基于AVR單片機的機械臂激光雕刻機設計

李沛谞 劉進山 張文濤

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

[關鍵詞]機械臂；便攜；激光雕刻；

中圖分類號：TP368.12 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2018）09-0144-01

0.引言

激光雕刻機（Laser Engraving）加工物件是依靠數控技術為基礎，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 刻機中。[2]

1 系統組成及其工作原理

1.1 系統的組成。基于AVR的激光雕刻機設計主要是基于Atmel 公司的328系列芯片實現的，其設計有13個數字輸入輸出端口，以及5個模擬信號端口。而且基于該芯片的最小開發系統板Arduino Nano體積小巧[3]。整個系統工作框圖如圖1所示。

1.2 系統的工作原理。主控是基于AVR單片機的控制器，編譯時所采用的編譯環境是Arduino IDE 1.6.1，編寫采用的機器語言是C++。當人們使用激光雕刻機雕刻時，需要通過一個界面進行控制和觀測，我們使用的上位機是mDraw軟件。即通過上位機軟件來控制下位機的運動。

2 硬件電路的設計

2.1 系統機械結構設計

機械臂激光雕刻機結構設計

機械臂激光雕刻機所采用的是兩關節結構，模擬人體手臂的活動，兩個步進電機分別充當人體手臂的肘部與肩部，進行水平移動。不同于傳統的X-Y坐標儀機構，適應范圍更廣；對比XY軸雕刻機，可便攜的特點更明顯。

2.2 基于Atmel 328構成的最小系統

此次設計的主控芯片是由Atmel 328構成的最小系統，簡稱Arduino Nano。

首先介紹一下本次畢業設計主控芯片Atmel 328系列芯片：

通過鏈接到PC的USB線給它供電。USB標準允許向另外一個未枚舉USB設備提供5.0V最大100mA的電流，而枚舉了的USB設備最多可以提供500mA的電流。Nano上還設置了一個3.3V穩壓器。其工作時鐘一般為16MHz，每一路能輸出和接入最大電流為40mA。

此外，串行端口0和內部USB TTL atmega8u2芯片連接到接收信號提供串口TTL電平。2路外部中斷：2（中斷0），3（中斷1）。觸發中斷的方式有多種，可設置為上升沿觸發、或者設置為下降沿觸。6路PWM脈沖寬度調制（3，5，6，8，9，10）：提供8位PWM輸出。含有SPI通信接口Arduino用于測試其好壞的LED的接口，當輸出給LED為高電平是LED亮，當輸出給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個不同的值），默認的輸入信號范圍為0～5V。

2.3 電機驅動模塊

電機驅動使用TB6560AHQ作為驅動芯片，驅動2個2相42步進電機。

功能簡介：1.工作電壓直流10V-35V。建議使用開關電源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，內有低壓關斷、過熱停車及過流保護電路， 保證最優性能。4.額定最大輸出為：±3A，峰值3.5A。5.適合42，57步進3A以內的兩相/四相/四線/六線步進電機，不適合超過3A的步進電機。6.自動半流功能。7.細分：整步，半步，1/8步，1/16步，最大16細分。

在同類產品中的特色：1、電流級逐可調，滿足多種應用需求。2、自動半流可調。3、電流采樣電阻采用高精度、大功率電阻，保證電機穩定運行。4、板印設置說明，不用說明書亦可操作。5、采用厚密齒散熱器，散熱良好。

靜止時最小電流一般設置為20%。

經過查閱資料得知，2相42步進電機額定電流為1.5A，但實際操作中給1.5A電機發熱太嚴重，所以最后決定給1.2A電流。本次設計中T8絲桿導程為8mm（滑塊轉動一周走過的行程為8mm），所以設置為8倍細分。

2.4 繼電器驅動激光頭電路

激光頭只有兩種狀態，用繼電器開關控制即可。而且5v繼電器響應狀態以及相應時間可以滿足激光頭活動狀態。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，線圈中就會有電流流過，有電磁感應得知，此時會產生磁力，銜鐵就會在電磁力的作用下克服彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷開點以后，磁力隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回，使動觸點與的靜觸點（常閉觸點）吸合。通過電磁的效應，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。

2.5 電源電路

在本次設計中電源電路主要有兩部分：

1.為電機驅動板提供電源；2.為激光頭提供5V電源；

接220v轉24v電源，驅動板電源電路：

激光頭5v供電電源用3節5號電池代替。效果也是很理想的。

3 軟件系統設計及系統調試

3.1 上位機軟件Grbl Controller

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

3.2 機械臂型雕刻機控制流程圖

下位機代碼流程圖如圖2所示：

3.3 模擬接線圖

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

3.4 裝配機械結構

機械臂的裝配：手臂關節模塊包含了許多零部件，主要有旋轉電機、減速器和反饋單元等。在手臂關節的內部固定了控制單元和傳動系統，以二級減速傳動作為傳動模式，即齒輪減速傳動與諧波減速傳動，這種傳動模式可以支持手臂關節自由度之內的回轉運動。

3.5 生成NC文件

NC文件可以直接導入到Grbl中實現雕刻圖案的目的。下面介紹幾個常用的生成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

主要機械誤差有：滾珠絲桿螺距誤差；同步帶節距誤差；傳動反向間隙誤差。

解決方法：優化軟件與硬件之間的聯合（主要）；使傳動皮帶繃緊。

參考文獻

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

[2] 吳樹玉.激光雕刻技術在藝術首飾中的應用及創作實踐[J].寶石和寶石學雜志，2016，18（6）：67-73.