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山西工程技術(shù)學院——畢業(yè)設(shè)計說明書
山西工程技術(shù)學院
畢業(yè)設(shè)計說明書
學生姓名
：
馮濤
學號
：
180533028
專業(yè)
：
機械電子工程
指導教師
：
張海
所屬系（部）
：
機械電子工程系
二〇二〇年五月
基于Arduino的激光雕刻機的設(shè)計
摘 要
數(shù)控雕刻機是一種可以雕刻加工的機電一體化機床，它可加工的材料的范圍很廣，既可以加工鋁、銅等金屬材料，也可以加工塑料、石材、陶瓷等非金屬材料，所以被很廣泛應用于各個行業(yè)，具有很廣闊的市場前景。數(shù)控雕刻機的使用大大提高了雕刻加工的效率，同時制造業(yè)的發(fā)展提供了動力。
激光技術(shù)作為一種新型技術(shù)，將其與傳統(tǒng)的雕刻機行業(yè)有機結(jié)合，激光雕刻機對于雕刻精度雕刻效率的提高具有很高的利用價值。激光數(shù)控雕刻機通過其控制系統(tǒng)去控制步進電動機和激光頭的灼燒，步進電動機再通過聯(lián)軸器帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠再帶動絲杠螺母以及與其固定的各個部件做直線進給運動，從而實現(xiàn)雕刻機在X、Y平面方向上的雕刻加工，通過激光功率調(diào)節(jié)雕刻力度，取代傳統(tǒng)的直流電機和電主軸。
本設(shè)計采用步進電動機作為各向進給運動的驅(qū)動電動機，與伺服電機相比其控制更為簡單，成本更低。采用絲杠螺母副及彈性聯(lián)軸器作為主傳動部件，與齒輪傳動相比結(jié)構(gòu)更緊湊、其平穩(wěn)性更好，加工精度更容易保證。采用導向光桿作為導向部件，摩擦系數(shù)更小、壽命更長、定位精度更高、且可以減少爬行現(xiàn)象的發(fā)生。
本設(shè)計的預期目的是通過該設(shè)計去實現(xiàn)對基于Arduino單片機控制的數(shù)控激光雕刻機進行兩軸聯(lián)動控制，通過對激光雕刻機的機械結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計、機械部分主要零部件的設(shè)計選取和控制系統(tǒng)及程序的設(shè)計，最終使所設(shè)計的激光雕刻機能夠完成在X、Y平面方向上的激光雕刻加工，達到預期目的。
關(guān)鍵詞： 激光雕刻；數(shù)控機床；Arduino；
1
Design of laser engraving machine based on Arduino
Abstract
CNC engraving machine is a kind of machine tool which can be engraved and processed. It has a wide range of materials. It can process not only metal materials such as aluminum and copper, but also non-metallic materials such as plastics, stone and ceramics. So it is widely used in various industries and has a broad market prospect. The use of CNC engraving machine greatly improves the efficiency of engraving processing, while the development of manufacturing industry provides power.
Laser technology, as a new technology, combines it with traditional engraving machine industry organically. Laser engraving machine is of great value in improving engraving accuracy and efficiency. Laser numerical control engraving machine controls the burning of stepping motor and laser head through its control system. Stepping motor drives the screw to rotate through coupling, and the screw drives the screw nut and its fixed parts to move in a straight line, thus realizing the engraving process of the engraving machine in the direction of X and Y planes. Laser power is used to adjust the engraving strength, replacing the traditional straight line. Current motor and spindle.
In this design, stepping motor is used as the driving motor for all directions of feed motion. Compared with servo motor, the control of stepping motor is simpler and the cost is lower. The screw nut pair and elastic coupling are used as the main transmission components. Compared with gear transmission, the structure is more compact, the stability is better, and the processing accuracy is easier to guarantee. With the guide rod as the guide component, the friction coefficient is smaller, the service life is longer, the positioning accuracy is higher, and the crawling phenomenon can be reduced.
The anticipated purpose of this design is to realize the two-axis linkage control of CNC laser engraving machine based on Arduino MCU. Through the overall design of the mechanical structure of the laser engraving machine, the selection of the main parts of the machine and the design of the control system and program, the laser engraving machine designed can finally complete the laser in the X and Y plane direction. Sculpture processing, to achieve the desired purpose.
Key words: laser engraving; numerical control machine tool; Arduino;
I
目 錄
摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
1 引言 1
1.1 課題背景及意義 1
1.2 國內(nèi)外研究概況 1
1.3 激光雕刻方法簡述 2
2 激光雕刻機工作原理及設(shè)計思路 3
2.1 激光雕刻機的工作原理 3
2.2 方案設(shè)計要求及設(shè)計思路 3
3 系統(tǒng)總體方案的分析 5
3.1 機械傳動系統(tǒng)分析 5
3.2 驅(qū)動系統(tǒng)分析 5
3.3 計算機控制系統(tǒng)分析 6
3.4 工作環(huán)境分析 6
4 機械傳動方案的設(shè)計 8
4.1 X軸和Y軸絲杠的選取計算 8
4.1.1 X軸絲杠的選取計算 8
4.1.2 Y軸絲杠的選取計算 10
4.1.3 絲杠校核計算 13
4.2 導向光桿的選取計算 16
4.3 X軸和Y軸的電機選取計算 17
4.4 聯(lián)軸器的選擇 21
5 硬件電路的設(shè)計 23
5.1 主控模塊的選擇 23
5.2 電機驅(qū)動模塊的選擇 25
5.3 激光功率調(diào)節(jié)模塊的說明 28
5.4 脫機模塊的設(shè)計 29
5.5 DC降壓電路的設(shè)計 33
5.6 電源適配器的選擇 35
6 CNC軟件及程序設(shè)計說明 36
6.1 CNC裝置軟件概述 36
6.2 GRBL框架 37
6.3 GRBL算法說明 37
6.4 源程序參數(shù)設(shè)置說明 41
7 上位機軟件說明 43
7.1 參數(shù)配置 43
7.2 軟件操作 45
結(jié)束語 49
附錄：激光雕刻機物料表 50
參考文獻 54
外文資料 55
外文資料翻譯 64
致謝 71
山西工程技術(shù)學院——畢業(yè)設(shè)計說明書
1 引言
1.1 課題背景及意義
激光雕刻機是以數(shù)控技術(shù)為基礎(chǔ)，以激光為加工工具，將傳統(tǒng)的主軸電機用激光頭代替，加工物體在激光的照射下瞬間受到灼燒而融化或氣化，從而達到激光雕刻的目的。激光加工與材料表面沒有直接接觸，不受機械運動影響而發(fā)生形變，而且激光加工精度高，加工速度快。加工平臺由計算機控制，電機傳動，絲桿滑塊或皮帶滑輪帶動，采用逐點標記方法使用激光雕刻出各種文字，符號和圖案等。激光加工技術(shù)在工業(yè)應用范圍很廣，激光切割是利用高功率密度激光束照射被切割材料，使材料很快被加熱至汽化溫度，蒸發(fā)形成孔洞，隨著光束對材料的移動，孔洞連續(xù)形成寬度很窄的（如0．1mm左右）切縫，完成對材料的切割，與激光雕刻只是激光功率上的區(qū)別。用激光切割或雕刻物體具有過程簡單，且與傳統(tǒng)的雕刻機和線切割相比材料損耗低，如同打印。上位機軟件Grbl?Controller可以在Windows和linux等多系統(tǒng)環(huán)境下使用。
本課題研究具有較高的實際意義和經(jīng)濟意義。本課題涉及機械制圖、計算機應用等眾多知識，將這些理論與實際制圖、程序編輯結(jié)合起來對于個人思維的開拓和工程經(jīng)驗的積累都有重要作用，對于個人能力培養(yǎng)和綜合素質(zhì)的訓練都起到了十分重要的作用。
1.2 國內(nèi)外研究概況
激光自1960年問世后,很快在生產(chǎn)中得到應用。其后,隨著對有關(guān)基本理論研究的不斷深化。各類激光器件不斷地發(fā)展,使其應用領(lǐng)域也不斷拓寬，應用規(guī)模逐漸擴大，所獲得的社會效益和經(jīng)濟效益更加顯著。作為高科技之一的激光技術(shù),是 20世紀科學技術(shù)發(fā)展的重要標志和現(xiàn)代信息社會光電子技術(shù)重要支柱之一。激光技術(shù)不僅受到技術(shù)先進國家的高度重視，而且也受到許多發(fā)展中國家的高度重視，并給與大量的投入。20世紀80年代以來，在很多國家，政府都把激光技術(shù)列為國家級發(fā)展計劃。例如，英國的“阿維爾幾乎阿”,美國的“激光核聚變計劃”,日本的“激光研究五年計劃”等。這些計劃的實施使激光技術(shù)得到迅速發(fā)展,且已經(jīng)形成了一個生機勃勃的新興產(chǎn)業(yè)。與此同時,激光技術(shù)的發(fā)展大大促進了多種技術(shù)、學科、多種生產(chǎn)水平的進步和提高,影響之大,舉世矚目。在激光技術(shù)中激光雕刻技術(shù)是較常見的。激光雕刻有三種方式:CO2激光雕刻,Nd:YAG激光雕刻,準分子激光雕刻。這三種激光雕刻技術(shù)都在某些方面體現(xiàn)了它們各自的特性和優(yōu)點,所以有不同的應用領(lǐng)域。
激光雕刻機在我國的應用已非常廣泛，如廣告、服裝、工藝禮品、木制品的雕刻等。激光雕刻機已經(jīng)被應用到各行各業(yè)。因此，激光雕刻機的發(fā)展前景非常廣闊，這是一種清潔無污染的環(huán)保技術(shù)，激光雕刻機的應用領(lǐng)域不斷擴展導致激光雕刻機小型化、效率化、集成化也隨之提高，必將帶動激光雕刻機的飛速發(fā)展。而本文設(shè)計的智能化激光雕刻機作為一個整體的系統(tǒng)，成本控制較為合理，是能夠?qū)嶋H生產(chǎn)并投入市場的。
1.3 激光雕刻方法簡述
激光雕刻原理是由于原子遷躍產(chǎn)生的，而且是由自發(fā)的輻射引起，激光雖然是光，但是它與普通光明顯不同的是只在最初極短時間內(nèi)依賴于自發(fā)的輻射，此后的過程完全是由激光輻射決定的，因此激光本身具有十分純正的顏色，幾乎是無發(fā)散的方向性，激光雕刻機具有極高的發(fā)光強度。激光經(jīng)激光器產(chǎn)生后由反射鏡反射并通過透鏡聚焦后照射到待加工物體表面，使其表面受到十分強大的熱能而溫度瞬間急劇增加，使得該點因高溫而迅速汽化或者融化，同時配合激光頭運行軌跡達到加工的目的。激光雕刻分為位圖雕刻和矢量雕刻兩種。
矢量雕刻是使用矢量軟件如AutoCAD等進行排版設(shè)計，將圖形導出為PLT、DXF以及AI格式，然后用再用激光切割雕刻軟件打開所需要加工工件的圖形文件，將圖像信息傳送至激光雕刻機中完成工件的加工。位圖雕刻是將所需要雕刻的圖形文件用圖片處理軟件轉(zhuǎn)換成單色BMP的位圖格式，然后再在專業(yè)的激光雕刻切割軟件中打開加工工件圖形文件。根據(jù)加工材料進行合適的參數(shù)設(shè)置，然后點擊軟件運行，激光雕刻機就能根據(jù)圖形文件產(chǎn)生的點陣效果進行雕刻。
2 激光雕刻機工作原理及設(shè)計思路
2.1 激光雕刻機的工作原理
在緒論中已經(jīng)介紹過激光雕刻的方法和原理，就是利用激光高能量的特性使被加工的材料受到灼燒從而發(fā)生物理化學變化，從而達到燒刻的效果，得到加工的圖案。激光雕刻機有X軸和Y軸兩個方向的運動臺。通過主控制器控制這兩個軸的旋轉(zhuǎn)帶動激光的移動或者激光和工件的移動。與傳統(tǒng)雕刻機相比，只需要兩個步進電機就可以對整個機器很好地進行控制。控制器還根據(jù)目標圖像控制激光的開光。比如控制器通過產(chǎn)生0和1兩種數(shù)字信號來控制激光對加工物體的照射，0為低電平激光關(guān)閉物體不受照射，1為高電平激光打開照射物體，加工完一點后激光通過控制移動到下一點繼續(xù)進行加工，按此原理最通過控制激光路徑和激光的通斷，從而激光在工件表面有規(guī)律地雕刻形成目標加工圖案。雕刻深度還可以通過控制器產(chǎn)生PWM信號，調(diào)制解調(diào)后控制激光功率，功率越小雕刻深度越淺，所以不論圖像復雜程度如何，或者要求有層次感和過渡顏色的效果，激光雕刻都可以實現(xiàn)。
2.2 方案設(shè)計要求及設(shè)計思路
目前，激光雕刻機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括激光發(fā)射系統(tǒng)、主控單元、驅(qū)動單元、機械框架、控制軟件以及人機交互系統(tǒng)等模塊。
圖2-2-1
因為激光是雕刻的工具，所以激光發(fā)射裝置在整個雕刻機系統(tǒng)中都處于比較重要的地位。在整個系統(tǒng)中處于核心位置，對其可靠性要求很高。激光雕刻機因為其雕刻材料的不同以及加工方式上的區(qū)別，所以激光功率范圍從幾百毫瓦到幾百瓦不等。所以要求其輸出功率和脈寬參數(shù)可調(diào)，本方案設(shè)計要求選用500mW的激光，用于雕刻木材、塑料、皮革等材料，考慮到發(fā)揮激光雕刻的優(yōu)勢，選用可進行PWM調(diào)光的激光發(fā)射裝置。
機械框架是支撐整體系統(tǒng)的部件，激光雕刻機的機械框架結(jié)構(gòu)多種多樣，最常用的是龍門式結(jié)構(gòu)和平面式結(jié)構(gòu)。龍門框架結(jié)構(gòu)工作原理是一個電機帶動激光頭向一個直線方向運動，另一個電機帶動工作臺面向另一個垂直的直線方向運動，激光頭和工作臺面形成一個YOX坐標的加工平面。平面框架是以絲杠及同步帶傳動，帶動激光頭進行運動，而加工工件不需要移動。相比之下龍門式結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更強，加工空間大而，當完全采用絲杠螺母副傳動時加工更為精密，可以突出激光加工的絕對優(yōu)勢。本方案要求采用4mm導程絲杠傳動，所以本方案機械框架選擇龍門式結(jié)構(gòu)。
雕刻機進行平面雕刻，共有兩個自由度，即X方向和Y方向。激光頭的運動通過步進電機和光杠絲杠構(gòu)成的進給系統(tǒng)控制，由控制系統(tǒng)發(fā)出信號指令，根據(jù)該指令的加工軌跡完成加工。
控制系統(tǒng)也是激光雕刻機最重要組成的部分，包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)主要工作是各模塊的驅(qū)動，加工軌跡的處理，加工信息的傳輸?shù)?。軟件分為上位機軟件和下位機軟件，上位機軟件進行圖像處理，轉(zhuǎn)換成刀路代碼后傳輸至下位機軟件負責對各模塊進行控制。
激光雕刻機主控板一般通過USB線與個人電腦相連，此時上位機是PC，下位機是主控單元。當某些特殊情況PC機不能與雕刻機進行連接時，此時可以使用人機交互模塊完成脫機控制。
3 系統(tǒng)總體方案的分析
3.1 機械傳動系統(tǒng)分析
該方案機械框架選擇龍門銑床結(jié)構(gòu)，具有原理簡單、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、使用方便等優(yōu)點。進給系統(tǒng)采用絲杠螺母副傳動，步進電機開環(huán)控制可滿足定位精度的要求，易于維護。電機通過支架固定在機械框架上，通過聯(lián)軸器與絲杠相連。滾珠絲杠與圓柱直線導軌（光杠）平行安裝，通過直線軸承滑塊和絲杠螺母的固定，將電機的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動。兩根絲杠在空間垂直，一根帶動激光頭向Y方向運動，另一根帶動工作面板向X方向運動，加工工件固定在工作面板上，這樣通過X-Y軸的運動可以控制激光束在加工工件表面的位置。工作行程要求X=180mm,Y=300mm，工作行程并不是很大，屬于桌面級小型雕刻機，所以工作臺面規(guī)格應為300*180。機械框架的底部面積應大于300*180，絲杠光杠的長度應與機械框架的長寬一致或略長于機械框架以便留出余量。
3.2 驅(qū)動系統(tǒng)分析
驅(qū)動系統(tǒng)可分為電機驅(qū)動系統(tǒng)和激光驅(qū)動。
電機驅(qū)動系統(tǒng)的作用是帶動絲杠旋轉(zhuǎn)使工作臺面和激光頭進行直線運動。為盡量減少成本和空間占用，本方案選擇常用的42步進電機作為驅(qū)動電機。步進電機將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蛘呔€位移，在不過載的情況下電機的停止位置和轉(zhuǎn)速只取決于脈沖信號的脈沖數(shù)和頻率，通過步進驅(qū)動器將電機和微機聯(lián)系起來，當步進驅(qū)動器接收到來自MCU的一個數(shù)字脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機向正或反方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度稱之為“步距角”，步進電機的正反方向也是由微機設(shè)定。步進電機的旋轉(zhuǎn)是以步距角累積一步一步進行的，通過控制脈沖個數(shù)來控制步進電機的角位移量，以此來達到精確控制的目的。并通過控制脈沖的頻率控制電機的轉(zhuǎn)速，以此調(diào)速。通過調(diào)節(jié)步進電機的位置和轉(zhuǎn)速達到控制激光頭和工作面板位置的目的。另外，為提高工作精度要求，電機驅(qū)動器要求具有細分功能
激光驅(qū)動系統(tǒng)的目的是驅(qū)動激光管發(fā)射激光。由于激光雕刻要達到雕刻深不同及顏色過渡的效果，所以需要在激光驅(qū)動電路中加入數(shù)字信號來控制激光的頻率，所以本方案的激光驅(qū)動其實更偏向于激光調(diào)制。一般對雕刻深度無要求或者雕刻深度相同的工作，只需要用MOS管或者繼電器控制激光管的通斷電就可以，而本方案對于激光的控制添加了PWM/TTL調(diào)制，所以需要另外設(shè)計激光驅(qū)動電路。
3.3 計算機控制系統(tǒng)分析
激光雕刻機的計算機控制系統(tǒng)的作用是控制電機的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度，控制激光頭的通斷和激光功率。該控制系統(tǒng)分為上位機和下位機兩部分。上位機是個人計算機，下位機是微型計算機也稱作單片機，下位機及外圍電路組成微機控制體系，對電機和激光頭進行控制。微機控制體系的組成中除了作為控制核心的微機芯片外，還有接口電路、信號采集機構(gòu)、操作機構(gòu)、輸出設(shè)備、軟件及控制對象組成。信號采集機構(gòu)就是傳感器，本方案中的傳感器較少，只有觸碰開關(guān)作為限位裝置可能會在設(shè)計中運用到彌補軟件控制的不足。操作機構(gòu)是上位機和脫機模塊，控制對象是步進電機和激光頭，通過I/O接口進行數(shù)據(jù)傳遞。
上位機重點是生成位圖和位圖代碼轉(zhuǎn)換，位圖可以通過Photoshop或者windows系統(tǒng)自帶的畫圖軟件轉(zhuǎn)換，位圖是由像素（圖片元素）的單個點組成的，保存后為PMB格式。將BMP文件導入到專業(yè)的激光雕刻軟件中，激光雕刻軟件會自動生成雕刻刀路也就是G代碼。上位機和下位機通過通信傳輸協(xié)議進行通信，上位機G代碼傳輸至下位機中去控制電機位置及轉(zhuǎn)速和激光頭的通斷電，下位機可通過讀取程序執(zhí)行進度再傳輸至上位機中，由計算機軟件直觀地顯示工作進度。
將由上位機傳輸來的G代碼并不能直接被下位機識別，需要程序算法對G代碼進行解碼后才能變?yōu)榭晒﹩纹瑱C識別的二進制代碼，這個解碼程序這就是下位機的軟件系統(tǒng)。針對Arduino單片機的G代碼編譯和運動控制的程序常用的是由國外開發(fā)GRBL。GRBL性能高，成本低，所以經(jīng)常被用于制作小型CNC雕刻機或者是寫字機。而且GRBI的代碼在GitHub上是開源的，其源程序（ArduinoIDE）和HEX文件都是可以從網(wǎng)絡上下載的，可以通過更改源程序來改變引腳定義、影響精度的參數(shù)等二次開發(fā)的數(shù)據(jù)。
3.4 工作環(huán)境分析
由于本課題設(shè)計屬于桌面級小型激光雕刻機，所以工作環(huán)境并不是很惡劣，相對于工廠中的大型激光雕刻切割設(shè)備，從成本考慮并不需要做防塵和防油處理。小型激光雕刻機的優(yōu)點是輕便，可以隨時移動。激光雕刻機的控制電路和電機都是安裝在外的，所以在使用時應盡量避免潮濕和強電磁環(huán)境，與雕刻機連接的PC機在使用時同樣要注意避免這些問題。雕刻機的傳動構(gòu)建和機架都是金屬材質(zhì)，盡量不要在強酸強堿的環(huán)境中使用，以免損傷機架及精密部件，縮短其使用壽命。由于其是使用激光頭灼燒工件進行雕刻加工可以減少粉塵的產(chǎn)生，但是灼燒工件材料時會產(chǎn)生煙霧甚至有毒有害氣體，所以機器應當在通風條件好的環(huán)境下工作，或者工作環(huán)境應當配備有通風設(shè)備。
4 機械傳動方案的設(shè)計
4.1 X軸和Y軸絲杠的選取計算
4.1.1 X軸絲杠的選取計算
首先需要分析一下雕刻機的X軸方向的絲杠的受力情況，到X軸絲杠的當量軸向載荷，再分別計算得到絲杠的預期額定動載荷和允許的最小螺紋底徑，然后根據(jù)預期額定動載荷和允許的最小螺紋底徑確定各絲杠的型號及尺寸，最后根據(jù)所選的滾珠絲杠螺母副選擇合適的支承方式以及支承所用的滾動軸承。
（1） 確定絲杠的當量載荷?
當?shù)窨虣C空載時，X軸絲杠所受到的軸向載荷來自于導軌的摩擦力。當?shù)窨虣C以刀具的最大轉(zhuǎn)速加載時，因機器采用激光灼燒和燒刻材料質(zhì)量較輕?X軸絲杠所受到的軸向載荷還是只有來自于導軌的摩擦力。
計算X軸導軌的摩擦力?
查《機械設(shè)計手冊》知：X軸方向的導軌的受力情況如圖所示
對X軸導軌有：
雕刻機空載和工作時都是以下公式：
（4.1.1-1）
計算絲杠的軸向載荷
雕刻機不管是空載還是負載情況下，都有以下公式：
（4.1.1-2）
代入相關(guān)數(shù)據(jù)到式中，經(jīng)計算可得
計算X軸滾珠絲杠螺母副的當量載荷：
當絲杠所受載荷的大小與其轉(zhuǎn)速的變化接近正比時，其轉(zhuǎn)速為各值的可能性相同，這時可以利用下面的公式進行計算：
（4.1.1-3）
確定滾珠絲杠螺母副的預期額定動載荷
（4.1.1-4）
按照其預期需要達到的運行距離Ls來求，其計算公式如下：
（4.1.1-5）
如果該絲杠加載了預加負荷，這時其的計算公式如下：
（4.1.1-6）
其中：
精度等級，按7級精度來取值，其應取0.8；
可靠系數(shù)，按95%，取0.62；
負荷系數(shù)，輕微沖擊，取1.2；
把的值代入到公式（4.1.1-3）、（4.1.1-5）中，比較兩式的計算結(jié)果，取較大值作為預期額定動載荷，所以= 1662.3N 。
確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑
1.估算滾珠絲杠的最大允許軸向變形量
查閱相關(guān)資料可知：在一般情況下定位精度，且有定位精度 脈沖當量。已知脈沖當量為0.01，所以此處定位精度可取0.02，則有≤0.004～0.005mm，這里取δm=0.002mm。
2.計算滾珠絲杠的最小螺紋底徑
絲杠采用兩端固定的安裝方式，因此其計算公式如下：
（4.1.1-7）
式中：
-導軌的靜摩力
-最大允許的軸向變形量
-兩個固定支承之間的距離（mm）
≈（1.1～1.2）行程+（10～14）Ph
對X軸絲杠有：L≈452mm， F0=34.4N，δm=2μm，將這些數(shù)據(jù)代入到求最小螺紋底徑的計算公式中，經(jīng)計算得：=3.44mm。
（4）確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號及尺寸
所選絲杠應滿足：，，但不宜過大。
對X軸絲杠有：=3.44mm，=1662.3N
根據(jù)以上條件，初選X軸的滾珠絲杠螺母副的型號為G2505—3
絲杠螺紋長度滿足以下公式：
（4.1.1-8）
該式中Lu是絲杠的行程，Le是余程，查閱相關(guān)資料得：當Ph=4mm時其余程Le=20mm。
所以對X軸絲杠有：
4.1.2 Y軸絲杠的選取計算
首先需要分析一下雕刻機的Y軸方向的絲杠的受力情況，得到Y(jié)軸絲杠的當量軸向載荷，再分別計算得到絲杠的預期額定動載荷和允許的最小螺紋底徑，然后根據(jù)預期額定動載荷和允許的最小螺紋底徑確定各絲杠的型號及尺寸，最后根據(jù)所選的滾珠絲杠螺母副選擇合適的支承方式以及支承所用的滾動軸承。
（1）確定絲杠的當量載荷
Y軸絲杠所受到的軸向載荷來自于導軌的摩擦力。
1. 計算Y軸導軌的摩擦力
查閱《機械設(shè)計手冊》可知對Y軸導軌有：
雕刻機有以下公式：
（4.1.2-1）
2. 計算絲杠的軸向載荷
對Y軸絲杠有：
雕刻機空載時有以下公式：
（4.1.2-2）
將相關(guān)數(shù)據(jù)代入到式中經(jīng)計算得：60N
3. 計算絲杠的當量載何
當絲杠所受載荷的大小與其轉(zhuǎn)速的變化接近正比時，其轉(zhuǎn)速為各值的可能性相同
這時可以利用以下公式進行計算：
（4.1.2-3）
將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式3-21中計算得：對Y軸絲杠有：
=231.7N。 （4.1.2-4）
（2）確定滾珠絲杠螺母副的預期額定動載荷
按照其預期需要達到的運行距離Ls來求，其計算公式如下：
（4.1.2-5）
如果該絲杠加載了預加負荷，這時其的計算公式如下：
（4.1.2-6）
其中：
精度等級，按7級精度來取值，其應取0.8；
可靠系數(shù)，按95%，取0.62；
負荷系數(shù)，輕微沖擊，取1.2；
把的值代入到公式3-22、3-23中，比較兩式的計算結(jié)果，取較大值作為預期額定動載荷，所以=2065.1N
（3）確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑
1. 估算滾珠絲杠的最大允許軸向變形量
查閱相關(guān)資料可知：在一般情況下定位精度，且有定位精度 脈沖當量。已知脈沖當量為0.01，所以此處定位精度可取0.02，則有≤0.004～0.005mm，這里取δm=0.002mm。
2. 計算滾珠絲杠的最小螺紋底徑
絲杠采用兩端固定的安裝方式，因此其計算公式如下：
（4.1.2-7）
式中：
-導軌的靜摩力
-最大允許的軸向變形量
-兩個固定支承之間的距離（mm）
≈（1.1～1.2）行程+（10～14）Ph
對Y軸絲杠有：L≈490mm，F(xiàn)0=120N，δm=2μm，將這些數(shù)據(jù)代入到式3-24中，經(jīng)計算得：=6.69mm。
（4）確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號及尺寸
所選絲杠應滿足：，，但不宜過大。
對Y軸絲杠有：=6.69mm，=2065.1N
根據(jù)以上條件，初選Y軸的滾珠絲杠螺母副的型號與X軸的滾珠絲杠相同，均為G2505—3，其參數(shù)如表。
滾珠絲杠的螺紋長度滿足以下公式：
（4.1.2-8）
其中Lu為絲杠的行程，Le為余程，查閱相關(guān)資料得：當絲杠導程Ph=4mm時其余程為Le=20mm。
所以對Y軸絲杠有：
（4.1.2-9）
4.1.3 絲杠校核計算
各軸滾珠絲杠采用兩端固定的支承方式
（1）傳動系統(tǒng)的剛度計算
傳動系統(tǒng)剛度校核可采用下列公式：
（4.1.3-1）
其中為滾珠絲杠螺母副的抗壓剛度，為支承滾珠絲杠的軸承的軸向剛度，為滾珠絲杠的滾珠與滾道的接觸剛度
滾珠絲杠螺母副的抗壓剛度
對于絲杠支撐形式為兩端固定，抗壓剛度Ks計算公式如下：
（4.1.3-2）
最大抗壓剛度的計算公式如下：
（4.1.3-3）
最小抗壓剛度計算公式如下：
（4.1.3-4）
其中L為兩個固定支承之間的距離，L0為固定支承與行程起點之間的距離。
對于X軸絲杠有：L=452mm，L0=26mm，3026.3 656.3
對于Y軸絲杠有：L=490mm，L0=70mm，1236 605.4
（2）剛度驗算及精度選擇
1.確定的值
把、、的值代入到式3-42中，經(jīng)計算得：
對于X軸傳動系統(tǒng)剛度有：
對于Y軸傳動系統(tǒng)剛度有：
2.驗算傳動系統(tǒng)剛度
各軸向?qū)к壍撵o摩擦力為：=34.4N =120N =75N。
根據(jù)要求系統(tǒng)剛度應滿足=重復定位精度＜
其中重復定位精度為20μm，分別把各靜摩擦力F0的值代入到上式中，
對于X軸傳動系統(tǒng)有：=2.752＜=51.8，滿足要求。
對于Y軸傳動系統(tǒng)有：=9.6＜=52.9，滿足要求。
3.精度選擇
查閱相關(guān)資料知，有定位精度的數(shù)控機械和精密機械可選用3～4級精度。
驗算臨界壓縮載荷
臨界壓縮載荷的計算公式如下：
（4.1.3-5）
其中為安全系數(shù)（絲杠垂直安裝時：=1/2；絲杠水平安裝時：=1/3），為兩端固定的支承安全系數(shù)，=4，L為絲杠兩支承之間的距離。
對于X軸絲杠有：=1/3，L=452mm，=21.2mm，將這些數(shù)據(jù)代入式3-48中得：Fc=131827N， 其值遠大于絲杠所受的最大負載，X軸絲杠滿足要求。
對于Y軸絲杠有：=1/3，L=490mm，=21.2mm，將這些數(shù)據(jù)代入式3-48中得：Fc=112173N，其值遠大于絲杠所受的最大負載，Y軸絲杠滿足要求。
4.驗算許用轉(zhuǎn)速
絲杠的許用轉(zhuǎn)速的計算公式如下：
（4.1.3-6）
其中f為安裝系數(shù)，查閱相關(guān)資料知：當絲杠兩端固定時，取f=21.9，Lc為固定端到絲杠螺母的最遠距離。
對X軸絲杠有：Lc=426mm，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式3-49中得：25584r/min>2000r/min， X軸絲杠滿足轉(zhuǎn)速要求。
對Y軸絲杠有：Lc=420mm，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式3-49中得：26320r/min>2000r/min， Y軸絲杠滿足轉(zhuǎn)速要求。
5.軸向額定載荷的驗算
各軸絲杠應滿足下式：
（4.1.3-7）
其中靜態(tài)安全系數(shù)Ss=2，分別把各軸絲杠所受到的最大軸向載荷代入式子
經(jīng)計算得：
對于X軸絲杠有：=2×271.1=542.2N<=21569N，X軸絲杠滿足要求。
對于Y軸絲杠有：=2×317.5=635N<=21569N，Y軸絲杠滿足要求。
4.2 導向光桿的選取計算
（1）校核額定動載荷
各軸導軌應滿足：額定動載荷>
對于X軸導軌有：
= =111.75N<=12010N （4.2-1）
滿足要求。
對于Y軸導軌有：
==227.8N<=12010N （4.2-2）
滿足要求。
（2）校核額定靜載荷
各軸導軌應滿足：額定動載荷>
對于X軸導軌有：
==43N<=22190N （4.2-3）
滿足要求。
對于Y軸導軌有：
==150N<=22190N （4.2-4）
滿足要求。
（3）額定行程長度壽命
導軌的額定行程長度壽命的計算公式如下：
= （4.2-5）
其中K為壽命系數(shù)，一般取K=50km；F為滑座工作載荷（N）；為硬度系數(shù)，可按表3-7選?。粸闇囟认禂?shù)，按表3-8選??；為接觸系數(shù)，按表3-9選??；為負荷系數(shù)，按表3-10選取；為額定動載荷，取硬度系數(shù)=1，溫度系數(shù)=1，接觸系數(shù)=0.81，負荷系數(shù)=1.5，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式3-40中經(jīng)計算得：
對于X軸導軌有：=12010N，F(xiàn)=111.75N，代入Ts的計算公式中得：
Ts=9773220Km
對于Y軸導軌有：=12010N，F(xiàn)=227.8N，代入Ts的計算公式中得：Ts=1153770Km
導軌的額定工作時間壽命的公式如下：
= （4.2-6）
其中工作單行程長度=0.6m，每秒往復次數(shù)=4。分別把各軸導軌的Ts值代入到式，經(jīng)計算得：
對于X軸導軌有：Th=2036087500h>15000h，滿足壽命要求。
對于Y軸導軌有：Th=240368750h>15000h，滿足壽命要求。
4.3 X軸和Y軸的電機選取計算
電機的種類繁多，根據(jù)雕刻機加工對象的不同要求，選擇合理的電機是非常重要的。由于本方案激光頭功率不大，雕刻材料較輕，而且X軸和Y軸移動結(jié)構(gòu)相同，所以X軸和Y軸選擇相同的驅(qū)動電機。
（1）負載轉(zhuǎn)矩的計算
PMSM定子轉(zhuǎn)組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的原理和感應電機是相同的。其不同的是轉(zhuǎn)子是永磁體并且n和ns相同（同步）。兩個磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場可以看作一對旋轉(zhuǎn)磁極通過磁場間的作用力吸引轉(zhuǎn)子磁極隨其一起旋轉(zhuǎn)。其中θ作為功率角；K與定子端電壓和轉(zhuǎn)子磁密度（磁勢）的乘積成正比。FY和FS分別是轉(zhuǎn)子和定子的磁勢或者磁密；p為磁極對數(shù)。當θ角為90°時，對應最大轉(zhuǎn)矩，稱為最大同步轉(zhuǎn)矩。對負載轉(zhuǎn)矩進行慣量匹配。根據(jù)牛頓第二定律：進給系統(tǒng)所需力矩T=系統(tǒng)傳動慣量J * 角加速度角。加速度α影響系統(tǒng)動態(tài)特性，α越小則從控制器發(fā)出命令到系統(tǒng)執(zhí)行完畢所需的時間越長，系統(tǒng)的反應越慢。若果α變化則系統(tǒng)的反應會忽快忽慢，會影響加工的精度。由于電機選定后的最大輸出T值不發(fā)生變，如希望α的變化小，那么J應該盡量小。
傳動慣量對于伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精度、動態(tài)響應都有影響，慣量變大，系統(tǒng)的機械常數(shù)變大，響應慢，使得系統(tǒng)固有頻率下降，很容易產(chǎn)生諧振，因此限制了伺服帶寬，會影響伺服精度和響應速度，慣量的適當增大只有在改善低速爬行時才有利，因而機械設(shè)計時，在不影響系統(tǒng)剛度的情況下，應當盡量減少慣量。通常情況下負載慣量不大于電機慣量的5倍，最大不超過10倍。對于功率對于旋轉(zhuǎn)的物體來說，轉(zhuǎn)矩與慣量的關(guān)系有如直線運動物體和受力的關(guān)系。
（2）雕刻速度的初步估計：
雕刻一個方向上的線，最長取工作最大工作行程，，方向電機一轉(zhuǎn)對應絲杠一轉(zhuǎn)，絲杠導程4mm，最大工作行程為400mm，則電機需要轉(zhuǎn)動100r。激光灼燒時間越小，則電機轉(zhuǎn)速越快，假設(shè)激光灼燒時間每毫米最少灼燒0.05s，則最快走完400mm對應時間為20s，電機設(shè)定最高速度為5r/s。則電機最高轉(zhuǎn)速求電機勻加速需要時間。電機300ms，表示靜止加速到額定轉(zhuǎn)速的時間，角加速度為：
（4.3-1）
（4.3-2）
（4.3-3）
（4.3-4）
滾動螺旋傳動的傳動效率取0.95，滾動球軸承的傳動效率為0.99。絲杠支架共有兩個滾動球軸承，所以總傳動效率為
導軌摩擦折算至電機側(cè)的轉(zhuǎn)矩
（4.3-5）
所需的輸出力矩為：
（4.3-6）
出力力矩，小于最大出力力矩，滿足要求。
（3）步進電機與交流伺服電機性能比較
步進電機是一種離散運動的裝置，它與現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著極為緊密的聯(lián)系。在目前的國內(nèi)的數(shù)控系統(tǒng)當中，步進電機的應用十分廣泛，伴隨全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服系統(tǒng)也廣泛地被應用到數(shù)字控制系統(tǒng)中，為適應數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，運動控制系統(tǒng)大多數(shù)采用步進電機或數(shù)字式交流伺服電機作為機執(zhí)行電機。兩者雖然在控制方式都是脈沖串和方向信號控制，但是在使用場合和性能上卻存在著比較大的差異?，F(xiàn)在對二者的使用性能進行比較。
過載能力不同
步進電機一般是不具有過載能力的，而交流伺服電機具有較強的的過載能力，以松下伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過載與轉(zhuǎn)矩過載能力，其最大轉(zhuǎn)矩是額定轉(zhuǎn)矩速度三倍，能夠用于克服慣性負載在啟動瞬間較大的慣性力矩。步進電機由于不具備這種過載能力，因此在選型時往往會選取較大轉(zhuǎn)矩的電動機，但機器在正常工作期間又不需要如此大的力矩，就出現(xiàn)力矩浪費的現(xiàn)象。
控制精度的不同：
兩相混合式步進電動機的步距角一般為1.8°、3.6°，五相混合式步進電動機步距角一般是0.36°、0.72°。當然也有一些高性能的步進電動機步距角更小。比如四通公司生產(chǎn)的一款用于慢走絲機床的步進電動機，其步距角是0.09°；德國BERGER LAHR生產(chǎn)的三相混合式步進電動機，其步距角可以通過撥碼開關(guān)設(shè)置，最大1.8°，最小0.036°，有八個檔位，兼容了五相混合式和兩相混合式步進電動機的步距角。交流伺服電機的精度控制通過電機軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證，以松下伺服電機為例，對帶標準2500線編碼器的電動機而言，因其驅(qū)動器內(nèi)部采用四倍頻技術(shù)，它的脈沖當量是360°/10000即0.036°。對帶17位編碼器的電動機而言，驅(qū)動器每接收217=131072個脈沖電機轉(zhuǎn)動一圈即其脈沖當量為360°/131072=9.89S。是混合式兩相步進電機的脈沖當量的1/665。
頻矩特性的不同：
步進電動機輸出力矩伴隨著轉(zhuǎn)速的升高而下降，而且在高轉(zhuǎn)速時會急劇下降。因此其最高的工作轉(zhuǎn)速一般是300~600RPM。而交流伺服電機是恒力矩輸出，就是在其額定轉(zhuǎn)速內(nèi)都能輸出一個穩(wěn)定的力矩，其轉(zhuǎn)速一般為2000或3000，超出額定轉(zhuǎn)速則為恒功率輸出。
低頻特性的不同：
步進電動機在低速運行時容易出現(xiàn)低頻震動的現(xiàn)象。震動頻率和負載情況及驅(qū)動器的性能有關(guān)，一般認為震動頻率是電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電動機工作原理決定的低頻振動現(xiàn)象對機器的正常使用很不利，當電機在低速運行狀態(tài)下一般采用阻尼技術(shù)來克服這種現(xiàn)象，比如加上阻尼器，或者采用驅(qū)動細分技術(shù)等。而交流伺服電機的運轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)，即使低速狀態(tài)下也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象，因交流伺服系統(tǒng)具共振抑制功能，可以涵蓋機械的剛性不足，而且系統(tǒng)的內(nèi)部具有頻率解析機能，能夠檢測出機械共振點，以便于系統(tǒng)調(diào)整。
速度響應性能不同
步進電動機從靜止加速到工作速度需要200~400ms，而交流伺服電機以松下MSMA400W電機為例，從靜止加速到額定轉(zhuǎn)速僅需幾毫秒。可以用于要求快速停啟的控制場合。步進電機是將脈沖串信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蛘呔€位移的開環(huán)控制執(zhí)行元件，在非超載情況下，電機的轉(zhuǎn)速和位置只取決于脈沖信號和頻率，不受負載變化的影響。當驅(qū)動器接收到一個脈沖串信號，它就驅(qū)動步進電動機按照設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個角度，稱之為步距角。步進電動機是一種感應電機，利用電子電路將直流電變?yōu)榉謺r供電，多項時序控制電流，使用這種電流為步進電機供電，步進電動機才能正常工作，步進電機驅(qū)動器就是起到這個分時供電的作用，是多項時序控制器。
綜上所述，交流伺服系統(tǒng)雖然在很多性能方面都優(yōu)于步進電機，但是在一些要求不高的場合，選擇步進電機作為執(zhí)行電機是一種性價比最高的方案，在控制系統(tǒng)的設(shè)計中要綜合考慮成本、控制要求及多方面的因素。我選擇步進電動機。輕便的桌面級激光雕刻機，一般用42部件電機就夠了，電流1A就的電機足夠。最終選擇17HS3401-1704A作為本方案的執(zhí)行電機
表4-3-1 電機參數(shù)
17HS3401-1704A
高度
重量
扭矩
電流
軸徑
軸長
34mm
420g
0.3N*m
0.3A
5mm
23mm
通過查閱電機選取手冊可知，該電機符合設(shè)計要求
4.4 聯(lián)軸器的選擇
聯(lián)軸器屬機械通用零部件范疇，用以連接不同機構(gòu)中的兩根軸，是使之共同旋轉(zhuǎn)以此傳遞扭矩的機械零部件。在高速重載的傳動中，有些聯(lián)軸器還具有減震、緩沖的作用和提高軸系動態(tài)性能的作用。聯(lián)軸器是兩半部分組成，分別和主動軸、從動軸聯(lián)結(jié)，一般的動力機大多數(shù)都借助聯(lián)軸器和工作機進行聯(lián)接，是機械產(chǎn)品的軸系當中最常用的一種連接部件。常用常見的聯(lián)軸器有：齒式聯(lián)軸器，滑塊聯(lián)軸器，萬向聯(lián)軸器，梅花聯(lián)軸器，安全聯(lián)軸器，膜片聯(lián)軸器，彈性聯(lián)軸器，鼓形齒式聯(lián)軸器及彈簧蛇形聯(lián)軸器。其中常用的精密聯(lián)軸器有：剛性聯(lián)軸器，彈性聯(lián)軸器，梅花聯(lián)軸器，膜片聯(lián)軸器，滑塊聯(lián)軸器及波紋管聯(lián)軸器。在各種各樣的聯(lián)軸器中選取滿足機器性能的聯(lián)軸器，對大多數(shù)設(shè)計人員來說，一直是一個困擾的問，常用的幾種聯(lián)軸器各自的特點如下：
彈性聯(lián)軸器
一體成型的金屬彈性體，零回轉(zhuǎn)間隙，可以同步運轉(zhuǎn)，彈性作用可補償徑向、角向和軸向的偏差，具有高扭矩剛性和卓越的靈敏度，順時針和逆時針的回轉(zhuǎn)特性完全相同，有鋁合金和不銹鋼材料供以選擇，免維護，具有抗油和耐腐蝕性，固定方式主要是頂絲和夾緊兩種。一般該聯(lián)軸器用于旋轉(zhuǎn)編碼器，步進電機。
膜片聯(lián)軸器
高剛性、高轉(zhuǎn)矩、低慣性，大扭矩承載，高扭矩剛性和卓越的靈敏度。采用方形或環(huán)形不銹鋼片變形，零回轉(zhuǎn)間隙，逆時針與順時針的回轉(zhuǎn)特性相同，雙不銹鋼膜片可以補償軸向、徑向、角向的偏差，而單膜片不能補償徑向偏差。也具有抗油、耐腐蝕、免維護的優(yōu)良材料特性。一般該聯(lián)軸器用于伺服電機，步進電機。
梅花聯(lián)軸器
梅花聯(lián)軸器屬于緊湊型聯(lián)軸器，無齒隙，提供三種不同硬度彈性體，梅花彈性體常有四瓣、六瓣、八瓣和十瓣。聯(lián)軸器可以吸收振動，補償角向和徑向偏差，結(jié)構(gòu)簡單，便于檢查，方便維修?？褂图半姎饨^緣特性，工作溫度在20℃-60℃。固定方式主要有頂絲、夾緊、鍵槽固定三種。一般該聯(lián)軸器用于伺服電機，步進電機。
剛性聯(lián)軸器
剛性聯(lián)軸器重量輕，高靈敏度和超低慣性，主體材質(zhì)多為鋁合金和不銹鋼，因無法容許偏心，所以使用時應盡量使軸外露，固定方式有夾緊和頂絲固定。免維護，超強抗油和耐腐蝕性。一般該聯(lián)軸器用于伺服電機，步進電機。
滑塊聯(lián)軸器
滑塊聯(lián)軸器無齒隙的連接，用于小扭矩的測量，傳動結(jié)構(gòu)簡單，軸套和中間件之間的滑動能容許大徑向和角向的偏差，中間件的特殊凸點設(shè)計產(chǎn)生支撐作用，容許較大的角度偏差，不會產(chǎn)生彎曲力矩，可將軸心負荷降到最低。使用方便，易于安裝，節(jié)省安裝時間，尺寸范圍廣，轉(zhuǎn)動慣量小，方便目測檢查。適用于普通微型電機。
聯(lián)軸器的型號是由組別代號、品種代號、規(guī)格代號、型式代號組成。主要參數(shù)為公稱轉(zhuǎn)矩。根據(jù)選擇的電機軸徑和絲桿軸徑可知，D1軸徑為5mm，D2軸徑為8mm，額定扭矩應大于電機輸出扭矩0.3N*m，通過查閱機械設(shè)計手冊中聯(lián)軸器選取的相關(guān)表格可知，選擇彈性聯(lián)軸器較為合適，具體型號為LR-D-19*25作為此雕刻機的傳動連軸器合適。
5 硬件電路的設(shè)計
5.1 主控模塊的選擇
主控單元負責與計算通信和發(fā)出數(shù)據(jù)指令。一般的工業(yè)控制器常用的有單片機、PLC、FPGA等。PLC一般用于大型設(shè)備的控制，F(xiàn)PGA的各項性能突出，小巧靈活但是成本較高，從成本和空間大小考慮主控單元選擇以單片機為核心的嵌入式方案。
單片機全稱為單片微型計算機，單片微機的最大特點是集成度高、功能強、指令豐富、可根據(jù)實際需要進行設(shè)計、開發(fā)，并且成本低。近年來微機的發(fā)展速度驚人，8位機、16位機、32位機、64位機的發(fā)展層出不窮，特別是在人工智能和物聯(lián)網(wǎng)趨勢的影響下，從最初的51單片機的簡單功能已經(jīng)發(fā)展到如ARM單片機可以進行操作系統(tǒng)開發(fā)。單片機用得最多的一般是51單片機、AVR單片機和ARM單片機，開發(fā)語言一般采用C語言或者匯編語言。51單片機因其功能單一，運行速度較慢已經(jīng)逐漸退出市場。在51基礎(chǔ)上發(fā)展的AVR單片機增加了引腳功能，且取消分頻并采用精簡指令集，使得單片機的運行速率提高數(shù)倍，而以ARM為構(gòu)架為核心的單片機，工業(yè)常見的STM32為例，I/O口的功能更為豐富，運算速率更快，但是其寄存器也更多，且開發(fā)工作量大，對于功能不簡單的機器進行控制，采用ARM無疑是一種資源的浪費。AVR單片機的開發(fā)雖然較51復雜，但是目前較為流行的開源硬件開發(fā)平臺Arduino能很最大限度地減輕開發(fā)人員的工作量。
Arduino開發(fā)平臺具有非常多的優(yōu)點：
（1） 開放原始碼的電路圖設(shè)計，程序開發(fā)界面免費下載，也可以根據(jù)自己的要求修改；Arduino可以使用ISCP線上燒錄器，將Bootloader燒錄到新的IC芯片中；可根據(jù)官方的電路圖，簡化Arduino模組，完成獨立運作的微處理器控制。
（2） 可以非常簡便地與傳感器、各式各樣的電子元件連接（如紅外線、超聲波、伺服電機、熱敏電阻、光敏電阻等）；支持多樣的互動程序；使用低價格的微處理控制器；USB接口無需外接電源；可提供9VDC電源輸入以及多樣化的拓展模塊。
（3） 對芯片寄存器及單片機常用功能進行函數(shù)封裝，使用時可以直接調(diào)用Arduino庫函數(shù)，減少程序開發(fā)量，減輕工作量，提高工作效率。
Arduino的開源硬件的開發(fā)板種類很多，典型常見的有Arduino UNO、Arduino Yun、
Arduino Due、Arduino Mega2560、Arduino Leonardo、Arduino Nano等。是基于開放原始代碼的Simple I/O平臺，并且具有使用類似Java、c/c++語言的開發(fā)環(huán)境，可以快速使用Arduino語言與Flash或Processing軟件，實現(xiàn)各種創(chuàng)新的作品。本方案從成本、體積、資源利用等角度考慮，決定選用Arduino Nano開發(fā)板作為主控單元。
圖5-1-1 Arduino Nano實物圖
Arduino Nano是一款小巧、全面、基于ATmega328（PQFP封裝）的開發(fā)板，沒有DC電源插座，采用Mini-B USB電纜。NANO上的14個數(shù)字引腳都可以用作輸入或者輸出，利用pinMode（）、digitalWrite（）、digitalRead（）函數(shù)可以對它們進行操作。工作電壓為5V，每個引腳都可以接受或者提供最高40mA的電流，每個模擬輸入都有一個20~50KΩ的內(nèi)部上拉電阻（默認情況下斷開）。NANO有8個模擬輸入口，每個模擬輸入都提供10位的分辨率（既1024個不同的數(shù)值）。默認情況下它們的電壓為0~5V，可以利用analogReference（）函數(shù)改變其范圍的上限值，模擬引腳6和7不能用作數(shù)字引腳。
表5-1-1 Arduino NANO技術(shù)參數(shù)
微控制器
ATmega328P
工作電壓
5V
Flash Memory（閃存）
32KB（其中0.5KB用于系統(tǒng)引導）
SRAM
2KB（ATmega328P）
EEPROM
1KB（ATmega328P）
輸入/輸出引腳直流電流
40mA
輸入電壓
7—12V
模擬輸入引腳個數(shù)
8個
數(shù)字輸出引腳個數(shù)
22個（其中6個可做PWM引腳）
PWM引腳個數(shù)
6個
3.3V引腳電流
50mA
長
45mm
寬
18mm
重量
7g
時鐘頻率
16MHz
5.2 電機驅(qū)動模塊的選擇
選定的42步進電機的驅(qū)動電壓是12V,定電流為1.3A，電機才能正常工作，而控制器輸出信號電壓為5V，輸出電流最大40mA，很明顯單片機控制器不可能直接接在電機上進行控制，這時就需要電機驅(qū)動對電壓電流進行放大。電機驅(qū)動器本質(zhì)是一個功率放大器，其常用的驅(qū)動方式有恒流驅(qū)動、單極性驅(qū)動、雙極性驅(qū)動和微步驅(qū)動四種。因為其電路圖像字母H所以經(jīng)常又被稱作“H橋”。
常用步進電機驅(qū)動模塊有ULN2003、TB67S109、MTC2130、A4988、DRV8825、TB6612等。參考選擇的步進電機額定電壓12V和額定電流1.3A，選擇A4988作為步進電機電機驅(qū)動器。
圖5-2-1 A4988驅(qū)動模塊實物圖
A4988模塊體積小，價格低，是一款微步電機驅(qū)動器，有內(nèi)置轉(zhuǎn)換器，操作簡便。由于設(shè)計要求電機驅(qū)動帶有細分功能，而A4988可以設(shè)計控制在全步進、半步進、1/4步進、1/8步進、1/16步進操作模式下的雙極性步進電機，其負載電源電壓為最高可達35V，最大輸出電流為±2A，可以滿足已選電機的驅(qū)動條件。
圖5-2-2 A4988典型電路應用
A4988芯片有一個固定的關(guān)斷時間電流調(diào)節(jié)器，能夠在慢速或混合衰減模式下工作。