XX大学xx学院
xx届 毕 业 设 计 (论 文)
简易三维雕刻机电控系统设计与分析
摘 要
本论文首先介绍数控雕刻机行业发展状况以及未来发展趋势，根据机电一体化设计原理、方法和原则自行设计了龙门式雕刻机，随后按照时间逻辑分别在雕刻机执行机构设计，控制电路原理设计，手控电路原理设计，PCB设计，并口线定义和使用以及CNC控制原理作了详细的分析和论证。其中执行机构设计结合其机构部分与步进电机矩频曲线图选定了合适的两相混合式步进电机。步进控制系统设计基于市场上常见的驱动芯片TB6560AHQ与A3997SED，设计步进电机驱动电路图与PCB板。自行设计了雕刻机手控逻辑板，实现机构部分的手动控制，方便对刀和测试等调整工作。雕刻机使用MACH3软件实现计算机直接运动控制，运动控制信号通过接口电路和步进驱动电路，实现雕刻机CNC直接数控，实际样机在行程范围内（350毫米*300毫米*150毫米），雕刻机能够实现0.1毫米的定位精度和重复精度，并实际完成了若干复杂浮雕或刻字等实际测试，加工对象可以为尼龙、硬木、塑料等。
关键字：雕刻机； 混合式步进电机； TB6560AHQ； PCB； MACH 3
ABSTRACT
This paper introduces CNC engraving machine industry development situation and the future trend of development firstly. Gantry carving machine was self-designed according to the mechanical and electrical integration design principle, methods and principles. Then,mechanism design was executed in carving machine separately in accordance with the time logic. Include control circuit principle design, manual control circuit principle design, PCB design. Parallel lines define and use and CNC control principle were Analysed and verified in detail. The suitable two phase hybrid step motor was selected combined its institutions part with step motor torque frequency curve. Step motor driver circuit diagram and PCB are designed based on the common drive chip TB6560AHQ and A3977SED on market. The carving machine manual control logic board realized the manual control of Institutions part. It is convenient for tool setting and testing adjustment, etc. The MACH3 software of carving machine realized the computer direct motion control. According to the interface circuit and stepping driving circuit controlled signal through the motion CNC engraving machine direct numerical control and the actual prototype in travel range(350mm*300mm*150mm)is achieved. Position accuracy of 0.1 mm and repeat precision can achieve by this kind of gantry carving machine. Several complex anaglyphs and lettering actual tests are completed. Processing object can be for nylon, hardwood, plastic, etc.
Keywords：Engraving machine； Hybrid step motor； TB6560AHQ； PCB； MACH3
目 录
1 绪论 ............................................................ 1
1.1 雕刻机行业发展概况 .......................................... 1 1.2 雕刻机行业的特点 ............................................ 1 1.3 数控雕刻机的未来发展趋势 ................................... 1
2 简易型三维雕刻机控制原理分析及方案提出.................. 2
2.1 简易型三维雕刻机机构部分简介 .............................. 2 2.2 两相混合式步进电机的结构和控制原理 ....................... 4 2.2.1 步进电机的分类 ............................................ 4 2.2.2 两相混合式步进电机的结构特点 ............................ 4 2.2.3 两相混合式步进电机的控制原理 ............................ 5 2.2.4 步进电机驱动技术概述 ..................................... 6 2.3 控制原理...................................................... 7 2.3.1 控制系统 ................................................... 8 2.3.2 简易型三维雕刻机控制系统选择 ............................ 9
3 简易型三维雕刻机控制系统设计 ............................. 10
3.1 简易型三维雕刻机步进电机选择和分析 ...................... 10 3.2 简易型三维雕刻机伺服系统方案设计分析 .................... 11
3.2.1 基于A3997SED芯片的雕刻机控制系统 ..................... 12 3.2.2 基于TB6560芯片的雕刻机控制系统 ....................... 17 3.2.3 简易型三维雕刻机伺服系统最终方案 ...................... 22
4 简易型三维雕刻机手控逻辑电路设计 ........................ 24
4.1 逻辑电路的构成原理 ......................................... 24 4.2. 手控逻辑电路设计 .......................................... 25 4.2.1 手控逻辑电路设计图....................................... 25 4.2.2 手控逻辑电路分析与操作 .................................. 28 4.3 手控逻辑面板实物图 ......................................... 29
5 简易型三维雕刻机控制电路PCB板设计...................... 30
5.1 PCB板的发展和介绍 ......................................... 30 5.2 PCB设计原则与注意事项 ..................................... 31 5.2.1 一般遵循规则.............................................. 32 5.2.2 布线的规则 ................................................ 33 5.2.3 焊盘 ....................................................... 34 5.2.4 大面积填充 ................................................ 34 5.2.5 跨接线..................................................... 35 5.2.6 接地 ....................................................... 35 5.2.7 抗干扰..................................................... 36
5.3 PCB板图设计 ................................................ 38
6 并口线的定义和使用.......................................... 40
6.1 并口的定义 .................................................. 40 6.2 并口的分类 .................................................. 40 6.3 25针并口线的定义 ........................................... 41 6.4 并口在三维雕刻机轨迹控制系统中的应用 .................... 41 6.4.1 系统的组成 ................................................ 41 6.4.2 并口驱动程序的设计....................................... 42 6.4.3 系统应用程序开发 ......................................... 44
7 简易型三维雕刻机控制电路与计算机数据接口交换 ......... 44
7.1 数据交换..................................................... 44 7.2 电脑接口板的设计 ........................................... 46 7.3 接口电路的逻辑输出和接线方式 ............................. 49 7.3.1 电流的衰减调节、细分调节、电流的输出调节 ............. 49 7.3.2 驱动板额定工作时的数据输出 ............................. 50
8 论文总结与展望 ............................................. 51 参考文献 ........................................................ 53 附 录........................................................... 54 致 谢........................................................... 54
1 绪论
1.1 雕刻机行业发展概况
雕刻加工是一项饱含着人类高智能和高技能的工匠型劳动，但手工雕刻需要专业的技术人员，并且生产效率低，导致雕刻产品昂贵。传统的数控铣床、（CNC）加工中心虽然可以取代人工雕刻机来提高效率，但其加工铜、铝等软质材料时存在着加工表面光洁度低、加工效率低等缺点，而高速CNC加工中心虽然可以克服以上缺点但价格昂贵，一般的厂家难以接受。随着计算机数控（CNC）技术的发展，电脑雕刻机应运而生，和传统的CNC数控设备相比，有着转速高、加工软质材料效率高、表面光洁度高、性价比高等优点，故当代雕刻制造技术正经历着从手工雕刻向电脑雕刻的革命。[1]
雕刻机最早出现在欧美等发达国家中，主要应用于模具的生产。如美国“雕霸”、法国“嘉宝”和日本“御牧”，其设计和制造技术已相当成熟，品质也相当稳定。上世纪80年代，雕刻机开始进入我国市场，由于具有很大的实用性，逐渐被越来越多的行业所采用，从原来应用于文字标牌的雕刻加工逐渐发展到石墨电极、装饰、木工家具、轻工、电子、机械、礼品、模具等行业。经过二十几年的发展，国内出现了一些生产雕刻机的龙头企业，如北京“精雕”、上海“啄木鸟”、南京“威克”等。其中“精雕”是国内最早进入雕刻机生产行业的企业，该企业立足于产品精度的提高，其生产的雕刻机在精度保持上具有较大的竞争力。上海“啄木鸟”主要生产小型的广告雕刻机。南京“威克”是九十年代后才开始生产雕刻机的，但发展迅速，目前该公司所生产雕刻机的行程在国内是最大的，并且有不少型号的产品远销到欧美一些国家。
1.2 雕刻机行业的特点
近几年，中国的雕刻机市场发展史相当的迅速，从传统的手工雕刻到现在的机器雕刻，雕刻机给人们的生活带来了极大的变化。雕刻机之所以发展的如此迅速，是和其鲜明的特点是密不可分的，主要特点：雕刻机行业的投资少，见效快；雕刻机操作方便，简便易学；雕刻机加工的范围广，前景开阔。[2]
1.3 数控雕刻机的未来发展趋势
随着高速刀具技术以及CAD/CAM技术的迅速发展，数控雕刻机也向着高精度、
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高速度和高自动化的方向发展。目前，数控雕刻机已经在各种行业都有着广泛的应用，由于涉及到的行业呈现多样化，这就决定了数控雕刻机必须向多功能化的方向发展，只有这样才能永葆生命力，满足市场的需求。在要求低成本、雕刻品质好的前提下，高效、高可靠性也是其发展的一个重大的趋势。
在雕刻机控制器硬件平台方面，8/16位的微处理器的架构不支持如嵌入式Linux之类的操作系统，而且其计算速度和内存也不能满足现代化的要求。当前，32位高性能微处理器已逐渐成为雕刻机控制系统中的核心处理芯片，其中ARM以其低功耗、高性能、外围设备丰富和价格低等优势，已经在嵌入式系统应用领域中占主导地位。在雕刻加工技术方面，数字控制雕刻技术与图像建模技术等的结合，极大的简化了操作程序，提高了雕刻的工艺水平以及雕刻的效率，对数控雕刻机的雕刻品质和效率的追求依然是雕刻行业未来发展的重要目标。[3]
2 简易型三维雕刻机控制原理分析及方案提出
2.1 简易型三维雕刻机机构部分简介
雕刻机主要包括主轴和Z轴部件、X轴部件、Y轴部件和工作台几个部分，其装配效果图如图2-1所示（CATIA制图）。
图2-1 三维雕刻机整体效果图
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以计算最大主切削力FC，确定最大主轴转速Vmax和输出转矩，选定主轴电机为E240主轴，功率300W，转速3000-1200r/min，扭矩230N·M。如图2-2所示
图2-2 主轴电机实物图
根据X和Y方向的负载条件，选定滚珠丝杠幅为GD系列，同时进行校核，根据负载转矩选定步进电机型号分别为X轴57BYGHH93，Y轴为57BYGH112，Z轴为57BYGH78-401B，选择相应的轴承、联轴器、导轨、圆螺母、设计端盖等。
主轴部件：安装主轴电机、刀具的部件，实现机床的主轴主运动；
Z轴部件：安装部件电机，承载主轴的重量，实现主轴在Z方向抬刀和下刀； X轴部件：安装步进电机，承载Z轴和主轴重量，实现刀具在X轴方向的进给运动；
Y轴部件：安装步进电机，承载X、Z轴和主轴重量，实现刀具在Z轴方向的进给运动；
工作台：安装夹具，安放工件。
我们三维雕刻机的工作范围为X 300；Y 350；Z 150。
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2.2 两相混合式步进电机的结构和控制原理 2.2.1 步进电机的分类
步进电机可以分为三大类：
（1）反应式步进电机（Variable Reluctance，简称VR）
反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。他的结构简单，成本低，步距角可以做的很小。单动态性能较差。 （2）永磁式步进电机（Permanent Magnet，简称PM）
永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。它的输出转矩大，动态性能好。转子的极数与定子的极数相同，所以步距角一般较大。需要给正负脉冲信号。
（3）混合式步进电机（Hybrid，简称HB）
混合式步进电机综合了反应式步进电机和永磁式步进电机两者的优点，它的输出转矩大，动态性能好，步距角小，但结构复杂，成本较高。
混合式步进电机是一种十分流行的步进电机，他具有运行频率高、动态力矩大、波动小、运行平稳、低噪声、定位精度和分辨率高等优点，已广泛应用于诸如数控装置、机械手、商业机器、自动化仪器、印刷、服装加工和包装装备、军事设备等机电一体化设备中。混合式步进电机主要包括两类，两相式和无相式。其中两相式最为常见，除具有以上优点以外，它还具有明显的零电流定位转矩，所以应用广泛。[4]
2.2.2 两相混合式步进电机的结构特点
混合式步进电机由定子和转子两部分组成。最常见的定子有4个极或8个极，极面上均匀分布一定数量的小齿，极上的线圈可以两个方向通电，形成A相和A-相，B相和B-相。它的转子也由圆圈上均匀分布一定数量小齿的两片齿片组成，两片齿片中间夹有一个轴向充磁的环形永久磁钢。同一段转子片子上的所有齿都
[5]具有同向极性，而两块不通段的转子片间的极性相反。电机的轴向结构如图2-3
所示。转子被分为完全对称的两段，一段转子的磁力线沿定子表面穿过气隙回归到转子中去，称为S极转子。从轴向看，N极的转子和S极的转子的齿中心线并不一致，而是彼此错开了半个齿距。此外，N极与S极的转子构造完全相同。
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两相混合式步进电机的气隙磁动势有两种：一种是由永磁体产生的磁动势；另一种是由定子绕组产生的磁动势。在每一个具体的磁极下，这两种磁动势有时相加，有时相减，随交流绕组中通入的电流方向变化而变化。[6]按照特定的时序激励，电机就可以沿顺时针或逆时针连续转动。
图2-3 两相式混合步进电机轴向结构
2.2.3 两相混合式步进电机的控制原理
步进电机控制按供电方式的不同可分为两种：零电流和两项绕组供电方式。 零电流方式，电机各相绕组中没有电流是的情况。这是气隙的磁动势仅由转子上永磁体的磁动势决定。由于电机的轴向结构完全是对称的，所以各个定子磁极下的气隙磁动势将完全相等。若将每个磁极看成一个独立的定位电磁铁，则其定位转矩的幅值和气隙磁动势的平方成正比，其定位转矩的相位取决于该磁极中心线在空间的位置。[7]由于电机的径向对称性，电机零电流时的合成转矩为零。
两相绕组供电方式，有单四拍、双四拍、单双四拍等控制方式，图2-4、2-5、2-6分别表示单四拍、双四拍和单双四拍控制方式的转矩图。
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图2-4 单四拍控制方式转矩图
图2-5 双四拍控制方式转矩图
图2-6 单双四拍控制方式转矩图
单四拍控制方式下给两相混合式步进电机通电，则转子每拍进1/4个转子齿距，转矩恒定；双四拍控制方式，转子没拍也是进1/4个转子齿距，转矩也恒定，只是每一拍为两相绕组同时通电，产生合力矩，所以转矩的大小为单四拍时的倍；单双四拍控制方式包括了单四拍和双四拍两种控制方式，交互通电，8拍为一个循环，转子每拍进1/8个转子齿距，步距角减小为单四拍和双四拍的1/2，每拍产生的转矩大小也不等，双拍为单拍的倍。[8]
2.2.4 步进电机驱动技术概述
步进电机的工作必须使用专用设备—步进电机驱动器。驱动器对应每一个步进脉冲，按一定的规律向电机各相绕组通电(励磁)，以产生必要的转矩，驱动转
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子运动。步进电机、驱动器和控制器构成了不可分割的三大部分。[9]步进电机驱动系统的性能除与电机自身的性能有关外，在很大程度上取决于驱动器的优劣。当电机和负载已经确定之后，整个驱动系统的性能就完全取决于驱动控制方法。
步进电机驱动方式的发展先后有单电压驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、调频调压驱动和细分驱动等。
(l)单电压驱动:主要特点是结构简单、成本低，通常在绕组回路中串接电阻，以改善电路的时间常数来提高电机的高频特性。缺点是串接电阻将产生大量的热，对驱动器的正常工作极其不利，尤其是在高频工作时更加严重，因而它只适用于小功率或对性能指标要求不高的步进电机驱动。
(2)高低压驱动:电机每相绕组导通时，首先施加高电压，使电流快速上升，当电流上升到额定值时， 将高电压切断，回路电流以低电压电源维持。这种方式由于电流波形得到了很大改善，电机的矩频特性较好，起动和运行频率得到了较大提高。但由于电机旋转反电势、相间互感等因素的影响易使电流波形 的顶部呈凹形，致使电机的输出转矩有所下降且需要双电源供电。
(3)斩波恒流驱动:为了弥补高低压驱动电路中电流波形的下凹，提高输出转矩，人们研制出斩波电路，采用斩波技术使绕组电流在额定值上下成锯齿形波动，流过绕组的有效电流相应增加，故电机的输出转矩增大，而且不需外接电阻，整个系统的功耗下降，效率较高，因而斩波恒流驱动应用相当广泛。
(4)调频调压驱动:特点是施加在电机绕组的电压随工作频率的变化作相应的改变，步进电机在低频时工作在低压状态，减少能量的注入，从而抑制振荡;在高频时工作在高压状态，使电机有足够的驱动力矩。因而系统效率、运行特性等都有了明显改善。
(5)细分驱动:它是将电机绕组中的电流细分，由常规的矩形波供电改为阶梯波供电。这样，绕组中的电流经过若干个阶梯上升到额定值，或以同样的方式从额定值下降。[9]
2.3 控制原理
针对三维雕刻机的加工特点，经过市场调研，提出一些雕刻机数控系统的性能要求。在充分论证的基础上，对雕刻机数控系统的硬件和软件进行总体的设计、规划，为后续的硬件和软件开发奠定基础。[10]
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2.3.1 控制系统
控制系统是指由控制主体、控制客体和控制媒体组成的具有自身目标和功能的管理系统。控制系统意味着通过它可以按照所希望的方式保持和改变机器、机
[11]构或其他设备内任何感兴趣或可变化的量。控制系统同时为了使控制对象达到
预定的理想状态而实施的。控制系统使被控制对象趋于某种需要的稳定状态。
控制系统有几种分类方法
（1）按控制原理的不同，自动控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统。 a、开环控制系统
在开环控制系统中，系统输出只受输入的控制，控制精度和抑制干扰的特性都比较差。开环控制系统中，基于按时序进行逻辑控制的称为顺序控制系统；由顺序控制装置、检测元件、执行机构和被控工业对象所组成。主要应用于机械、化工、物料装卸运输等过程的控制以及机械手和生产自动线。 b、闭环控制系统
闭环控制系统是建立在反馈原理基础之上的，利用输出量同期望值的偏差对系统进行控制，可获得比较好的控制性能。闭环控制系统又称反馈控制系统。
（2）按给定信号分类，自动控制系统可分为恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。 a、恒值控制系统
给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。如生产过程中的温度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。
b、随动控制系统
给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化。如跟随卫星的雷达天线系统。 a、程序控制系统
给定值按一定时间函数变化。如程控机床。
为了实现自动控制的基本任务，必须对系统在控制过程中表现出来的行为提出要求。对控制系统的基本要求，通常是通过系统对特定输入信号的响应来满足的。例如，用单位阶跃信号的过渡过程及稳态的一些特征值来表示。在确保稳定
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性的前提下，要求系 统的动态性能和稳态性能好，即： 动态过程平稳（稳定性）； 响应动作要快（快速性）； 跟踪值要准确（准确性）。
2.3.2 简易型三维雕刻机控制系统选择
根据我们的机构设计部分，结合实际情况我们选择控制系统为：步进式开环控制系统。
步进式开环控制系统是以步进电机为驱动元件的，其结构和控制原理简单，而且控制呈现全数字化。
图2-7为数控雕刻机步进式开环控制系统的工作原理图。驱动器接收来自控制器发出的进给脉冲信号，并把此信号转化为控制步进电机各定子绕组依次通、断电的信号，从而使步进电机运转。步进电机将进给脉冲转换成一个具有一定方向、大小和速度的机械角位移，从而带动雕刻机的移动。[12]
电源控制器 驱动器 步进电机 雕刻机
在雕刻加工的时候，控制器读取雕刻加工文件，用加减速控制算法和插补算法等特定的算法，将其中的路径信息转化为一系列驱动步进电机的进给脉冲信号，这些脉冲经过步进电机驱动器放大和细分后，分别控制X、Y、Z三轴的步进电机，从而控制雕刻机X、Y、Z三轴的走刀轨迹。与此同时，通过雕刻机上高速旋转的主轴带动按加工 材料配置的刀具高速旋转，对固定在工作台上的工件进行铣削，雕刻出相应的图案。其中，插补算法决定了雕刻加工的走刀路径，加减速控制算法决定了步进电机的运行速度，它们与雕刻加工的精度、表面质量和效率等有着密切的联系。[13]对于步进电机，必须有两个驱动信号来实现，一个是脉冲信号，一个是方向信号，控制步进电机的驱动就是要控制这两个信号的时间序列。发送脉冲的数量决定了刀具的移动距离，而发出脉冲的频率则决定了刀具的移动速度。
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图2-7步进式开环控制系统原理图
3 简易型三维雕刻机控制系统设计
3.1 简易型三维雕刻机步进电机选择和分析
根据机构设计和市场分析，我们采用的步进电机为：
（1）Y轴 采用57BYGH112型步进电机，该电机为两相4线式，相电压为4.8V，相电流为3A，最大静转矩为2.8N·M，重量1.8Kg。
由机构设计得出Y轴的启动扭矩为2.0748N·M，结合图3-1 57BYGH112型步进电机的矩频特性曲线，该电机的最大转矩为2.8N·M，此时的脉冲发射频率为0.01KHz，电机转速为1.5rpm；一般工作状态下该电机转矩为2.0N·M至2.3N·M之间，对应的脉冲频率为0.1-0.85KHz，转速为15rpm左右。该电机满足我们的Y轴机构设计要求。
图3-1 Y轴57BYGH112型步进电机矩频特性曲线
（2）X轴 采用57BYGHH93型步进电机，该电机为两相四线式，相电压为3.36V，相电流为2.8A，最大静扭矩为2.2N·M，重量为1.3Kg。
由机构设计得出的X轴启动扭矩为1.648N·M，结合图3-2 57BYGHH93型步进电机的矩频特性曲线，该电机的最大转矩为1.72N·M，此时的脉冲发射频率为0.01KHz，电机转速为1.5rpm；一般工作状态下该电机转矩为1.5N·M至 1.7N·M之间，对应的脉冲频率为0.1-0.85KHz，转速为15rpm左右。该电机满足我们的X轴机构设计要求。
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图3-2 X轴57BYGHH93型步进电机矩频特性曲线
（3）Z轴 采用57BYGH78-401A型步进电机，改电机为两相四线式，想电压为3.36V，相电流为2.0A，最大静扭矩为1.35N·M，重量为1.0Kg。
由机构设计得出的Z轴启动扭矩为1.3492N·M，结合图3-3 57BYGH78-401A型步进电机的矩频特性曲线，该电机的最大转矩为1.35N·M，此时的脉冲发射频率为0.01KHz，电机转速为1.5rpm；一般工作状态下该电机转矩为0.8N·M至1.0N·M之间，对应的脉冲频率为0.1-0.85KHz，转速为15rpm左右。该电机满足我们的Z轴机构设计要求。
图3-3 Z轴57BYGH78-401A型步进电机矩频特性曲线
3.2简易型三维雕刻机伺服系统方案设计分析
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3.2.1 基于A3997SED芯片的雕刻机控制系统
大多数微型步进电机驱动器都需要一些额外的控制线，通过D/A转换器为PWM电流调节器设置参考值意见通过输入完成电流极性控制等。许多改进型驱动器仍然需要一些输入来调整PWM电流控制模式使其工作在慢、快或混合衰减模式。这就需要系统的为处理器额外的负担8至12个需要依靠D/A变换处理的输入端，如果一个系统需要如此多的控制输入，而且其微处理器还要存储其需要实现控制的时序表，这就增加了系统的成本和复杂程度。[14]
A3997可以通过其特有的译码器来使这些功能实现简单化，如图3-4A3997内部结构图所示，其最简单的步进输入只需STEP（步进）与DIR（方向）2条输入线，输出由DMOS的双H桥完成。通过STEP简单的输入1个脉冲信号就可以使电机完成1次步进，省去了相序表、高频控制线及复杂的编程接口。这使其更适于应用在没有复杂的微处理器或微处理器负担过重的场合。同时A3977的内部电路可以自动地控制其PWM操作工作在快、慢及混合衰减模式。这不但降低了电机工作时产生的噪声，也同时省去了一些额外的控制线。
另外，其内部低输出阻抗的 N 沟道功率 DMOS 输出结构，可以使其输出达到2.5A，35V。这一结构的另一优点是，使它能完成同步整流功能。由于有同步整流功能，既降低了系统的功耗，又可以在应用时省去外加的SBD(肖特基二极管)。
A3977的休眠功能可以使系统在不工作时的功耗达到最低。休眠时芯片的大部分内部电路，如输出DMOS、比较器及电荷泵等都将停止工作。[15]从而在休眠模式时，包括电机驱动电流在内的总电流消耗在40μA以内。此外，内部保护电路还有利用磁滞实现热停车、低压关断及换流保护等功能。
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图3-4 A3997SED内部结构图
图3-5 A3997SED外形结构图
（1）芯片特点
额定输出为：±2．5A，35V。
低输出阻抗，电源端 0．45Ω，接收端 0．36Ω。 自动电流衰减检测，并选择混合、快和慢等电流衰减模式。 逻辑电平范围为：3．0～5．5V。 HOME 输出。
降低功耗的同步整流功能。
内部低压关断、热停车电路及环流保护。
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（2）引脚定义及说明
A3977有两种封装：一种是44引脚铜标塑封（后缀为ED，A3977SED），另一种是28引脚带散热衬垫的塑封（后缀为LP，A3977SLP）。[16]
表3-1 A3977SED引脚图
电荷泵CP1、CP2可以产生一个高于VBB的门电平，用来驱动DMOS源端的门。其实现方法是在CP1和CP2之间接一个0.22μF的陶瓷电容。同时VCP和VBB间也需要一个0.22μF的陶瓷电容作为一个蓄能器，用来操作DMOS的高端设备。
VREG是由系统内部产生，用于对DMOS端输出进行操作。VREG引脚须对地加一个0.22μF的电容。VREG是受内部的电平调节器控制的，发生故障时其输出是被禁止的。
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RC1和RC2引脚为内部PWM电路提供固定截止时间的。A3997的内部PWM控制电路是用一个脉冲来控制器件的截止时间的。而这个脉冲的截止时间toff就是RC1和RC2引脚对地所接电阻RT和电容CT决定的，即：
toff=RT·CT
式中，电阻RT和电容CT的取值范围分别为12至100KΩ及470至1500pF。
另外，除了可以为内部PWM控制提供截止时间外，CT还为比较器提供了关断时间tBLANK。A3977的设计要求当其输出由内部电流控制电路切换时，电路取样比较器的输出是被禁止的。从而可以防止对过电流检测做出误判断。tBLANK的取值为：tBLANK＝1400CT
ENABLE输入为低电平有效，它是DMOS输出的使能控制信号。RESET输入也是低电平有效，当其为低电平时，DMOS的输出将被关断，所有的步进逻辑输入也将被忽略直至其输入变高为止。[17] （3）基本功能说明
由于采用了内置译码器技术，A3977可以很容易的使用最少的控制线对步进电机实施微步进控制。具体功能实现如下：
a、步进控制：步进控制信号有步进输入（STEP）、步进模式、逻辑输入（MS1，MS2）以及方向控制信号（DIR）。每一次上电或复位（RESET＝0）后，在内置译码器的作用下将H桥的输出预置到HOME输入所对应的输出状态，然后当STEP输入的上升沿到来后，内置译码器将根据步进逻辑的输入值（步进模式见图3-7）控制H桥的输出，使电机在当前步进模式下产生1次步进。步进的方向由DIR的输入逻辑控制，其高、低电平分别控制双相电机正反转。
表3-2 逻辑控制图
b、内部PWM电流控制：每一个H桥都有一个有固定截止时间的PWM电流控
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制电路，以限制其负载电流在一个设计值。初始时，对角线上的一对源接收DMOS（一对上下桥臂）处于输出状态，电流流经电机绕组和SENCE脚所接的电流取样电阻（见图1）。当取样电阻上的压降等于D／A的输出电压时，电流取样比较器将PWM锁存器复位，从而关断源驱动器（上桥臂），进入慢衰减模式；或同时关断源接收驱动器（上下桥臂）进入快或混合衰减模式，使产生环流或电流回流至源端。该环流或回流将持续衰减到固定截止时间结束为止。然后，正确的输出桥臂被再次启动，电机绕组电流再次增加，整个PWM循环完成。其中，最大限流Imax是由取样电阻RS和电流取样比较器的输入电平VREF控制的：
Imax＝VREF／8RS 固定截止时间toff的计算如上所述。
c、电流衰减模式控制：A3977具有自动检测电流衰减及选择电流衰减模式功能，从而能给微步进提供最佳的正弦电流输出。电流衰减模式由PFD的输入进行控制，其输入电平的高低控制输出电流处于慢、快及混合衰减模式。如果PFD的输入电压高于0．6VDD，则选择慢衰减模式。如果PFD的输入电压低于0．21VDD，则选择快衰减模式。处于二者之间的PFD电平值将选择混合衰减模式。
其中混合衰减模式将一个PWM周期的固定截止时间分为快、慢两个衰减部分。当电流达到最大限流Imax后，系统将进入快衰减模式直至SENCE上的取样电压衰减至PFD的端电压VPFD。经过tFD的快衰减后，器件将切换至慢衰减模式直至固定截止时间结束。[18]
其中，器件工作在快衰减模式的时间tFD为：
tFD＝RTCrln（0．6VPFD／VPFD）
d、同步整流控制：同步整流控制是由SR的逻辑输入控制的。当SR输入为低电平时，同步整流功能将被启动。此期间，当检测到电流为零值时，可通过关闭同步整流功能来防止负载电流反向，从而防止了电机绕组反方向导通。而当SR输入为高电平时，同步整流将被禁止。
e、休眠模式：当SLEEP引脚输入为低电平时，器件将进入休眠模式，从而大大降低器件空闲的功耗。进入休眠模式后器件的大部分内部电路包括DMOS输出电路、调节器及电荷泵等都将停止工作。当其输入为高电平时，系统恢复到正常的操作状态并将器件的输出预置到HOME状态。[19]
（4）步进驱动电路功能说明（图3-6 步进驱动电路原理图）
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A3977SED主芯片通过外部电源供电，连接有时钟电路、复位电路、手控板电路以及I/O接口板电路。
时钟电路部分，主要用到了4N26光电耦合器，三个4N26并联接入键盘板的输入端，另一端接到主芯片的31脚。
图3-6 A3997SED步进驱动电路
复位电路部分，用到了74HC123双可再触发单稳态多谐振荡器，采用5V电源供电。当CLK时钟有输出时，REF输出正脉冲，A3977正常工作；当CLK时钟无输出时，CLK为高电平，REF为低电平，A3977进入半流状态。在主芯片上的26脚SR，当SR为低电平时，则启动整流功能，可以防止电流线圈的反向导通。[20]
A3977可以通过其特有的译码器来实现功能的简单化，其最简单的步进输入只需步进和方向两条输入线，输出由DOMS的双H桥来实现完成。同时，A3977的内部电路可以自动控制其PWM操作工作在快慢及混合衰减模式，这就降低了电机工作时产生的噪声，同时也省去了一些额外的控制线。
这种方案的设计可以实现PWM电流的控制、电流衰减模式控制、同步整流控制以及休眠模式的控制。选用的A3977芯片是一种专门用于双极型步进电机的微步进电机驱动集成电路，能很好的解决步进电机的驱动控制。[21]
3.2.2 基于TB6560芯片的雕刻机控制系统
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目前市场上几乎看不到超过2A额定电流的两相双极型步进电机驱动器芯片，因为大电流所产生的热量会给设备带来严重问题。[22]
东芝最新的TB6560AHQ步进电机驱动器芯片，通过采用BICD工艺将低电阻与高许可损耗封装相结合，使其与其它同类产品相比能够极大减少热量的产生，还能支持使用时钟输入控制的无微控制器应用环境下的微步驱动。 （1）特性
a、双全桥M0srET驱动 b、耐压40V
c、电流3.5A（峰值）
d、具有整步、1/2细分、1/8细分、1/16细分运行方式可供选择 e、内置温度保护及过流保护 f、采用HzIP25封装 g、外围电路简单
（2）管脚说明 （图3-7管脚图）
图3-7 管脚图
1、TQ2：自机力矩控制端，既可以选择工作电流，又可以在电机不转时做伴电流锁定功能 如表3-3 2、TQ1： 如表3-3
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表3-3 TQ选择
TQ2 L L H H
TQ1 L H L H
电流值 100% 75% 50% 20%
3、CLK输入脉冲 4、ENABLE：使能端 5、RESET：上电复位 6、地线
7、CSC：斩波频率控制端：C 1000PF，f=44KHz ；C=330PF，f=130KHz 8、VH：驱动电压小于40VDC 9、MH：电机绕组B相 10、地线
11、RB：B相电流检测端，须大于0.2Ω 0.2 Ω／IW=2.5A 0.22 Ω／lW=2.OA
0.3Ω／IW=I.5A 0.35Ω／1W=I.25A 0.47Ω／IW=IA 12、MB；电机绕组B相 13、MA；电机绕组A相
14、RA；A相电流检测端，须大于0.2Ω 0.2Ω／IW=2.5A 0.22Ω／IW=2.OA
0.3Ω／1w=1.5A 0.35Ω／IW=I.25A 0.47Ω／IW=IA 15、地线
16、MA-：电机绕组A相 17、空
18、VH驱动电压小于40VBC
19、TSD温度保护，芯片温度大于150℃自动断开所有输出 20、VCC：5V稳压电源 21：DIR正反转控制
22、M2细分数选择端 如表3-4 23、Ml细分数选择端 如表3-4
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表3-4 M1 M2选择
M2 0 0 1 1
M1 0 1 0 1
细分步 整步 1/2细分 1/16细分 1/8细分
24、PFD2：衰减方式控制端 表3-5 25、PFDI：衰减方式控制端 表3-5
表3-5 PFD选择模式
PFD2 0 0 1 1
PFD1 0 1 0 1
衰减模式 快衰减 25%快衰减 50%快衰减 慢衰减
轩波频率说明: 电容值：450P
慢衰减：2细分 轩波时间：40us 占空比(高-低)4—36 快衰减：16细分 轩波时间：40us 占空比(高-低)20-20 电容值：150P
慢衰减：2细分 轩波时间：15us 占空比(高-低):1.5—13.5 快衰减：16细分 轩波时间：15us 占空比(高-低)：7.5-7.5 （3）步进驱动电路功能说明 （图3-7步进驱动原理图）
驱动电路电源采用28V，电压范围为4.5至40V，提高驱动电压可增大电机在高频方位转矩的输出，电压选择要根据使用情况而定。VMB、VMA为步进电机驱动电源引脚，应该继而瓷片去耦电容和电解电容稳压。OUT_AP、OUT_AM、OUT_BP、OUT_BM引脚分别为电机2相输出接口，由于内部集成了续流二极管，这4个输 出口不用像东芝公司的8435驱动芯片那样外接二极管，从而极大地减小电路板的布线空间。NFA、NFB分别为电机A、B相最大驱动电路定义引脚，最大电流计算公式为Iout（A）=0.5（V）/Rnp（Ω），若预定义电机每相的最大驱动电路为2.5A，
20
去RNP=0.2Ω，则PGNDA、PGNDB、SGND分别为电机A、B相驱动引脚地和逻辑电源地。[23]
图3-6 TB6560AHQ原理图
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图3-7 TB6560步进驱动原理图
逻辑控制电路电源为5V，VDD为逻辑电源引脚，应接入去耦电容和旁路电容减小干扰噪声；MO、PROTECT为工作状态和过流保护指示灯；RESET为芯片复位脚，低电平有效；OSC所接电容的大小决定了斩波器频率，推荐100至1000pF，斩波频率为400至44KHz；M1、M2为细分设置引脚，外接拨码开关可设定不同的细分值，如整步、半步、1/8细分、1/16细分。由于步进电机在低频工作时，有振动大、噪声大的缺点，需要细分解决。[24]
3.2.3 简易型三维雕刻机伺服系统最终方案
由于实际情况和市场调查，我们采用TB6560作为控制电路的主芯片，具体实物图见图3-8，详细说明图见图3-9。
TB6560是目前主流芯片深得大众的喜爱，所以在目前市场占有率很高，我们在实际的生活中运用了很多。
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图3-8 TB6560实物板图
图3-9 实物说明图
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4 简易型三维雕刻机手控逻辑电路设计
4.1 逻辑电路的构成原理
逻辑电路是一种离散信号的传递和处理，以二进制为原理、实现数字信号逻辑运算和操作的电路。分组合逻辑电路和时序逻辑电路。前者由最基本的“与门”电路、“或门电路”和“非门”电路组成，其输出值仅依赖于其输入变量的当前值，与输入变量的过去值无关—即不具记忆和存储功能；后者也由上述基本逻辑门电路组成，但存在反馈回路—它的输出值不仅依赖于输入变量的当前值，也依赖于输入变量的过去值。由于只分高、低电平，抗干扰力强，精度和保密性佳。广泛应用于计算机、数字控制、通信、自动化和仪表等方面。最基本的有与电路、或电路和非电路。如图4-1逻辑电路
图4-1 简易逻辑电路
简单的逻辑电路通常是由门电路构成，也可以用三极管来制作，例如，一个NPN三极管的集电极和另一个NPN三极管的发射极连接，这就可以看作是一个简单的与门电路，即：当两个三极管的基极都接高电平的时候，电路导通，而只要有一个不接高电平，电路就不导通。
逻辑电路分为3类：非门，与门，或门。
24
非门：利用内部结构，使输入的电势变成相反的电势，高电势变低电势，低电势变高电势。
与门：利用内部结构，使输入两个高电势，输出高电势，不满足有两个高电势则输出低电势。
或门：利用内部结构，使输入至少一个输入高电势，输出高电势，不满足有两个低电势输出高电势。
4.2. 手控逻辑电路设计 4.2.1 手控逻辑电路设计图
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图4-2 数字逻辑芯片总装图
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图4-3 X、Y、Z轴手动控制逻辑板
4.2.2 手控逻辑电路分析与操作
在此原理图中，X、Y、Z三轴的控制原理是相同的。除了用到了上面所提到
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的74HC14与74HC125外，还用到了74HC4075，即三输入或门，当其三个输入端的电压都为低电压时，输出的电压才为低电压，否则就为高电压。输出端为低电频时，74HC125导通；输出端为高电频时，74HC125阻断。一端连接的是键盘板，另一端连接的是I/O接口板。在I/O接口板的线路中用到了74HC21元件，即四个四入与非门，两个74HC21串联后经过74HC14反向处理，连接电铃，六个极限开关中的任意一个为低电平时，电铃就会响，从而起到警示作用。 这款控制逻辑板有如下主要特点：
1.当雕刻机与电脑连机时，手控板会自动锁死，按键不会有动作。
2.当雕刻机与电脑断开连机时，手控板使能指示灯亮，表示手控板可以操作。 3.手控板移动三轴时，速度可以通过面板上旋钮调节。 4.X，Y，Z 三轴可以同时动作。
5.碰到6只限位开关中的任何一只，手控板会锁定，不允许继续移动，除非是反方向移动。同时会有声音报警。
6.与手控板连接的键盘板上有详细的指示LED，内容丰富，包括三轴的使能、方向、脉冲，及六只限位开关的状态LED显示。 7.将手控板拆开，接口板与驱动器仍能使用。
4.3 手控逻辑面板实物图
图4-4 实物图
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图4-5 手控板图
在键盘板设计中，主要用到了74HC08和74HC126两个控制元件。74HC08是双输入与门74HC126是六三态门，74HC08输出的电频经过74HC126，而74HC126属于高电频导通，低电频阻断。当74HC08输出高电频时，74HC126导通，导通后分别控制X、Y、Z三轴的脉冲及方向，每个脉冲和方向的线路上都串联一个LED灯，起指示作用。X、Y、Z三轴的限位线路分别连接到手控逻辑板上，通过限位按钮的作用来控制X、Y、Z三轴的运动位置，当超过了工作的行程的时候，限位LED灯就会亮，起到指示作用。
5 简易型三维雕刻机控制电路PCB板设计
5.1 PCB板的发展和介绍
通常意义上说的电路板指的是印刷电路板（PCB——Printed Circuit Board）。印刷电路板作为电子产品的核心角色，已经成为全部微电子制造业中最活跃最重要的部分。[25]
具体来说一块完整的电路板是由具有特定电气功能的元器件和连接这些元器件的铜箔、焊盘、过孔等导电图件组成。
电路板雕刻机具有广阔的市场，作为PCB板加工的关键设备之一，其性能的完善和提高势在必行，未来电路板雕刻机大致朝着以下几个方向发展：
1. 高速度、高精度、高可靠性 2. 系统集成化、柔性化程度高 3. 系统智能化程度高 4. 控制体系结构越来越开放
30
5. 市场个性化和敏捷性要求越来越高
5.2 PCB设计原则与注意事项
电路板设计的一般原则包括：电路板的选用、电路板尺寸、元件布局、布线、
焊盘、填充、跨接线等。
电路板一般用敷铜层压板制成，板层选用时要从电气性能、可靠性、加工工艺要求和经济指标等方面考虑。常用的敷铜层压板是敷铜酚醛纸质层压板、敷铜环氧纸质层压板、敷铜环氧玻璃布层压板、敷铜环氧酚醛玻璃布层压板、敷铜聚四氟乙烯玻璃布层压板和多层印刷电路 板用环氧玻璃布等。不同材料的层压板有不同的特点。环氧树脂与铜箔有极好的粘合力，因此铜箔的附着强度和工作温度较高，可以在260℃的熔锡中不起泡。环氧树脂浸过的玻璃布层压板受潮气的影响较小。超高频电路板最好是敷铜聚四氟乙烯玻璃布层压板。
在要求阻燃的电子设备上，还需要阻燃的电路板，这些电路板都是浸入了阻燃树脂的层压板。电路板的厚度应该根据电路板的功能、所装元件的重量、电路板插座的规格、电路板的外形尺寸和承受的机械负荷等来决定。
主要是应该保证足够的刚度和强度。
常见的电路板的厚度有 0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm
从成本、铜膜线长度、抗噪声能力考虑，电路板尺寸越小越好，但是板尺寸太小，则散热不良，且相邻的导线容易引起干扰。电路板的制作费用是和电路板的面积相关的，面积越大，造价越高。在设计具有机壳的电路板时，电路板的尺寸还受机箱外壳大小的限制，一定要在确定电路板尺寸前确定机壳大小，否则就无法确定电路板的尺寸。一般情况下，在禁止布线层中指定的布线范围就是电路板尺寸的大小。电路板的最佳形状是矩形，长宽比为3:2或4:3，当电路板的尺寸大于200mm×150mm时，应该考虑电路板的机械强度。总之，应该综合考虑利弊来确定电路板的尺寸。
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虽然Altium Designer 09能够自动布局，但是实际上电路板的布局几乎都是手工完成的。
5.2.1一般遵循规则
1 特殊元件的布局从以下几个方面考虑：
1）高频元件：高频元件之间的连线越短越好，设法减小连线的分布参数和相互之间的电磁干扰，易受干扰的元件不能离得太近。隶属于输入和隶属于输出的元件之间的距离应该尽可能大一些。
2）具有高电位差的元件：应该加大具有高电位差元件和连线之间的距离，以免出现意外短路时损坏元件。为了避免爬电现象的发生，一般要求2000V电位差之间的铜膜线距离应该大于2mm，若对于更高的电位差，距离还应该加大。带有高电压的器件，应该尽量布置在调试时手不易触及的地方。
3）重量太大的元件：此类元件应该有支架固定，而对于又大又重、发热量多的元件，不宜安装在电路板上。
4）发热与热敏元件：注意发热元件应该远离热敏元件。
5）可以调节的元件：对于电位器、可调电感线圈、可变电容、微动开关等可调元件的布局应该考虑整机的结构要求，若是机内调节，应该放在电路板上容易调节的地方，若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相对应。
6）电路板安装孔和支架孔：应该预留出电路板的安装孔和支架的安装孔，因为这些孔和孔附近是不能布线的。 2 普通布局
按照电路功能布局如果没有特殊要求，尽可能按照原理图的元件安排对元件进行布局，信号从左边进入、
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从右边输出，从上边输入、从下边输出。按照电路流程，安排各个功能电路单元的位置，使信号流通更加顺畅和保持方向一致。以每个功能电路为核心，围绕这个核心电路进行布局，元件安排应该均匀、整齐、紧凑，原则是减少和缩短各个元件之间的引线和连接。数字电路部分应该与模拟电路部分分开布局。 3 原件放置位置与电路板边缘距离
元件离电路板边缘的距离 所有元件均应该放置在离板边缘3mm以内的位置，或者至少距电路板边缘的距离等于板厚，这是由于在大批量生产中进行流水线插件和进行波峰焊时，要提供给导轨槽使用，同时也是防止由于外形加工引起电路板边缘破损，引起铜膜线断裂导致废品。如果电路板上元件过多，不得已要超出3mm时，可以在电路板边缘上加上3mm辅边，在辅边上开V形槽，在生产时用手掰开。 4 放置顺序
元件放置的顺序首先放置与结构紧密配合的固定位置的元件，如电源插座、指示灯、开关和连接插件等。再放置特殊元件，例如发热元件、变压器、集成电路等。最后放置小元件，例如电阻、电容、二极管等。
5.2.2布线的规则
1）线长：铜膜线应尽可能短，在高频电路中更应该如此。铜膜线的不拐弯处应为圆角或斜角，而直角或尖角在高频电路和布线密度高的情况下会影响电气性能。当双面板布线时，两面的导线应该相互垂直、斜交或弯曲走线，避免相互平行，以减少寄生电容。
2）线宽：铜膜线的宽度应以能满足电气特性要求而又便于生产为准则，它的最小值取决于流过它的电流，但 是一般不宜小于 0.2mm。只要板面积足够大，铜膜线宽度和间距最好选择 0.3mm。一般情况下，1~1.5mm 的线宽，允许流过 2A 的电流。例如地线和电源线最好选用大于 1mm 的线宽。在集成电路座焊盘之间走两根线时，焊盘直径为 50mil，线宽和线间距都是 10mil，当焊盘之间走一根线时，焊盘直径为 64mil，线宽和线间距都为 12mil。注意公制和英制之间的转换，100mil=2.54mm。
3）线间距：相邻铜膜线之间的间距应该满足电气安全要求，同时为了便于生产，间距应该越宽越好。最小间距至少能够承受所加电压的峰值。在布线密度
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低的情况下，间距应该尽可能的大。
4）屏蔽与接地：铜膜线的公共地线应该尽可能放在电路板的边缘部分。在电路板上应该尽可能多地保留铜箔做地线，这样可以使屏蔽能力增强。另外地线的形状最好作成环路或网格状。多层电路板由于采用内层做电源和地线专用层，因而可以起到更好的屏蔽作用效果。
5.2.3 焊盘
焊盘尺寸焊盘的内孔尺寸必须从元件引线直径和公差尺寸以及镀锡层厚度、孔径公差、孔金属化电镀层厚度等方面考虑，通常情况下以金属引脚直径加上0.2mm作为焊盘的内孔直径。例如，电阻的金属引脚直径为0.5mm，则焊盘孔直径为0.7mm，而焊盘外径应该为焊盘孔径加1.2mm，最小应该为焊盘孔径加1.0mm。当焊盘直径为1.5mm时，为了增加焊盘的抗剥离强度，可采用方形焊盘。对于孔直径小于0.4mm的焊盘，焊盘外径/焊盘孔直径=0.5～3。对于孔直径大于2mm的焊盘，焊盘外径/焊盘孔直径=1.5～2。
常用的焊盘尺寸 焊盘孔直径/mm
0.4 0.5 0.6 0.8 1.0 1.2 1.6 2.0 焊盘外径/mm
1.5 1.5 2.0 2.0 2.5 3.0 3.5 4 注意事项：
设计焊盘时的注意事项如下：
1）焊盘孔边缘到电路板边缘的距离要大于1mm，这样可以避免加工时导致焊盘缺损。
2）焊盘补泪滴，当与焊盘连接的铜膜线较细时，要将焊盘与铜膜线之间的连接设计成泪滴状，这样可以使焊盘不容易被剥离，而铜膜线与焊盘之间的连线不易断开。
3）相邻的焊盘要避免有锐角。
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5.2.4 大面积填充
电路板上的大面积填充的目的有两个，一个是散热，另一个是用屏蔽减少干扰，为避免焊接时产生的热使电路板产生的气体无处排放而使铜膜脱落，应该在大面积填充上开窗，后者使填充为网格状。使用敷铜也可以达到抗干扰的目的，而且敷铜可以自动绕过焊盘并可连接地线。
5.2.5 跨接线
在单面电路板的设计中，当有些铜膜无法连接时，通常的做法是使用跨接线，跨接线的长度应该选择如下几种：6mm、8mm和10mm。
5.2.6 接地
1、地线的共阻抗干扰 电路图上的地线表示电路中的零电位，并用作电路中其它各点的公共参考点，在实际电路中由于地线（铜膜线）阻抗的存在，必然会带来共阻抗干扰，因此在布线时，不能将具有地线符号的点随便连接在一起，这可能引起有害的耦合而影响电路的正常工作。
2、如何连接地线通常在一个电子系统中，地线分为系统地、机壳地（屏蔽地）、数字地（逻辑地）和模拟地等几种，在连接地线时应该注意以下几点：
1）正确选择单点接地与多点接地。在低频电路中，信号频率小于1MHz，布线和元件之间的电感可以忽略，而地线电路电阻上产生的压降对电路影响较大，所以应该采用单点接地法。当信号的频率大于10MHz时，地线电感的影响较大，所以宜采用就近接地的多点接地法。当信号频率在1～10MHz之间时，如果采用单点接地法，地线长度不应该超过波长的1/20，否则应该采用多点接地。
2）数字地和模拟地分开。电路板上既有数字电路，又有模拟电路，应该使它们尽量分开，而且地线不能混接，应分别与电源的地线端连接（最好电源端也分别连接）。要尽量加大线性电路的面积。一般数字电路的抗干扰能力强，TTL电路的噪声容限为0.4～0.6V，CMOS数字电路的噪声容限为电源电压的0.3～0.45倍，而模拟电路部分只要有微伏级的噪声，就足以使其工作不正常。所以两类电路应该分开布局和布线。
3）尽量加粗地线。若地线很细，接地电位会随电流的变化而变化，导致电子系统的信号受到干扰，特别是模拟电路部分，因此地线应该尽量宽，一般以大
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于3mm为宜。
4）将接地线构成闭环。当电路板上只有数字电路时，应该使地线形成环路，这样可以明显提高抗干扰能力，这是因为当电路板上有很多集成电路时，若地线很细，会引起较大的接地电位差，而环形地线可以减少接地电阻，从而减小接地电位差。
5）同一级电路的接地点应该尽可能靠近，并且本级电路的电源滤波电容也应该接在本级的接地点上。
6）总地线的接法。总地线必须严格按照高频、中频、低频的顺序一级地从弱电到强电连接。高频部分最好采用大面积包围式地线，以保证有好的屏
5.2.7 抗干扰
具有微处理器的电子系统，抗干扰和电磁兼容性是设计过程中必须考虑的问题，特别是对于时钟频率高、总线周期快的系统；含有大功率、大电流驱动电路的系统；含微弱模拟信号以及高精度A/D变换电路的系统。为增加系统抗电磁干扰能力应考虑采取以下措施：
1）选用时钟频率低的微处理器。只要控制器性能能够满足要求，时钟频率越低越好，低的时钟可以有效降低噪声和提高系统的抗干扰能力。由于方波中包含各种频率成分，其高频成分很容易成为噪声源，一般情况下，时钟频率3倍的高频噪声是最具危险性的。
2）减小信号传输中的畸变。当高速信号（信号频率高=上升沿和下降沿快的信号）在铜膜线上传输时，由于铜膜线电感和电容的影响，会使信号发生畸变，当畸变过大时，就会使系统工作不可靠。一般要求，信号在电路板上传输的铜膜线越短越好，过孔数目越少越好。典型值：长度不超过25cm，过孔数不超过2个。
3）减小信号间的交叉干扰。当一条信号线具有脉冲信号时，会对另一条具有高输入阻抗的弱信号线产生干扰，这时需要对弱信号线进行隔离，方法是加一个接地的轮廓线将弱信号包围起来，或者是增加线间距离，对于不同层面之间的干扰可以采用增加电源和地线层面的方法解决。
4）减小来自电源的噪声。电源在向系统提供能源的同时，也将其噪声加到所供电的系统中，系统中的复位、中断以及其它一些控制信号最易受外界噪声的
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干扰，所以，应该适当增加电容来滤掉这些来自电源的噪声。
5）注意电路板与元器件的高频特性。在高频情况下，电路板上的铜膜线、焊盘、过孔、电阻、电容、接插件的分布电感和电容不容忽略。由于这些分布电感 和电容的影响，当铜膜线的长度为信号或噪声波长的1/20时，就会产生天线效应，对内部产生电磁干扰，对外发射电磁波。一般情况下，过孔和焊盘会产生0.6pF的电容，一个集成电路的封装会产生2～6pF的电容，一个电路板的接插件会产生520mH的电感，而一个DIP-24插座有18nH的电感，这些电容和电感对低时钟频率的电路没有任何影响，而对于高时钟频率的电路必须给予注意。
6）元件布置要合理分区。元件在电路板上排列的位置要充分考虑抗电磁干扰问题。原则之一就是各个元件之间的铜膜线要尽量的短，在布局上，要把模拟电路、数字电路和产生大噪声的电路（继电器、大电流开关等）合理分开，使它们相互之间的信号耦合最小。
7）处理好地线。按照前面提到的单点接地或多点接地方式处理地线。将模拟地、数字地、大功率器件地分开连接，再汇聚到电源的接地点。电路板以外的引线要用屏蔽线，对于高频和数字信号，屏蔽电缆两端都要接地，低频模拟信号用的屏蔽线，一般采用单端接地。对噪声和干扰非常敏感的电路或高频噪声特别严重的电路应该用金属屏蔽罩屏蔽。
8）去耦电容。去耦电容以瓷片电容或多层陶瓷电容的高频特性较好。设计电路板时，每个集成电路的电源和地线之间都要加一个去耦电容。去耦电容有两个作用，一方面是本集成电路的储能电容，提供和吸收该集成电路开门和关门瞬间的充放电电能，另一方面，旁路掉该器件产生的高频噪声。数字电路中典型的去耦电容为0.1μF，这样的电容有5nH的分布电感，可以对10MHz以下的噪声有较好的去耦作用。一般情况下，选择0.01～0.1μF的电容都可以。
一般要求没10片左右的集成电路增加一个10μF的充放电电容。另外，在电源端、电路板的四角等位置应该跨接一个10～100μF的电容高频布线。
为了使高频电路板的设计更合理，抗干扰性能更好，在进行PCB设计时应从以下几个方面考虑：
1）合理选择层数。利用中间内层平面作为电源和地线层，可以起到屏蔽的作用，有效降低寄生电感、缩短信号线长度、降低信号间的交叉干扰，一般情况
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下，四层板比两层板的噪声低20dB。
2）走线方式。走线必须按照 45°角拐弯，这样可以减小高频信号的发射和相互之间的耦合。
3）走线长度。走线长度越短越好，两根线并行距离越短越好。 4）过孔数量。过孔数量越少越好。
5）层间布线方向。层间布线方向应该取垂直方向，就是顶层为水平方向，底层为垂直方向，这样可以减小信号间的干扰。
6）敷铜。增加接地的敷铜可以减小信号间的干扰。
7）包地。对重要的信号线进行包地处理，可以显著提高该信号的抗干扰能力，当然还可以对干扰源进行包地处理，使其不能干扰其它信号。
8）信号线。信号走线不能环路，需要按照菊花链方式布线。 9）去耦电容。在集成电路的电源端跨接去耦电容。
10）高频扼流。数字地、模拟地等连接公共地线时要接高频扼流器件，一般是中心孔穿有导线的高频铁氧体磁珠。
5.3 PCB板图设计
图5-1 A3997 PCB板图
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图5-2 A3997 PCB板图
图5-3 TB6560PCB板图
采用Altium Designer 09软件，对我们设计的电路进行PCB板设计。一般
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推荐使用自动布线+手动调整的方法，自动布线要求依次按照地线——电源线——时钟线——其它的顺序进行布线，在布线规则中设置布线优先级，0为最低级，100为最高级，共101种情况。在比较复杂的电路板中，考虑到电气特性的要求、干扰等因素，我们全部采用手动布线。禁止把过孔放在元器件的管脚上，在自动布线之前应该锁定已经布好的线。
6 并口线的定义和使用
6.1 并口的定义
并行接口：数据以并行方式传送，每次传送一个字节(8位)或字(16位)。特点：速度比串行口快的多(150K～ 2MB/s)；接口线多。
用途：PC机并行接口一般用于接打印机，早期也可用于接外置硬盘、光驱等。STB:低电平有效，用于主机对打印机的数据选通。AUTO LF:低电平有效，打印完后自动走纸换行。INIT:低电平有效，使打印机的控制器初始化信号，并同时清除打印缓冲区。SLCT IN:低电平有效，使打印机处于联机状态。ACK:低电平有效，表示打印机准备好，可以接收数据。BUSY:高电平有效，表示打印机处于忙状态。PE:高电平有效，表示打印机缺纸。SLCT:高电平有效，表示打印机为联机状态。ERROR:低电平有效，表示打印机出错，包括无纸、脱机以及错误状态。
6.2 并口的分类
目前,计算机中的并行接口主要作为打印机端口,接口使用的不再是36针接头而是25针D形接头。所谓“并行”是指8位数据同时通过并行线进行传送,这样数据传送速度大大提高。但并行传送的线路长度受到限制,因为长度增加,干扰就会增加,容易出错。
现在有五种常见的并口:4位、8位、半8位、EPP和ECP,大多数PC机配有4位或8位的并口,许多利用Intel386芯片组的便携机配有EPP口,支持全IEEE1284并口规格的计算机配有ECP并口。
标准并行口4位、8位、半8位：4位口一次只能输入4位数据，但可以输出8位数据；8位口可以一次输入和输出8位数据；半8位也可以。EPP口(增强并行口)：
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由Intel等公司开发，允许8位双向数据传送，可以连接各种非打印机设备，如扫描仪、LAN适配器、磁盘驱动器和CDROM驱动器等。ECP口(扩展并行口)：由Microsoft、HP公司开发,能支持命令周期、数据周期和多个逻辑设备寻址，在多任务环境下可以使用DMA(直接存储器访问)。
目前几乎所有的586机的主板都集成了并行口插座，标注为Paralle1或LPT1，是一个26针的双排针插座。
6.3 25针并口线的定义
25针并口线的定义见表3-1。
表6-1 25针并口线的定义
针脚 1 2 3 4 5 6 7 8 9
功能
选通端，低电平有效
数据通道0 数据通道1 数据通道2 数据通道3 数据通道4 数据通道5 数据道通6
数据通道7
针脚 10 11 12 13 14 15 16 17 18到25
功能
确认，低电平有效
忙 缺纸 选择
自动换行，低电平有效 错误，低电平有效 初始化，低电平有效 选择输入，低电平有效
地线
6.4 并口在三维雕刻机轨迹控制系统中的应用
轨迹控制，又称轮廓控制，主要应用于传统的数控系统、切割系统的运动轮廓控制，如气动标记机、铣床、切割机等。目前连续轨迹控制系统多采用单板机控制，其操作复杂、程序修改。随着市场全球化的发展，市场对适合中小批量加工、具有良好柔性和多功能的制造系统的需求已超过对大型单一功能的制造系统的需求。
6.4.1 系统的组成
通过计算机的控制，步进电机的脉冲、方向信号和刀具的控制信号经并口向下位机接口模块发送。下位机接口模块对信号进行抗干扰处理后，将脉冲和方向信号发送至步进电机驱动器，同时将控制信号发送至辅助设备。系统采用三轴控
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制。其中X、Y轴电机带动刀具在水平面运动，Z轴在竖直方向运动。三轴到位信号通过并口送回上位机，上位机捕获到位信号后及时动作。系统组成框图X、Y和Z轴到位信号的检测由接近开关完成。X轴到位信号的处理电路图如图6-1所示以X轴为例，图6-1中IN与接近开关的输出端连接，OUT与光耦的输入端连接。电机回原点时，接近开关的信号线为高电平，开关管的基极为高电平，开关管导通，其集电极被拉低为低电平，该低电平信号经阻容滤波后送至光耦输入端，光耦输入端与并口的状态端口的TTL电平标准，反相器输出端接上10K的上拉电阻。Y轴和Z轴类似。此外，下位机接口模块还包含电平转换电路，分别为步进电机驱动器、接近开关和反相器提+36 V、+12 V和+5 V电压。
图6-1 限位信号处理电路
6.4.2 并口驱动程序的设计
（1）并口的特性
并行接口，简称并口，又称LPT接口，是采用并行通信协议的扩展接口。一般用于连接打印机、扫描仪等外部设备。其工作模式包括标准并行口(SPP)模式、双向模式、增强型半行接口(EPP)模式、扩展并行接口(ECP)模式等。以标准SPP模式为例，它使用三个8位的端口寄存器，即数据寄存器、状态寄存器和控制寄存器。计算机就是通过对这些寄存器的读写操作访问并口。该系统的并口工作在双向模式下。 （2）驱动程序的实现
与Windows 9X环境不同，在Windows NT环境下，应用程序不能使用win 32 API函数直接操作端口，为此微软提出了一种全新的Windows驱动程序模型，即
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Windows Driver Model(WDM)。WDM旨在通过提供一种灵活的方式来简化驱动程序的开发，在实现对新硬件支持的基础上减少并降低所必须开发的驱动程序的数量和复杂性Ⅲ。它实现了模块化、分层次类型的驱动程序结构。本系统驱动的主要例程包括：DefaultPnpHander、DriverEntry、HandleRemoveDevice、HandleStartDevice、AddDevice、DeviceIOContrOl、DispatcRbutine、Pnp、Unload等部分。应用程序与底层硬件的通信可分解为应用程序与驱动程序的通信和驱动程序与底层硬件的通信。应用程序与驱动程序通信前必需先建立两者之间的联系，即应用程序获取驱动程序的设备句柄。驱动程序创建设备时，调用IoRegisterDeviceInterface(函数)为设备创建设备链接，该设备链接暴露给应用程序。应用程序通过设备链接获取设备信息，并调用win 32子系统中的CreatFileAPI。CreatFile函数调用Ntdll.d11库中的NtCreatFile函数。NtCreatFile穿过用户模式和内核模式之间的界面，到达内核模式，并调用同名的系统服务NtCreateFile。NtCreateFile系统服务通过I/O管理器创建请求包(IRP-MJ-CREAT)并传输至设备的驱动程序，驱动程序处理该IRP并返回。CreateFile调用成功后的返回值为设备句柄。在调用其Win32函数访问该设备时，只需将该句柄作为函数的设备名参数可实现对设备驱动程序的操作，即完成应用程序与驱动程序的通信。
应用程序获取设备句柄后，对端口的读写操作通过调用端口操作函数(DeviceIOContr01)实现。调用该函数前需用CTL-CODE宏定义来定义操作码(IOCTI)，定义时需指定操作模式，如定义采用缓冲区方式读端口的IOCTI。码为：#define IOCTL-READ-PORT CTL-CODE(FII.E-DEVICE-PARALI.EL-PORT，0X800，METHOD—BUFFERED，FII.E-ANY-ACCESS)为使Windows操作系统易于移植到不同的硬件平台的上，微软提出并使用了硬件抽象层(HAL)。设备驱动程序可直接调用硬件抽象层提供的函数实现对底层硬件的操作，通过修改抽象层程序可实现多硬件平台移植。如对于32位的x86系列CPU中的windows，驱动程序调用硬件抽象层的读端口函数(READ-PORT-UCHAR)和写端口函数(WRITE-PORT-UCHAR)可完成对端口数据的八位读写操作，即完成驱动程序与底层数据的通信。
处理过程为；应用程序调用DeviceIOcontrol函数后，相应控制码和请求同时传递给驱动程序。且I/O管理器会创建一个LRP-MJ-DEVICE-CONTROL类型的
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LRP，用户提供的输入缓冲区的内容被复制到内核模式中，其地址由IRP的AssociatedIrp，SystemBuffer子域记录。然后驱动程序会将创建的IRP转发至Devjcelocontrol派遣函数中；派遣函数读取IRP的内存地址，获得输入缓冲区数据及10cTL-READ-PORT操作码，并调用READ-PORT-UCHAR函数；READ-PORT二UCHAR函数从端口读取八位数据，并将该数据存放在LRP提供的内存地址中；在LRP返回时，这段内存地址的数据被复制到DeviceIOContr01提供的输出缓冲区中；应用程序获取缓冲区中的数据，端口完成读操作。其中，用户层与内核层之间的数据复制由操作系统完成。
6.4.3 系统应用程序开发
系统应用程序的开发采用模块化程序设计方法。即将整个软件逐步细分为树形结构。直至所有子过程都能用编程语言直接实现。函数之间的参数采用指针传递。整个并口驱动程序为子函数，供应用程序调用。轨迹控制系统的核心问题是如何控制刀具的运动。下位机接口模块虽为三轴设计。但设计软件时，Z轴并不参与插补。它主要用于镜床中的出刀和回刀操作。在应用于气动标记机系统时，将Z轴出刀位移设置为零即可实现两轴单平面运动。因此该轨迹控制主要针对平面曲线的运动轨迹。而平面曲线的轨迹需要两个坐标轴的协调运动才能形成。在两轴联动的数控机床中广泛应用逐点比较法。系统采用逐点比较法的直线插补方式。在步进电机驱动器高细分度的配合下，系统轮廓的加工精度能得到有效保证。
7 简易型三维雕刻机控制电路与计算机数据接口交换
7.1 数据交换
数据交换，Data Switching。在多个数据终端设备（DTE）之间，为任意两个终端设备建立数据通信临时互连通路的过程称为数据交换。
数据交换可以分为：电路交换、报文交换和分组交换。电路交换原理与电话交换原理基本相同。电路交换的缺点是电路的利用率低，双方在通信过程中的空闲时间，电路不能得到充分利用。报文交换的原理是当发送方的信息到达报文交换用的计算机时，先存放在外存储器中，待中央处理机分析报头，确定转发路由，并选到与此路由相应的输出电路上进行排队，等待输出。一旦电路空闲，立即将
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报文从外存储器取出后发出，这就提高了这条电路的利用率。报文交换虽然提高了电路的利用率，但报文经存储转发后会产生较大的时延。分组交换也是一种存储转发交换方式，但与报文交换不同，它是把报文划分为一定长度的分组，以分组为单位进行存储转发。这就不但具备了报文交换方式提高电路利用率的优点，同时克服了时延大的缺点。 1、电路交换
当用户之间要传输数据时，交换中心在用户之间建立一条暂时的数据电路。电路接通后，用户双方便可传输数据，并一直占用到传输完毕拆除电路为止。电路交换引入的时延很小，而且交换机对数据不加处理，因而适合传输实时性强和批量大的数据。 2、报文交换
一般都是利用计算机实现的。发信端用户首先把要发送的数据编成电文，连同收信地址等辅助数据一起发往本地交换中心，在那里把它们完整地存储起来并作适当处理。当本地交换中心的输出口有空时,就将电文转发到下一个交换中心，最后由收信端的交换中心将电文传递到用户。
电文交换的优点是：①传输可靠性高，它可以有效地采用差错校验和重发技术；②线路利用率高，它可以把多条低速电路集中成高速电路传输,并且可以使多个用户共享一个信道;③使用灵活,它可以进行代码变换、速率变换等预处理工作，因而它能在类型、速率、规程不同的终端之间传输数据。但是，报文交换不适合于会话型和实时性要求较高的业务。一般报文交换要按传输数据的重要和紧迫程度，分成不同的优先等级加以传输。 3、分组交换
把数据分割成若干个长度较短（一般不超过 128个字符）的分组，每个分组内除数据信息外还包括控制信息，它们在交换机内作为一个整体进行交换。每个分组在交换网内的传输路径可以不同。分组交换也采用存储转发技术，并进行差错检验、重发、返送响应等操作，最后收信端把接收的全部分组按顺序重新组合成数据。
与电文交换相比，分组交换的优点是：
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①在电文交换中，总的传输时延是每个结点上接收与转发整个电文时延的总和，而在分组交换中，某个分组发送给一个结点后，就可以接着发送下一个分组，这样总的时延就减小；
②每个结点所需要的缓存器容量减小，这有利于提高结点存储资源的利用率； ③传输有差错时，只要重发一个或若干个分组，不必重发整个电文，这样可以提高传输效率。分组交换的缺点是每个分组要附加一些控制信息，这会使传输效率降低，尤以长电文为甚。一般分组交换提供虚电路和数据报两种基本业务。 基本分类
虚电路：在数据交换之前，按收信端全网路地址确定路径和逻辑信道，并将各段逻辑信道连接起来构成一条虚电路。虚电路不同于实体电路。实体电路一旦建立就占用此电路，而不管是否传输数据。但虚电路仅在传输数据时才占用，即仅是动态地使用实体电路，数据分组沿着所建立的虚电路传输，其接收顺序和发送顺序是相同的。数据传输结束后就拆除这条虚电路。这种虚电路称为交换虚电路（SVC）。如果在特定的用户之间永久地建立虚电路，那就没有建立和拆除虚电路的过程，而只有数据传输的过程。这种虚电路称为永久性虚电路(PVC)。虚电路方式比较适合于通信时间较长的交互式会话操作。国际电报电话咨询委员会(CCITT)建议把它作为分组交换公用数据网的基本业务方式。
数据报：要求每个数据分组均带有发信端和收信端的全网络地址，结点交换机对每一分组确定传输路径，各个分组在网中可以沿不同的路径传输，这样分组的接收顺序和发送顺序可能不同。收信端必须对接收的分组进行顺序化，才能恢复成原来的电文。数据报方式比较适合于传输只包含单个分组的短电文，如状态信息、控制信息等。
7.2 电脑接口板的设计
目前，计算机中的并行接口主要用作打印机接口，接口使用的不再是36针接头，而是25针D形接头。为了能够直接的和电脑主机后部的接口直接相连接，便于数据的传送，在电脑接口板设计中，我们选用的是25针D形接头，只要将控制箱上I/0接口通过数据线与电脑的并口连接就可以传送数据。在此，输入的数据通过并行线路传送，8位数据可以同时通过并行接线位，因此，传送的速度会大大得到很大的提高。下面具体介绍下设计接口板的过程，下图就是我们
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在本次设计中雕刻机连接电脑接口板的设计原理图。
图7-1 电脑接口板
图7-2 逻辑控制
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图7-3 逻辑电路
图7-4 PC口接口说明
其中，P10端直接与手控逻辑板相连，起到安全急停的作用。P15、P11、
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P12分别控制X轴、Y轴、Z轴三个方向的限位，与一个与门相连接后再分别输出，各自的输出端口通过P10连接到手控板上。在X、Y、Z三轴的步进驱动中使用了两个关键的元器件74HC14和74HC125，HC14是COMS型带施密特整形的反门，六触发反向器，可以改变输入波的波形，74HC125芯片是四个三态门，主要是控制输入信号，以达到对步进驱动的控制，信号通过各个端口接入后，首先经过74HC14对输入信号的波形进行转换，再通过74HC125的信号处理后输送到各自的驱动器。在P7、P8、P9端与50针的接头J1相连，最终连接到雕刻机上。
接口板并口针各个引脚定义如表7-1。
表7-1 DB25引脚定义
DB25控制引脚（PIN）
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18-25
注释 主轴控制 X(第一轴)脉冲信号 X(第一轴)方向信号 Y(第二轴)脉冲信号 Y(第二轴) 方向信号 Z(第三轴) 脉冲信号 Z(第三轴) 方向信号 A(第四轴) 脉冲信号 A(第四轴) 方向信号
急停 Y限位 Z限位 对刀 使能 X限位 B(第五轴) 脉冲信号 B(第五轴) 方向信号
接地
7.3 接口电路的逻辑输出和接线方式
7.3.1 电流的衰减调节、细分调节、电流的输出调节
电流的衰减调节主要有SW5、SW6完成，它可以分为低、慢、中、快四个模式。细分调节由SW3、SW4控制，有整部、半步、8细分、16细分。电流的设置
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有四个档，分别为0.8A、1.5A、2.2A、3A，由SW1和SW2两个开关调节。具体调节见表7-2。
表7-2 TB6560的逻辑调节
电流设置
电流 0.8A 1.5A 2.2A 3.0A
SW1 ON ON OFF OFF 衰减设置
模式 低 慢 中 快
SW5 OFF OFF ON ON 细分设置
细分 整步 半步 8细分 16细分
SW3 OFF OFF ON ON 引脚
名称 +24V，GND CLK+, CLK- CW+, CW-
定义 电源正，负 脉冲正，负 方向正，负
名称 EN+, EN- OUT1A,OUT1B OUT2A,OUT2B
定义 使能正，负 电机A相 电机B相 SW4 OFF ON ON OFF SW6 OFF ON OFF ON SW2 ON OFF ON OFF
7.3.2 驱动板额定工作时的数据输出
驱动板额定工作时的数据输出见表7-3。
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表7-3 驱动板额定工作时的数据输出 特性 电源电压 电源电压 电流 MO漏极电流 保护漏极电流 输入电压 工作温度 储藏温度
符号 VDD VMA/B IO (PEAK) I (MO) I (Protect) VIN Topr Tstg
数据 6 40 3.5 1 1 VDD −30 to 85 −55 to 150
单位 V V A mA mA V °C °C
8 论文总结与展望
数控雕刻机是现代电子控制技术与精密机械加工相结合的产物，是典型的机电一体化产品，已经在雕刻制作行业得到了广泛应用，市场竞争也日益激烈，对其核心竞争力的控制器开发成为了研究热点。只有成本低、雕刻品质好、功能强和效率高、易操作的控制器才能在激烈的市场竞争中占据优势。本文在这一要求下，将嵌入式技术的优势应用到数控雕刻机控制器的开发中，注重硬件电路的设计，结果表明，初步达到了设计要求，获得了较好的效果。
数控雕刻机是以步进电机为驱动机构的开环伺服系统，对它的控制主要包括轨迹和速度的控制，论文首先对此进行了研究。在传统的数字积分法直线插补的基础上进行了改进，使其易于调速。同时，将指数加减速和连续小线段速度规划方法相结合来进行雕刻速度的控制。从而不仅提高了雕刻效率、改善了表面质量，而且雕刻过程平滑、稳定。
为了更好地满足控制器的功能指标要求，采用嵌入式技术对控制器进行了设计和开发。硬件平台采用32位嵌入式微处理器TB6560架构，并对各个硬件电路部分进行了设计。采用嵌入式微处理器大大地简化了控制器硬件电路的设计，不仅降低了成本，提高了开发速度，而且使得硬件上兼具有高性能、灵活性和稳定性。
最后通过实际雕刻验证了本文的基于嵌入式技术开发的数控雕刻机控制器电路部分方案设计的有效性。不仅实现了系统的各种功能需求，而且满足了系统的快速开发、低成本、易扩展性和易维护性等非功能要求。
数控雕刻机近年来在国内得到较快的发展，竞争也日益激烈。为满足未来市场的需要，还可以从以下几方面进行研究和改进。
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首先就是高速高精度，数控雕刻机在模具行业具有很大的应用潜力，而速度和精度直接关系到模具加工的效率和质量，所以对速度和精度提出了更高的要求。由于雕刻加工路径复杂，为提高加工效率，实现高速加工中的连续小线段加工速度自适应加工路径将一直是数控雕刻追求的目标。现代雕刻制作业的多样化，要求数控雕刻机具有多种加工工序，这就要求控制器硬件的电路部分设计必须优化，必须向多功能化方向发展。
随着网络化的发展，雕刻机的基于网络的管理、远程控制、在线升级、远程视频监控和故障诊断等都将是未来发展的要求。可以开发两轴旋转联动系统，这样就可以加工圆柱体、圆锥体的工件，进而可以对圆弧面加工这一世界性难题进行研究。
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附 录
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致 谢
本论文是在指导教师的悉心指导下完成的。在毕业设计的过程中，老师给了我们很多指导和建议，着重培养了我们的实际动手操作能力，强调了理论与实践的结合运用，我想这对我们在今后的学习和工作中有很积极指导意义。老师渊博的知识，丰富的实践经验，为人师表的优良风范，给我留下了深刻的印象。值此论文完成之际，特向我的导师表示最崇高的敬意和最衷心的感谢！
与此同时，在论文设计的过程中，小组成员积极分工合作，共同探讨解决难点问题，我的论文能够圆满完成和他们的帮助也是密不可分的，在此我表示衷心的感谢！
感谢父母对我的辛勤养育和默默奉献，才使我得以顺利完成本科学业。感谢所有曾经给过我帮助和关心的人们！
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