毕业设计（论文）-基于AVR单片机与CNC的小型激光雕刻装置设计.docx

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）齐 齐 哈 尔 大 学毕业设计（论文）题 目 基于AVR单片机与CNC的小型激光雕刻机设计 学 院 机电工程学院专业班级 机电134班学 号 学生姓名 指导老师 成 绩2017 年 06 月 20 日I郑 重 声 明本人呈交的学位论文，是在老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人或集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权属于培养单位。本人签名: 日期： I齐齐哈尔大学毕业设计（论文）摘 要激光作为新兴技术，发展速度飞快，该技术的运用范围也日渐宽广。激光雕刻是以CNC为基础的一种加工方法，以激光加工为主要加工手段，其优点是不直接接触雕刻材料的表面，不受机械运动接触面的影响，会产生摩擦痕迹。在本文中，采用了ATMEL 328单片机和C语言编程设计了小型激光雕刻机装置。本系统的设计中主要包括的模块为中央处理器模块、USB通信模块、驱动模块、激光器继电控制模块、机械结构模块等部分，具有自动归位、中断后继续雕刻、印章对称雕刻等功能。系统主要采用ATmel 328型单片机构成中央处理器模块，通过USB通信模块与上位机软件进行通信，通过上位机控制软件对雕刻机系统完成包括遥控激光头进行前后左右移动、开关激光器、自动雕刻图案等功能。机械传动结构部分采用丝杠、光杆、载物台等结构，通过与步进电机的结合，实现高精度的传动。关键词：Arduino单片机；激光雕刻技术；步进电机；3D打印IIAbstractWith 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 extensive. 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 material, no mechanical movement will produce the effect of interface friction marks.In this paper, ATMEL microcontroller and C language program are used to design a small laser engraving machine system. 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 seal carving, engraving function symmetry.The system is mainly used ATmel 328 type microcontroller to communicate through the central processor module, USB communication module and the PC software, through 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 structure of lead screw, light rod and load stage, and realizes the high precision transmission with the stepping motor.Key words: Arduino; laser engraving technology; stepper motor; 3D printing III目 录摘 要IAbstractII第 1 章 绪 论11.1 激光打印技术简介11.2本设计主要目标功能1第 2 章 系统工作流程及控制原理32.1 系统工作流程32.2 控制方法设计32.2.1 系统模块化设计32.2.2 核心算法设计4第 3 章 系统硬件设计53.1中央处理器模块53.2电机驱动设计73.3系统框架设计83.3.1 步进电机模块93.3.2 装置结构设计113.3.3 X轴滚珠丝杠螺母副113.3.4 Y轴滚珠丝杠螺母副143.4步进电机相关参数计算153.4.1 转动惯量计算153.4.2 等效负载转矩计算163.4.3 最大负载转矩计算173.4.4 性能校核17第 4 章 系统软件设计194.1 软件开发环境介绍194.1.1 Arduino IDE 介绍194.1.2 Delphi7软件简介194.2 脉冲增量插补算法设计与实现194.3 软件控制系统设计214.3.1 步进电机控制214.3.2 USB数控系统控制224.4 系统主程序设计234.5 其他软件部分设计244.4.1 系统初始化模块244.4.2 控制协议分析模块244.4.3 指令任务执行模块264.6 上位机软件设计28第 5 章 系统测试305.1 测试环境305.2 激光雕刻机整机测试305.3 激光雕刻机整机调试30总 结29参考文献30附录133致 谢40V齐齐哈尔大学毕业设计（论文）第1章 绪 论1.1 激光雕刻技术简介激光技术诞生于上世纪60年代，并在日常环境中得到了迅速的应用。相关理论研究成果增加。各种形式的激光器近年来发展迅速，技术范围也不断扩大，周边产品也逐渐丰富多彩，导致社会产品种类和经济效益的变化更加明显。激光先进技术的运用也得到了多个科技发达国家深度研究，与此同时也获得了大量科技发展中国家的研究深入，同样这些国家也给与了该新兴技术大量的付出与探索。在上世纪科技发展的过程中，激光技术作为创新技术之一，是整个时代科学技术发展的重要标志。自1980以来，激光加工已被许多国家作为一个国家级的未来发展计划。这些计划的设计与实施给予了激光技术一个新的舞台，并逐渐编织了一个空前的新兴产业1。大量先进的技术、各种生产加工方法，从而使得激光技术发展得到了显著的提高。激光作为一种新型的加工技术，已被广泛用作雕刻和切割的刀具。同时，该技术也得到了迅速扩大。由于激光雕刻切割机的机床结构相对简单并且容易改造，设备运行期间摩擦小 ，本实用新型具有损耗低、精度高、改造应用广泛、上位机控制和软件设计可靠、易于再次开发等优点。由于在高功率的激光束，可以得到物体立即气化，雕刻成型的作用，物体表面的效果不是那么的准备，不会出现划痕或变形加工对象的不利影响，在这个过程中，裂缝很小，尤其是对PLA或ABS材料，处理干净的位置，没有加工过程中不会出现点接触应力、加工刀具、加工对象没有特殊的夹紧装置。并通过对激光技术的探索，使用，逐渐发现问题，可以使得该技术行业领域不断完善。所以，小型激光雕刻机的设计将会是大众化普及激光技术的一个直接途径。价格高昂的数控雕刻机床让很多人望而却步，除非专业学者，普通人接触激光技术的机会目前而言还是小之又小，而小型激光雕刻机的设计，将激光雕刻技术从工业领域的专业运用变更成为随处可见的办公教学领域运用，普及了数控技术和激光技术，使得越来越多的人可以参与到数控激光机床的研究中2。通过十分友好UI设计的上位机控制软件，机械结构部分设计精简，使得整个机床变得简介露骨、携带方便，使用简单大众化，但也支持专业的Gcode控制，它可以在机器学习与发展上有事半功倍的成效。1.2本设计主要目标功能以Arduino Uno单片机为装置的心脏，该设计的小型激光雕刻装置的主要功能设计与实现如下：1、采用弱光定位功能，通过脉冲宽度调制将激光头的功率降到相对较小的值，从而在雕刻前完成准备归位操作；2、在非金属物体表面，雕刻电脑传输图案，并将上位机控制软件的指令发送给单片机执行动作；3、支持中断雕刻，结束雕刻操作后，激光将自动返回原点的雕刻坐标，此时不移动电机的位置，断点直接继续雕刻指示，能够重复雕刻在先前中断的位置，以完成第一雕刻没有雕刻个别领域；4、支持印章的对称性印章雕刻，雕刻在橡胶垫或部分感光材料，成型后可以直接涂抹油墨使用；5、该软件可以手动操作，通过计算机软件来控制激光的操作；6、Arduino Uno单片机完成传输，CPU模块接收、数据处理、指挥控制。第二章 系统工作流程及控制原理2.1 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，系统工作流程如图2-1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。否在本系统的软件设计，Arduino IDE作为整体发环境和C作为编程语言。Arduino IDE集成开发环境，包括AVR编译器，AVR系列单片机的调试功能，AVR ISP下载功能和JTAG I2C模拟功能。符合要求不符要求是识别图纸格式手工对刀自动确定激光头是否在原点软件自身修补自动雕刻图纸图2-1 系统工作流程图2.2 控制方法设计2.2.1 系统整体模块化设计根据设计要求，并且根据文献3-7中所述经验，本课题的基于AVR单片机与CNC的小型激光雕刻机主要采用了模块化设计，在控制过程中可以分为以下几个模块：1、中央控制器模块该模块负责保证整个雕刻机的正常运行，使用了AVR系列中的Atmel 328p单片机作为控制核心，在雕刻机正常工作的过程中负责控制步进电机的位置和激光头的开关，同时完成与上位机之间的通信（ISP）方式。2、电机驱动模块：该模块采用3967SBL驱动芯片，芯片板载含有逻辑设备，在芯片中具有固定中断时间的电流控制器，有各种各样的电流衰减模式。电流衰减控制方案可以有效抑制步进电机产生的杂音，提高电机精度，削弱运行过程中产生的能耗。3、激光头控制模块该模块采用继电器控制方法实现，相对芯片驱动开关，继电器控制方法具有稳定可靠，维修检查方便等优势。4、机械传动模块该小型激光雕刻机为了满足小型工作场所和教学演示的工作环境，采用了拼装式的独立设计，主要用到3D打印的链接固定件、两相四线步进电机、木质框架，电机的传动方式主要采用丝杠和光杆导轨的方式带动激光头和载物台移动。2.2.2 核心算法设计在控制过程中采用的核心算法是数控插补算法，该算法主要解决了曲线图形的锯齿问题，使得X轴电机和Y轴电机配合完成曲线更加精细，可以提升设备整体工作过程中的精确程度。在该装置中采用的脉冲内插法（过程标量插值）的特点是，每个插补结果只在一个位移增量，这是输出到步进电机的电平信号，一种采用小段直线逼近曲线的补偿办法，补偿速度与进给速度密切相关，主要制约因素是步进电机响应速度，水平脉冲等效插值法简单，通常采用积分法和移位运算。第三章 系统硬件设计3.1 中央处理器模块下位机核心控制模块由ATMEL 328芯片组成，因为ATMEL公司的单片机具有强大的计算功能，软件编程控制点对点，反应速度快，体积小，输入输出端口多，包含数据转换模块，适用领域广。电源由外部电源适配器供给，晶振有源输入时钟信号，控制模块能够正常工作；通过串口通讯模块连接到上位机，可以多次反复烧写程序，可以在线调试编程，并能通过上位机软件向单片机发送指令来实时控制整机稳定运行。核心控制模块电路如图3-1所示。图3-1 核心控制模块电路图ATMEL单片机是一个开源的软硬件平台，通过AVR单片机的反复开发，简化了单片机引脚的使用，并有专门开发的编程语言。世界著名开源硬件项目诞生于意大利一所学院。马西莫的学生经常恼火，因为他们找不到合适的单片机来控制机器人。后来，马西莫和朋友戴维讨论过这个问题，他们决定自己来设计属于自己的电路板，并邀请学生David Melis设计该控制板的编程语言。一周后，设计完成。电路板，命名为Arduino，这个名称来自于当地的一个bar。Massimo认为，开放源代码可以产生一个更广泛的应用，使Arduino的关注率逐渐增加。所以他把设计数据张贴在网上。马西莫的愿景，在短短的几个月内，Arduino用户增长迅速，热心的爱好者提出了许多改进的电路和扩展的编程语言。表3-1 主要性能参数工作电压1.8V-5.5V外部供电电压7V-12V最大外部供电电压（不推荐）20V数字输入/输出口14PWM610位ADC8 / 6(DIP)单个输入/输出管脚的直流电流值30mAFlash Memory32KBEEPROM1KB时钟频率16MHz晶振有三种操作模式，在三种差异操作模式中有一个符合需求的最佳工作频率。通过设置CKSEL3，操作晶振的模式也会受到影响，如表3-2所示。表3-2 晶体振荡器工作模式CKOPTCKSEL3.1频率范围(MHz)电容C1和C2的推荐使用范围(pF)11010.4-0.911100.9-30-8.012-220101,110,1111.012-22该芯片具有哈佛体系结构，具有独立数据和程序总线，因此具有最佳的性能和并行性。程序存储器中的指令流水线在所有级别上运行。每次CPU执行命令时，读取下一个命令以实现单时钟周期指令。在芯片中，一般工作寄存器的设计是在寄存器中快速存取，你需要访问它，只有一个时钟周期是必须的，因此，ALU的操作可以是一个单一的时钟周期的想法成为现实。当ALU操作有两个相同的操作数时，寄存器将同时访问，然后将执行，结果将被发送到主控制器的过程，也只需要一个机器周期。数据空间可以通过间接寻址寄存器指针来处理，当一个使用内存地址指针时，一个指针也可以用来定位数据表。寄存器和常量之间的操作可以由ALU自动处理，并且一个寄存器可以执行ALU操作。ALU执行后，状态寄存器可以获取并显示新的结果。无条件跳转和命令调用导致程序流，所以您可以直接寻址整个地址空间。在程序顺序存储空间中，有一个引导块和应用区域，它们都具有特定的锁定、定位和读写保护功能。SPM指令可用于引导程序区，存储中断存储在堆栈中，当调用子程序时会调用程序计数器。通用数据SRAM的大小也会影响机器查询速率的大小。在芯片中设计了一个易于使用的中断模块。控制寄存器的设计和应用在I / O空间，和全局中断EA位被设计在状态寄存器。如果优先级较低，任何中断都会在中断表中有单独的离散中断，这意味着它的地址级别越来越高。3.2电机驱动设计该模块采用L9110S电机驱动芯片，电路设计如图3-2所示。图3-2 L9110S电机驱动芯片每一个EasyDriver可以为两相四线步进电机输出大概每相700mA的启动电流。它默认为8步细分控制方式（所以如果电机是400步循环，换做easydriver，它是3200步循环），和更多的细分模式可以通过连接MS1、MS2的配置，或两个接地引脚，基于步进电动机驱动芯片细分模式的电路断路器。表3-3 细分模式表MS1MS2细分模式低低全步（2相）高低半步低高1/4步高高1/8步其主要工作原理是：L9110S连接单片机的IO口。收到指令后送到上位机，单片机发送相应的水平，该L9110S芯片根据内部程序，一个L9110S芯片包含的两输入两输出引脚，两相四线步进电机需要两9110s端口14来完成对步进电机的输出线序。该L9110S芯片，本设计采用单片机控制，电机驱动，其中包含相应的离散电路装置，有两组输入和输出端口，减少外围电路的设计，以降低成本，同时也使得系统的安全性能有了显著提高。这两个输入配置与TTL / CMOS，这是高和低水平兼容。它们配置在芯片内部，具有良好的抗干扰特性，在输出部分，每个输出可以输出约800毫安的电机电流并直接反向旋转，瞬时峰值电流可以达到2A；该芯片是能够保持稳定，各种电机或电磁设备没有风险的驱动器，因为它是安装一个钳二极管内部，饱和电压芯片，以减少不利影响，可能会导致当司机可以减少。L9110S的电气性能介绍如表3-4中所示。表3-4 电气性能符号参数最小典型最大单位最大Vcc电源电压2.2512伏特最大Iout输出的电流-8001000毫安vHin输入的高电平2.2512伏特vLin输入的低电平00.450.6伏特最大Pd允许电源消耗-800毫瓦Topr能操作温度-352580摄氏度L9110的封装如图3-3所示，本设计采用SOP8封装模型。DP后缀塑料封装(DIP8)SO后缀塑料封装(SOP8)图3-3 L9110封装图3.3系统框架设计该模块主要由两相四线步进电机、螺杆、光杆和ABS板组成。通过三维印刷滑块和步进电机相结合，步进电机可以驱动滑块。机械传动结构分为X轴和Y轴滑动滑块，X轴加载激光管，水平移动存储面板上的Y轴，雕刻物体放在面板上，纵向前后移动，以完成雕刻的功能。3.3.1 步进电机模块根据文献8-10所提供经验，本设计中使用的是两相四线步进电机，如图3-4所示。图3-4 两相四线步进电机本设计中使用的是二相四线步进电机。一般来说，步进电机的旋转角度是每一个时间步长，由单片机发送相应的脉冲，得到相应的位移角，是“步进”，以步进电机控制。当步进电机不过载时，它的位置、频率和速度通常由脉冲的数量控制而不改变负载。因此，精确的定位可以控制的角度位移的脉冲数，和脉冲频率也可以调整到步进电机的速度。一般来说，大多数步进电机的接线可以用彩色线来区分，由于不同厂家的步进电机，产生不同颜色的线条，所以用万用表来测试步进电机的引脚并确定线的顺序是必要的。步进电机的内部结构，如图3-5所示，A和A是相通的，B和B是相通的。所以，A与A-是一个组，B与B-则是另外一个组。图3-5 步进电机内部结构图步进电机的静态相关参数如下：1、相位数：这个参数通常用m表示，它是指不同磁场中线圈相对值的对数。2、静转矩：当电机处于额定静止状态时，电机不转，电机轴锁定转矩。3、节拍数：一般n表示它是由于周期性的变化，相应的磁场应该有一个脉冲数，或者它可以表示为它的角度，在它变成一个牙齿，应该是脉冲的数目。4、定位力矩：指当电机不运转时转子本身的锁定力矩。5、步进角：指通过控制系统每次发出脉冲信号时电机转动的角度。用表示，与通常的结果等于360度（乘以转子齿数J *运行拍摄数）如果使用45相齿步进电机，例如，运行角为1.8度（通常称为整步），而八次跳动为0.9度（通常称为半步）。步进电机的主要特点：1、步进电机的精度误差不累加。通常计算每一步之前和之后应达到的每一步的误差。在每一步中所示的理论结果是不相关的，如1.8度的步距角和精度为5%，即，每一步的误差范围在台阶角的5%以内，即每一步与理论位置之间的夹角偏差小于0.09度。2、电机表面可以承受的最高温度。首先，无法控制的过热导致电机产生退磁，因此，对于步进电机来说，它能承受的最大温度是不同磁性材料的退磁点。他们常常停止退磁在120摄氏度，有的材料可以达到190摄氏度，六十摄氏度或七十摄氏度的电机表面温度，运行正常，不需要担心电机由于高温操作和损坏。3、电机的力矩随着转速的降低而上升。电机工作时，电机产生反向电动势。频率越低，反电动势越小。因此，电机的速度降低，扭矩将上升。4、电机的转速高于一定值，然后产生噪声，但也没有正常工作的方式，但是，当速度下降，就可以开始工作。步进电机由于其明显的特点，在这一技术的不断发展和各种技术的不断进步中发挥着不可替代的作用。今后，经过一定的研发力度，使用步进电机将不断拓宽并变得更加普及。步进电机的主要特性：1、步进电机的驱动信号必须是脉冲信号。当没有脉冲时，步进电机处于静止状态，如果加上合适的脉冲信号，它将以一个角度旋转（称为步进角）。频率正比于旋转速度和脉冲。2、通常情况下，3x16脉冲具有7.5度的步进角使三相电动机正常转动，所以计划应充分考虑应用程序时。3、在许多情况下，步进电机必须立即控制，它的立即启动和紧急停止能力可以满足需求。4、为了改变步进电机的转向，需要调整相应的时序11。3.3.2 装置结构设计由于该装置是微型桌面级设备，根据文献12所提供经验，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3-6所示。两个10mm厚的L形木板，底部和Y轴滑动固定为立柱，两块板的上部还与木板连接，使整体更加稳定。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，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-导轨，5-支撑板，6-门字框。图3-6 装置结构设计该装置整体框架采用木质结构，从材料上直接减少了整个装置的重量，由于设备的体积和工作过程中产生的震动较小，所以该结构可以满足正常工作过程中设备的稳定性。3.3.3 X轴滚珠丝杠螺母副小型雕刻机X轴的受力分析，等效轴向载荷X轴丝杠，然后计算出预期的螺纹底径和最小允许负荷，然后根据预期额定动载荷和允许的最小螺纹底径确定型和螺丝的大小，根据该选择滚珠丝杠副的选择和支持滚动轴承。确定丝杠的当量载荷，雕刻机卸荷时，X轴的轴向载荷是由导轨摩擦力引起的。计算X轴导轨的摩擦力查文献机械设计计算手册与现代数控机床结构与设计13-14知：X轴方向的导轨的受力情况，计算摩擦力的公式如下：对X轴导轨有： (3-1) 设，,取动摩擦因数。则有： (3-2)将相关数据代入公式，经过计算后可得。当螺杆的载荷大小与其速度成正比时，其速度的可能与数值相同，然后用下面的公式计算： (3-3) 将相关数据代入计算得：根据预期的操作距离，公式如下： (3-4)其中：精度等级，精度等级由7级精度决定，应采取0.8级精度；可靠系数，按95%，取0.62；负荷系数，轻微震动，取1.2；将的值代入公式，则。估算滚珠丝杠的最大允许轴向变形量查阅相关资料可知：在一般情况下定位精度，且有定位精度大于脉冲当量。已知脉冲当量为0.01，所以此处定位精度可取0.02，而有，这里取。计算了滚珠丝杠的最小螺纹底径，并采用了螺杆两端的安装方法，公式如下： (3-5)式中：-导轨的静摩力-最大允许的轴向变形量-两个固定支承之间的距离（mm）（1.11.2）行程+（1014）PhX轴丝杠：L =197毫米长度，F0 = 34.4n，这些数据将被计算后用来寻找最小螺纹底径计算得3.44mm。确定滚珠丝杠副的规格代号及尺寸所选丝杠应满足：，但不宜过大。对X轴丝杠有：=3.44mm，=166.2N丝杠螺纹长度满足以下公式： Ls=Lu+2Le (3-6) 该式中Lu是丝杠的行程，Le是余程，查阅相关资料得：当Ph=5mm时其余程Le=20mm。所以对X轴丝杠有：Ls=197+220=237mm。其中温差t=2.5，代入式（3-4）中得：Fm=219N。轴承所承受的最大轴向载荷的计算公式如下： (3-7)将Fmax 及Ft值代入到式（3-7）中得：=246N。两个25度的角接触球轴承螺钉放置在两侧每侧的背靠背的两个滚动轴承布局，双向固定不仅可以用于滚动轴承的轴向和径向方向，还可以进行对双螺杆的轴向两端修复。轴承直径应满足：，预加负载荷，。所以选择的角接触球轴承，其满足直径且预加负载荷为。3.3.4 Y轴滚珠丝杠螺母副所需的力的分析方向Y轴雕刻机螺丝，我们可以得到等效轴向负载Y轴螺丝，然后计算预期的额定负荷和最小螺纹的底径可以根据预期额定动载荷和允许的最小螺纹底径确定的类型和尺寸的螺钉，根据对滚动轴承支承选用滚珠丝杠副的选择。查机械设计手册知：Y轴方向的导轨的受力情况，计算摩擦力的公式如下：对Y轴导轨有：雕刻机空载时有以下公式： (3-8) 雕刻机在刀具负荷的最大速度，以下公式： (3-9)设，取动摩擦因素。计算螺杆的轴向载荷。以下公式适用于Y轴螺钉和雕刻机无负载： (3-10)雕刻机在刀具负荷的最大速度，以下公式： (3-11)将相关数据代入计算得：，。当螺杆的载荷大小与其速度成正比时，其速度的可能与数值相同，然后用下面的公式计算： (3-12)相关数据代入计算得：对Y轴丝杠有：。根据运行距离来求，其计算公式如下： (3-13)如果螺钉装有预紧力，则公式如下： (3-14)其中：精度等级，按7级精度来取值，其应取0.8；可靠系数，按95%，取0.62；负荷系数，轻微震动，取1.2；把的值代入，则比较两式的计算结果，取较大值作为预期额定动载荷，所以。查阅相关资料可知：在一般情况下，且有定位精度脉冲当量。已知脉冲当量为0.01，所以此处定位精度可取0.02，则有，这里取。丝杠采用两端固定的安装方式，因此其计算公式如下：式中：-导轨的静摩力-最大允许的轴向变形量-两个固定支承之间的距离（mm）对Y轴丝杠有：，将这些数据代入，经计算得：。3.4步进电机相关参数计算 3.4.1 转动惯量计算根据文献15-17所述，进给系统的主要参数之一是在步进电机中加入的总惯性矩，对电机的选择具有重要意义。主要包括电机转子的转动惯量、减速器的传动惯量、螺杆和运动部件等，转换为电机轴：。其中为体积个数，为密度，为体积元素与转轴的距离。单位，机组负荷质量转换为电机输出轴传动惯量，则选用滚珠丝杠计算模型： (3-15) 其中W：可动部分的总重量kg、BP：丝杠螺距mm、GL：减速比。 控制系统要定位准确，物体运动必须有加减速过程，如图3-7所示。VMaxV匀速匀速区图3-7 加减速过程给定加速度时间和最大速度，可以得到电机的脚加速度： (3-16) 3.4.2 等效负载转矩计算在不同的工作条件下，步进电机轴轴承的负载转矩不同，通常考虑两种情况：快速空载启动（工作负载为0），另一种是最大工作负载。1、快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩 (3-17)式中：在快速空载启动时转换为电机轴的最大加速力矩，单位；：运动部件移动时转换为电机轴的摩擦力矩，单位：；：滚珠丝杠预减速到电机轴的附加摩擦力矩，单位：；具体计算过程如下： (3-18)注：是电动机加速所用的时间，一般在0.3到1秒之间选取。运动部件移动时转换为电机轴的摩擦力矩： (3-19)是总传动比，其中为电机转速，为丝杠的转速。其中导轨的莫摩擦力为：，为摩擦因素，滑动导轨选取0.15-0.18，滚动导轨取0.003-0.005。滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩： (3-20)是滚动丝杠未预紧时的传动效率，一般取。 3.4.3 最大负载转矩计算 (3-21)式中和是按照上述公式计算，由下式计算： (3-22)经过上述计算，已知步进电机轴上的最大等效负载转矩应为： (3-23) 3.4.4 性能校核根据文献18所提供校核经验：1、最快工作进给速度时电动机输出转矩校核由最快工作进给速度和系统脉冲当量，可计算出电动机对应的运行频率为： (3-24)从初选的步进电动机的矩频特性曲线，找出运行频率所对应的输出转矩，检查是否大于最大工作负载转矩。若是，则满足要求；若不是，则要重新计算再选择电动机。2、最快空载移动时电动机输出转矩校核由最快空载移动速度和系统脉冲当量，则可以计算出运行频率，转矩频率特性曲线也得到相应的输出转矩。检查是否大于启动时的负载转矩。若是，则满足要求；若不是，则要重新计算再选择电动机。3、最快空载移动时电动机运行频率校核步进电机的起动频率随轴载惯量的增大而减小，所以根据主步进电机起动转矩的频率特性曲线，找出电机轴相应的惯量。4、起动频率校核步进电动机的起动频率是随其轴上负载转动惯量的增加而下降的，所以需要根据初选的步进电动机的起动惯频特性曲线，找出电动机转轴上总转动惯量所对应的。当产品数据不提供频率特性曲线时，也可以用下式计算： (3-25)步进电机克服惯性负载肯定小于空载起动频率。第四章 系统软件设计4.1 软件开发环境介绍4.1.1 Arduino IDE 介绍Arduino IDE是Arduino编程软件平台。因为它的开源特性，开发人员可以很容易地开发和设计自己的作品，发展环境，因此在同一时间，IDE还具有良好的界面设计，编程语言是C风格，任何C语言有一定的基础，开发人员可以很容易地使用它，和适合初学者的门槛已经减少了很多。因为Arduino开源收获大量开发者共享文件，在工作或学习使用需要自己写库的麻烦过程省略，从而加快产品开发时间。IDE接口Arduino只有六个按钮，即编制、上传、设置一个新的程序，打开程序，存储程序，串口监控，一个简单的界面，使其适合初学者操作软件更容易，不会引起误解和混乱，在面对复杂的功能，有许多令人眼花缭乱的功能强大的软件按钮，适合初学者，有兴趣和信心来发展和延续的初学者19。4.1.2 Delphi7软件简介Delphi是一个美国公司开发的功能被称为蓝色的设计是一个非常强大的编程软件，因为可视化的编程环境，使用的过程中，可以很方便地应用于各种嵌入式组件，因为有大量的组件，允许开发者快速构建应用程序的设计，还可以根据自己的需要修改相应的组件的制备。Delphi是众所周知的第四代编程语言，因为它非常容易使用，效率高，并且有大量的嵌入式组件，这是强大的。与其他语言相比，如VC语言，易学易掌握，但它的功能不低于VC。同时，Delphi还提供了各种开发工具，包括图像编辑、数据库处理、组件的编写、数据库开发等多种应用。此外，Delphi可以为自己的用户安装其他工具，这使得它得到了更广泛的应用，这是Delphi工具在业界的巨大优势。Delphi也在数据库中有突出的优势，用户有一个强大的数据库，如适应多种数据库结构，从客户/服务器模式的多层模型的数据结构、数据库系统和发动机管理更高效；更强大的数据分析工具，以及大型企业组成。4.2 脉冲增量插补算法设计与实现该系统采用文献20中所提及的脉冲增量插值（笔画标量插值）方法。该算法的特点是每个插补结果只有一个单位位移增量，并使用脉冲输出步进电机，采用多边形逼近曲线补偿。补偿速度与进给速度密切相关，脉冲等效插补方法简单，通常采用加法和移位运算。偏差计算公式假定加工第一象限的直线OA，如图4-1所示，取支线起点为坐标原点O，直线终点坐标是已知的。为加工点（动点）。图4-1 第一象限直线插补若M在直线上，则根据相似三角形的关系有： (4-1)取作为直线插补的偏差判别式；若，表明M点在直线OA上；若，表明M点在直线OA上方的处；若，表明M点在直线OA下方的处。对于第一象限直线从起点（即坐标原点）出发，若，沿+X轴方向走一步；若， 沿-X轴方向走一步。当两方向所走的步数与终点坐标（）相等时，发出到达终点信号，停止插补。设在某加工点出现有时，应沿+X方向进给一步，走一步后的坐标值为：新的偏差为：若时，应沿+Y方向进给一步，走一步后的坐标值为：新的偏差为：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21。4.3 软件控制系统设计4.3.1 步进电机控制步进电机细分控制，实质上是基于电流控制步进电机励磁绕组的步进电机，将所得到的磁场内圆旋转磁场均匀化，从而实现步距角细分，一般来说，合成磁矢量的振幅决定了步进电机的旋转转矩，两个相邻的合成磁场矢量之间的夹角决定了步长，步进电机的半步工作包含细分的原理。完成细分模式的方法有措施，最常见的是脉宽调制斩波驱动模式，大多数专用步进电机驱动芯片驱动这种类型的驱动器。步进电机是一种纯数字控制电机，它将电脉冲信号转变为角位移，即以脉冲、步进电机为角度，所以非常适合控制，在不过载的情况下，电机的转速和停止位置只取决于脉冲频率和脉冲数，无论负载变化，电机转向步进电机步进电机只会周期性地积累误差，精度高。步进电动机有如下特点： 1、步进电机的角位移与输入脉冲成正比。因此，当它转过身来，没有累积误差和良好的后续； 2、由步进电机和驱动电路组成的开环数控系统简单、价廉、可靠。它也可以作为一个闭环数控系统的角度反馈； 3、步进电机具有动响应快、启停容易； 4、速度可以在很宽的范围内平滑调整，低速时仍能获得较大的距离，这样就可以在不使用减速器的情况下驱动负载； 5、步进电机只能通过脉冲电源进行操作，不能直接使用交流电源和直流电源； 6、步进电机存在失步现象，必须采取相应的控制措施。步进电机只能由数字信号控制操作，当脉冲带动过时，在很短的时间内，控制系统发出的脉冲数过多，这是脉冲频率过高，会造成步进电机失速。要解决这一问题，必须采用加减速的方法。也就是说，当步进电机启动时，有必要提供逐渐增加的脉冲频率，并在减速时脉冲频率逐渐降低。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： (4-2)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。4.3.2 USB数控系统控制USB之所以有很大的优势，是因为它有许多其他总线所不能具有的特性。USB标准为不同的功能价格比提供了不同的选择，以满足不同系统和组件的不同要求。主要长处可归纳为以下几点：1、高速率。USB有高速和低速两种模式。主模式为高速模式。速率为12Mps，另外USB还提供低速方式，速率为1.5Mps；2、易于安装和配置设备。USB设备支持即插即用。系统自动配置，不占用中断资源或DMA资源。它解决了越来越多的外设引起的槽张力问题；3、易于拓展。用USB外接的设备数目最多可达127个；4、可以由总线供电。USB 5V 500mA的电流是最大功率器件并非常有效；5、运用方式灵活。USB数控系统主要由3部分组成。按照从上到下的顺序，USB主机接口和USB PC组件包括顶级PC主机硬件驱动软件程序和USB控制器卡管理系统；位于USB数控卡包括硬件系统和PC机控制软件公司的328单片机芯片的外围接口电路，人机界面电路；该系统包括I/O的各种机床传动系统接口。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。装置的整体性能在于核心单片机的任务处理能力22。4.4 系统主程序设计该系统采用模块化的软件设计，这就是所谓的模块化设计意味着在开始编程是第一个通过的主要功能，需要的功能，诸如主框架将为表达整个软件过程和结构，并安排好调试输入的每个帧的定义，输出的链接，而不是通过控制命令对主机和相应的书面声明。为了获得一系列的算法来描述作为一个单元的功能块，结果逐步细化，并作为一个模块的编程方法，实现他们的算法被称为模块化。通过模块化编译程序有很多的软件开发过程中看到的好处，很简单，模块化设计，实现完整的编程非常方便顺畅，这