基于AVR單片機(jī)的機(jī)械臂激光雕刻機(jī)設(shè)計(jì)

李沛谞 劉進(jìn)山 張文濤

[摘 要]機(jī)械臂激光雕刻機(jī)是一種可攜帶、便于收納、可固定于被雕刻對(duì)象周邊的激光雕刻機(jī)器人，激光雕刻的范圍可調(diào)，具有一定柔性，能夠滿足平面激光雕刻的需求，并能夠達(dá)到一定的雕刻精度。

[關(guān)鍵詞]機(jī)械臂；便攜；激光雕刻；

中圖分類號(hào)：TP368.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2018）09-0144-01

0.引言

激光雕刻機(jī)（Laser Engraving）加工物件是依靠數(shù)控技術(shù)為基礎(chǔ)，激光為加工媒介。加工物件在激光雕刻照射下瞬間的熔化和氣化的物理變性，能使激光雕刻達(dá)到加工的目的。[1]平面建模軟件，掃描得到的圖形，矢量化的圖文及多種CAD文件都可輕松地“打印”到雕 刻機(jī)中。[2]

1 系統(tǒng)組成及其工作原理

1.1 系統(tǒng)的組成。基于AVR的激光雕刻機(jī)設(shè)計(jì)主要是基于Atmel 公司的328系列芯片實(shí)現(xiàn)的，其設(shè)計(jì)有13個(gè)數(shù)字輸入輸出端口，以及5個(gè)模擬信號(hào)端口。而且基于該芯片的最小開發(fā)系統(tǒng)板Arduino Nano體積小巧[3]。整個(gè)系統(tǒng)工作框圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)的工作原理。主控是基于AVR單片機(jī)的控制器，編譯時(shí)所采用的編譯環(huán)境是Arduino IDE 1.6.1，編寫采用的機(jī)器語言是C++。當(dāng)人們使用激光雕刻機(jī)雕刻時(shí)，需要通過一個(gè)界面進(jìn)行控制和觀測(cè)，我們使用的上位機(jī)是mDraw軟件。即通過上位機(jī)軟件來控制下位機(jī)的運(yùn)動(dòng)。

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械臂激光雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械臂激光雕刻機(jī)所采用的是兩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，模擬人體手臂的活動(dòng)，兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別充當(dāng)人體手臂的肘部與肩部，進(jìn)行水平移動(dòng)。不同于傳統(tǒng)的X-Y坐標(biāo)儀機(jī)構(gòu)，適應(yīng)范圍更廣；對(duì)比XY軸雕刻機(jī)，可便攜的特點(diǎn)更明顯。

2.2 基于Atmel 328構(gòu)成的最小系統(tǒng)

此次設(shè)計(jì)的主控芯片是由Atmel 328構(gòu)成的最小系統(tǒng)，簡稱Arduino Nano。

首先介紹一下本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主控芯片Atmel 328系列芯片：

通過鏈接到PC的USB線給它供電。USB標(biāo)準(zhǔn)允許向另外一個(gè)未枚舉USB設(shè)備提供5.0V最大100mA的電流，而枚舉了的USB設(shè)備最多可以提供500mA的電流。Nano上還設(shè)置了一個(gè)3.3V穩(wěn)壓器。其工作時(shí)鐘一般為16MHz，每一路能輸出和接入最大電流為40mA。

此外，串行端口0和內(nèi)部USB TTL atmega8u2芯片連接到接收信號(hào)提供串口TTL電平。2路外部中斷：2（中斷0），3（中斷1）。觸發(fā)中斷的方式有多種，可設(shè)置為上升沿觸發(fā)、或者設(shè)置為下降沿觸。6路PWM脈沖寬度調(diào)制（3，5，6，8，9，10）：提供8位PWM輸出。含有SPI通信接口Arduino用于測(cè)試其好壞的LED的接口，當(dāng)輸出給LED為高電平是LED亮，當(dāng)輸出給LED為低電平是LED滅。其中6模擬量輸入：每條道路都有10位分辨率（即，1024個(gè)不同的值），默認(rèn)的輸入信號(hào)范圍為0～5V。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用TB6560AHQ作為驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)2個(gè)2相42步進(jìn)電機(jī)。

功能簡介：1.工作電壓直流10V-35V。建議使用開關(guān)電源DC24V供電。2.采用6N137高速光藕，保證高速不失步。3.采用東芝TB6560AHQ全新原裝芯片，內(nèi)有低壓關(guān)斷、過熱停車及過流保護(hù)電路， 保證最優(yōu)性能。4.額定最大輸出為：±3A，峰值3.5A。5.適合42，57步進(jìn)3A以內(nèi)的兩相/四相/四線/六線步進(jìn)電機(jī)，不適合超過3A的步進(jìn)電機(jī)。6.自動(dòng)半流功能。7.細(xì)分：整步，半步，1/8步，1/16步，最大16細(xì)分。

在同類產(chǎn)品中的特色：1、電流級(jí)逐可調(diào)，滿足多種應(yīng)用需求。2、自動(dòng)半流可調(diào)。3、電流采樣電阻采用高精度、大功率電阻，保證電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。4、板印設(shè)置說明，不用說明書亦可操作。5、采用厚密齒散熱器，散熱良好。

靜止時(shí)最小電流一般設(shè)置為20%。

經(jīng)過查閱資料得知，2相42步進(jìn)電機(jī)額定電流為1.5A，但實(shí)際操作中給1.5A電機(jī)發(fā)熱太嚴(yán)重，所以最后決定給1.2A電流。本次設(shè)計(jì)中T8絲桿導(dǎo)程為8mm（滑塊轉(zhuǎn)動(dòng)一周走過的行程為8mm），所以設(shè)置為8倍細(xì)分。

2.4 繼電器驅(qū)動(dòng)激光頭電路

激光頭只有兩種狀態(tài)，用繼電器開關(guān)控制即可。而且5v繼電器響應(yīng)狀態(tài)以及相應(yīng)時(shí)間可以滿足激光頭活動(dòng)狀態(tài)。采用電磁繼電器，電磁繼電器工作原理和特性是電磁式繼電器，這種繼電器由鐵芯，線圈，銜鐵，觸電簧片等組成。只要在繼電器線圈兩端加上電壓，線圈中就會(huì)有電流流過，有電磁感應(yīng)得知，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁力，銜鐵就會(huì)在電磁力的作用下克服彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線圈斷開點(diǎn)以后，磁力隨之消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力返回，使動(dòng)觸點(diǎn)與的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）吸合。通過電磁的效應(yīng)，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。

2.5 電源電路

在本次設(shè)計(jì)中電源電路主要有兩部分：

1.為電機(jī)驅(qū)動(dòng)板提供電源；2.為激光頭提供5V電源；

接220v轉(zhuǎn)24v電源，驅(qū)動(dòng)板電源電路：

激光頭5v供電電源用3節(jié)5號(hào)電池代替。效果也是很理想的。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)調(diào)試

3.1 上位機(jī)軟件Grbl Controller

簡介：Grbl是一款針對(duì)Atmel AVR ATmega328芯片的嵌入式G代碼編譯和運(yùn)動(dòng)控制器。 它具有性能高，成本低等優(yōu)點(diǎn)，并且還能基于并口運(yùn)動(dòng)控制，可以用于用于CNC雕刻。Grbl可以運(yùn)行在Arduino （Duemillanove/Uno） 前提是只要它配備了Atmega 328型芯片。

3.2 機(jī)械臂型雕刻機(jī)控制流程圖

下位機(jī)代碼流程圖如圖2所示：

3.3 模擬接線圖

在接線是一定要注意自己的機(jī)械臂方向的正負(fù)，先找好激光雕刻機(jī)的零點(diǎn)之后在接步進(jìn)電機(jī)的2相，使之能夠按照自己定義好的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，如若方向相反則將步進(jìn)電機(jī)A，B相交換連線即可。

3.4 裝配機(jī)械結(jié)構(gòu)

機(jī)械臂的裝配：手臂關(guān)節(jié)模塊包含了許多零部件，主要有旋轉(zhuǎn)電機(jī)、減速器和反饋單元等。在手臂關(guān)節(jié)的內(nèi)部固定了控制單元和傳動(dòng)系統(tǒng)，以二級(jí)減速傳動(dòng)作為傳動(dòng)模式，即齒輪減速傳動(dòng)與諧波減速傳動(dòng)，這種傳動(dòng)模式可以支持手臂關(guān)節(jié)自由度之內(nèi)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

3.5 生成NC文件

NC文件可以直接導(dǎo)入到Grbl中實(shí)現(xiàn)雕刻圖案的目的。下面介紹幾個(gè)常用的生成NC文件的軟件。例如：微雕管家、NC畫圖軟件、ArtCAM 2008。

3.6 誤差分析以及避免方法

主要機(jī)械誤差有：滾珠絲桿螺距誤差；同步帶節(jié)距誤差；傳動(dòng)反向間隙誤差。

解決方法：優(yōu)化軟件與硬件之間的聯(lián)合（主要）；使傳動(dòng)皮帶繃緊。

參考文獻(xiàn)

[1] 付雄波，張松.激光雕刻系統(tǒng)及采用其進(jìn)行激光雕刻的方法：CN，CN101318263B[P].2011.21～24.

[2] 吳樹玉.激光雕刻技術(shù)在藝術(shù)首飾中的應(yīng)用及創(chuàng)作實(shí)踐[J].寶石和寶石學(xué)雜志，2016，18（6）：67-73.