【花雕学编程】Arduino CNC 之用户输入控制的三轴运动

最新推荐文章于 2025-04-12 21:55:49 发布

驴友花雕

最新推荐文章于 2025-04-12 21:55:49 发布

阅读量1k

点赞数 22

分类专栏：开源硬件文章标签：嵌入式硬件单片机 c++ 用户输入控制的三轴运动 Arduino CNC

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/weixin_41659040/article/details/145328811

版权

开源硬件专栏收录该内容

1730 篇文章

订阅专栏

在这里插入图片描述

Arduino是一个开放源码的电子原型平台，它可以让你用简单的硬件和软件来创建各种互动的项目。Arduino的核心是一个微控制器板，它可以通过一系列的引脚来连接各种传感器、执行器、显示器等外部设备。Arduino的编程是基于C/C++语言的，你可以使用Arduino IDE（集成开发环境）来编写、编译和上传代码到Arduino板上。Arduino还有一个丰富的库和社区，你可以利用它们来扩展Arduino的功能和学习Arduino的知识。

Arduino的特点是：
1、开放源码：Arduino的硬件和软件都是开放源码的，你可以自由地修改、复制和分享它们。
2、易用：Arduino的硬件和软件都是为初学者和非专业人士设计的，你可以轻松地上手和使用它们。
3、便宜：Arduino的硬件和软件都是非常经济的，你可以用很低的成本来实现你的想法。
4、多样：Arduino有多种型号和版本，你可以根据你的需要和喜好来选择合适的Arduino板。
5、创新：Arduino可以让你用电子的方式来表达你的创意和想象，你可以用Arduino来制作各种有趣和有用的项目，如机器人、智能家居、艺术装置等。

在这里插入图片描述
Arduino CNC，全称Arduino Computerized Numerical Control（Arduino计算机数字控制），是结合了Arduino开源微控制器平台与CNC（计算机数字控制）技术的系统。这种系统广泛应用于自动化加工、3D打印、机械臂控制、机器人制作以及CNC雕刻机等领域。下面是对Arduino CNC的全面详细科学解释：

一、Arduino平台概述
1、定义：Arduino是一个开源的硬件和软件平台，它使得电子制作变得简单快捷。Arduino由一个可编程的微控制器（如ATmega328P）和相关电路板（如Arduino Uno）组成，通过简单的编程语言（Arduino IDE）和大量预制的库函数，用户可以轻松实现复杂的电子项目。
2、特点：
开源性：Arduino的硬件设计、软件（IDE）和参考设计都是开源的，允许用户自由修改和分发。
易用性：Arduino IDE基于C/C++语言，但提供了简化的编程接口，降低了学习门槛。
扩展性：通过各种扩展板和传感器，可以轻松扩展Arduino的功能。

二、CNC技术概述
1、定义：CNC（Computerized Numerical Control）即计算机数字控制，是一种通过预先编程的计算机程序来控制机床或其他自动化设备的运动轨迹、速度和加工参数的技术。CNC技术实现了加工过程的自动化和精确化。
2、工作原理：CNC系统通过读取存储在计算机中的程序指令，将其转换成控制机床运动的电信号，从而实现对机床的精确控制。这些程序指令通常包含了对机床各轴（如X、Y、Z轴）的位置、速度、加速度等的精确描述。

三、Arduino CNC系统
1、系统组成：
Arduino开发板：作为系统的主控制器，负责接收和处理CNC程序指令。
CNC扩展板：通常包括步进电机驱动器（如A4988）和相关的接口电路，用于将Arduino发出的控制信号转换为步进电机的驱动信号。
步进电机：作为执行机构，根据CNC程序指令实现精确的位置移动。
CNC软件：用于编写和编辑CNC程序，并将其传输到Arduino开发板中。
2、工作流程：
用户使用CNC软件编写加工程序，并将其保存到计算机中。
将加工程序通过串口或其他方式传输到Arduino开发板中。
Arduino开发板读取程序指令，并通过CNC扩展板将控制信号发送到步进电机驱动器。
步进电机驱动器将控制信号转换为步进电机的驱动电流，驱动步进电机按照程序指令进行精确的位置移动。
3、应用领域：
3D打印：控制3D打印机的打印头和平台运动。
机械臂控制：实现机械臂的精确抓取和移动。
CNC雕刻机：用于木材、塑料、金属等材料的精确雕刻和切割。
机器人制作：作为机器人的控制系统，实现机器人的自主移动和作业。

四、总结
Arduino CNC系统通过结合Arduino开源微控制器平台和CNC计算机数字控制技术，实现了加工过程的自动化和精确化。该系统具有开源性、易用性和扩展性等优点，广泛应用于3D打印、机械臂控制、CNC雕刻机等领域。随着技术的不断发展，Arduino CNC系统将在更多领域发挥重要作用。

在这里插入图片描述
主要特点
高度灵活性：用户可以根据具体需求，通过各种输入方式（如键盘、旋钮、触摸屏等）自由地控制三轴（X、Y、Z 轴）的运动方向和速度，能够实现直线运动、曲线运动以及各种复杂路径的规划，满足不同加工任务和操作场景的要求，使 CNC 设备具有很强的通用性和适应性。
实时交互性：用户能够实时地对三轴运动进行调整和干预。在加工过程中，可以根据实际情况随时改变运动参数，如在发现加工偏差或需要调整加工位置时，立即通过输入设备进行修正，确保加工过程的准确性和顺利进行，提高了加工的灵活性和可控性。
操作简便直观：借助直观的用户界面和易于理解的操作方式，即使是没有专业编程知识的用户也能轻松上手。通过简单的按钮操作、滑块拖动或数字输入等方式，就可以精确地控制三轴的运动，降低了操作门槛，使更多人能够使用 CNC 设备进行各种创意制作和加工工作。
精确控制：利用 Arduino 的强大计算能力和精确的电机控制技术，可以实现对三轴运动的高精度控制。能够精确地定位和移动，满足微米甚至更高精度的加工需求，确保加工出的产品具有较高的尺寸精度和表面质量，适用于对精度要求较高的领域。
可扩展性：Arduino 平台具有良好的开放性和扩展性，用户可以根据具体需求添加各种传感器和外部设备，与三轴运动控制相结合，实现更多的功能。例如，添加限位传感器以防止轴运动超出范围，添加力传感器实现力反馈控制等，进一步丰富了 CNC 设备的功能和应用场景。
自定义编程：用户可以使用 Arduino 编程语言对三轴运动控制进行自定义编程，根据不同的加工任务和工艺要求，编写特定的运动控制算法和程序。可以实现自动化的批量加工、复杂图形的绘制等功能，满足个性化的加工需求，发挥用户的创造力和想象力。

应用场景
小型机械加工：在小型机械加工车间或个人工作室中，用于加工各种小型零部件，如齿轮、轴类零件、小型模具等。用户可以通过输入控制精确地调整刀具与工件的相对位置，进行铣削、钻孔、镗孔等加工操作，实现对小型零件的高精度加工。
3D 打印与快速成型：在 3D 打印领域，用户输入控制的三轴运动可用于调整打印头的位置和运动轨迹，实现对打印材料的精确铺设，制造出各种复杂形状的三维物体。同时，在快速成型技术中，也可以通过控制三轴运动来精确地构建模型的各个部分，快速制造出产品原型。
激光雕刻与切割：对于激光雕刻和切割设备，用户可以通过输入控制三轴运动，精确地控制激光头在材料表面的移动，实现各种图案、文字的雕刻以及复杂形状的切割。适用于木材、皮革、塑料、金属等多种材料的加工，广泛应用于工艺品制作、广告标识制作等行业。
电子制造与装配：在电子制造领域，用于电路板的钻孔、铣削以及电子元件的装配等工作。通过精确的三轴运动控制，可以将钻头或装配工具准确地定位到指定位置，完成高精度的加工和装配任务，提高电子产品的生产质量和效率。
教育与科研：在学校的教学实验和科研机构的研究项目中，作为教学和研究工具，帮助学生和研究人员理解和掌握运动控制原理、数控技术等知识。学生可以通过编写代码和操作输入设备来控制三轴运动，进行各种实验和项目开发，培养实践能力和创新思维。

注意事项
输入设备的稳定性：确保所使用的输入设备（如键盘、旋钮、触摸屏等）稳定可靠，避免出现输入信号错误或丢失的情况。定期检查输入设备的连接是否松动，清洁设备表面，防止灰尘和杂物影响操作。对于触摸屏，要注意防止刮擦和误触，确保其灵敏度和准确性。
运动参数的合理设置：在设置三轴运动的速度、加速度、行程等参数时，要根据 CNC 设备的机械性能和加工要求进行合理调整。参数设置过大可能会导致电机过载、机械部件损坏或运动精度下降；参数设置过小则会影响加工效率。需要通过试验和经验积累，找到合适的参数组合。
坐标系统与原点设置：明确 CNC 设备所采用的坐标系统（如笛卡尔坐标系统），并正确设置原点位置。在进行三轴运动控制时，要确保所有的输入指令都是基于正确的坐标系统和原点，否则可能会导致运动方向错误或位置偏差，影响加工效果。
安全防护措施：由于三轴运动可能会涉及到高速旋转的电机和移动的机械部件，必须设置完善的安全防护装置，如限位开关、紧急停止按钮等。在操作过程中，要时刻注意安全，避免身体接触到运动部件，防止发生意外事故。
电机与驱动器的匹配：确保电机与驱动器之间的参数匹配正确，包括电机的电压、电流、步距角等参数与驱动器的设置要一致。不匹配的电机和驱动器可能会导致电机运行不稳定、发热严重甚至损坏，影响三轴运动的精度和可靠性。
软件兼容性与更新：使用的 Arduino 软件和相关的运动控制库要与硬件设备兼容，并且要及时更新软件版本，以获取更好的性能和功能支持。同时，在编写自定义程序时，要注意代码的规范性和可读性，便于调试和维护。

在这里插入图片描述
1、基本三轴运动控制

#include <AccelStepper.h>

AccelStepper stepperX(AccelStepper::DRIVER, 2, 3); // X轴控制
AccelStepper stepperY(AccelStepper::DRIVER, 4, 5); // Y轴控制
AccelStepper stepperZ(AccelStepper::DRIVER, 6, 7); // Z轴控制

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    stepperX.setMaxSpeed(1000);
    stepperY.setMaxSpeed(1000);
    stepperZ.setMaxSpeed(1000);
}

void loop() {
    if (Serial.available()) {
        String command = Serial.readStringUntil('\n');
        controlAxes(command);
    }
}

void controlAxes(String command) {
    if (command.startsWith("X")) {
        int distance = command.substring(1).toInt();
        stepperX.moveTo(distance);
        while (stepperX.distanceToGo() != 0) {
            stepperX.run();
        }
        Serial.println("X轴移动到：" + String(distance));
    } else if (command.startsWith("Y")) {
        int distance = command.substring(1).toInt();
        stepperY.moveTo(distance);
        while (stepperY.distanceToGo() != 0) {
            stepperY.run();
        }
        Serial.println("Y轴移动到：" + String(distance));
    } else if (command.startsWith("Z")) {
        int distance = command.substring(1).toInt();
        stepperZ.moveTo(distance);
        while (stepperZ.distanceToGo() != 0) {
            stepperZ.run();
        }
        Serial.println("Z轴移动到：" + String(distance));
    } else {
        Serial.println("无效命令");
    }
}

2、同时控制多个轴

#include <AccelStepper.h>

AccelStepper stepperX(AccelStepper::DRIVER, 2, 3); // X轴控制
AccelStepper stepperY(AccelStepper::DRIVER, 4, 5); // Y轴控制
AccelStepper stepperZ(AccelStepper::DRIVER, 6, 7); // Z轴控制

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    stepperX.setMaxSpeed(1000);
    stepperY.setMaxSpeed(1000);
    stepperZ.setMaxSpeed(1000);
}

void loop() {
    if (Serial.available()) {
        String command = Serial.readStringUntil('\n');
        controlMultipleAxes(command);
    }
}

void controlMultipleAxes(String command) {
    int xDistance = 0, yDistance = 0, zDistance = 0;
    
    // 解析命令
    if (command.startsWith("MOVE")) {
        int firstSpace = command.indexOf(' ', 5);
        int secondSpace = command.indexOf(' ', firstSpace + 1);
        
        xDistance = command.substring(5, firstSpace).toInt();
        yDistance = command.substring(firstSpace + 1, secondSpace).toInt();
        zDistance = command.substring(secondSpace + 1).toInt();
    }

    // 移动各个轴
    stepperX.moveTo(xDistance);
    stepperY.moveTo(yDistance);
    stepperZ.moveTo(zDistance);

    while (stepperX.distanceToGo() != 0 || stepperY.distanceToGo() != 0 || stepperZ.distanceToGo() != 0) {
        stepperX.run();
        stepperY.run();
        stepperZ.run();
    }
    Serial.println("移动到：X" + String(xDistance) + " Y" + String(yDistance) + " Z" + String(zDistance));
}

3、按键控制三轴运动

#include <AccelStepper.h>

AccelStepper stepperX(AccelStepper::DRIVER, 2, 3); // X轴控制
AccelStepper stepperY(AccelStepper::DRIVER, 4, 5); // Y轴控制
AccelStepper stepperZ(AccelStepper::DRIVER, 6, 7); // Z轴控制

const int buttonXPlus = 8; // X轴正向按钮引脚
const int buttonXMinus = 9; // X轴反向按钮引脚
const int buttonYPlus = 10; // Y轴正向按钮引脚
const int buttonYMinus = 11; // Y轴反向按钮引脚
const int buttonZPlus = 12; // Z轴正向按钮引脚
const int buttonZMinus = 13; // Z轴反向按钮引脚

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    pinMode(buttonXPlus, INPUT_PULLUP);
    pinMode(buttonXMinus, INPUT_PULLUP);
    pinMode(buttonYPlus, INPUT_PULLUP);
    pinMode(buttonYMinus, INPUT_PULLUP);
    pinMode(buttonZPlus, INPUT_PULLUP);
    pinMode(buttonZMinus, INPUT_PULLUP);

    stepperX.setMaxSpeed(1000);
    stepperY.setMaxSpeed(1000);
    stepperZ.setMaxSpeed(1000);
}

void loop() {
    if (digitalRead(buttonXPlus) == LOW) {
        stepperX.moveTo(stepperX.currentPosition() + 100); // 向正方向移动100步
    } else if (digitalRead(buttonXMinus) == LOW) {
        stepperX.moveTo(stepperX.currentPosition() - 100); // 向负方向移动100步
    }

    if (digitalRead(buttonYPlus) == LOW) {
        stepperY.moveTo(stepperY.currentPosition() + 100);
    } else if (digitalRead(buttonYMinus) == LOW) {
        stepperY.moveTo(stepperY.currentPosition() - 100);
    }

    if (digitalRead(buttonZPlus) == LOW) {
        stepperZ.moveTo(stepperZ.currentPosition() + 100);
    } else if (digitalRead(buttonZMinus) == LOW) {
        stepperZ.moveTo(stepperZ.currentPosition() - 100);
    }

    stepperX.run();
    stepperY.run();
    stepperZ.run();
}

要点解读
用户输入控制：
所有示例都允许用户通过串口或按键输入控制三轴运动。示例 1 和 2 使用串口命令（如 “X100” 或 “MOVE 100 200 300”），而示例 3 则使用物理按钮进行控制，这为用户提供了灵活性。
三轴运动管理：
使用 AccelStepper 库管理每个步进电机的运动，通过 moveTo() 方法设置目标位置，并使用 run() 方法在 loop 中持续更新电机状态，确保电机能够平滑移动。
多轴协同控制：
示例 2 展示了如何同时控制多个轴的运动。通过解析输入命令中的多个参数，用户可以一次性设置多个轴的目标位置，从而实现复杂的运动轨迹。
按键控制：
示例 3 通过物理按钮实现运动控制，适合在没有计算机或串口连接时的场景。通过 digitalRead() 检测按钮状态，用户可以随时控制电机的移动。
代码结构与扩展性：
示例代码采用模块化设计，便于维护和扩展。可以根据需求添加更多功能，如速度控制、加速度设置、限位开关检测等，以提升 CNC 控制的功能和可靠性。

在这里插入图片描述
4、通过串口输入控制三轴运动

#include <Arduino.h>

#define X_STEP_PIN 2
#define Y_STEP_PIN 3
#define Z_STEP_PIN 4
#define X_DIR_PIN 5
#define Y_DIR_PIN 6
#define Z_DIR_PIN 7

void setup() {
    pinMode(X_STEP_PIN, OUTPUT);
    pinMode(Y_STEP_PIN, OUTPUT);
    pinMode(Z_STEP_PIN, OUTPUT);
    pinMode(X_DIR_PIN, OUTPUT);
    pinMode(Y_DIR_PIN, OUTPUT);
    pinMode(Z_DIR_PIN, OUTPUT);
    Serial.begin(115200);
}

void loop() {
    if (Serial.available()) {
        String command = Serial.readStringUntil('\n');
        executeCommand(command);
    }
}

void executeCommand(String command) {
    char axis = command.charAt(0);
    float distance = command.substring(1).toFloat();

    switch (axis) {
        case 'X':
            moveTo(X_DIR_PIN, X_STEP_PIN, distance);
            break;
        case 'Y':
            moveTo(Y_DIR_PIN, Y_STEP_PIN, distance);
            break;
        case 'Z':
            moveTo(Z_DIR_PIN, Z_STEP_PIN, distance);
            break;
        default:
            Serial.println("无效命令");
            break;
    }
}

void moveTo(int dirPin, int stepPin, float distance) {
    digitalWrite(dirPin, distance >= 0 ? HIGH : LOW);
    int steps = abs(distance * 100); // 假设每单位100个步进
    for (int i = 0; i < steps; i++) {
        digitalWrite(stepPin, HIGH);
        delayMicroseconds(500);
        digitalWrite(stepPin, LOW);
        delayMicroseconds(500);
    }
    Serial.println(String("移动到: ") + distance);
}

要点解读：
串口输入：通过串口接收用户输入命令（如“X10”表示沿X轴移动10个单位），简单易用。
指令解析：解析输入的字符，获取轴信息和移动距离，支持动态控制。
步进控制：使用步进信号控制电机，根据输入的距离计算步数，确保精确移动。
错误处理：提供无效命令反馈，增强用户体验。
灵活性：可以轻松扩展以支持其他命令或功能，如快速移动、回零等。

5、通过按钮输入控制三轴运动

#include <Arduino.h>

#define X_STEP_PIN 2
#define Y_STEP_PIN 3
#define Z_STEP_PIN 4
#define X_DIR_PIN 5
#define Y_DIR_PIN 6
#define Z_DIR_PIN 7
#define BUTTON_PIN 8

float stepSize = 1.0; // 每次移动的单位
bool moving = false;

void setup() {
    pinMode(X_STEP_PIN, OUTPUT);
    pinMode(Y_STEP_PIN, OUTPUT);
    pinMode(Z_STEP_PIN, OUTPUT);
    pinMode(X_DIR_PIN, OUTPUT);
    pinMode(Y_DIR_PIN, OUTPUT);
    pinMode(Z_DIR_PIN, OUTPUT);
    pinMode(BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP);
    Serial.begin(115200);
}

void loop() {
    if (digitalRead(BUTTON_PIN) == LOW) {
        if (!moving) {
            moving = true;
            moveAllAxes(stepSize);
        }
    } else {
        moving = false;
    }
}

void moveAllAxes(float distance) {
    moveTo(X_DIR_PIN, X_STEP_PIN, distance);
    moveTo(Y_DIR_PIN, Y_STEP_PIN, distance);
    moveTo(Z_DIR_PIN, Z_STEP_PIN, distance);
}

void moveTo(int dirPin, int stepPin, float distance) {
    digitalWrite(dirPin, distance >= 0 ? HIGH : LOW);
    int steps = abs(distance * 100);
    for (int i = 0; i < steps; i++) {
        digitalWrite(stepPin, HIGH);
        delayMicroseconds(500);
        digitalWrite(stepPin, LOW);
        delayMicroseconds(500);
    }
    Serial.println("移动完成");
}

要点解读：
按钮控制：通过按钮实现简单的开关控制，按下按钮时开始沿所有轴移动。
状态管理：使用moving变量管理运动状态，避免多次触发。
统一移动函数：moveAllAxes()函数统一处理所有轴的移动，简化代码结构。
简化输入：无需用户输入复杂命令，适合初学者和快速测试。
可扩展性：可以轻松添加更多按钮或功能，例如改变移动步长或方向。

6、通过旋钮输入控制三轴运动

#include <Arduino.h>
#include <Encoder.h>

#define X_STEP_PIN 2
#define Y_STEP_PIN 3
#define Z_STEP_PIN 4
#define X_DIR_PIN 5
#define Y_DIR_PIN 6
#define Z_DIR_PIN 7
#define ENCODER_A 8
#define ENCODER_B 9

Encoder encoder(ENCODER_A, ENCODER_B);
long position = 0;

void setup() {
    pinMode(X_STEP_PIN, OUTPUT);
    pinMode(Y_STEP_PIN, OUTPUT);
    pinMode(Z_STEP_PIN, OUTPUT);
    pinMode(X_DIR_PIN, OUTPUT);
    pinMode(Y_DIR_PIN, OUTPUT);
    pinMode(Z_DIR_PIN, OUTPUT);
    Serial.begin(115200);
}

void loop() {
    long newPosition = encoder.read();
    if (newPosition != position) {
        position = newPosition;
        moveTo(X_DIR_PIN, X_STEP_PIN, position * 0.1); // 每次增量0.1单位
        Serial.println("当前位置: " + String(position * 0.1));
    }
}

void moveTo(int dirPin, int stepPin, float distance) {
    digitalWrite(dirPin, distance >= 0 ? HIGH : LOW);
    int steps = abs(distance * 100);
    for (int i = 0; i < steps; i++) {
        digitalWrite(stepPin, HIGH);
        delayMicroseconds(500);
        digitalWrite(stepPin, LOW);
        delayMicroseconds(500);
    }
}

要点解读：
旋钮输入：使用增量编码器作为输入，通过旋转控制三轴运动，提供更直观的控制方式。
实时反馈：通过串口输出当前位置，方便用户实时监控。
位置控制：根据旋钮的旋转量动态调整移动距离，适合精准调节。
灵活性与响应性：可以快速响应用户操作，适合需要频繁调整位置的应用场景。
可扩展性：可以轻松添加其他轴的控制，或增加其他功能，例如速度调节。

总结
以上几个示例展示了如何使用Arduino实现用户输入控制的三轴运动。关键要点包括：
多种输入方式：支持通过串口、按钮和旋钮等多种方式控制三轴运动，适应不同需求。
实时反馈：通过串口输出当前状态或位置，增强用户体验。
简单的命令解析：解析命令或输入，控制运动，增加代码的灵活性。
模块化设计：将运动功能模块化，便于代码维护和扩展。
易于扩展：可以根据需要添加更多功能或改进用户交互方式。

注意，以上案例只是为了拓展思路，仅供参考。它们可能有错误、不适用或者无法编译。您的硬件平台、使用场景和Arduino版本可能影响使用方法的选择。实际编程时，您要根据自己的硬件配置、使用场景和具体需求进行调整，并多次实际测试。您还要正确连接硬件，了解所用传感器和设备的规范和特性。涉及硬件操作的代码，您要在使用前确认引脚和电平等参数的正确性和安全性。

在这里插入图片描述