嵌入式SoC單片機(jī)在雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

（文章來(lái)源：OFweek）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，雕刻機(jī)完成了從2D、2.5D到3D的加工變革，功能趨于完善、性能更加穩(wěn)定，從而在制造業(yè)、建材業(yè)和廣告業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。與此同時(shí)，隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，國(guó)產(chǎn)普通雕刻機(jī)的價(jià)格也降低至萬(wàn)元以下，使得雕刻機(jī)生產(chǎn)廠不得不在降低生產(chǎn)成本、尤其是降低控制系統(tǒng)成本方面尋找出路。以木工雕刻機(jī)為例，在目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上，木工雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)通常采用兩種方案：一種是基于PC機(jī)的方案;另一種是基于DSP運(yùn)動(dòng)控制器的方案。

不同的應(yīng)用領(lǐng)域，所要求的雕刻機(jī)的性能亦不相同，本文提出的雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)方案，直接利用SoC單片機(jī)來(lái)構(gòu)成控制器，是一種采用單片機(jī)軟件來(lái)完成插補(bǔ)運(yùn)算的解決方案。C8051F系列單片機(jī)集成度高，且具有交叉開(kāi)關(guān)功能，其大部分對(duì)外引出腳，除Uart接口的兩個(gè)信號(hào)Tx和Rx外，均可在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，根據(jù)布板隨意連接，圖1所示為基于C8051F120單片機(jī)的雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖。

如圖1所示，高速單片機(jī)C8051F120是整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的中心，人機(jī)界面由4x4矩陣式按鍵電路和彩色LCD顯示模塊組成。用戶通過(guò)按鍵電路設(shè)置的加工參數(shù)，保存在單片機(jī)內(nèi)部的非易失性Flash區(qū)。LCD顯示器選用點(diǎn)陣式彩色智能模塊，具有256種顏色，顏色格式為RGB332，并采用通用串行UART接口連到單片機(jī)，操作指令簡(jiǎn)單，且節(jié)省了單片機(jī)的接口線。

x、y、z軸的3個(gè)傳感器，均采用由槽形光耦組成的限位電路，其特點(diǎn)是限位精度高，易于與單片機(jī)接口。對(duì)刀傳感器采用微動(dòng)開(kāi)關(guān)，其作用是檢測(cè)被雕刻材料的厚度。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用兩相電流細(xì)分式驅(qū)動(dòng)器，細(xì)分系數(shù)和輸出電流，均可根據(jù)滾珠絲杠的負(fù)載大小情況來(lái)設(shè)定，驅(qū)動(dòng)器和單片機(jī)之間有光電隔離電路，接口信號(hào)為方向信號(hào)Dir、走步脈沖信號(hào)Pul和有效選擇信號(hào)En。

逐點(diǎn)比較法是國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床中廣泛采用的一種插補(bǔ)方法，其能實(shí)現(xiàn)直線、圓弧和非圓二次曲線的插補(bǔ)，插補(bǔ)精度較高。逐點(diǎn)比較法即每走一步，均要將加工點(diǎn)的瞬時(shí)坐標(biāo)同規(guī)定的圖形軌跡相比較，判斷其偏差，然后決定下一步的走向，若加工點(diǎn)走到圖形外，則下一步就要向圖形內(nèi)走。若加工點(diǎn)在圖形內(nèi)，則下一步要向圖形外走。這樣就能得出一個(gè)接近規(guī)定圖形的軌跡，其最大偏差不超過(guò)一個(gè)脈沖當(dāng)量。在逐點(diǎn)比較法中，每進(jìn)給一步，均需要進(jìn)行偏差判別、坐標(biāo)進(jìn)給、新偏差計(jì)算和終點(diǎn)比較4個(gè)步驟。

通常情況下，在雕刻圖形的設(shè)計(jì)和生成階段，首先要預(yù)置雕刻的精度參數(shù)，所以y軸的進(jìn)給量一般較小，且每步固定，雕刻的精度要求越高，則y軸的進(jìn)給量則越小，這也使得雕刻文件的行數(shù)大幅增加。z軸的最大行程，一般略大于被加工材料的厚度。在3個(gè)坐標(biāo)中，x軸的運(yùn)動(dòng)量最大，其行程由被加工材料的幅寬決定。所以在進(jìn)行空間直線插補(bǔ)時(shí)，是假定了該空間的x軸進(jìn)給的步數(shù)最大。即要在以長(zhǎng)軸為基礎(chǔ)建立的兩個(gè)平面坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行差補(bǔ)運(yùn)算，才能插補(bǔ)出正確的空間直線軌跡。

數(shù)控系統(tǒng)軟件采用結(jié)構(gòu)化、模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，由主程序、中斷服務(wù)程序和功能子程序組成。主程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要完成對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)及雕刻機(jī)各驅(qū)動(dòng)軸的初始化，對(duì)鍵盤(pán)掃描并跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的功能模塊中。中斷服務(wù)程序主要包括步進(jìn)電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)程序等。功能子程序主要包括LCD顯示模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、U盤(pán)文件讀取模塊、文本轉(zhuǎn)換模塊、步進(jìn)電機(jī)走步程序、插補(bǔ)運(yùn)算程序、對(duì)刀程序、復(fù)位程序以及故障診斷程序等。

文本轉(zhuǎn)換程序的作用是將U盤(pán)上的nc文件，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)。浮雕軟件生成的雕刻文檔，是標(biāo)準(zhǔn)的以ASIIC碼格式保存的數(shù)控加工文件，實(shí)際上就是一行行的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，只有將其經(jīng)過(guò)命令行識(shí)別，坐標(biāo)行識(shí)別，結(jié)尾、換行和文件頭尾的識(shí)別，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并按照一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，存放在單片機(jī)的片外RAM中，才可為單片機(jī)所用。

特殊功能模塊包括對(duì)刀程序和內(nèi)置木工機(jī)械加工程序，對(duì)刀程序用來(lái)檢測(cè)被雕刻材料的厚度。其他工機(jī)械功能有縱向鋸斷、橫向鋸斷、邊緣刨平、端面刨平、平面斜銑、端面斜銑和刨槽等。這些內(nèi)置功能大幅簡(jiǎn)化了機(jī)器的操作，擴(kuò)展了機(jī)器的使用范圍。

基于嵌入式SoC單片機(jī)C8051F120的雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，充分發(fā)揮了單片機(jī)的高集成度和高速度特性，使得控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、成本降低。經(jīng)用戶測(cè)試，雕刻精度為0.01 mm，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，是一種低價(jià)、高效、簡(jiǎn)便的雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)解決方案，通過(guò)本方案的研究，為中小用戶提供了臺(tái)式低價(jià)的雕刻機(jī)，從而拓寬了現(xiàn)有雕刻機(jī)的用戶群。
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