基于MACH数控软件的三维雕刻机结构设计与实现_王党利(精)
简易三维雕刻机电控系统设计与分析
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 3ABSTRACTThis 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。
基于mach3的数控雕铣机模型原理
基于mach3的数控雕铣机模型原理基于mach3的数控雕铣机模型一、项目的背景教育部提出中职教育应“坚持以服务为宗旨，以就业为导向，进一步更新教育教学思想和观念”。
我校机电专业、数控技术应用专业采用校企联合、订单式教育的新型职教模式，真正为企业培养中级技能型的人才。
数控编程是该专业的一门重要的技能课，根据企业对该专业的用人要求，及时调整教学计划。
在教学中按教学计划和学生的认知规律实施和组织教学，保证每一届学生在数控编程技术的技能水平上都紧跟企业的步伐达到企业的要求。
本模型是根据作者教学经验，总结生产实践，结合教学需要设计制作出来的一款操作简单、成本低廉、功能全面的数控雕铣机模型。
二、工作原理本设计的目的就在于用国外比较成熟的数控软件Mach3+三轴步进电机驱动板+机械滑台设计出一款模型，既要满足实际教学的需要，又要价格低廉，弥补学校教学经费的不足，既要结构简单，又要满足教学的需求。
该模型采用A3977或Ta8435 CNC三轴步进电机驱动板，配上相应的电源、电动滑台，利用比较成熟的数控雕刻上位机控制软件Mach3，构成了一个完善的基于mach3的数控雕铣机模型。
其原理图如下：PC+Mach3 步进电机驱动板X轴步进电机Y轴步进电机Z轴步进电机X轴滑台Y轴滑台Z轴滑台1.并口接口定义（公座）并口使用一条25针标准并口延长线与电脑连接，软件根据引脚定义来设置IO输出管脚序号定义信号方向（控制板）1 A时钟（主轴控制共用）输出2 X时钟输入3 X方向输入4 Y时钟输入5 Y方向输入6 Z时钟输入7 Z方向输入8 Y使能输入9 Z使能输入10 急停输出11 X限位输出12 Y限位输出13 Z限位输出14 X使能输入15 EXT1 备用输入16 A方向输出17 A使能输出18~25 GND（接地）接地2.Mach3 设置（注意mach3不太稳定,X轴设置自己会变掉）1.设置端口选择菜单config >> port & pins三、采用的科学方法、科学原理1、部件采用模块化，便于维修。
基于MACH软件三维雕刻机控制系统设计与实现
Ｂａ ｅ ＡＣＨ ｏ ｔ ｒ ｈ ｅ — ｉ ｅ ｉ ｎ ｌｅ ｇ ａ ｉ ｇ ｍ ａ ｈ ｎ ｓｄＭ ｓ ｆ ｗａ ｅ ｔ ｒ ｅ ｄ ｍ ｎｓｏ ａ ｎ ｒ ｖ ｎ ｃ ｉ ｅ
ｃ ｎｔ ｏ ｙ ｔ ｍ ｓ ｇ ｎ ｍ ｐ ｅ ｅ ｔ ｔｏ ｏ ｒ ｌｓ ｓ ｅ ｄｅ ｉ ｎ ａ ｄ ｉ ｌ ｍ ｎ ａ ｉ ｎ
行 驱动 。 目前在 数 控铣 床 和雕 刻 机等 控制 方 面 得 到广 泛 的应用 ， 特别 是 为个 人 提 供 了一 种 经 济 型雕 刻 机 的设 计 思 路 。采用 ＭＡ Ｈ 软件 的方 案 中 ， 重讨 论 控制 部分 的 Ｃ 着
设计。
图 １ 雕刻机控制电路总体结构图 １２ Ｐ ． Ｃ机 并行 口管脚 定义
０ 引 言
ＭＡＣＨ 软件 是一 种 功 能强 大 的数 控， 要 是 利 用 Ｐ 的 资 源 来 完 成 Ｇ 主 Ｃ
代 码 的解 释 ， 工 点 坐 标 位 移 量 的 计 算 ， 码 、 补 、 加 译 刀 插 补 、 减 速控 制及 各个 轴 位 移 脉 冲 的 发 送 。需 要 设 计 配 加 套 控制 系统 来完 成 各 个 轴 脉 冲 的 接 收及 发送 限位 、 点 原 开关 的信号 给 ＭＡＣ 控 制软 件 ， Ｈ 同时 对雕 刻 轴 的运 动进
己 口 １ 口ｌ年 月 第己 卷 第 １ ｇ 期
基 于 ＭＡＣ 软 件 三维 雕 刻 机 控 制 系统 设 Ｈ
王 党利 祁立 军 宁生科
（ 安 工 业 大 学 工 业 中心 西 安 西 ７０２） １ ０ １
摘
要 ： ＭＡＣ 软件和 Ｐ 以 Ｈ Ｃ为控制平台 ， 通过接 口及 步进电机驱动电路 ， 出驱 动脉冲 ， 输 控制小型雕刻机三轴联动 。讨 论 了
基于MACH数控软件的三维雕刻机结构设计与实现
基于MACH数控软件的三维雕刻机结构设计与实现
王党利;宁生科;马保吉
【期刊名称】《机械与电子》
【年(卷),期】2010(000)008
【摘要】讨论了基于PC机的MACH软件控制平台,三坐标联动小型数控雕刻机工程应用方案,给出了雕刻机总体结构,X,Y,Z轴的传动给进,步进电机的选择,专用雕刻头结构方案.通过直流高速电机雕刻头和专用雕刻头部件的研制测试对比,总结了不同雕刻头方案的优劣.
【总页数】4页(P27-30)
【作者】王党利;宁生科;马保吉
【作者单位】西安工业大学工业中心,陕西,西安,710021;西安工业大学工业中心,陕西,西安,710021;西安工业大学工业中心,陕西,西安,710021
【正文语种】中文
【中图分类】TH13
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1.基于CorelDraw软件三维并联数控雕刻机译码实现 [J], 于常娟;高铁红;郭兰申;陶媚
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5.基于MACH软件三维雕刻机控制系统设计与实现 [J], 王党利;祁立军;宁生科因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于MACH3系统的桌面式数控教学仪器的设计与开发
基于MACH3系统的桌面式数控教学仪器的设计与开发1.引言数控技术在现代制造业中发挥着重要的作用，因此对于数控技术的教学越来越受到重视。
为了提高数控技术的教学效果，本文提出了一种基于Mach3系统的桌面式数控教学仪器的设计与开发方案。
2.仪器的设计要求（1）功能全面：仪器需要具备基本的数控加工功能，如直线插补、圆弧插补等，同时还需要支持一些高级功能，如刀补偿、仿真等。
（2）操作简单：仪器的操作界面应该简单直观，易于操作，以提高学生对数控技术的理解和掌握。
（3）实时反馈：仪器应该能够实时显示加工过程中的加工轨迹和加工效果，以帮助学生及时调整参数和纠正错误。
（4）可靠稳定：仪器应该具备良好的稳定性和可靠性，以确保教学过程的顺利进行。
3.系统的硬件设计（1）主控板设计：主控板是整个系统的核心，它负责与电脑通信，并控制各个执行模块进行相应的动作。
主控板需要与电脑连接，并且支持USB通信协议。
（2）执行模块设计：执行模块包括驱动模块和电机模块。
驱动模块负责将主控板发送的指令转化为电机能够执行的动作，并反馈给主控板执行结果。
电机模块负责实际的运动和加工过程。
4.系统的软件设计（1）Mach3系统定制化：Mach3系统是目前广泛应用于数控系统的一种软件，但是由于其功能较为复杂，对于初学者来说不易操作。
因此，本文将对Mach3系统进行定制化，减少一些无用的功能，并增加一些对教学有帮助的功能，如图形仿真、实时反馈等。
（2）操作界面设计：根据教学的需要，设计一个简洁直观、易于操作的界面，以提高学生对数控技术的理解和掌握。
界面应该包括加工参数的设置、图形的显示和实时反馈等功能。
（3）教学内容设计：根据数控技术的教学大纲，设计相应的教学内容，包括基本加工过程、高级加工过程和故障排除等。
并将这些教学内容与仪器的操作界面相结合，使学生能够通过实际操作来学习和理解数控技术。
5.仿真与测试在设计和开发完成后，对仪器进行仿真和测试，验证其设计的正确性和可行性。
基于MACH软件三维雕刻机控制系统设计与实现_王党利
该直流电机调速电路由 555组成的多谐震荡电路、单 稳态触发器及比较电路组成, 如图 2 所示, 由多谐震荡电 路的计算公式可得出: 脉冲宽度 t1 = 3. 325 m s, 间隔时间 t2 = 0. 033 m s, 频率 f = 298 H z, 单稳态触发器的暂稳态时间 tp = 0. 776 m s。当调节 RP11电位器的时候, 单稳态触发器 5 脚的控制电压发生变化, 随着电压的降低, 暂稳态时间变 小, 电流驱动管 IRF3205导通的电压时间变小, 电机转速 变慢, 这样电机转速随着单稳态触发器 3脚输出高电平的 宽度而变化 [3] , 就是 PWM 调速。当 RP11调节到大约在 0. 65 V 时候, 比较器 LM 311输出低电平, 单稳态触发器被复 位, 3脚输出低电平, 电机被关掉, 该电路可实现电机从零 到 22 000r/m in的速度连续可调节。设计印制板电路需要 注意电机驱动电源和地线走线足够宽, 才能保证走线不会 烧断。
小型雕刻机系统设计
小型雕刻机系统设计史颖刚;刘利;聂南天;刘建实;周政【摘要】本文设计了数控雕刻机的机械结构，对主轴和丝杠进行了校核计算，建立了各零件的三维模型和整机三维模型、绘制了零件图，并加工、组装了机械部分。
应用PWM直流调速技术设计了主轴调速控制系统，以TB6560芯片为核心设计了进给伺服系统和以限位开关为核心的安全保护系统，并设计了电机驱动和计算机之间的接口电路。
系统充分利用了计算机软件完成图案设计、刀路模拟、G代码生成、插补等预处理，给出控制脉冲信号可便利地控制电机。
【期刊名称】《制造业自动化》【年(卷),期】2014(000)012【总页数】6页(P126-131)【关键词】TB6560;数控雕刻机;PWM直流调速;伺服系统【作者】史颖刚;刘利;聂南天;刘建实;周政【作者单位】西北农林科技大学机电学院，杨凌 712100;西北农林科技大学机电学院，杨凌 712100;西北农林科技大学机电学院，杨凌 712100;西北农林科技大学机电学院，杨凌 712100;西北农林科技大学机电学院，杨凌 712100【正文语种】中文【中图分类】TG547;TP3910 引言随着微机的普及，基于微机的数控系统已经是大势所趋。
应用微机技术开发工业控制系统，可以得到硬件和软件的强有力支持，避开专有技术制约，在较短时间内可达到较高水平。
本文设计的基于打印接口的数控雕刻机，雕刻材料主要为木板、橡胶等，性能要求不高，结构简单，便于演示应用，同时又能体现机电系统特点。
在分析雕刻机参数的基础上，初步确定设计基本参数为：主轴最高转速12000r/min，最大雕刻尺寸250mm×250mm×40mm，分辨率0.02 mm/step，定位精度0.02 mm，脉冲当量0.01mm。
1 系统总体设计数控雕刻机的基本布局通常有立柱式和龙门式两种结构，由于立柱式雕刻机的稳定性不好，本设计采用龙门式结构。
1.1 主轴运动系统的设计与校核雕刻机在工作中主轴主要所受的力主要是铣削力和钻削力、扭矩。
基于MACH3系统的桌面式数控教学仪器的设计与开发
232基于MACH3系统的桌面式数控教学仪器的设计与开发李星原 陈 银（浙江经贸职业技术学院应用工程系，浙江 杭州 310018）摘 要：本项目将结合调研需求提出基于Mach3的教学型数控铣床的技术指标，并对教学型数控铣床进行总体方案设计，开展机械结构的设计、硬件选型、电气控制、Mach3软件参数调试、界面优化、模拟样机搭建、测试与试验等研究工作。
关键词：Mach3软件；教学型铣床；创新【作者简介】 李星原（1999—)，男，大专，研究方向：数控编程与加工，机械创新设计。
陈银（1980—），男，硕士，研究方向：数控编程与操作，CAD/CAM软件应用。
引言“中国制造2025”战略规划中指出我国要用十年的时间使制造业达到发达国家的标准和水平，其核心是智能制造。
教学仪器设备在提高高职院校学生职业技能水平起着举足轻重的作用，培养满足智能制造需求的技能型人才离不开高端精细化实体教学仪器的投入。
为此，根据培养技能型人才的实际需求，同时培养学生科技创新意识方面，急需研发出一种集机电一体化、数控雕刻、激光雕刻、数控铣加工、多轴加工等于一体的，简洁地把庞大的知识结构和实际操作相结合，清晰了解各个系统工作原理与内部结构，能较好展现出数控雕刻、数控加工、多轴加工工作原理与过程的多功能教学仪器为当下之所需。
一、工业制造相关教学仪器分析痛点1：数控教学仪器功能单一，价格昂贵，比如：一台多轴加工中心就需要50万元以上，有些院校即便采购，数量也有限，很多还停留在虚拟仿真阶段，无法满足实训要求。
痛点2：数控实验实训仅仅停留在应用验证与应用实践阶段，无法做到二次开发。
目前多数职业院校的数控实训主要分为加工实训和装调实训。
加工实训主要以使用典型的数控系统进行数控加工实训，学生只是学会使用了某种数控系统的基本界面操作，不能进行二次开发。
数控装调实训，也只能在厂家提供的功能上进行相关的实训，不能根据自己的实训要求灵活进行新实训项目的开发。
三维雕刻机控制系统设计
三维雕刻机控制系统设计三维雕刻机是一种高精度的三维加工设备，广泛应用于雕刻、模型制作、工艺品制作等领域。
其中，控制系统是三维雕刻机的核心组成部分，具有至关重要的作用。
下面我们将从硬件设计、软件设计和人机交互设计等方面进行系统详细介绍。
一、硬件设计1.电源模块：为了保证三维雕刻机的正常运行，需要设计一个稳定的电源模块，提供适当的电压和电流给各个电气元件。
2.电机驱动模块：三维雕刻机通常包含多个电机，如步进电机、伺服电机等。
需要设计合适的电机驱动模块，根据需要提供适当的电流和控制信号，以保证电机能够按照预定的路径和速度进行运动。
3.传感器模块：为了实现精确的三维雕刻，需要配置各种传感器，如位置传感器、温度传感器、压力传感器等，以便实时监测工艺品位置以及环境参数。
4.控制模块：设计一种高性能、稳定可靠的控制模块，能够实时接收和处理来自传感器的数据，并根据预定算法生成相应的控制信号，实现三维雕刻机的高精度控制。
二、软件设计1.运动控制算法：设计合适的运动控制算法，能够根据用户输入的三维模型数据生成相应的运动轨迹，并将其转化为实际的控制信号，驱动电机进行准确的三维运动。
2.路径规划算法：设计一种适用于三维雕刻机的路径规划算法，根据用户设定的雕刻路径和要求，自动规划合适的运动轨迹，以提高雕刻的效率和精度。
3.操作界面设计：设计一个简洁明了、易于操作的人机交互界面，使用户能够方便地输入雕刻参数、控制雕刻机的运动，并实时监测雕刻机的工作状态。
三、人机交互设计1.显示屏和按键：设计一个易于操作的显示屏和按键组合，用来显示和设置雕刻机的参数、状态和工作模式。
2.警报系统：设计一个智能警报系统，能够及时发出警报信号，提醒用户出现异常情况，如电压过高、电流过载等，以保证雕刻机的安全运行。
3.远程控制功能：提供一个远程控制接口，以便用户可以通过计算机或手机等远程设备来控制和监测三维雕刻机的运行状态，方便远程操作。
总之，一个高性能的三维雕刻机控制系统需要经过综合考虑和精心设计，包括硬件设计、软件设计和人机交互设计等方面。
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应性,并且通过匹配不同的电感实现了从2kH z 到6.5kH z 的宽范围驱动.5 结束语由于采用匹配电感的方式来实现正弦驱动信号,该控制电源适合在一定的驱动频率范围内应用.所以本文所提出的驱动电源更适合于固定频率驱动的压电电机,并且所用电子元器件少,电路结构简单,电路功耗小,适合于小型化.为实现压电电机调速,在下一步的研究中,会在所提出的驱动控制电源基础上实现调压调速的功能.参考文献:[1] 温建明.新型惯性压电叠堆驱动机构的研究[D].长春:吉林大学,2006.[2] K im J,L ee J H.Self -mo ving Cell L inear M oto r U singP iezoelectr ic Stack A ctuat ors [J].Smart M ater ials andStr uctures,2005,14(5:934-940.[3] Salisbur y S P,Waecht er D F.Desig n Consideratio ns forCo mplementar y Inchwo rm A ctuato rs[J].IEEE/A SM E T ransactions on M echat ronics,2006,11(3:265-272.[4] 王宏,钟朝位,张树人.压电陶瓷驱动器线性动态驱动电源的研制[J].压电与声光,2004,26(31:189-191.[5] W allenhauer C,Ka ppel A ,Go ttlieb B,et al Efficientclass -B analo g am plifier for a piezoelectr ic actuator drive[J].M echatronics,2009,19(1:56-64.[6] 刘岩,邹文栋.一种高速压电陶瓷驱动器驱动电源设计[J].压电与声光,2008,30(1:48-52.[7]Int er national Rectif ier.IR2103(S &(PbF ,N o.PD60045-O[Z ].[8] Williams Barr y W.P rinciples and elements of pow er e -lect ronics[Z].2006.作者简介:潘松 (1978-,男,山东邹平人,博士后,研究方向为超声电机及压电作动器的驱动控制系统.基于M ACH 数控软件的三维雕刻机结构设计与实现王党利,宁生科,马保吉(西安工业大学工业中心,陕西西安710021T hree -dimensional Engraving M achine St ructure Design and Implementation Basedon M ACH Digital Control Softw areWANG Dang -li,NING Sheng -ke,MA Bao -ji(Industr ial Center,Xi øan T echnolo gy U niver sity,Xi øan 710021,China摘要:讨论了基于PC 机的M ACH 软件控制平台,三坐标联动小型数控雕刻机工程应用方案,给出了雕刻机总体结构,X ,Y,Z 轴的传动给进,步进电机的选择,专用雕刻头结构方案.通过直流高速电机雕刻头和专用雕刻头部件的研制测试对比,总结了不同雕刻头方案的优劣.关键词:M ACH 软件;CNC;雕刻机;雕刻头;结构设计收稿日期:2010-04-22基金项目:西安工业大学校长基金项目(XAGDXJJ 0840中图分类号:T H 13文献标识码:A文章编号:1001-2257(201008-0027-04Abstract:The pur pose of this paper is to de -sig n an eng ineering application project of sm all CNC engraving machine,w hich be contr olled by M ACH softw are PC -based platform ,it can be three Coor dinate ax is m ovement to gether.T he ar ticle fo -cused on the design of the ov er all structur e o f en -gr av ing machine,X ,Y,Z ax is drive m echanism de -sig n,stepper motor selectio n,and developm ent process o f special engraving head structur e.Sum -marize different o f eng raving head through compar -iso n of the test result hig h -speed DC m otor car vinghead and special engraving head com ponents.Key words:MACH soft;CNC;engraving ma-chine;eng raving head;structure design0引言功能完善、性能稳定、造型美观和价格合理成为雕刻机研制的基本要求.MACH软件是一种功能强大的模拟数控软件,利用PC机的资源来完成G代码的解释、运动分配和控制等功能,目前在数控铣床和雕刻机等控制方面得到广泛的应用,特别是为个人提供了一种经济型雕刻机的设计思路[1-3].在采用MA CH软件的方案中,所要进行的重点设计对象是控制部分和机械结构部分,本文着重讨论机械部分的设计.1经济型CN C雕刻机的总体方案1.1雕刻机设计目的针对不同的应用领域,所要求的雕刻机的性能亦不相同.本文的目的就是利用M ACH软件和PC 机的并口等现有资源,提供一种低价、高效和实用的数控雕刻系统的解决方案.该机可以雕刻木制品、有机玻璃、PVC板、水晶、铜和铝等材料,也可进行电路板的雕刻加工等,满足不同需要.1.2雕刻机设计主要参数雕刻机有效行程,240mm@400m m@50m m;雕刻机定位精度,0.05m m;雕刻机重复定位精度, 0.02mm;主轴转速,8000~15000r/m in;最大进给速度,3m/min,传动系统X,Y,Z采用步进电机驱动,步进电机驱动用8细分驱动;分辨率,0.0025 mm,采用开环控制.1.3雕刻机系统的构成部分雕刻机完整的工作流程主要包括4部分.第1部分,浮雕设计及G代码生成,如常用的ART CAM 软件,该软件可完成三维浮雕制作及G代码生成,同时具有刀路模拟加工功能,可真实地模拟加工路径和产品的形状.第2部分,脉冲的分配及发送, MACH软件的作用类似于运动控制卡,主要作用是完成G代码的解释,加工点坐标位移量的计算,译码、刀补、插补、加减速控制及各个轴位移脉冲的发送.第3部分,控制系统的作用主要是完成各个轴脉冲的接收及发送限位、原点开关的信号给MACH 控制软件,同时对各个轴的运动进行驱动.第4部分,雕刻机本体通过传动机构的运动,用刀具完成材料的雕刻动作,最终形成加工产品.1.4雕刻机的总体布局数控系统的基本布局通常有立柱和龙门2种架构.立柱式结构稳定性要比龙门式差,因此选用龙门式.龙门布局通常有如图1所示的2种方案,这2种布局都采用龙门框架结构,雕刻机的刚度均较高.布局a方案中,工作台固定,雕刻头作横向和上下移动,立柱作纵向移动.该方案便于变形为不同纵向长度的雕刻机.由于工作台不动,承载能力好,适合加工较重的工件.但雕刻头运动精度较难保证且龙门移动较笨重.布局b 方案中,立柱固定,雕刻头作横向和上下移动,工作台作纵向移动.由于工作台移动,承载能力较布局a方案差;工作台运动占用较大的场地面积;工作台运动到支架两端时处于悬臂位置,长时间导致工作台变形.该方案的最大优势在于雕刻头运动精度较易保证.由于本设计的雕刻机雕刻范围小,要求经济型、加工精度小于0105mm,整个机身重量轻,大约20kg,为了增加稳定性,设计时工作台面本身重,龙门架采用硬铝制作,减轻运动部件的重量.若采用布局b,工作台运动,首先,在加工工件最大重量不变的前提下,要求的电机驱动功率变大,其次,且丝杠副的承载、精度和寿命要求也更高,带来的成本上升,最后,机器安装占用的场地变大.经以上比较,充分考虑到布局的基本要求、影响布局的基本因素及三维雕刻机的设计参数,在满足性能前提下采用布局a.图1龙门布局的2种方案2雕刻机的主运动方案2.1雕刻机的主运动方案讨论雕刻机主运动方案通常有2种:方案1,采用专用的主轴电机,当前电主轴主要采用的是交流高频电动机,故也称为÷高频主轴",由于没有中间传动环节,有时又称它为÷直接传动主轴".电主轴可恒功率或者恒扭矩输出,径向精度为0.01~01001mm,轴向精度小于0.003m m;具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低及响应快等优点,而且转速高、功率大,简化机床设计,易于实现主轴定位,是高速主轴单元中的一种理想结构.电主轴缺点是必须配变频器调速装置,整体价格昂贵.方案2,采用直流电机带动主轴机构.首先,直流电机调速范围宽,其转子转速可在大的范围内连续调节并稳定运行,特性呈线性.无论机械特性还是调节特性都呈现良好的线性度.其次,直流电机价格非常便宜,特别适合经济型雕刻机.缺点是电机精度较低,主要是一般的直流电机径向误差大,在高速运转时噪音大,且碳刷易磨损,选用合适的轴承可提高电机轴的径向精度和降低噪音.和主轴电机相比,直流电机带动主轴机构方案具有更高的性价比,故优先选用直流电机带动主轴机构的方案.2.2 雕刻机的主轴结构直流电机和主轴组件之间采用同步带传动,由于选用的直流电机转速在20V 时转速可达15000r/min,故选择的传动比为1,主轴组件结构如图2所示.直流电机输出扭矩通过同步带传递给输出轴,降低了直流电机转速和精度等性能的要求,同时也可隔断电机振动的传递和过载保护作用.由于角接触轴承装球数比深沟球轴承多,额定负荷在球轴承中最大,刚性强,运转平稳,角接触轴承可同时承受径向负荷和轴向负荷,转速较高,接触角越大,轴向承载能力越高.由于单列轴承只能承受一个方向的轴向负荷,在承受径向负荷时,将引起附加轴向力,并且只能限制轴或外壳在一个方向的轴向位移.若是成对双联安装,即可避免引起附加轴向力,而且可在2个方向使轴或外壳限制在轴向游隙范围内.雕刻误差主要取决于雕刻主轴组件的径向和轴向跳动,为了减少误差,采取以下方法:第1,在输出轴的末端选用一对25b角接触轴承图2 雕刻机主轴组件结构来承受输出轴的轴向和径向载荷,成对使用轴承避免引起的附加轴向力,保证输出轴的轴向精度,同时也提高了刀具的回转精度.第2,输出轴的上端采用深沟球轴承支撑,距离上压盖留有一定的间隙,可保证轴高速运转发热有一定的伸缩空间,避免轴的膨胀变形.第3,输出轴端采用锥孔珩磨保证和ER11刀具夹头的配合;轴的固定端到刀具的长度尽量短;这两项措施可减少轴的径向跳动.第4,轴的内部空间被带有密封圈的上下压盖密封,防止灰尘及雕刻屑进入内部磨损组件,提高使用寿命和精度.3 雕刻机的进给运动方案3.1 雕刻机的进给运动方案机械本体部分是雕刻机的骨架,有底座、龙门架、工作台、机头和主轴组件等部分.雕刻机的3轴传动部分全部采用步进电机驱动丝杠副,通过弹性连轴器和丝杠副连接,丝杠的一端采用深沟球支撑,另外一端采用成对的角接触轴承固定,可保证轴向能承受较大的分力和运动精度,如图3所示.图3 雕刻机滚珠丝杠传动首先,雕刻刀具由高速电机带动只做旋转运动,Z 方向的进刀、退刀运动由Z 轴方向上的步进电机驱动滚珠丝杠来实现.其次,采用横梁移动、工作台固定实现X ,Y 运动的方式,机头在横梁上移动(X 向,实现雕刻宽度;横梁在底座上移动(Y 向,实现雕刻长度;主轴组件上下移动(Z 向,实现雕刻深度[1].最后,在X ,Y,Z 方向上的导向件均采用圆柱直线导轨,其导向精度可满足对工作台定位精度的要求,在保证整个系统的机械刚性的前提下,为了简化设计的结构,减轻整机重量,其主体框架采用硬铝制造,选用标准的紧固件和定位销连接.3.2 滚珠丝杠选用首先,丝杠导程的选择应根据进给时最高速度V max、伺服电机最高转速N max、电机与丝杠的传动比i来确定,丝杠导程应满足:P不小于V max/(i@ N max,进给最高速度为3000m m/min,步进电机最高转速为1000r/min,所以丝杠导程\3mm.其次,滚珠丝杠的精度直接影响数控机床的定位精度,在滚珠丝杠精度参数中,导程误差对机床定位精度影响最明显.在设计时,设定丝杠任意300mm行程变动量应为设计定位精度值的0.3~0.5倍,最后验算确定[2].再次,按额定动载荷初步确定滚珠丝杠规格滚珠丝杠副,在实际运用中额定动载荷值可按下式计算,C=f h@f d@f h@P d/f n,其中,f h为寿命系数,按滚珠丝杠预期寿命选取;f d为载荷性质系数,按工作载荷性质选取;f h为动载荷硬度影响系数,按滚珠及滚道表面硬度选取;f n为转速系数,按丝杠平均转速n d选取;P d为平均轴向载荷.在实际运用中,雕刻机工作条件及所占工作时间并无规律,平均轴向载荷及平均转速可按下面公式计算: P d=(2P max+P min/3,n d=(2n max+n min/3最小轴向载荷为工作台和工件作用下的导轨摩擦力,最大轴向载荷的计算即为机器承受最大负荷时滚珠丝杠副的传动力,它为切削力在滚珠丝杠轴向的分力与导轨摩擦力之和.最后查生产厂家提供的产品数据手册,选用导程为4mm,直径为16 mm,螺母为预紧端法兰螺母,C5级精度的丝杠副,定位精度为0.018m m.丝杠副确定后再对其稳定性、临界转速和刚度进行校核.3.3步进电机的选择3.3.1铣削力的计算进行一般切削时产生的铣削力可以分为轴向铣削力F x、径向铣削力F y和切向铣削力F z.其中切向铣削力F z是主运动方向的分力,消耗电机功率最大,因此只需计算此时的F z进行校核即可[3],F z =P max/V.由选用的直流电机特性曲线中可知,在功率最高输出点时的功率为592W,这个时候的速度为10000r/m in,当采3mm的铣刀时,得到V= 10000@0.003@3.14/60=1.57m/s,切向铣削力F z=P max/V=592/1.57=377N,轴向铣削力F x=0.8F z=302N,径向铣削力F y=0.5F z=188.5 N.3.3.2启动转矩的计算对于C5级精度的丝杠,G=0.85,已知P h=4 mm,设丝杠上最大负载G为200N,静摩擦系数L 为012.根据经验公式计算启动力矩T=(F+L G P h/2 G@10-3=0.312N!m,最后选用型号为56BYGH620和42BYGH418的2相4线混合式步进电机,其步距角为1.8b,静力矩为0.5N!m和0. 45N!m.4结束语由于软件需要PC机作为控制平台,且软件输出步进电机脉冲频率为25~40kH z,针对专业雕刻机加工效率较低且体积庞大不便移动的不足,可设计专用的运动硬件控制器替换PC,解释并加工代码,在极大提高效率的同时,也增加整机紧凑性和可移动性.随着雕刻机在各行业的广泛应用,其向着联网智能控制、自动换刀、高速雕刻、多轴雕刻及柔性化方向发展,所以选择设计方案时,应考虑雕刻机的发展方向,为雕刻机的功能扩展及升级预留空间.在设计中,雕刻机的雕刻头采用了2个方案,方案1是直接采用直流电机采用锥度配合安装小型精密夹头的方案,方案2是采用文中叙述的直流电机带动主轴机构装配ER11刀具方案,通过对比,方案1结构简单,精度为0.1mm左右,适宜于雕刻非金属材料,能满足精度不高的使用场合,造价低廉.精度低的原因主要是由于直流电机作为输出轴,受到轴向和径向力产生跳动,同时电机轴磨损造成,不能长时间保持较高精度.方案2结构通过试验,精度有非常大的提高,满足设计的目标要求,缺点在于使用的直流有刷电机噪音大些,可使用无刷直流电机替代,相对成本高些.参考文献:[1]张昱,刘志峰.经济型三维机械雕刻机的开发[J].机械制造与自动化,2006,35(4:28-31.[2]周燕.数控机床滚珠丝杠副的选择与计算[J].机床与液压,2005,(1:18-19.[3]谢红,沈斌,林建荣.基于CO SM OS的并联机床有限元分析[J].制造业自动化,2007,29(4:9-10.作者简介:王党利(1973-,男,陕西武功人,工程师,研究方向为机电工程应用及自动控制;宁生科(1964-,男,陕西西安人,教授,硕士研究生导师,研究方向为机电一体化;马保吉(1964 -,男,陕西西安人,教授,硕士研究生导师,研究方向为机电一体化及自动控制.。