（文章來源：OFweek）

隨著計算機技術的發展，雕刻機完成了從2D、2.5D到3D的加工變革，功能趨于完善、性能更加穩定，從而在制造業、建材業和廣告業等領域得到了廣泛應用。與此同時，隨著市場競爭的加劇，國產普通雕刻機的價格也降低至萬元以下，使得雕刻機生產廠不得不在降低生產成本、尤其是降低控制系統成本方面尋找出路。以木工雕刻機為例，在目前國內市場上，木工雕刻機數控系統通常采用兩種方案：一種是基于PC機的方案;另一種是基于DSP運動控制器的方案。

不同的應用領域，所要求的雕刻機的性能亦不相同，本文提出的雕刻機數控系統方案，直接利用SoC單片機來構成控制器，是一種采用單片機軟件來完成插補運算的解決方案。C8051F系列單片機集成度高，且具有交叉開關功能，其大部分對外引出腳，除Uart接口的兩個信號Tx和Rx外，均可在設計電路板時，根據布板隨意連接，圖1所示為基于C8051F120單片機的雕刻機數控系統硬件框圖。

如圖1所示，高速單片機C8051F120是整個數控系統的中心，人機界面由4x4矩陣式按鍵電路和彩色LCD顯示模塊組成。用戶通過按鍵電路設置的加工參數，保存在單片機內部的非易失性Flash區。LCD顯示器選用點陣式彩色智能模塊，具有256種顏色，顏色格式為RGB332，并采用通用串行UART接口連到單片機，操作指令簡單，且節省了單片機的接口線。

x、y、z軸的3個傳感器，均采用由槽形光耦組成的限位電路，其特點是限位精度高，易于與單片機接口。對刀傳感器采用微動開關，其作用是檢測被雕刻材料的厚度。步進電機驅動器采用兩相電流細分式驅動器，細分系數和輸出電流，均可根據滾珠絲杠的負載大小情況來設定，驅動器和單片機之間有光電隔離電路，接口信號為方向信號Dir、走步脈沖信號Pul和有效選擇信號En。

逐點比較法是國內數控機床中廣泛采用的一種插補方法，其能實現直線、圓弧和非圓二次曲線的插補，插補精度較高。逐點比較法即每走一步，均要將加工點的瞬時坐標同規定的圖形軌跡相比較，判斷其偏差，然后決定下一步的走向，若加工點走到圖形外，則下一步就要向圖形內走。若加工點在圖形內，則下一步要向圖形外走。這樣就能得出一個接近規定圖形的軌跡，其最大偏差不超過一個脈沖當量。在逐點比較法中，每進給一步，均需要進行偏差判別、坐標進給、新偏差計算和終點比較4個步驟。

通常情況下，在雕刻圖形的設計和生成階段，首先要預置雕刻的精度參數，所以y軸的進給量一般較小，且每步固定，雕刻的精度要求越高，則y軸的進給量則越小，這也使得雕刻文件的行數大幅增加。z軸的最大行程，一般略大于被加工材料的厚度。在3個坐標中，x軸的運動量最大，其行程由被加工材料的幅寬決定。所以在進行空間直線插補時，是假定了該空間的x軸進給的步數最大。即要在以長軸為基礎建立的兩個平面坐標系內進行差補運算，才能插補出正確的空間直線軌跡。

數控系統軟件采用結構化、模塊化的程序設計方法，由主程序、中斷服務程序和功能子程序組成。主程序結構簡單，主要完成對單片機系統及雕刻機各驅動軸的初始化，對鍵盤掃描并跳轉到相應的功能模塊中。中斷服務程序主要包括步進電機變頻驅動程序等。功能子程序主要包括LCD顯示模塊、參數設置模塊、U盤文件讀取模塊、文本轉換模塊、步進電機走步程序、插補運算程序、對刀程序、復位程序以及故障診斷程序等。

文本轉換程序的作用是將U盤上的nc文件，轉換成二進制數據。浮雕軟件生成的雕刻文檔，是標準的以ASIIC碼格式保存的數控加工文件，實際上就是一行行的坐標數據，只有將其經過命令行識別，坐標行識別，結尾、換行和文件頭尾的識別，轉換成二進制數據，并按照一定的數據結構，存放在單片機的片外RAM中，才可為單片機所用。

特殊功能模塊包括對刀程序和內置木工機械加工程序，對刀程序用來檢測被雕刻材料的厚度。其他工機械功能有縱向鋸斷、橫向鋸斷、邊緣刨平、端面刨平、平面斜銑、端面斜銑和刨槽等。這些內置功能大幅簡化了機器的操作，擴展了機器的使用范圍。

基于嵌入式SoC單片機C8051F120的雕刻機數控系統，充分發揮了單片機的高集成度和高速度特性，使得控制系統的結構簡化、成本降低。經用戶測試，雕刻精度為0.01 mm，達到了設計要求。該系統穩定可靠，是一種低價、高效、簡便的雕刻機數控系統解決方案，通過本方案的研究，為中小用戶提供了臺式低價的雕刻機，從而拓寬了現有雕刻機的用戶群。
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