(shè)計主要目標(biāo)功能</p><p>　　以Arduino Uno單片機(jī)為裝置的心臟，該設(shè)計的小型激光雕刻裝置的主要功能設(shè)計與實(shí)現(xiàn)如下：</p><p>　　1、采用弱光定位功能，通過脈沖寬度調(diào)制將激光頭的功率降到相對較小的值，從而在雕刻前完成準(zhǔn)備歸位操作；</p><p>　　2、在非金屬物體表面，雕刻電腦傳輸圖案，并將上位機(jī)控制軟件的指令發(fā)送給單片機(jī)執(zhí)

28、行動作；</p><p>　　3、支持中斷雕刻，結(jié)束雕刻操作后，激光將自動返回原點(diǎn)的雕刻坐標(biāo)，此時不移動電機(jī)的位置，斷點(diǎn)直接繼續(xù)雕刻指示，能夠重復(fù)雕刻在先前中斷的位置，以完成第一雕刻沒有雕刻個別領(lǐng)域；</p><p>　　4、支持印章的對稱性印章雕刻，雕刻在橡膠墊或部分感光材料，成型后可以直接涂抹油墨使用；</p><p>　　5、該軟件可以手動操作，通過計算機(jī)軟件

29、來控制激光的操作；</p><p>　　6、Arduino Uno單片機(jī)完成傳輸，CPU模塊接收、數(shù)據(jù)處理、指揮控制。</p><p>　　第二章 系統(tǒng)工作流程及控制原理</p><p>　　2.1 系統(tǒng)工作流程</p><p>　　設(shè)備啟動之后，在上位機(jī)軟件GRBL Controller中可以進(jìn)行設(shè)備初始化操作，使得機(jī)器的X、Y三個軸進(jìn)行回

30、零，在自動軟件對刀出現(xiàn)問題的，需要人為的手工對刀，手工對刀之后軟件會再次進(jìn)行原點(diǎn)定位，系統(tǒng)工作流程如圖2-1所示。軟件可識別的為NC格式圖紙，并且在打開軟件的時候可以自動識別打開的圖紙是否為有效的目標(biāo)文件，在遇到非目標(biāo)圖紙時，GRBL Controller會提供簡單的圖紙修復(fù)或者是圖紙?zhí)崛」δ?，修?fù)的能力范圍有限，提取出來的NC圖可能會較之前格式圖紙模糊或者片面。</p><p>　　在本系統(tǒng)的軟件設(shè)計，Ardu

31、ino IDE作為整體發(fā)環(huán)境和C作為編程語言。Arduino IDE集成開發(fā)環(huán)境，包括AVR編譯器，AVR系列單片機(jī)的調(diào)試功能，AVR ISP下載功能和JTAG I2C模擬功能。</p><p>　　圖2-1 系統(tǒng)工作流程圖</p><p>　　2.2 控制方法設(shè)計</p><p>　　2.2.1 系統(tǒng)整體模塊化設(shè)計</p><p>　　根據(jù)

32、設(shè)計要求，并且根據(jù)文獻(xiàn)[3-7]中所述經(jīng)驗(yàn)，本課題的基于AVR單片機(jī)與CNC的小型激光雕刻機(jī)主要采用了模塊化設(shè)計，在控制過程中可以分為以下幾個模塊：</p><p><b>　　1、中央控制器模塊</b></p><p>　　該模塊負(fù)責(zé)保證整個雕刻機(jī)的正常運(yùn)行，使用了AVR系列中的Atmel 328p單片機(jī)作為控制核心，在雕刻機(jī)正常工作的過程中負(fù)責(zé)控制步進(jìn)電機(jī)的位置和

33、激光頭的開關(guān)，同時完成與上位機(jī)之間的通信（ISP）方式。</p><p><b>　　2、電機(jī)驅(qū)動模塊：</b></p><p>　　該模塊采用3967SBL驅(qū)動芯片，芯片板載含有邏輯設(shè)備，在芯片中具有固定中斷時間的電流控制器，有各種各樣的電流衰減模式。電流衰減控制方案可以有效抑制步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的雜音，提高電機(jī)精度，削弱運(yùn)行過程中產(chǎn)生的能耗。</p>&l

34、t;p><b>　　3、激光頭控制模塊</b></p><p>　　該模塊采用繼電器控制方法實(shí)現(xiàn)，相對芯片驅(qū)動開關(guān)，繼電器控制方法具有穩(wěn)定可靠，維修檢查方便等優(yōu)勢。</p><p><b>　　4、機(jī)械傳動模塊</b></p><p>　　該小型激光雕刻機(jī)為了滿足小型工作場所和教學(xué)演示的工作環(huán)境，采用了拼裝式的獨(dú)立設(shè)

35、計，主要用到3D打印的鏈接固定件、兩相四線步進(jìn)電機(jī)、木質(zhì)框架，電機(jī)的傳動方式主要采用絲杠和光桿導(dǎo)軌的方式帶動激光頭和載物臺移動。</p><p>　　2.2.2 核心算法設(shè)計</p><p>　　在控制過程中采用的核心算法是數(shù)控插補(bǔ)算法，該算法主要解決了曲線圖形的鋸齒問題，使得X軸電機(jī)和Y軸電機(jī)配合完成曲線更加精細(xì)，可以提升設(shè)備整體工作過程中的精確程度。</p><p&

36、gt;　　在該裝置中采用的脈沖內(nèi)插法（過程標(biāo)量插值）的特點(diǎn)是，每個插補(bǔ)結(jié)果只在一個位移增量，這是輸出到步進(jìn)電機(jī)的電平信號，一種采用小段直線逼近曲線的補(bǔ)償辦法，補(bǔ)償速度與進(jìn)給速度密切相關(guān)，主要制約因素是步進(jìn)電機(jī)響應(yīng)速度，水平脈沖等效插值法簡單，通常采用積分法和移位運(yùn)算。</p><p>　　第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計</p><p>　　3.1 中央處理器模塊</p><p&g

37、t;　　下位機(jī)核心控制模塊由ATMEL 328芯片組成，因?yàn)锳TMEL公司的單片機(jī)具有強(qiáng)大的計算功能，軟件編程控制點(diǎn)對點(diǎn)，反應(yīng)速度快，體積小，輸入輸出端口多，包含數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，適用領(lǐng)域廣。電源由外部電源適配器供給，晶振有源輸入時鐘信號，控制模塊能夠正常工作；通過串口通訊模塊連接到上位機(jī)，可以多次反復(fù)燒寫程序，可以在線調(diào)試編程，并能通過上位機(jī)軟件向單片機(jī)發(fā)送指令來實(shí)時控制整機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。核心控制模塊電路如圖3-1所示。</p>

38、<p>　　圖3-1 核心控制模塊電路圖</p><p>　　ATMEL單片機(jī)是一個開源的軟硬件平臺，通過AVR單片機(jī)的反復(fù)開發(fā)，簡化了單片機(jī)引腳的使用，并有專門開發(fā)的編程語言。</p><p>　　世界著名開源硬件項(xiàng)目誕生于意大利一所學(xué)院。馬西莫的學(xué)生經(jīng)常惱火，因?yàn)樗麄冋也坏胶线m的單片機(jī)來控制機(jī)器人。后來，馬西莫和朋友戴維討論過這個問題，他們決定自己來設(shè)計屬于自己的電路板，

39、并邀請學(xué)生David Melis設(shè)計該控制板的編程語言。一周后，設(shè)計完成。電路板，命名為Arduino，這個名稱來自于當(dāng)?shù)氐囊粋€bar。Massimo認(rèn)為，開放源代碼可以產(chǎn)生一個更廣泛的應(yīng)用，使Arduino的關(guān)注率逐漸增加。所以他把設(shè)計數(shù)據(jù)張貼在網(wǎng)上。馬西莫的愿景，在短短的幾個月內(nèi)，Arduino用戶增長迅速，熱心的愛好者提出了許多改進(jìn)的電路和擴(kuò)展的編程語言。</p><p>　　表3-1 主要性能參數(shù)<

40、/p><p>　　晶振有三種操作模式，在三種差異操作模式中有一個符合需求的最佳工作頻率。通過設(shè)置CKSEL3，操作晶振的模式也會受到影響，如表3-2所示。</p><p>　　表3-2 晶體振蕩器工作模式</p><p>　　該芯片具有哈佛體系結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立數(shù)據(jù)和程序總線，因此具有最佳的性能和并行性。程序存儲器中的指令流水線在所有級別上運(yùn)行。每次CPU執(zhí)行命令時，讀取下

41、一個命令以實(shí)現(xiàn)單時鐘周期指令。</p><p>　　在芯片中，一般工作寄存器的設(shè)計是在寄存器中快速存取，你需要訪問它，只有一個時鐘周期是必須的，因此，ALU的操作可以是一個單一的時鐘周期的想法成為現(xiàn)實(shí)。當(dāng)ALU操作有兩個相同的操作數(shù)時，寄存器將同時訪問，然后將執(zhí)行，結(jié)果將被發(fā)送到主控制器的過程，也只需要一個機(jī)器周期。數(shù)據(jù)空間可以通過間接尋址寄存器指針來處理，當(dāng)一個使用內(nèi)存地址指針時，一個指針也可以用來定位數(shù)據(jù)表。

42、</p><p>　　寄存器和常量之間的操作可以由ALU自動處理，并且一個寄存器可以執(zhí)行ALU操作。ALU執(zhí)行后，狀態(tài)寄存器可以獲取并顯示新的結(jié)果。無條件跳轉(zhuǎn)和命令調(diào)用導(dǎo)致程序流，所以您可以直接尋址整個地址空間。</p><p>　　在程序順序存儲空間中，有一個引導(dǎo)塊和應(yīng)用區(qū)域，它們都具有特定的鎖定、定位和讀寫保護(hù)功能。SPM指令可用于引導(dǎo)程序區(qū)，存儲中斷存儲在堆棧中，當(dāng)調(diào)用子程序時會調(diào)用

43、程序計數(shù)器。通用數(shù)據(jù)SRAM的大小也會影響機(jī)器查詢速率的大小。</p><p>　　在芯片中設(shè)計了一個易于使用的中斷模塊?？刂萍拇嫫鞯脑O(shè)計和應(yīng)用在I / O空間，和全局中斷EA位被設(shè)計在狀態(tài)寄存器。如果優(yōu)先級較低，任何中斷都會在中斷表中有單獨(dú)的離散中斷，這意味著它的地址級別越來越高。</p><p><b>　　3.2電機(jī)驅(qū)動設(shè)計</b></p><

44、;p>　　該模塊采用L9110S電機(jī)驅(qū)動芯片，電路設(shè)計如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2 L9110S電機(jī)驅(qū)動芯片</p><p>　　每一個EasyDriver可以為兩相四線步進(jìn)電機(jī)輸出大概每相700mA的啟動電流。它默認(rèn)為8步細(xì)分控制方式（所以如果電機(jī)是400步循環(huán)，換做easydriver，它是3200步循環(huán)），和更多的細(xì)分模式可以通過連接MS1、MS2的配置，或兩

45、個接地引腳，基于步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動芯片細(xì)分模式的電路斷路器。</p><p>　　表3-3 細(xì)分模式表</p><p>　　其主要工作原理是：L9110S連接單片機(jī)的IO口。收到指令后送到上位機(jī)，單片機(jī)發(fā)送相應(yīng)的水平，該L9110S芯片根據(jù)內(nèi)部程序，一個L9110S芯片包含的兩輸入兩輸出引腳，兩相四線步進(jìn)電機(jī)需要兩9110s端口14來完成對步進(jìn)電機(jī)的輸出線序。</p><p

46、>　　該L9110S芯片，本設(shè)計采用單片機(jī)控制，電機(jī)驅(qū)動，其中包含相應(yīng)的離散電路裝置，有兩組輸入和輸出端口，減少外圍電路的設(shè)計，以降低成本，同時也使得系統(tǒng)的安全性能有了顯著提高。這兩個輸入配置與TTL / CMOS，這是高和低水平兼容。它們配置在芯片內(nèi)部，具有良好的抗干擾特性，在輸出部分，每個輸出可以輸出約800毫安的電機(jī)電流并直接反向旋轉(zhuǎn)，瞬時峰值電流可以達(dá)到2A；該芯片是能夠保持穩(wěn)定，各種電機(jī)或電磁設(shè)備沒有風(fēng)險的驅(qū)動器，因?yàn)樗?/p>

47、是安裝一個鉗二極管內(nèi)部，飽和電壓芯片，以減少不利影響，可能會導(dǎo)致當(dāng)司機(jī)可以減少。L9110S的電氣性能介紹如表3-4中所示。</p><p><b>　　表3-4 電氣性能</b></p><p>　　L9110的封裝如圖3-3所示，本設(shè)計采用SOP8封裝模型。</p><p>　　DP后綴塑料封裝(DIP8)</p><p

48、>　　SO后綴塑料封裝(SOP8)</p><p>　　圖3-3 L9110封裝圖</p><p><b>　　3.3系統(tǒng)框架設(shè)計</b></p><p>　　該模塊主要由兩相四線步進(jìn)電機(jī)、螺桿、光桿和ABS板組成。通過三維印刷滑塊和步進(jìn)電機(jī)相結(jié)合，步進(jìn)電機(jī)可以驅(qū)動滑塊。機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)分為X軸和Y軸滑動滑塊，X軸加載激光管，水平移動存儲面板

49、上的Y軸，雕刻物體放在面板上，縱向前后移動，以完成雕刻的功能。</p><p>　　3.3.1 步進(jìn)電機(jī)模塊</p><p>　　根據(jù)文獻(xiàn)[8-10]所提供經(jīng)驗(yàn)，本設(shè)計中使用的是兩相四線步進(jìn)電機(jī)，如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4 兩相四線步進(jìn)電機(jī)</p><p>　　本設(shè)計中使用的是二相四線步進(jìn)電機(jī)。一般來說，步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)

50、角度是每一個時間步長，由單片機(jī)發(fā)送相應(yīng)的脈沖，得到相應(yīng)的位移角，是“步進(jìn)”，以步進(jìn)電機(jī)控制。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)不過載時，它的位置、頻率和速度通常由脈沖的數(shù)量控制而不改變負(fù)載。因此，精確的定位可以控制的角度位移的脈沖數(shù)，和脈沖頻率也可以調(diào)整到步進(jìn)電機(jī)的速度。</p><p>　　一般來說，大多數(shù)步進(jìn)電機(jī)的接線可以用彩色線來區(qū)分，由于不同廠家的步進(jìn)電機(jī)，產(chǎn)生不同顏色的線條，所以用萬用表來測試步進(jìn)電機(jī)的引腳并確定線的順序是必要

51、的。步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖3-5所示，A和A是相通的，B和B是相通的。所以，A與A-是一個組，B與B-則是另外一個組。</p><p>　　圖3-5 步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)相關(guān)參數(shù)如下：</p><p>　　1、相位數(shù)：這個參數(shù)通常用m表示，它是指不同磁場中線圈相對值的對數(shù)。</p><p>　　2、靜轉(zhuǎn)矩：

52、當(dāng)電機(jī)處于額定靜止?fàn)顟B(tài)時，電機(jī)不轉(zhuǎn)，電機(jī)軸鎖定轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　3、節(jié)拍數(shù)：一般n表示它是由于周期性的變化，相應(yīng)的磁場應(yīng)該有一個脈沖數(shù)，或者它可以表示為它的角度，在它變成一個牙齒，應(yīng)該是脈沖的數(shù)目。</p><p>　　4、定位力矩：指當(dāng)電機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子本身的鎖定力矩。</p><p>　　5、步進(jìn)角：指通過控制系統(tǒng)每次發(fā)出脈沖信號時電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度。用θ表

53、示，與通常的結(jié)果θ等于360度（乘以轉(zhuǎn)子齒數(shù)J *運(yùn)行拍攝數(shù)）如果使用45相齒步進(jìn)電機(jī)，例如，運(yùn)行角為1.8度（通常稱為整步），而八次跳動為0.9度（通常稱為半步）。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的主要特點(diǎn)：</p><p>　　1、步進(jìn)電機(jī)的精度誤差不累加。通常計算每一步之前和之后應(yīng)達(dá)到的每一步的誤差。在每一步中所示的理論結(jié)果是不相關(guān)的，如1.8度的步距角和精度為5%，即，每一步的誤差范

54、圍在臺階角的5%以內(nèi)，即每一步與理論位置之間的夾角偏差小于0.09度。</p><p>　　2、電機(jī)表面可以承受的最高溫度。</p><p>　　首先，無法控制的過熱導(dǎo)致電機(jī)產(chǎn)生退磁，因此，對于步進(jìn)電機(jī)來說，它能承受的最大溫度是不同磁性材料的退磁點(diǎn)。他們常常停止退磁在120攝氏度，有的材料可以達(dá)到190攝氏度，六十?dāng)z氏度或七十?dāng)z氏度的電機(jī)表面溫度，運(yùn)行正常，不需要擔(dān)心電機(jī)由于高溫操作和損壞

55、。</p><p>　　3、電機(jī)的力矩隨著轉(zhuǎn)速的降低而上升。</p><p>　　電機(jī)工作時，電機(jī)產(chǎn)生反向電動勢。頻率越低，反電動勢越小。因此，電機(jī)的速度降低，扭矩將上升。</p><p>　　4、電機(jī)的轉(zhuǎn)速高于一定值，然后產(chǎn)生噪聲，但也沒有正常工作的方式，但是，當(dāng)速度下降，就可以開始工作。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)由于其明顯的特點(diǎn)，在這

56、一技術(shù)的不斷發(fā)展和各種技術(shù)的不斷進(jìn)步中發(fā)揮著不可替代的作用。今后，經(jīng)過一定的研發(fā)力度，使用步進(jìn)電機(jī)將不斷拓寬并變得更加普及。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的主要特性：</p><p>　　1、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動信號必須是脈沖信號。當(dāng)沒有脈沖時，步進(jìn)電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)，如果加上合適的脈沖信號，它將以一個角度旋轉(zhuǎn)（稱為步進(jìn)角）。頻率正比于旋轉(zhuǎn)速度和脈沖。</p><p>　　

57、2、通常情況下，3x16脈沖具有7.5度的步進(jìn)角使三相電動機(jī)正常轉(zhuǎn)動，所以計劃應(yīng)充分考慮應(yīng)用程序時。</p><p>　　3、在許多情況下，步進(jìn)電機(jī)必須立即控制，它的立即啟動和緊急停止能力可以滿足需求。</p><p>　　4、為了改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，需要調(diào)整相應(yīng)的時序[11]。</p><p>　　3.3.2 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>

58、　　由于該裝置是微型桌面級設(shè)備，根據(jù)文獻(xiàn)[12]所提供經(jīng)驗(yàn)，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上采用了結(jié)構(gòu)相對簡單的門字形布局，設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)包括底座、導(dǎo)軌、絲杠、工作臺、主軸組件、門字框以及激光座等部分組成，如圖3-6所示。兩個10mm厚的L形木板，底部和Y軸滑動固定為立柱，兩塊板的上部還與木板連接，使整體更加穩(wěn)定。這種機(jī)床其實(shí)就是一臺小型化的數(shù)控銑床，但它與數(shù)控銑床又有顯著的不同，其速度快，體積小，拆裝方便。</p><p>　　1

59、-步進(jìn)電機(jī)絲杠，2-軸承，3-步進(jìn)電動機(jī)，4-導(dǎo)軌，5-支撐板，6-門字框。</p><p>　　圖3-6 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　該裝置整體框架采用木質(zhì)結(jié)構(gòu)，從材料上直接減少了整個裝置的重量，由于設(shè)備的體積和工作過程中產(chǎn)生的震動較小，所以該結(jié)構(gòu)可以滿足正常工作過程中設(shè)備的穩(wěn)定性。</p><p>　　3.3.3 X軸滾珠絲杠螺母副</p>

60、<p>　　小型雕刻機(jī)X軸的受力分析，等效軸向載荷X軸絲杠，然后計算出預(yù)期的螺紋底徑和最小允許負(fù)荷，然后根據(jù)預(yù)期額定動載荷和允許的最小螺紋底徑確定型和螺絲的大小，根據(jù)該選擇滾珠絲杠副的選擇和支持滾動軸承。</p><p>　　確定絲杠的當(dāng)量載荷，雕刻機(jī)卸荷時，X軸的軸向載荷是由導(dǎo)軌摩擦力引起的。</p><p>　　計算X軸導(dǎo)軌的摩擦力</p><p>　

61、　查文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計計算手冊》與《現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)與設(shè)計》[13-14]知：X軸方向的導(dǎo)軌的受力情況，計算摩擦力的公式如下：</p><p><b>　　對X軸導(dǎo)軌有：</b></p><p>　　(3-1) </p><p>　　設(shè)，,,,取動摩擦因數(shù)。</p><p><b>　　則有：<

62、/b></p><p><b>　　(3-2)</b></p><p>　　將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式，經(jīng)過計算后可得。</p><p>　　當(dāng)螺桿的載荷大小與其速度成正比時，其速度的可能與數(shù)值相同，然后用下面的公式計算：</p><p>　　(3-3) </p>

63、<p>　　將相關(guān)數(shù)據(jù)代入計算得：</p><p>　　根據(jù)預(yù)期的操作距離，公式如下：</p><p><b>　　(3-4)</b></p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　——精度等級，精度等級由7級精度決定，應(yīng)采取0.8級精度；</p><

64、p>　　——可靠系數(shù)，按95%，取0.62；</p><p>　　——負(fù)荷系數(shù)，輕微震動，取1.2；</p><p>　　將的值代入公式，則。</p><p>　　估算滾珠絲杠的最大允許軸向變形量查閱相關(guān)資料可知：在一般情況下定位精度，且有定位精度大于脈沖當(dāng)量。已知脈沖當(dāng)量為0.01，所以此處定位精度可取0.02，而有，這里取。</p><

65、;p>　　計算了滾珠絲杠的最小螺紋底徑，并采用了螺桿兩端的安裝方法，公式如下：</p><p><b>　　(3-5)</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p><b>　　-導(dǎo)軌的靜摩力</b></p><p>　　-最大允許的軸向變形量<

66、;/p><p>　　-兩個固定支承之間的距離（mm）</p><p>　　≈（1.1～1.2）行程+（10～14）Ph</p><p>　　X軸絲杠：L =197毫米長度，F(xiàn)0 = 34.4n，這些數(shù)據(jù)將被計算后用來尋找最小螺紋底徑計算得3.44mm。</p><p>　　確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號及尺寸</p><p>　

67、　所選絲杠應(yīng)滿足：，，但不宜過大。</p><p>　　對X軸絲杠有：=3.44mm，=166.2N</p><p>　　絲杠螺紋長度滿足以下公式：</p><p>　　Ls=Lu+2Le (3-6) </p><p>　　該式中Lu是絲杠的行程，L

68、e是余程，查閱相關(guān)資料得：當(dāng)Ph=5mm時其余程Le=20mm。</p><p>　　所以對X軸絲杠有：Ls=197+2×20=237mm。</p><p>　　其中溫差△t=2.5℃，代入式（3-4）中得：Fm=219N。</p><p>　　軸承所承受的最大軸向載荷的計算公式如下：</p><p><b>　　(3-7

69、)</b></p><p>　　將Fmax 及Ft值代入到式（3-7）中得：=246N。</p><p>　　兩個25度的角接觸球軸承螺釘放置在兩側(cè)每側(cè)的背靠背的兩個滾動軸承布局，雙向固定不僅可以用于滾動軸承的軸向和徑向方向，還可以進(jìn)行對雙螺桿的軸向兩端修復(fù)。</p><p>　　軸承直徑應(yīng)滿足：，預(yù)加負(fù)載荷，。所以選擇的角接觸球軸承，其滿足直徑且預(yù)加負(fù)

70、載荷為。</p><p>　　3.3.4 Y軸滾珠絲杠螺母副</p><p>　　所需的力的分析方向Y軸雕刻機(jī)螺絲，我們可以得到等效軸向負(fù)載Y軸螺絲，然后計算預(yù)期的額定負(fù)荷和最小螺紋的底徑可以根據(jù)預(yù)期額定動載荷和允許的最小螺紋底徑確定的類型和尺寸的螺釘，根據(jù)對滾動軸承支承選用滾珠絲杠副的選擇。</p><p>　　查《機(jī)械設(shè)計手冊》知：Y軸方向的導(dǎo)軌的受力情況，計算

71、摩擦力的公式如下：</p><p><b>　　對Y軸導(dǎo)軌有：</b></p><p>　　雕刻機(jī)空載時有以下公式：</p><p><b>　　(3-8) </b></p><p>　　雕刻機(jī)在刀具負(fù)荷的最大速度，以下公式：</p><p><b>　　(3-9

72、)</b></p><p><b>　　設(shè)，取動摩擦因素。</b></p><p>　　計算螺桿的軸向載荷。以下公式適用于Y軸螺釘和雕刻機(jī)無負(fù)載：</p><p><b>　　(3-10)</b></p><p>　　雕刻機(jī)在刀具負(fù)荷的最大速度，以下公式：</p><

73、p><b>　　(3-11)</b></p><p>　　將相關(guān)數(shù)據(jù)代入計算得：，。</p><p>　　當(dāng)螺桿的載荷大小與其速度成正比時，其速度的可能與數(shù)值相同，然后用下面的公式計算： </p><p><b>　　(3-12)</b></p><p>　　相關(guān)數(shù)據(jù)代入計算得：對Y軸絲杠有：

74、。</p><p>　　根據(jù)運(yùn)行距離來求，其計算公式如下：</p><p><b>　　(3-13)</b></p><p>　　如果螺釘裝有預(yù)緊力，則公式如下：</p><p><b>　　(3-14)</b></p><p><b>　　其中：</b>

75、;</p><p>　　精度等級，按7級精度來取值，其應(yīng)取0.8；</p><p>　　可靠系數(shù)，按95%，取0.62；</p><p>　　負(fù)荷系數(shù)，輕微震動，取1.2；</p><p>　　把的值代入，則比較兩式的計算結(jié)果，取較大值作為預(yù)期額定動載荷，所以。</p><p>　　查閱相關(guān)資料可知：在一般情況下，且有

76、定位精度>脈沖當(dāng)量。已知脈沖當(dāng)量為0.01，所以此處定位精度可取0.02，則有，這里取。</p><p>　　絲杠采用兩端固定的安裝方式，因此其計算公式如下：</p><p><b>　　式中：</b></p><p><b>　　-導(dǎo)軌的靜摩力</b></p><p>　　-最大允許的軸向變

77、形量</p><p>　　-兩個固定支承之間的距離（mm）</p><p>　　對Y軸絲杠有：，，，將這些數(shù)據(jù)代入，經(jīng)計算得：。</p><p>　　3.4步進(jìn)電機(jī)相關(guān)參數(shù)計算</p><p>　　3.4.1 轉(zhuǎn)動慣量計算</p><p>　　根據(jù)文獻(xiàn)[15-17]所述，進(jìn)給系統(tǒng)的主要參數(shù)之一是在步進(jìn)電機(jī)中加入的總慣性

78、矩，對電機(jī)的選擇具有重要意義。主要包括電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量、減速器的傳動慣量、螺桿和運(yùn)動部件等，轉(zhuǎn)換為電機(jī)軸：。</p><p>　　其中為體積個數(shù)，為密度，為體積元素與轉(zhuǎn)軸的距離。單位，機(jī)組負(fù)荷質(zhì)量轉(zhuǎn)換為電機(jī)輸出軸傳動慣量，則選用滾珠絲杠計算模型：</p><p><b>　　(3-15)</b></p><p>　　其中W：可動部分的總重量[

79、kg]、BP：絲杠螺距[mm]、GL：減速比。</p><p>　　控制系統(tǒng)要定位準(zhǔn)確，物體運(yùn)動必須有加減速過程，如圖3-7所示。</p><p>　　圖3-7 加減速過程</p><p>　　給定加速度時間和最大速度，可以得到電機(jī)的腳加速度：</p><p>　　(3-16) </p><p>　　3.4.2

80、等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算</p><p>　　在不同的工作條件下，步進(jìn)電機(jī)軸軸承的負(fù)載轉(zhuǎn)矩不同，通常考慮兩種情況：快速空載啟動（工作負(fù)載為0），另一種是最大工作負(fù)載。</p><p>　　1、快速空載起動時電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩</p><p><b>　　(3-17)</b></p><p>　　式中：在快速空載啟動時轉(zhuǎn)換

81、為電機(jī)軸的最大加速力矩，單位；</p><p>　?。哼\(yùn)動部件移動時轉(zhuǎn)換為電機(jī)軸的摩擦力矩，單位：；</p><p>　　：滾珠絲杠預(yù)減速到電機(jī)軸的附加摩擦力矩，單位：；</p><p><b>　　具體計算過程如下：</b></p><p><b>　　(3-18)</b></p>

82、<p>　　注：是電動機(jī)加速所用的時間，一般在0.3到1秒之間選取。</p><p>　　運(yùn)動部件移動時轉(zhuǎn)換為電機(jī)軸的摩擦力矩：</p><p><b>　　(3-19)</b></p><p>　　是總傳動比，，其中為電機(jī)轉(zhuǎn)速，為絲杠的轉(zhuǎn)速。其中導(dǎo)軌的莫摩擦力為：，為摩擦因素，滑動導(dǎo)軌選取0.15-0.18，滾動導(dǎo)軌取0.003-0

83、.005。</p><p>　　滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩：</p><p><b>　　(3-20)</b></p><p>　　是滾動絲杠未預(yù)緊時的傳動效率，一般取。</p><p>　　3.4.3 最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算</p><p><b>　　(3-21)<

84、;/b></p><p>　　式中和是按照上述公式計算，由下式計算：</p><p><b>　　(3-22)</b></p><p>　　經(jīng)過上述計算，已知步進(jìn)電機(jī)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為：</p><p><b>　　(3-23)</b></p><p>　　3.

85、4.4 性能校核</p><p>　　根據(jù)文獻(xiàn)[18]所提供校核經(jīng)驗(yàn)：</p><p>　　1、最快工作進(jìn)給速度時電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核</p><p>　　由最快工作進(jìn)給速度和系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，可計算出電動機(jī)對應(yīng)的運(yùn)行頻率為：</p><p><b>　　(3-24)</b></p><p>　　從初選

86、的步進(jìn)電動機(jī)的矩頻特性曲線，找出運(yùn)行頻率所對應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩，檢查是否大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩。若是，則滿足要求；若不是，則要重新計算再選擇電動機(jī)。</p><p>　　2、最快空載移動時電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核</p><p>　　由最快空載移動速度和系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，則可以計算出運(yùn)行頻率，轉(zhuǎn)矩頻率特性曲線也得到相應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩。檢查是否大于啟動時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。若是，則滿足要求；若不是，則要重新計算再選擇電動

87、機(jī)。</p><p>　　3、最快空載移動時電動機(jī)運(yùn)行頻率校核</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的起動頻率隨軸載慣量的增大而減小，所以根據(jù)主步進(jìn)電機(jī)起動轉(zhuǎn)矩的頻率特性曲線，找出電機(jī)軸相應(yīng)的慣量。</p><p><b>　　4、起動頻率校核</b></p><p>　　步進(jìn)電動機(jī)的起動頻率是隨其軸上負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量的增加而下降的

88、，所以需要根據(jù)初選的步進(jìn)電動機(jī)的起動慣頻特性曲線，找出電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上總轉(zhuǎn)動慣量所對應(yīng)的。當(dāng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)不提供頻率特性曲線時，也可以用下式計算：</p><p><b>　　(3-25)</b></p><p>　　步進(jìn)電機(jī)克服慣性負(fù)載肯定小于空載起動頻率。</p><p>　　第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計</p><p>　　4.1

89、軟件開發(fā)環(huán)境介紹</p><p>　　4.1.1 Arduino IDE 介紹</p><p>　　Arduino IDE是Arduino編程軟件平臺。因?yàn)樗拈_源特性，開發(fā)人員可以很容易地開發(fā)和設(shè)計自己的作品，發(fā)展環(huán)境，因此在同一時間，IDE還具有良好的界面設(shè)計，編程語言是C風(fēng)格，任何C語言有一定的基礎(chǔ)，開發(fā)人員可以很容易地使用它，和適合初學(xué)者的門檻已經(jīng)減少了很多。因?yàn)锳rduino開源

90、收獲大量開發(fā)者共享文件，在工作或?qū)W習(xí)使用需要自己寫庫的麻煩過程省略，從而加快產(chǎn)品開發(fā)時間。</p><p>　　IDE接口Arduino只有六個按鈕，即編制、上傳、設(shè)置一個新的程序，打開程序，存儲程序，串口監(jiān)控，一個簡單的界面，使其適合初學(xué)者操作軟件更容易，不會引起誤解和混亂，在面對復(fù)雜的功能，有許多令人眼花繚亂的功能強(qiáng)大的軟件按鈕，適合初學(xué)者，有興趣和信心來發(fā)展和延續(xù)的初學(xué)者[19]。</p>&

91、lt;p>　　4.1.2 Delphi7軟件簡介</p><p>　　Delphi是一個美國公司開發(fā)的功能被稱為藍(lán)色的設(shè)計是一個非常強(qiáng)大的編程軟件，因?yàn)榭梢暬木幊汰h(huán)境，使用的過程中，可以很方便地應(yīng)用于各種嵌入式組件，因?yàn)橛写罅康慕M件，允許開發(fā)者快速構(gòu)建應(yīng)用程序的設(shè)計，還可以根據(jù)自己的需要修改相應(yīng)的組件的制備。</p><p>　　Delphi是眾所周知的第四代編程語言，因?yàn)樗浅Ｈ?/p>

92、易使用，效率高，并且有大量的嵌入式組件，這是強(qiáng)大的。與其他語言相比，如VC語言，易學(xué)易掌握，但它的功能不低于VC。</p><p>　　同時，Delphi還提供了各種開發(fā)工具，包括圖像編輯、數(shù)據(jù)庫處理、組件的編寫、數(shù)據(jù)庫開發(fā)等多種應(yīng)用。此外，Delphi可以為自己的用戶安裝其他工具，這使得它得到了更廣泛的應(yīng)用，這是Delphi工具在業(yè)界的巨大優(yōu)勢。</p><p>　　Delphi也在數(shù)據(jù)

93、庫中有突出的優(yōu)勢，用戶有一個強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫，如適應(yīng)多種數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，從客戶/服務(wù)器模式的多層模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)管理更高效；更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析工具，以及大型企業(yè)組成。</p><p>　　4.2 脈沖增量插補(bǔ)算法設(shè)計與實(shí)現(xiàn)</p><p>　　該系統(tǒng)采用文獻(xiàn)[20]中所提及的脈沖增量插值（筆畫標(biāo)量插值）方法。該算法的特點(diǎn)是每個插補(bǔ)結(jié)果只有一個單位位移增量，并使用脈沖輸出步進(jìn)電機(jī)，采

94、用多邊形逼近曲線補(bǔ)償。補(bǔ)償速度與進(jìn)給速度密切相關(guān)，脈沖等效插補(bǔ)方法簡單，通常采用加法和移位運(yùn)算。</p><p>　　偏差計算公式假定加工第一象限的直線OA，如圖4-1所示，取支線起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O，直線終點(diǎn)坐標(biāo)是已知的。為加工點(diǎn)（動點(diǎn)）。</p><p>　　圖4-1 第一象限直線插補(bǔ)</p><p>　　若M在直線上，則根據(jù)相似三角形的關(guān)系有：</p>

95、<p><b>　　(4-1)</b></p><p>　　取作為直線插補(bǔ)的偏差判別式；若，表明M點(diǎn)在直線OA上；若，表明M點(diǎn)在直線OA上方的處；若，表明M點(diǎn)在直線OA下方的處。</p><p>　　對于第一象限直線從起點(diǎn)（即坐標(biāo)原點(diǎn)）出發(fā)，若，沿+X軸方向走一步；若， 沿-X軸方向走一步。</p><p>　　當(dāng)兩方向所走的步數(shù)

96、與終點(diǎn)坐標(biāo)（）相等時，發(fā)出到達(dá)終點(diǎn)信號，停止插補(bǔ)。</p><p>　　設(shè)在某加工點(diǎn)出現(xiàn)有時，應(yīng)沿+X方向進(jìn)給一步，走一步后的坐標(biāo)值為：</p><p><b>　　新的偏差為：</b></p><p>　　若時，應(yīng)沿+Y方向進(jìn)給一步，走一步后的坐標(biāo)值為：</p><p><b>　　新的偏差為：</b&

97、gt;</p><p>　　上式為簡化后的偏差計算公式，對于不同的象限以及不同的矢量插補(bǔ)公式不同，但其基本原理相似。</p><p>　　脈沖增量插補(bǔ)是模擬硬件插補(bǔ)的原理，把計算機(jī)每次插補(bǔ)運(yùn)算產(chǎn)生的指令輸出到步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給運(yùn)動系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)給脈沖進(jìn)給，以驅(qū)動工作臺運(yùn)動。計算機(jī)每發(fā)出一個脈沖，相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)移動一個基本長度單位（脈沖當(dāng)量），并且每次插補(bǔ)的結(jié)果金產(chǎn)生一個行程增量[21]。<

98、;/p><p>　　4.3 軟件控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　4.3.1 步進(jìn)電機(jī)控制</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制，實(shí)質(zhì)上是基于電流控制步進(jìn)電機(jī)勵磁繞組的步進(jìn)電機(jī)，將所得到的磁場內(nèi)圓旋轉(zhuǎn)磁場均勻化，從而實(shí)現(xiàn)步距角細(xì)分，一般來說，合成磁矢量的振幅決定了步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，兩個相鄰的合成磁場矢量之間的夾角決定了步長，步進(jìn)電機(jī)的半步工作包含細(xì)分的原理。　　完成

99、細(xì)分模式的方法有措施，最常見的是脈寬調(diào)制斬波驅(qū)動模式，大多數(shù)專用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片驅(qū)動這種類型的驅(qū)動器?！　〔竭M(jìn)電機(jī)是一種純數(shù)字控制電機(jī)，它將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰?，即以脈沖、步進(jìn)電機(jī)為角度，所以非常適合控制，在不過載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和停止位置只取決于脈沖頻率和脈沖數(shù)，無論負(fù)載變化，電機(jī)轉(zhuǎn)向步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)只會周期性地積累誤差，精度高。</p><p>　　步進(jìn)電動機(jī)有如下特點(diǎn)： 1、步進(jìn)電機(jī)的角位移

100、與輸入脈沖成正比。因此，當(dāng)它轉(zhuǎn)過身來，沒有累積誤差和良好的后續(xù)； 2、由步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)簡單、價廉、可靠。它也可以作為一個閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的角度反饋； 3、步進(jìn)電機(jī)具有動響應(yīng)快、啟停容易； 4、速度可以在很寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)整，低速時仍能獲得較大的距離，這樣就可以在不使用減速器的情況下驅(qū)動負(fù)載； 5、步進(jìn)電機(jī)只能通過脈沖電源進(jìn)行操作，不能直接使用交流電源和直流電源； 6、步進(jìn)電機(jī)存在

101、失步現(xiàn)象，必須采取相應(yīng)的控制措施。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)只能由數(shù)字信號控制操作，當(dāng)脈沖帶動過時，在很短的時間內(nèi)，控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖數(shù)過多，這是脈沖頻率過高，會造成步進(jìn)電機(jī)失速。要解決這一問題，必須采用加減速的方法。也就是說，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)啟動時，有必要提供逐漸增加的脈沖頻率，并在減速時脈沖頻率逐漸降低。其實(shí)現(xiàn)方法：</p><p>　　設(shè)電機(jī)每次步進(jìn)的時間為t，t與電機(jī)的運(yùn)行速度成反比

102、，當(dāng)電機(jī)處于加速階段時，在電機(jī)的下一步應(yīng)使其時間為t-δt,其中δt是根據(jù)電機(jī)加速度計算出的時間減小量，其計算方式如下：</p><p><b>　　(4-2)</b></p><p>　　其中l(wèi)為某段距離的長度，δ為系統(tǒng)的分辨率即最小步進(jìn)距離，n為所走的總步數(shù)。</p><p>　　4.3.2 USB數(shù)控系統(tǒng)控制</p><

103、;p>　　USB之所以有很大的優(yōu)勢，是因?yàn)樗性S多其他總線所不能具有的特性。USB標(biāo)準(zhǔn)為不同的功能價格比提供了不同的選擇，以滿足不同系統(tǒng)和組件的不同要求。主要長處可歸納為以下幾點(diǎn)：</p><p>　　1、高速率。USB有高速和低速兩種模式。主模式為高速模式。速率為12Mps，另外USB還提供低速方式，速率為1.5Mps；</p><p>　　2、易于安裝和配置設(shè)備。USB設(shè)備支持即

104、插即用。系統(tǒng)自動配置，不占用中斷資源或DMA資源。它解決了越來越多的外設(shè)引起的槽張力問題；</p><p>　　3、易于拓展。用USB外接的設(shè)備數(shù)目最多可達(dá)127個；</p><p>　　4、可以由總線供電。USB 5V 500mA的電流是最大功率器件并非常有效；</p><p><b>　　5、運(yùn)用方式靈活。</b></p>&

105、lt;p>　　USB數(shù)控系統(tǒng)主要由3部分組成。按照從上到下的順序，USB主機(jī)接口和USB PC組件包括頂級PC主機(jī)硬件驅(qū)動軟件程序和USB控制器卡管理系統(tǒng)；位于USB數(shù)控卡包括硬件系統(tǒng)和PC機(jī)控制軟件公司的328單片機(jī)芯片的外圍接口電路，人機(jī)界面電路；該系統(tǒng)包括I/O的各種機(jī)床傳動系統(tǒng)接口。在硬件的安裝和布置上，系統(tǒng)整體分為兩大模塊：PC機(jī)和單片機(jī)控制器。通過PC機(jī)自帶的USB借口可以完全實(shí)現(xiàn)對單片機(jī)控制器的實(shí)時控制。</p

106、><p>　　設(shè)備驅(qū)動程序是PC機(jī)系統(tǒng)的核心部分，PC機(jī)系統(tǒng)中的驅(qū)動程序是和USB總線驅(qū)動在一起的，可以完成PC對設(shè)備的管理?？蛻舳说膽?yīng)用程序主要可以實(shí)現(xiàn)PC機(jī)的監(jiān)控功能，能夠?qū)⑾鄳?yīng)的G代碼文件實(shí)時傳送到下位機(jī)，并且顯示工作狀態(tài)。裝置的整體性能在于核心單片機(jī)的任務(wù)處理能力[22]。</p><p>　　4.4 系統(tǒng)主程序設(shè)計</p><p>　　該系統(tǒng)采用模塊化的軟件設(shè)

107、計，這就是所謂的模塊化設(shè)計意味著在開始編程是第一個通過的主要功能，需要的功能，諸如主框架將為表達(dá)整個軟件過程和結(jié)構(gòu)，并安排好調(diào)試輸入的每個幀的定義，輸出的鏈接，而不是通過控制命令對主機(jī)和相應(yīng)的書面聲明。為了獲得一系列的算法來描述作為一個單元的功能塊，結(jié)果逐步細(xì)化，并作為一個模塊的編程方法，實(shí)現(xiàn)他們的算法被稱為模塊化。</p><p>　　通過模塊化編譯程序有很多的軟件開發(fā)過程中看到的好處，很簡單，模塊化設(shè)計，實(shí)現(xiàn)

108、完整的編程非常方便順暢，這樣可以保持清晰的思路在實(shí)施過程中，減少了潛在的錯誤，并在期間的維護(hù)，也有利于其他人的理解。</p><p>　　對Arduino的編程語言系統(tǒng)的計算機(jī)軟件設(shè)計使用C語言，這種語言是基于原來的C語言，重新包裝的定義，它的優(yōu)點(diǎn)是，只有少數(shù)主說明書，了解一點(diǎn)C語言簡單易用，快速的應(yīng)用，為了可讀性強(qiáng)。同時，由于其開源，不喜歡傳統(tǒng)的C51單片機(jī)作為一個庫，需要自己編譯，但可以直接使用共享庫文件，因

109、此，開發(fā)出更快的原型在設(shè)計作品的過程中。</p><p>　　主程序模塊通常應(yīng)該做的是在機(jī)器開始初始化的建設(shè)總體框架的控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，是下位和計算機(jī)終端的通信連接，并在計算機(jī)界面顯示OK結(jié)束，確認(rèn)連接成功，然后每個I/O端口初始化設(shè)置等等，上位機(jī)的指令，確認(rèn)沒有問題后可進(jìn)行下一步。</p><p>　　本軟件包括：激光器強(qiáng)度設(shè)置、整體雕刻速度設(shè)置、電機(jī)歸位設(shè)置、圖片對稱性變化處理、手動

110、激光器位置控制。主程序流程圖如圖4-2所示。</p><p>　　圖4-2 主系統(tǒng)流程圖</p><p>　　4.5 其他軟件部分設(shè)計</p><p>　　4.4.1 系統(tǒng)初始化模塊</p><p>　　在Arduino的軟件系統(tǒng)，為ATMEL的328內(nèi)核單片機(jī)I/O口初始化的需要，使整個系統(tǒng)初始化模塊控制單元針腳初始化的主要工作，在系統(tǒng)初始

111、化模塊的程序流程圖如圖4-3所示。</p><p>　　圖4-3 模塊程序流程圖</p><p>　　系統(tǒng)初始化模塊的核心代碼如下所示：</p><p>　　void setup() {</p><p>　　Serial.begin(9600);//設(shè)置串口波特率</p><p>　　pinMode(laser_

112、pin, OUTPUT);//設(shè)置激光器控制I/O口狀態(tài)</p><p>　　digitalWrite(laser_pin,LOW);//設(shè)置激光器控制I/O口為低電平</p><p>　　myStepper1.setSpeed(32);//步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)置</p><p>　　myStepper2.setSpeed(32); </p><

113、;p>　　Serial.println("start!");//串口打印start</p><p><b>　　}</b></p><p>　　4.4.2 控制協(xié)議分析模塊</p><p>　　因?yàn)樵O(shè)備運(yùn)行需要上位機(jī)軟件，所以軟件部分和硬件部分的協(xié)議，串行掃描獲得的數(shù)據(jù)，該模塊的主要工作進(jìn)行分析，確定是否按照指令協(xié)議

114、，執(zhí)行相應(yīng)的指令，不符合串行協(xié)議的掃描一遍。本設(shè)計中的控制協(xié)議分析模塊的程序流程圖如圖4-4所示。</p><p>　　圖4-4 控制協(xié)議分析程序流程圖</p><p>　　控制協(xié)議分析模塊的核心代碼如下所示：</p><p>　　switch(utra_char)</p><p><b>　　{</b></p&g

115、t;<p>　　case ';'://機(jī)器匹配連接指令</p><p>　　cmd_code = NONE;//若匹配，則返回OK</p><p>　　utra_buffer = ""; </p><p>　　Serial.println("ok");</p>&

116、lt;p><b>　　break;</b></p><p>　　case 'X'://移動X軸滑臺指令</p><p>　　cmd_code = MOVE_X;</p><p>　　utra_buffer = "";</p><p>　　Serial.println(&q