基于AVR單片機(jī)的智能分度頭研究

王 晉，張玉更，羅庚合

（西安航空學(xué)院 陜西 西安 710077）

在傳統(tǒng)的機(jī)械加工行業(yè)中，采用較多的是分度精度低、分度柔性差、操作人員勞動強(qiáng)度大的手工分度頭。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對機(jī)械設(shè)備的柔性化和自動化程度要求越來越高，加工精度的要求也越來越高。

目前國外先進(jìn)水平的分度頭一般采取半閉環(huán)控制系統(tǒng)，用伺服電機(jī)的編碼器作為反饋回路的檢測元件，每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為2 500 P，精度較高，但價格也昂貴。如日本NIKKEN公司生產(chǎn)的數(shù)控分度頭的分辨率可達(dá)到0.001°，定位精度為15″。

國內(nèi)很多單位也對數(shù)控分度頭做了大量的理論研究和產(chǎn)品的開發(fā)工作，例如華中科技大學(xué)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對分度頭進(jìn)行誤差補(bǔ)償，能夠使分度誤差達(dá)到15″；山東煙臺機(jī)床廠采用意大利技術(shù)，采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)，使分度精度達(dá)到20″[1]。

文中設(shè)計了一種體積較小能夠同實(shí)驗(yàn)室內(nèi)現(xiàn)有銑床配合、具有手動模式和自動模式功能的低成本智能分度頭。分度的計算工作由Atmega16單片機(jī)來完成，分度速度快、精度高。機(jī)械加工、裝配都是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成，節(jié)約了大量成本。

1 智能分度頭的總體設(shè)計思想

文中設(shè)計的智能分度頭工作模式分為兩種：自動模式和手動模式。當(dāng)工件安裝到分度頭的夾具上后，在自動模式下，通過數(shù)控機(jī)床控制器輸入使能信號、脈沖信號以及方向信號。分度頭按系統(tǒng)指令要求進(jìn)行分度。

在手動模式下，又分兩種控制方式：一是通過手輪旋轉(zhuǎn)及倍率調(diào)節(jié)按鈕，進(jìn)行分度，并實(shí)時顯示分度頭所處位置以及轉(zhuǎn)速；二是輸入分度所需參數(shù)（包括等分度數(shù)、轉(zhuǎn)速、方向）等。然后，Atmega16按照設(shè)定的工作模式、分度參數(shù)進(jìn)行實(shí)時處理和運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果和指令又通過I/O接口電路送入步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器來控制步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行，并將工作狀態(tài)顯示在顯示屏上。步進(jìn)電動機(jī)通過蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)將運(yùn)動傳遞到分度主軸，然后通過夾具帶動工件進(jìn)行分度。在回零模式下，通過回零電路，使分度頭進(jìn)行回零。

2 系統(tǒng)硬件的總體設(shè)計

設(shè)計以Atmega16為主控芯片，并且有回零電路、按鍵電路、電源電路、顯示電路以及驅(qū)動電路。如圖1所示。

2.1 控制系統(tǒng)模塊

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計Fig.1 Collectivity design

設(shè)計采用ATmega16單片機(jī)作為驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的主控芯片，為了獲得最高的性能以及并行性，AVR采用了Harvard結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)和程序總線。程序存儲器里的指令通過一級流水線運(yùn)行。CPU在執(zhí)行一條指令的同時讀取下一條指令。這個概念實(shí)現(xiàn)了指令的單時鐘周期運(yùn)行。程序存儲器是可以在線編程的FLASH，能夠很好的滿足橢圓插補(bǔ)的計算以及程序的燒寫功能[2]，并且用16位定時器T1來產(chǎn)生PWM波，能獲得較寬頻率的脈沖波。T1工作在相位和頻率修正PWM模式，可以產(chǎn)生高精度、相位和頻率都準(zhǔn)確的PWM波形，十分適合于電機(jī)的控制[3]。

單片機(jī)的 PD口以及 PA5～PA7接 LCD12864顯示電路，PD2口用來產(chǎn)生PWM波驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，PD0和PD1口與MAX232相連和上位機(jī)進(jìn)行串口通信。其主控電路如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)模塊Fig.2 Control system module

2.2 電源電路模塊

LM25705是美國安森美半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的新型開關(guān)式降壓型穩(wěn)壓電路。它們的作用與LM7805三端穩(wěn)壓器差不多，不過由于該系統(tǒng)穩(wěn)壓電源采用了開關(guān)技術(shù)，所以它的效率要比普通的三端穩(wěn)壓器要高，而且該系列穩(wěn)壓器的輸入電壓范圍比普通二端穩(wěn)壓器更廣。

LM2575－5.0的基本應(yīng)用電路為，外接4個元件，最大輸入電壓為40 V，最小輸入電壓為7.0 V，最大負(fù)載電流為1.0 A，最高環(huán)境溫度為50℃，最低環(huán)境溫度為0℃。

本設(shè)計所采用LM2575為Atmega16提供電源，有效保證了單片機(jī)的工作。如圖3所示。

2.3 上位機(jī)串口通信模塊

本系統(tǒng)采用max232芯片進(jìn)行單片機(jī)與上位機(jī)的通信，MAX232外圍需要 4個電解電容 C14、C13、C10、C9， 是內(nèi)部電源轉(zhuǎn)換所需電容。其取值均為1μF/25 V。一般選用鉭電容并且應(yīng)盡量靠近芯片，C11為 0.1μF的去耦電容[4]。與Atmega16連接如圖4所示。

2.4 按鍵電路

當(dāng)需要在手動模式下工作時，通過按鍵輸入分度所需參數(shù)。設(shè)計通過PB口與各個按鍵相連，如圖5所示。

圖3 電源電路模塊Fig.3 Power supply circuitmodule

2.5 步進(jìn)電機(jī)電路

文中所采用步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動芯片是東芝公司推出的低功耗、高集成兩相混合式芯片TB6560，其主要特點(diǎn)是：內(nèi)部集成雙全橋MOSFET驅(qū)動；最高耐壓為40 V，單相輸出最大電流 3.5 A；并有整步，1/2、1/8、1/16細(xì)分方式；具有過電流保護(hù)功能，采用HZIP25封裝。

2.5.1 光電隔離電路

圖4 上位機(jī)串口通信模塊Fig.4 PC serial port communicationmodule

圖5 按鍵電路Fig.5 The key circuit

步進(jìn)電機(jī)有3個控制信號，CLK、CW和ENABLE，分別控制電機(jī)的轉(zhuǎn)角、速度和使能，均需要通過光電耦合器和芯片相連接。光電耦合器又叫做光電隔離器，可以防止電機(jī)干擾和損壞接口板電路，還可以對控制信號進(jìn)行整形。如圖6所示。

圖6 光電隔離電路Fig.6 Photoelectric isolating circuit

文中采用兩片高速光耦6N137來隔離管腳CLK和CW，可以保證信號耦合后不會發(fā)生滯后和畸變而影響電機(jī)驅(qū)動，并且信號傳輸速率可達(dá)10 MHz；使用1片TLP521來隔離ENABLE使能信號。

2.5.2 步進(jìn)電機(jī)主電路

如圖7所示，步進(jìn)電機(jī)的主電路由驅(qū)動電路和邏輯控制電路兩部分組成。

圖7 步進(jìn)電機(jī)主電路Fig.7 Steppermotor circuit

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路采用28 V直流電，電壓為4.5～40V。其中VMB、VMA作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源引腳，分別接入瓷片去耦電容和電解電容來進(jìn)行穩(wěn)壓。OUT_AP、OUT_AM、OUT_BP、OUT_BM引腳分別為電機(jī)的兩相輸出接口。NFA和NFB分別為電機(jī)A、B相最大驅(qū)動電流定義引腳[5]，其計算公式為：Iout（A）=0.5（V）/RNF，假設(shè)電機(jī)每相的最大驅(qū)動電流為2.5 A，則 RNF=0.28Ω，則 PGNDA、PGNDB、SGND 分別為電機(jī)A、B相驅(qū)動引腳地和邏輯電源地。

邏輯控制電路的電源為5 V，VDD是邏輯電源引腳，外接去耦電容和旁路電容減小噪聲；M0和PROTECT分別為工作狀態(tài)和過流保護(hù)指示燈；M1和M2為細(xì)分設(shè)置引腳，與撥碼開關(guān)連接能得到不同的細(xì)分值。

2.6 顯示模塊

顯示電路作為智能分度頭的輸出接口，可以顯示加工過程中的狀態(tài)等信息。本設(shè)計中顯示模塊采用OCMJ4X8A液晶顯示屏，可以方便地顯示漢字及圖形；可全屏顯示系統(tǒng)所有信息；電路結(jié)構(gòu)簡單，便于控制，功耗低，滿足配合單片機(jī)的液晶驅(qū)動模塊顯示數(shù)據(jù)的需求。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 軟件設(shè)計的總體思路

本研究的軟件設(shè)計采用C語言編程，與匯編語言相比，有較好的移植性[6]。程序設(shè)計使用2個標(biāo)志位i、j來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯控制。當(dāng)自動模式按鍵按下后，標(biāo)志位i=0；當(dāng)手動模式按鍵按下，標(biāo)志位i=1。在手動模式下，標(biāo)志位j=0時，手輪脈沖發(fā)生器產(chǎn)生作用；標(biāo)志位j=1時，可以通過輸入分度數(shù)、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向來控制步進(jìn)電機(jī)。如果沒有按鍵被按下，則主程序進(jìn)行循環(huán)掃描。

3.2 系統(tǒng)程序流程圖

系統(tǒng)的流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖Fig.8 Main program flowchart

4 結(jié)束語

文中提出了一種智能分度頭的設(shè)計方案，通過Atmega16單片機(jī)[7]使分度頭具有自動和手動兩種控制模式，能方便的進(jìn)行對分度頭的控制。試驗(yàn)證明，效果良好，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

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