1、微型数控 激光雕刻装置设计 摘 要： 本文设计了一种基于 AVR 单片机控制的微型 CNC 激光雕刻装置装置， 为了弥补市场中缺少微小型数控雕刻装置，满足消费者需要 。该装置采用 ISP 与上位机进行高速通信，从而用户通过上位机的编程对装置进行实时操作。为了进一步提升装置的运行精度，本文做出了简要的精度分析， 进给运动系统 采用 带转换器的微步驱动器 A3967 作为驱动电路核心 ，同时通过直线脉冲增量算法设计与实现，提高整体装置的控制精度。装置采用模块化设计，结构简单，拆装方便。在装置测试和运行后，结果表明该装置能够稳定可靠的工作，运行精度高，具有良好的应用前景。 关键词： CNC； AVR
2、 单片机；激光雕刻；脉冲增量插补 中图分类号： TP23 The design of miniature CNC laser engraving device based on AVR MCU Abstract: This paper designed a miniature CNC laser engraving device based on AVR MCU， In order to make up for the lack of micro CNC engraving equipment in the market, to meet the needs of consumers. thi
3、s device adopts the ISP high-speed communication with PC, Thus the consumers can operate the device by PC programming. In order to further enhance the running accuracy of the device, this paeper made a brief analysis of precision,the servo feed system used micro-step driver A3967 with converter as t
4、he core of the device circuit, through the design and implementation of linear pluse incremental algorithm at the same time, improved control precision of the device. The device adopts modular design, simple structure, convenient disassembly. After the testing and running of the device, the test res
5、ults show that the device obtains good performance of strong reliability, high precious, which can be broadly applied. Keywords： CNC; AVR MCU; laser-engraved; linear pulse incremental interpolation 0 装置整体结构设计 由于该装置是微型桌面级设备，在机械结构上采用了结构相对简单的门字形布局，设备的主要结构包括底座、导轨、丝杠、工作台、主轴组件、门字框以及激光座等部分组成，如图 1 所示。两块 10m
6、m 厚的 L 形木板底部与 Y轴滑块固定作为立柱，两块木板的上部也用木板连接使机架更加稳定。这种机床其实就是一台小型化的数控铣床，但它与数控铣床又有显著的不同 1，其速度快，体积小，拆装方便！ 1-步进电机丝杠， 2-轴承， 3-步进电动机， 4-支撑板， 5-“龙门”梁 图 1 装置结构设计 Fig.1 The device structure design 1 系统工作流程 设备启动之后，在上位机软件 GRBL Controller 中可以进行设备初始化操作，使得机器的 X、 Y 三个轴进行回零，在自动软件对刀出现问题的，需要人为的手工对刀，手工对刀之后软件会再次进行原点定位，系统工作流程
7、如图 2 所示。软件可识别的为 NC 格式图纸，并且在打开软件的时候可以自动识别打开的图纸是否为有效的目标文件，在遇到非目标图纸时， GRBL Controller 会提供简单的图纸修复或者是图纸提取功能，修复的 能力范围有限，提取出来的 NC 图可能会较之前格式图纸模糊或者片面。 在本系统软件设计中，选用 AVR Studio 作为嵌入式开发环境， C 作为编程语言。 AVR Studio 集成开发环境包括了 AVR Assembler 编译器、 AVR Studio 调试功能、 AVR Prog 串行、并行下载功能和 JTAG ICE 仿真功能 2 1 2 3 5 4 图 2 系统工作流程
8、图 Fig.2 The flow chart of the system 2 控制系统设计 2.1 主控系统设计及精度分析 本文设计的装置主要包括基于 Atmel 328 单片机的主控系统和步进电机进给运动系统， Atmel 328 AVR 微型控制器是基于RISC 的高性能设备，结合了 32KB 的 ISP 闪存，其最小系统如图 3 所示。 由于微型激光雕刻的体积大小限制，并且负载变化不大，加上开环控制系统优点众多，该系统选用开环控制方式。主运动采用电主轴开环控制方式，进给系统采用步进电机开环控制方式。由于整个开环系统没有反馈机制，所以精度主要取决于驱动元器件、步进电机的性能以及步进电机控制
9、算法的设计 。其驱动电路采用带转换器的微步驱动器 A3967，驱动电路如图 4 所示， A3967 包括一个固定关 断时间电流稳流器，该稳流器可在慢、快或混合衰减模式下操作，此电流衰减控制方案能减少电动机噪音 ， 增加步进精确度并减少功率耗散，所以采用该驱动元件可以提升装置运行精度。 图 3 Atmel 328 最小系统 Fig.3 Atmel 328 minimum system 图 4 A3967 电机驱动电路 Fig.4 A3967 motor drive circuit 2.2 脉冲增量插补算法设计及实现 本系统中所采用的为脉冲增量插补（行程标量插补）法，这类算法的特点是：每次插补的结
10、果仅产生一个单位的位移增量（一个脉冲当量），以一个脉冲的方式输出给步进电机，一种采用折线逼近曲线的补偿方法，插补速度与进给速度密切相关，同时会受到步进电机最高运行频率的限制，脉冲当量插补的实现方法比较简单，通常只用加法和移位运算。 偏差计算公式假定加工第一象限的直线 OA，如图 5 所示，取支线起点为坐标原点 O，直线终点坐标 A（ eeYX, ）是已知的。M（ mmYX, ）为加工点（动点）。 图 5 第一象限直线插补 Fig.5 Linear interpolation of the first quadrant 若 M 在直线上，则根据相似三角形的关系有： eemm YXYX 取 eme
11、mm YXXYF 作为直线插补的偏差判别式；若 0mF ，表明 M 点在直线 OA 上；若 0mF ，表明 M 点在直线 OA 上方的M处；若 0mF ，表明 M 点在直线 OA 下方的 M处。 对于第一象限直线从起点（即坐标原点）出发，若 0mF ，沿 +X 轴方向走一步；若 0mF ， 沿 -X 轴方向走一步。 当两方向所走的步数与终点坐标（ eeYX, ）相等时，发出到达终点信号，停止插补。 设在某加工点出现有 0mF 时，应沿 +X 方向进给一步，走一步后的坐标值为： mmmm YYXX 11 ,1 新的偏差为： emememm YFYXXYF 111 若 0mF 时，应沿 +Y 方向
12、进给一步，走一步后的坐标值为： 1, 11 mmmm YYXX 新的偏差为： XFYXXYF mememm 111 上式为简化后的偏差计算公式，对于不同的象限以及不同的矢量插补公式不同，但其基本原理相似。 脉冲增量插补是模拟硬件插补的原理，把计算机每次插补运算产生的指令输出到步进电机进给运动系统，系统根据进给脉冲进给，以驱动工作台运动。计算机每发出一个脉冲，相应的步进电机移动一个基本长度单位（脉冲当量），并且每次插补的结果金产生一个行程增量 3。 2.3 对步进电机的控制 步进电机只能够由数字信号控制运行，当脉冲提供给驱动器时，在过于短的时间里，控制系统发出的脉冲数太多，也就是脉冲频率过高，将
13、导致步进电机堵转。要解决这个问题就要采用加减速的办法。也就是在步进电机起步的时候，要提供逐渐升高的脉冲频率，减速时的脉 冲频率要逐渐减低。其实现方法： 设电机每次步进的时间为 t， t 与电机的运行速度成反比，当电机处于加速阶段时，在电机的下一步应使其时间为 t- t,其中 t 是根据电机加速度计算出的时间减小量，其计算方式如下： 2 )(,tt,l 1010 ttntln tn sum 其中 l 为某段距离的长度，为系统的分辨率即最小步进距离， n 为所走的总步数。 3 通讯系统工作原理 USB 数控系统主要由 3 部分组成。按照由上到下的顺序，顶级的 PC 组件包括 PC 主机硬件的 US
14、B HOST 接口、 USB 驱动程序和 USB CNC 控制器卡管理系统的 PC 软件部分；位于中建的 USB 借口数控卡（下位机）包括 Atmel 328 主控单片机芯片、外围接口电路组成的下位机硬件系统和下位机单片机控制软件；最下面的人机接口电路系统包括各种机床的 I/O 接口驱动系统 4。在硬件的安装和布置上，系统整体分为两大模块： PC 机和单片机控制器。通过 PC 机自带的 USB 借口可以完全实现对单片机控制器的实时控制。 设备驱动程序是 PC 机系统的核心部分， PC 机系统中的驱动程序是和 USB 总线驱动在一起的，可以完成 PC 对设备的管理。客户端的应用程序主要可以实现
15、PC 机的监控功能，能够将相应的 G 代码文件实时传送到下位机，并且显示工作状态 5。装置的整体性能在于核心单片机的任务处理能力。 4 结论 本文将激光雕刻切割机机床进行了结构上的大幅改造，为了满足桌面级别办公人群的需要，在结构设计中主要运用了插补原理减小设备运行误差，在步进电机的设计中添加了加、减速控制方法，避免的步进电机堵转对精度造成的影响，本文研究的基于 AVR 的 CNC 激光雕刻切割机具有更好的精度保障和优化效果，运行状态如图 6 所示，装置测试如图 7所示，该装置的设计方法对于提高加工效率和使用范围以及降低能耗等 具有一定意义。 图 6 运行状态 Fig.6 running sta
16、te of the device 图 7 设备测试 Fig.7 Testing state of the device 参 考 文 献 1吴光明 .CNC 电脑雕刻机及其与数控铣床加工中心的联合应用策略 J.CAD/CAM 与制造业信息化， 2005（ 11）： 94-97. 2彭伟 .单片机程序设计 C 语言程序设计实例 100 例 -基于 AVR+proteus 仿真 M.北京：北京航空航天大学出版社， 2010. 3王家淳 .激光焊接技术的发展与展望 J.激光技术， 2001（ 19）： 25. 4龚志远 .小型 CNC 雕刻机设计 J.组合机床与自动化加工技术， 2011（ 2）： 100-102. 5宋春华 .数控技术的现状及发展趋势 J.装备制造技术， 2011（ 3）： 114-117. 6郑锦生，陈松青 .激光雕刻技术的发展 J.机床与液压， 2006(8)： 228-231.
