跟着核算机技术的开展，雕刻机完结了从2D、2.5D到3D的加工革新，功用趋于完善、功用愈加安稳，然后在制造业、建材业和广告业等范畴得到了广泛使用。与此同时，跟着市场竞争的加重，国产一般雕刻机的价格也下降至万元以下，使得雕刻机生产厂不得不在下降生产本钱、尤其是下降操控体系本钱方面寻觅出路。以木匠雕琢机为例，在目前国内市场上，木匠雕琢机数控体系一般选用两种计划：一种是依据PC机的计划;另一种是依据DSP运动操控器的计划。
依据PC机计划的雕琢机是由核算机、操控卡、电机驱动器和机械主体等4部分组成，由PC机担任人机交互界面的办理和操控体系的实时监控，核算机装置有比如MACH3等的专用雕琢软件，使用专业软件进行图样规划，并经由核算机PCI总线接口，将规划与排版的信息传送至雕琢机操控卡中，再由操控卡将这些信息转化为能驱动步进电机或伺服电机的脉冲信号，操控x、y、z 3个坐标轴的走刀定位。此计划选用通用雕铣软件，使用PC机现有资源，雕琢机首要由电脑操控，是一种高效的CNC雕琢机体系计划。
依据DSP计划的雕琢机数控体系，其首要特点是选用DSP和单片机构成操控器，DSP完结对各坐标的运动操控，单片机办理人机界面，被称为手柄操控的雕琢机。图样规划生成的规范nc文件事前准备好，并保存在U盘上，经过USB等串行接口输入给数控体系，这是一种贱价高效的雕琢机数控体系计划。常用的专用DSP芯片有4轴运动操控芯片MCX314As和PCL6045B等，这些DSP具有强壮的硬件插补功用，使得在室外作业的雕琢机操作更快捷，一般木匠雕琢机和石材雕琢机均选用该操控体系。
不同的使用范畴，所要求的雕琢机的功用亦不相同，本文提出的雕琢机数控体系计划，直接使用SoC单片机来构成操控器，是一种选用单片机软件来完结插补运算的解决计划。
1 雕琢机操控体系的硬件原理框图
在Silicon Labs推出的8位嵌入式SoC单片机中，混合信号单片机C8051F120的速度最高，可达98 MI·s-1。为确保程序的全速运转，加速运算速度，C8051F120单片机除具有搬运地址高速缓存和指令预取引擎外，还需具有乘法和累加引擎MAC0，其能使单片机在两个体系时钟周期内，即可完结整数或小数的乘法和累加。该单片机具有高达128 kB的片上Flash存储器，8 kB片上外部RAM，可扩展64 kB片外RAM，在线编程，并供给非易失性数据存储，答应固件现场晋级。有64个I/O口，5个16位定时器，6路16位可编程计数阵列PCA，增强型的硬件串行接口SPI，SMBus和两个UART等，是真实独立的体系级芯片解决计划。
C8051F系列单片机集成度高，且具有交叉开关功用，其大部分对外引出脚，除Uart接口的两个信号Tx和Rx外，均可在规划电路板时，依据布板随意衔接，图1所示为依据C8051F120单片机的雕琢机数控体系硬件框图。
如图1所示，高速单片机C8051F120是整个数控体系的中心，人机界面由4×4矩阵式按键电路和五颜六色LCD显现模块组成。用户经过按键电路设置的加工参数，保存在单片机内部的非易失性Flash区。LCD显现器选用点阵式五颜六色智能模块，具有256种色彩，色彩格局为RGB332，并选用通用串行UART接口连到单片机，操作指令简略，且节省了单片机的接口线。
用户经过浮雕软件规划的雕琢图画，终究会在PC机上生成一个后缀为，nc的文本文件并存入U盘中，U盘接口模块的效果，便是经过SPI接口衔接到单片机，由单片机将加工文件读出后进行加工。带后背锂电池的RAM型号为DS1245W，容量为128 kB，其衔接到单片机的扩展并行接口，成为单片机的片外RAM，既是对读入的加工文件的有用缓存，也能在体系产生停电等毛病时，保存和回忆当时的加工进程，以便体系康复供电或排障后，能持续依照前面的断点完结加工。因为单片机的片外RAM地址只要16位，寻址空间最大为64 kB，需求用单片机的输出引脚来对其进行页切换，将SRAM的128 kB存储空间分红两页。
x、y、z轴的3个传感器，均选用由槽形光耦组成的限位电路，其特点是限位精度高，易于与单片机接口。对刀传感器选用微动开关，其效果是检测被雕琢资料的厚度。步进电机驱动器选用两相电流细分式驱动器，细分系数和输出电流，均可依据滚珠丝杠的负载巨细状况来设定，驱动器和单片机之间有光电阻隔电路，接口信号为方向信号Dir、走步脉冲信号Pul和有用挑选信号En。
2 空间直线的逐点比较插补算法
逐点比较法是国内数控机床中广泛选用的一种插补办法，其能完成直线、圆弧和非圆二次曲线的插补，插补精度较高。逐点比较法即每走一步，均要将加工点的瞬时坐标同规则的图形轨道相比较，判别其误差，然后决议下一步的走向，若加工点走到图形外，则下一步就要向图形内走。若加工点在图形内，则下一步要向图形外走。这样就能得出一个挨近规则图形的轨道，其最大误差不超越一个脉冲当量。在逐点比较法中，每进给一步，均需求进行误差判别、坐标进给、新误差核算和结束比较4个过程。关于一条二维平面直线，不管处于哪个象限，对其进行逐点比较法直线插补时，由以下3式核算
N=|xe-x0|+|ye-y0| (1)
Fx=F-|y|，当x≥0，走x后 (2)
Fy=F+|x|，当y0，走y后 (3)
其间，N代表总步数;F表明判别式;x，y表明坐标。
一般状况下，在雕琢图形的规划和生成阶段，首先要预置雕琢的精度参数，所以y轴的进给量一般较小，且每步固定，雕琢的精度要求越高，则y轴的进给量则越小，这也使得雕琢文件的行数大幅添加。z轴的最大行程，一般略大于被加工资料的厚度。在3个坐标中，x轴的运动量最大，其行程由被加工资料的幅宽决议。所以在进行空间直线插补时，是假定了该空间的x轴进给的步数最大。即要在以长轴为根底树立的两个平面坐标系内进行差补运算，才干插补出正确的空间直线轨道。因而，每读出一行雕琢加工的坐标数据，均要先行判别，找出步数最长的轴，再以其为相关轴来构建两个插补平面，这样才可将对空间直线的三维差补核算，转化成对二维平面的差补，其程序流程如图2所示。在一般状况下，木匠雕琢机一般为2.5D，以x、z轴的两维插补为主，即当y轴进给时，x、z轴中止;而当x、z联动时，y轴中止。
3 雕琢机数控体系软件规划
数控体系软件选用结构化、模块化的程序规划办法，由主程序、中止服务程序和功用子程序组成。主程序结构简略，首要完结对单片机体系及雕琢机各驱动轴的初始化，对键盘扫描并跳转到相应的功用模块中。中止服务程序首要包含步进电机变频驱动程序等。功用子程序首要包含LCD显现模块、参数设置模块、U盘文件读取模块、文本转化模块、步进电机走步程序、插补运算程序、对刀程序、复位程序以及毛病诊断程序等。
LCD显现模块首要包含：LCD初始化、调色板设置、字符距离设置、远景画图、布景画图、字符显现、区域填色和铲除、背光操控、波特率设置等程序。
U盘读取模块完结对U盘的读写，首要包含U盘检测、创立文件和目录、翻开文件、读文件、删去文件和目录、罗列目录下的文件名等程序。
步进电机走步程序选用T0中止，在中止中发送步进电机进给脉冲，调用插补运算程序，并依据启停变频的需求来改动T0时间常数等。插补运算程序作为子程序，被T0中止程序调用。
文本转化程序的效果是将U盘上的nc文件，转化成二进制数据。浮雕软件生成的雕琢文档，是规范的以ASI%&&&&&%码格局保存的数控加工文件，实际上便是一行行的坐标数据，只要将其经过命令行辨认，坐标行辨认，结束、换行和文件头尾的辨认，转化成二进制数据，并依照必定的数据结构，存放在单片机的片外RAM中，才可为单片机所用。
特别功用模块包含对刀程序和内置木匠机械加工程序，对刀程序用来检测被雕琢资料的厚度。其他工机械功用有纵向锯断、横向锯断、边际刨平、端面刨平、平面斜铣、端面斜铣和刨槽等。这些内置功用大幅简化了机器的操作，扩展了机器的使用范围。
4 结束语
依据嵌入式SoC单片机C8051F120的雕琢机数控体系，充分发挥了单片机的高集成度和高速度特性，使得操控体系的结构简化、本钱下降。经用户测验，雕琢精度为0.01 mm，达到了规划要求。该体系安稳牢靠，是一种贱价、高效、简洁的雕琢机数控体系解决计划，经过本计划的研讨，为中小用户供给了台式贱价的雕琢机，然后拓宽了现有雕琢机的用户群。
