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雕刻機（jī） STM32 數（shù）控係統的研究

2020-4-30 來源：北方民族大學作者：吳富民，海蓮，曹宇（yǔ）

摘要：GRBL 是一款基於 Arduino 的開源雕刻（kè）機控（kòng）製軟件語言，俗稱“數控（kòng） G 代碼”。GRBL 具（jù）有運（yùn）行效率高，成本低（dī），所占內存小，操作指（zhǐ）令簡單易懂等優點。因（yīn）此幾乎所有 DIY 雕刻機和自（zì）製（zhì） CNC 控製係統都會使用 GRBL 語言作（zuò）為基本的操作指令。STM32f103 作為最常見的（de） 32 位微處理器 , 它擁有 64k ROM，32kRAM。有足（zú）夠多的 GRBL 在 ARDUINO 上順利運行（háng），最初是在 32 KROM，2KRAM。實踐證明，以 STM32 為雕刻機主控係統較 Arduino 具有（yǒu）操作簡便、測試準確、性（xìng）價比高等特點（diǎn）。

關鍵詞（cí） ：雕刻機；STM32 微處（chù）理器；GRBL ；Arduino

0 引言

數控技術是數（shù）控機床控製係（xì）統中的關鍵 , 數控（kòng）機床的蓬勃發展（zhǎn）是國家實現工（gōng）業自動化（huà）的基礎。G 代碼作為現在最（zuì）常用的數控代碼，在數（shù）控機床控製係統的搭建和自動化生產線的建設中起著重要的作用。數控機床的控製係統在未（wèi）來（lái）的發（fā）展（zhǎn）趨勢是（shì）開源的及麵向大眾（zhòng）化、模式化、標準化的發展方向。對於數控機床控製係統未來發展趨勢是否開源式，相關研究學（xué）者都有著自己的看法。但總的來說可移植（zhí）性、互操作性、可擴展性、可互換（huàn）性是數控係（xì）統未來發展最基（jī）本的特征。基於 STM32 芯片的雕刻機（jī）數控係統使用 C 程序實現（xiàn）數控係統功能的全軟件式數控。

1 、數控係統（tǒng）背景

數控 GRBL 代碼解釋器是全軟件式數（shù）控係統的核心。現在幾乎所（suǒ）有的工廠中（zhōng）數控機床通常使用 G 代碼來控製機床對工件（jiàn）的加工（gōng），如工件加工時的走刀、溫控係統的（de）開啟、參考（kǎo）坐標係的選擇等。G 代碼能為控製係統能提供加工時需要的數據塊。G 代碼解釋（shì）器的開放性、可移植性、易讀性、高效性也是（shì）為什（shí）麽說 G 代碼能（néng）成為生產（chǎn）線自動化的基礎。

雕刻（kè）機控（kòng）製係統（tǒng）的核（hé）心（xīn）是實時性，因為整個（gè）控製係統需（xū）要實時操作硬件（即步進電機、光（guāng）源和散熱器）。在（zài）所有的 CNC 係統中使用的實時操作係（xì）統由操作係統 + 實時反饋信息係統（負（fù）反饋）組成。為了能夠實現開放（fàng）式 CNC 數控係統對雕刻（kè）圖形和雕刻速度等通用操（cāo）作（zuò）係統的（de）要求，滿足其實時性（xìng）要求。

我們小組詳細地（dì）討論了（le）雕刻機數（shù）控係統的總體架構；得出的結果是（shì）利用函數指針和 G 代碼關鍵（jiàn）字函（hán）數表來控製雕刻加工。這樣（yàng）很不僅解決了（le） G 代碼解釋器詞法解釋中（zhōng）的關鍵字分解問題而且（qiě）提高了係統整體的實時性和穩定性。除此之外我們還提出了按照功能對 G 代碼的指令進行分組，借鑒（jiàn）標準 G 代碼分組語（yǔ）法表來（lái）構建符合本係統的指令分組（zǔ）。這樣能為（wéi）數控 G 代碼的語法檢查中兩（liǎng）條（tiáo）或兩條（tiáo）以上指令（lìng）不能同時出現在同一條 G 代碼中（zhōng）提供了（le）有益（yì）的參考。

2、 G 代（dài）碼的特性

G 代碼處理語言不像 Arduino 語言（yán）那樣複雜也不像匯（huì）編語言那樣可讀（dú）性差，它的語（yǔ）言現象十分（fèn）簡單。考（kǎo）慮到（dào）控製係統的效率和實（shí）用性，本係（xì）統將詞法分析和語法分析結合在（zài）一（yī）起。提高（gāo）運行效率的同時完全不影（yǐng）響（xiǎng）係（xì）統的適用性。在實際操作中，證明了該方法的實用性、有效性和可擴展性。一般的 G 代碼表現形式為：[Nnnnn]Gnn[X[±]nnnn.[john][y],[+nnnn.[john][with][+nnnn.[][]W+NNNbrother.[john][i][+nnnn.[john]〔j[±〕nnnn.[john][k+][nnnn.[john][d[+nnnn.nnn][Tnnn][Snnn][Mnn][Fnnnn] ；雖（suī）然這個表達式沒有涵蓋 G 代碼的所有語言現象，但可（kě）以從表達式（shì）中得出（chū）以下結論。

（1）G 代碼的一般（bān）表達式為：關（guān）鍵字 + 數字 +( 空格 )+ 結束符（fú）；（2）G 代碼的關鍵字並不多 , 主要（yào）有 N,G,X,Y,Z,W,I,J, K,R,M,S,T,F 等 , 在實際（jì）的過程中 , 機床製造（zào）商和用戶可能對

關鍵字進行擴展；（3）不同的關鍵詞（cí）對應（yīng）的 G 代碼（mǎ）的語法分析和詞法分析有不同的要求。在實際控製係統中，預處理模塊（kuài）移除空白、注釋和小寫字母後，G 代碼可寫成：小寫關鍵字 + 數字。如x10 ；（x 正向移（yí）動 10）y-8;（y 反向移動 8） ……。在掃描每行 G代（dài）碼數據的過程中，讀（dú）取指令字符和對應的數值（zhí），字符的 ASCII值（zhí）對（duì）應 G 代（dài）碼關（guān）鍵字函數名在函數表中相應的位置（zhì），然後根據位置在 G 代碼關鍵字函數表中找到（dào）相應的處理函數。基於字符的ASCII 碼調用（yòng）相應的處（chù）理函數來處理一一對應的（de）指令，並將處（chù）理後的（de）字符的數值發送給控製係（xì）統實現對電（diàn）機的控製。在 32F2 中的（de） G1 處理讀取 G ；根據 G 代碼的 ASCII 值，可以在函數 G 代碼關鍵字的函（hán）數（shù）表中分析對（duì）應的函數；調用分析 G1 來處理 G1（如讀取值 1 並執行分組處理等），處理結束。

3 、結束語

基（jī）於雕刻機 STM32 數控係統的雕刻機控製係統未來發展一個十分具有前景（jǐng）的方（fāng）向，STM32F1 有豐富的軟硬件資源，具有很（hěn）大的靈活性。該係統就是利用了 32 單片機（jī）的軟硬件資源實現的，它采用 AD 繪圖硬件，利用了現代（dài）操作（zuò）係（xì）統的虛擬（nǐ）內存特性，可多任務同時運行特性以及 C 語言的可移植性（xìng）和強大的表達功能 ,實現（xiàn）了對 G 代碼各項功能進行詳細解釋，全部代碼（mǎ）用標準的（de） C語言寫成，具（jù）備良好的可讀性、可移植性、開放性（xìng）和跨平台特性（xìng）。盡（jìn）管該（gāi）係統是在上位機下實現的，但它仍然具有良好的模塊化特性，係統結構簡單易懂，實用（yòng）性（xìng）強，運行速度快、雕（diāo）刻效率高。

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