基于avr單片機(jī)與cnc的小型激光雕刻裝置設(shè)計(jì)-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(jì)（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(jì)</p><p>　　學(xué) 院 機(jī)電工程學(xué)院</p><p>　　專業(yè)班級(jí)

2、 機(jī)電134班</p><p>　　學(xué) 號(hào) 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(jī)</

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(duì)本論文所涉及的研究工作做

4、出貢獻(xiàn)的其他個(gè)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(shí)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(dòng)接觸面的影響，會(huì)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(yǔ)言編程設(shè)計(jì)了小型激光雕刻機(jī)裝置。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中主要包括的模塊為中央處理器模塊、USB通信模塊、驅(qū)動(dòng)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(dòng)歸位、中斷后繼續(xù)雕刻、印章對(duì)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(guò)USB通信模塊與上位機(jī)軟件進(jìn)行通信，通過(guò)上位機(jī)控制軟件對(duì)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(dòng)、開關(guān)激光器、自動(dòng)雕刻圖案等功能。機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)部分采用絲杠、光桿、載物臺(tái)等結(jié)構(gòu)，通過(guò)與步進(jìn)電機(jī)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動(dòng)。</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(jiǎn)介1</p><p>　　1.2本設(shè)

15、計(jì)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(jì)3</p><p>　　2.2.1 系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)3</p><p>　　2.2.2 核心算法設(shè)計(jì)4</p><p>　　第

16、 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)5</p><p>　　3.1中央處理器模塊5</p><p>　　3.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)7</p><p>　　3.3系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算15</p><p>　　3.4.1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算15</p><p>　　3.4.2 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算16</p><p>　　3.4.3 最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)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(jì)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(jiǎn)介19</p><p>　　4.2 脈沖

19、增量插補(bǔ)算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)19</p><p>　　4.3 軟件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)23</p><p>　　4.5 其他軟件部分設(shè)計(jì)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(jì)28</p><p>　　第 5 章 系統(tǒng)測(cè)試30</p><p>　　5.1 測(cè)試環(huán)境30</p&g

21、t;<p>　　5.2 激光雕刻機(jī)整機(jī)測(cè)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(jiǎn)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(lái)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(huì)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(gè)科技發(fā)達(dá)國(guó)家深度研究，與此同時(shí)也獲得了大量科技發(fā)展中國(guó)家的研究深入，同樣這些國(guó)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(guò)程中，激光技術(shù)作為創(chuàng)新技術(shù)之一，是整個(gè)時(shí)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志。自1980以來(lái)，激光加工已被許多國(guó)家作為一個(gè)國(guó)家級(jí)的未來(lái)發(fā)展計(jì)劃。這些計(jì)劃的設(shè)計(jì)與實(shí)施給予了激光技術(shù)一個(gè)新的舞臺(tái)，并逐漸編織了一個(gè)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(shí)，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(duì)簡(jiǎn)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(jì)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(huì)出現(xiàn)劃痕或變形加工對(duì)象的不利影響，在這個(gè)過(guò)程中，裂縫很小，尤其是對(duì)PLA或ABS材料，處理干凈的位置，沒(méi)有加工過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)接觸應(yīng)力、加工刀具、加工對(duì)象沒(méi)有特殊的夾緊裝置。并通過(guò)對(duì)激光技術(shù)的探索，使用，逐漸發(fā)現(xiàn)問(wèn)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(jì)將會(huì)是大眾化普及激光技術(shù)的一個(gè)直接途徑。</p><p>　　價(jià)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(huì)目前而言還是小之又小，而小型激光雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)，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(lái)越多的人可以參與到數(shù)控激光機(jī)床的研究中[2]。通過(guò)十分友好UI設(shè)計(jì)的上位機(jī)控制軟件，機(jī)械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)精簡(jiǎn)，使得整個(gè)機(jī)床變得簡(jiǎn)介露骨、攜帶方便，使用簡(jiǎn)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(jì)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(jì)的小型激光雕刻裝置的主要功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)如下：</p><p>　　1、采用弱光定位功能，通過(guò)脈沖寬度調(diào)制將激光頭的功率降到相對(duì)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(dòng)作；</p><p>　　3、支持中斷雕刻，結(jié)束雕刻操作后，激光將自動(dòng)返回原點(diǎn)的雕刻坐標(biāo)，此時(shí)不移動(dòng)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(méi)有雕刻個(gè)別領(lǐng)域；</p><p>　　4、支持印章的對(duì)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(dòng)操作，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件

29、來(lái)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(dòng)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(gè)軸進(jìn)行回

30、零，在自動(dòng)軟件對(duì)刀出現(xiàn)問(wèn)題的，需要人為的手工對(duì)刀，手工對(duì)刀之后軟件會(huì)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(shí)別的為NC格式圖紙，并且在打開軟件的時(shí)候可以自動(dòng)識(shí)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(shí)，GRBL Controller會(huì)提供簡(jiǎn)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(lái)的NC圖可能會(huì)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(jì)，Ardu

31、ino IDE作為整體發(fā)環(huán)境和C作為編程語(yǔ)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(jì)</p><p>　　2.2.1 系統(tǒng)整體模塊化設(shè)計(jì)</p><p>　　根據(jù)

32、設(shè)計(jì)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(jì)，在控制過(guò)程中可以分為以下幾個(gè)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(gè)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(guò)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(shí)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(dòng)模塊：</b></p><p>　　該模塊采用3967SBL驅(qū)動(dòng)芯片，芯片板載含有邏輯設(shè)備，在芯片中具有固定中斷時(shí)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(guò)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(duì)芯片驅(qū)動(dòng)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(shì)。</p><p><b>　　4、機(jī)械傳動(dòng)模塊</b></p><p>　　該小型激光雕刻機(jī)為了滿足小型工作場(chǎng)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(jì)，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(dòng)方式主要采用絲杠和光桿導(dǎo)軌的方式帶動(dòng)激光頭和載物臺(tái)移動(dòng)。</p><p>　　2.2.2 核心算法設(shè)計(jì)</p><p>　　在控制過(guò)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(wèn)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(guò)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(guò)程標(biāo)量插值）的特點(diǎn)是，每個(gè)插補(bǔ)結(jié)果只在一個(gè)位移增量，這是輸出到步進(jìn)電機(jī)的電平信號(hào)，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(jiǎn)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(jì)</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(jì)算功能，軟件編程控制點(diǎn)對(duì)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(shí)鐘信號(hào)，控制模塊能夠正常工作；通過(guò)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(guò)上位機(jī)軟件向單片機(jī)發(fā)送指令來(lái)實(shí)時(shí)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(gè)開源的軟硬件平臺(tái)，通過(guò)AVR單片機(jī)的反復(fù)開發(fā)，簡(jiǎn)化了單片機(jī)引腳的使用，并有專門開發(fā)的編程語(yǔ)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(lái)控制機(jī)器人。后來(lái)，馬西莫和朋友戴維討論過(guò)這個(gè)問(wèn)題，他們決定自己來(lái)設(shè)計(jì)屬于自己的電路板，

39、并邀請(qǐng)學(xué)生David Melis設(shè)計(jì)該控制板的編程語(yǔ)言。一周后，設(shè)計(jì)完成。電路板，命名為Arduino，這個(gè)名稱來(lái)自于當(dāng)?shù)氐囊粋€(gè)bar。Massimo認(rèn)為，開放源代碼可以產(chǎn)生一個(gè)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(jì)數(shù)據(jù)張貼在網(wǎng)上。馬西莫的愿景，在短短的幾個(gè)月內(nèi)，Arduino用戶增長(zhǎng)迅速，熱心的愛(ài)好者提出了許多改進(jìn)的電路和擴(kuò)展的編程語(yǔ)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(gè)符合需求的最佳工作頻率。通過(guò)設(shè)置CKSEL3，操作晶振的模式也會(huì)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(chǔ)器中的指令流水線在所有級(jí)別上運(yùn)行。每次CPU執(zhí)行命令時(shí)，讀取下

41、一個(gè)命令以實(shí)現(xiàn)單時(shí)鐘周期指令。</p><p>　　在芯片中，一般工作寄存器的設(shè)計(jì)是在寄存器中快速存取，你需要訪問(wèn)它，只有一個(gè)時(shí)鐘周期是必須的，因此，ALU的操作可以是一個(gè)單一的時(shí)鐘周期的想法成為現(xiàn)實(shí)。當(dāng)ALU操作有兩個(gè)相同的操作數(shù)時(shí)，寄存器將同時(shí)訪問(wèn)，然后將執(zhí)行，結(jié)果將被發(fā)送到主控制器的過(guò)程，也只需要一個(gè)機(jī)器周期。數(shù)據(jù)空間可以通過(guò)間接尋址寄存器指針來(lái)處理，當(dāng)一個(gè)使用內(nèi)存地址指針時(shí)，一個(gè)指針也可以用來(lái)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(dòng)處理，并且一個(gè)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(wú)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(gè)地址空間。</p><p>　　在程序順序存儲(chǔ)空間中，有一個(gè)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(chǔ)中斷存儲(chǔ)在堆棧中，當(dāng)調(diào)用子程序時(shí)會(huì)調(diào)用

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

44、;p>　　該模塊采用L9110S電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，電路設(shè)計(jì)如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2 L9110S電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片</p><p>　　每一個(gè)EasyDriver可以為兩相四線步進(jìn)電機(jī)輸出大概每相700mA的啟動(dòng)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(guò)連接MS1、MS2的配置，或兩

45、個(gè)接地引腳，基于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(gè)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(lái)完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的輸出線序。</p><p

46、>　　該L9110S芯片，本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)控制，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，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(jì)，以降低成本，同時(shí)也使得系統(tǒng)的安全性能有了顯著提高。這兩個(gè)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(gè)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(shí)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(méi)有風(fēng)險(xiǎn)的驅(qū)動(dòng)器，因?yàn)樗?/p>

47、是安裝一個(gè)鉗二極管內(nèi)部，飽和電壓芯片，以減少不利影響，可能會(huì)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(jì)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(jì)</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(guò)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(dòng)滑塊。機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)分為X軸和Y軸滑動(dòng)滑塊，X軸加載激光管，水平移動(dòng)存儲(chǔ)面板

49、上的Y軸，雕刻物體放在面板上，縱向前后移動(dòng)，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(jì)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(jì)中使用的是二相四線步進(jìn)電機(jī)。一般來(lái)說(shuō)，步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)

50、角度是每一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，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(guò)載時(shí)，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(lái)說(shuō)，大多數(shù)步進(jìn)電機(jī)的接線可以用彩色線來(lái)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(wàn)用表來(lái)測(cè)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(gè)組，B與B-則是另外一個(gè)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(gè)參數(shù)通常用m表示，它是指不同磁場(chǎng)中線圈相對(duì)值的對(duì)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(shí)，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(chǎng)應(yīng)該有一個(gè)脈沖數(shù)，或者它可以表示為它的角度，在它變成一個(gè)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(shí)轉(zhuǎn)子本身的鎖定力矩。</p><p>　　5、步進(jìn)角：指通過(guò)控制系統(tǒng)每次發(fā)出脈沖信號(hào)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(jì)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(tái)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(wú)法控制的過(guò)熱導(dǎo)致電機(jī)產(chǎn)生退磁，因此，對(duì)于步進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)，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(shí)，電機(jī)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)。頻率越低，反電動(dòng)勢(shì)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(méi)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(guò)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(dòng)信號(hào)必須是脈沖信號(hào)。當(dāng)沒(méi)有脈沖時(shí)，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(hào)，它將以一個(gè)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(dòng)機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)，所以計(jì)劃應(yīng)充分考慮應(yīng)用程序時(shí)。</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(dòng)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(shí)序[11]。</p><p>　　3.3.2 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>

58、　　由于該裝置是微型桌面級(jí)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(duì)簡(jiǎn)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(tái)、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(gè)10mm厚的L形木板，底部和Y軸滑動(dòng)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(tái)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(dòng)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(jì)</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(gè)裝置的重量，由于設(shè)備的體積和工作過(guò)程中產(chǎn)生的震動(dòng)較小，所以該結(jié)構(gòu)可以滿足正常工作過(guò)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(jì)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(dòng)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(dòng)軸承。</p><p>　　確定絲杠的當(dāng)量載荷，雕刻機(jī)卸荷時(shí)，X軸的軸向載荷是由導(dǎo)軌摩擦力引起的。</p><p>　　計(jì)算X軸導(dǎo)軌的摩擦力</p><p>　

61、　查文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算手冊(cè)》與《現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)》[13-14]知：X軸方向的導(dǎo)軌的受力情況，計(jì)算摩擦力的公式如下：</p><p><b>　　對(duì)X軸導(dǎo)軌有：</b></p><p>　　(3-1) </p><p>　　設(shè)，,,,取動(dòng)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(guò)計(jì)算后可得。</p><p>　　當(dāng)螺桿的載荷大小與其速度成正比時(shí)，其速度的可能與數(shù)值相同，然后用下面的公式計(jì)算：</p><p>　　(3-3) </p>

63、<p>　　將相關(guān)數(shù)據(jù)代入計(jì)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(jí)，精度等級(jí)由7級(jí)精度決定，應(yīng)采取0.8級(jí)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(dòng)，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(jì)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(gè)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(zhǎng)度，F(xiàn)0 = 34.4n，這些數(shù)據(jù)將被計(jì)算后用來(lái)尋找最小螺紋底徑計(jì)算得3.44mm。</p><p>　　確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號(hào)及尺寸</p><p>　

67、　所選絲杠應(yīng)滿足：，，但不宜過(guò)大。</p><p>　　對(duì)X軸絲杠有：=3.44mm，=166.2N</p><p>　　絲杠螺紋長(zhǎng)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(shí)其余程Le=20mm。</p><p>　　所以對(duì)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(jì)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(gè)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(gè)滾動(dòng)軸承布局，雙向固定不僅可以用于滾動(dòng)軸承的軸向和徑向方向，還可以進(jìn)行對(duì)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(jì)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(dòng)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(duì)滾動(dòng)軸承支承選用滾珠絲杠副的選擇。</p><p>　　查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》知：Y軸方向的導(dǎo)軌的受力情況，計(jì)算

71、摩擦力的公式如下：</p><p><b>　　對(duì)Y軸導(dǎo)軌有：</b></p><p>　　雕刻機(jī)空載時(shí)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(dòng)摩擦因素。</b></p><p>　　計(jì)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(wú)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(jì)算得：，。</p><p>　　當(dāng)螺桿的載荷大小與其速度成正比時(shí)，其速度的可能與數(shù)值相同，然后用下面的公式計(jì)算： </p><p><b>　　(3-12)</b></p><p>　　相關(guān)數(shù)據(jù)代入計(jì)算得：對(duì)Y軸絲杠有：

74、。</p><p>　　根據(jù)運(yùn)行距離來(lái)求，其計(jì)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(jí)，按7級(jí)精度來(lái)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(dòng)，取1.2；</p><p>　　把的值代入，則比較兩式的計(jì)算結(jié)果，取較大值作為預(yù)期額定動(dòng)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(jì)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(gè)固定支承之間的距離（mm）</p><p>　　對(duì)Y軸絲杠有：，，，將這些數(shù)據(jù)代入，經(jīng)計(jì)算得：。</p><p>　　3.4步進(jìn)電機(jī)相關(guān)參數(shù)計(jì)算</p><p>　　3.4.1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)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(duì)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(dòng)慣量、減速器的傳動(dòng)慣量、螺桿和運(yùn)動(dòng)部件等，轉(zhuǎn)換為電機(jī)軸：。</p><p>　　其中為體積個(gè)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(dòng)慣量，則選用滾珠絲杠計(jì)算模型：</p><p><b>　　(3-15)</b></p><p>　　其中W：可動(dòng)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(dòng)必須有加減速過(guò)程，如圖3-7所示。</p><p>　　圖3-7 加減速過(guò)程</p><p>　　給定加速度時(shí)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(jì)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?？紤]兩種情況：快速空載啟動(dòng)（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(dòng)時(shí)電動(dòng)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(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)換

81、為電機(jī)軸的最大加速力矩，單位；</p><p>　?。哼\(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)時(shí)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(jì)算過(guò)程如下：</b></p><p><b>　　(3-18)</b></p>

82、<p>　　注：是電動(dòng)機(jī)加速所用的時(shí)間，一般在0.3到1秒之間選取。</p><p>　　運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)時(shí)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(dòng)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(dòng)導(dǎo)軌選取0.15-0.18，滾動(dòng)導(dǎo)軌取0.003-0

83、.005。</p><p>　　滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)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(dòng)絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取。</p><p>　　3.4.3 最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算</p><p><b>　　(3-21)<

84、;/b></p><p>　　式中和是按照上述公式計(jì)算，由下式計(jì)算：</p><p><b>　　(3-22)</b></p><p>　　經(jīng)過(guò)上述計(jì)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(shí)電動(dòng)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(jì)算出電動(dòng)機(jī)對(duì)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(dòng)機(jī)的矩頻特性曲線，找出運(yùn)行頻率所對(duì)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(jì)算再選擇電動(dòng)機(jī)。</p><p>　　2、最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核</p><p>　　由最快空載移動(dòng)速度和系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，則可以計(jì)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(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。若是，則滿足要求；若不是，則要重新計(jì)算再選擇電動(dòng)

87、機(jī)。</p><p>　　3、最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)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(dòng)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(dòng)頻率校核</b></p><p>　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)頻率是隨其軸上負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)機(jī)的起動(dòng)慣頻特性曲線，找出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所對(duì)應(yīng)的。當(dāng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)不提供頻率特性曲線時(shí)，也可以用下式計(jì)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(dòng)頻率。</p><p>　　第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</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(tái)。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(jì)自己的作品，發(fā)展環(huán)境，因此在同一時(shí)間，IDE還具有良好的界面設(shè)計(jì)，編程語(yǔ)言是C風(fēng)格，任何C語(yǔ)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(kù)的麻煩過(guò)程省略，從而加快產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間。</p><p>　　IDE接口Arduino只有六個(gè)按鈕，即編制、上傳、設(shè)置一個(gè)新的程序，打開程序，存儲(chǔ)程序，串口監(jiān)控，一個(gè)簡(jiǎn)單的界面，使其適合初學(xué)者操作軟件更容易，不會(huì)引起誤解和混亂，在面對(duì)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(lái)發(fā)展和延續(xù)的初學(xué)者[19]。</p>&

91、lt;p>　　4.1.2 Delphi7軟件簡(jiǎn)介</p><p>　　Delphi是一個(gè)美國(guó)公司開發(fā)的功能被稱為藍(lán)色的設(shè)計(jì)是一個(gè)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(guò)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(jì)，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(yǔ)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(yǔ)言相比，如VC語(yǔ)言，易學(xué)易掌握，但它的功能不低于VC。</p><p>　　同時(shí)，Delphi還提供了各種開發(fā)工具，包括圖像編輯、數(shù)據(jù)庫(kù)處理、組件的編寫、數(shù)據(jù)庫(kù)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(shì)。</p><p>　　Delphi也在數(shù)據(jù)

93、庫(kù)中有突出的優(yōu)勢(shì)，用戶有一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)，如適應(yīng)多種數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)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(jì)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(gè)插補(bǔ)結(jié)果只有一個(gè)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(jiǎn)單，通常采用加法和移位運(yùn)算。</p><p>　　偏差計(jì)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(dòng)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(duì)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(shí)，發(fā)出到達(dá)終點(diǎn)信號(hào)，停止插補(bǔ)。</p><p>　　設(shè)在某加工點(diǎn)出現(xiàn)有時(shí)，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(shí)，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(jiǎn)化后的偏差計(jì)算公式，對(duì)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(jì)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(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)給脈沖進(jìn)給，以驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)。計(jì)算機(jī)每發(fā)出一個(gè)脈沖，相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)一個(gè)基本長(zhǎng)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(gè)行程增量[21]。<

98、;/p><p>　　4.3 軟件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</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(lì)磁繞組的步進(jìn)電機(jī)，將所得到的磁場(chǎng)內(nèi)圓旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)均勻化，從而實(shí)現(xiàn)步距角細(xì)分，一般來(lái)說(shuō)，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(gè)相鄰的合成磁場(chǎng)矢量之間的夾角決定了步長(zhǎng)，步進(jìn)電機(jī)的半步工作包含細(xì)分的原理?！　⊥瓿?/p>

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(dòng)模式，大多數(shù)專用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)這種類型的驅(qū)動(dòng)器。　　步進(jìn)電機(jī)是一種純數(shù)字控制電機(jī)，它將電脈沖信號(hào)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(guò)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(wú)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(huì)周期性地積累誤差，精度高。</p><p>　　步進(jìn)電動(dòng)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(guò)身來(lái)，沒(méi)有累積誤差和良好的后續(xù)； 2、由步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)簡(jiǎn)單、價(jià)廉、可靠。它也可以作為一個(gè)閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的角度反饋； 3、步進(jìn)電機(jī)具有動(dòng)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(shí)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(dòng)負(fù)載； 5、步進(jìn)電機(jī)只能通過(guò)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(hào)控制操作，當(dāng)脈沖帶動(dòng)過(guò)時(shí)，在很短的時(shí)間內(nèi)，控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖數(shù)過(guò)多，這是脈沖頻率過(guò)高，會(huì)造成步進(jìn)電機(jī)失速。要解決這一問(wèn)題，必須采用加減速的方法。也就是說(shuō)，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，有必要提供逐漸增加的脈沖頻率，并在減速時(shí)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(shí)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(shí)，在電機(jī)的下一步應(yīng)使其時(shí)間為t-δt,其中δt是根據(jù)電機(jī)加速度計(jì)算出的時(shí)間減小量，其計(jì)算方式如下：</p><p><b>　　(4-2)</b></p><p>　　其中l(wèi)為某段距離的長(zhǎng)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(shì)，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(jià)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(zhǎng)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(dòng)配置，不占用中斷資源或DMA資源。它解決了越來(lái)越多的外設(shè)引起的槽張力問(wèn)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(gè)；</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(jí)PC主機(jī)硬件驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(guò)PC機(jī)自帶的USB借口可以完全實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)控制器的實(shí)時(shí)控制。</p

106、><p>　　設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序是和USB總線驅(qū)動(dòng)在一起的，可以完成PC對(duì)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(shí)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(jì)</p><p>　　該系統(tǒng)采用模塊化的軟件設(shè)

107、計(jì)，這就是所謂的模塊化設(shè)計(jì)意味著在開始編程是第一個(gè)通過(guò)的主要功能，需要的功能，諸如主框架將為表達(dá)整個(gè)軟件過(guò)程和結(jié)構(gòu)，并安排好調(diào)試輸入的每個(gè)幀的定義，輸出的鏈接，而不是通過(guò)控制命令對(duì)主機(jī)和相應(yīng)的書面聲明。為了獲得一系列的算法來(lái)描述作為一個(gè)單元的功能塊，結(jié)果逐步細(xì)化，并作為一個(gè)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(guò)模塊化編譯程序有很多的軟件開發(fā)過(guò)程中看到的好處，很簡(jiǎn)單，模塊化設(shè)計(jì)，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(guò)程中，減少了潛在的錯(cuò)誤，并在期間的維護(hù)，也有利于其他人的理解。</p><p>　　對(duì)Arduino的編程語(yǔ)言系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)使用C語(yǔ)言，這種語(yǔ)言是基于原來(lái)的C語(yǔ)言，重新包裝的定義，它的優(yōu)點(diǎn)是，只有少數(shù)主說(shuō)明書，了解一點(diǎn)C語(yǔ)言簡(jiǎn)單易用，快速的應(yīng)用，為了可讀性強(qiáng)。同時(shí)，由于其開源，不喜歡傳統(tǒng)的C51單片機(jī)作為一個(gè)庫(kù)，需要自己編譯，但可以直接使用共享庫(kù)文件，因

109、此，開發(fā)出更快的原型在設(shè)計(jì)作品的過(guò)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(jì)算機(jī)終端的通信連接，并在計(jì)算機(jī)界面顯示OK結(jié)束，確認(rèn)連接成功，然后每個(gè)I/O端口初始化設(shè)置等等，上位機(jī)的指令，確認(rèn)沒(méi)有問(wèn)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(duì)稱性變化處理、手動(dòng)

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(jì)</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(gè)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(jì)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(dòng)X軸滑臺(tái)指令</p><p>　　cmd_code = MOVE_X;</p><p>　　utra_buffer = "";</p><p>　　Serial.println(&q