自制低成本的数控雕刻机

一提到数控机床大家就会联想到它那高昂的造价,复杂的编程操作,使我们对它产生高深莫测的感觉。其实我们通过自己制作一些简单，低成本的数控小装置,如数控雕刻机来认识和学习这门技术知识,使我们从单一的电子爱好者提升到机电一体化的新领域,了解如今的数控技术。制作数控装置的难点在于装置的成本高昂，和机加工的困难，软件的简单设置和使用并不太难。高成本使以往自制的雕刻机不能被大多数爱好者所接受,我自己也是受这些因素的影响而对以往的雕刻机结构中的光杠及丝杆做了很大的简化,大幅度的降低了制作成本,下面介绍这台低成本的数控雕刻机。
这款微型数控雕刻机具有以下特点
1:龙门式结构稳定性好，加工幅面大，小巧轻便的台式设计重量轻可置于书包内携带。
2:它可以用来加工PCB版、PVC、压克力、密度板、木材等非金属材质的平面雕刻、刻章、3D浮雕等。可以用双色板来加工仪器仪表的面盘，使其制作的机壳接近产品。
3:它的加工精度可达0.1毫米能满足绝大多数的PCB版，图章，标牌的加工要求。
4:它的成本很低材料费大约（100-150元人民币）加工制作方便容易。
5：所用的材料都是日常能找到或买到的，减少了后部之忧。
6：制作过程不需要太复杂的工具，多数会用到台虎钳，电钻，手锯，样冲，丝锥，铰刀，卡尺，不同直径的钻头，螺丝等。
7：为了降低成本自制的接口驱动板采用洞洞板结构，比较容易也使成本最低。
8：为了降低成本主轴电机直接采用3.17mm的电磨,精度可以。
一: 机械结构
这台雕刻机采用了固定龙门结构如图1所示，整机分为 底台、龙门架、X轴拖板、Y轴工作台、及Z轴拖板,在底板1上固定着Y轴工作台的驱动步进电机、丝杠、及作为Y轴工作台滑动导轨的两根光杠及龙门架。在龙门架上固定着x轴拖板的驱动步进电机、丝杠及作为X轴拖板滑动导轨的两根光杠。在X轴拖板 上固定着Z轴拖板 的驱动步进电机、丝杠及作为Z轴拖板滑动导轨的两根光杠。在Z轴拖板上有固定电主轴的L型固定架及U型卡环。在X、Y、Z 三轴的拖板上焊接着与丝杠配合的螺母如图二 所示。为了降低制作难度及成本丝杠没有消回差装置，主轴电机直接采用卡口为3.17mm的电磨，功率及转速能满足要求。雕刻机的精度也在可以忍受的范围内。图3是这台雕刻机雕出的样品。
二: 接口驱动电路图
电路如图4所示电路由X轴 Y轴 Z轴三个完全相同的步进电机驱动部分组成。现在以X轴为列来说明其工作原理，电路主要由两块步进电机专用驱动集成电路L297 L298 组成。L297的主要功能是脉冲分配，在其输出端A、 B、 C、 D产生输出逻辑

脉冲推动L298，L297还设有两个PWM斩波器来控制相绕组电流，实现恒流斩波控制以获得良好的转矩频率特性。从HDR1（2脚)来的X轴脉冲进入U1(L297)的CLOCK(18脚）经过U1的处理在其输出端A、 B、 C、 D、 C（4、6、7、9脚）产生输出逻辑脉冲进入 U2(L298)驱动双H桥在其输出端（2 、3、13 、14脚)输出步进脉冲带动步进电机旋转。L298是双H桥高电压大电流功率集成电路驱动器。利用L297与L298组成一个完整的驱动系统，可驱动两相步进电机，最高电压为46V，每相电流达2A。U1的SYNC(1脚）是同步脚连接U3、U5的1脚实现多片L297的同步，U1的ENABLE（10脚）使能控制脚，控制输出逻辑，它为低电平时,INH1、INH2、A、B、C、D均被强制为低电平使L298驱动器不工作。CONTROL（11脚)用来选择斩波信号的控制当它是低电平时斩波信号作用于INH1、INH2上，而它是高电平时，斩波信号作用于A、B、C、D信号。前者适用于单级性工作方式而对于双极性工作方式的步进电机这两种方式都可以采用。S1U1的VREF(15脚)为基准电压调整脚，调整此脚电压来整定步进电机相绕组峰值电流。U1的cw/ccw（17脚）是X轴步进电机旋转方向指定脚，由HDR1（6脚)来的X轴方向指定信号连接于此脚。HALF/FULL（19脚）激励方式控制脚，高电平时为半步驱动方式，低电平时是整步驱动方式。RESET（20脚）是异步复位信号，其作用是将脉冲分配器复位。D3-D26是L298驱动器H桥的续流2极管。
三: 雕刻软件
机器使用雕刻软件分为两个部分：CAD/CAM设计绘图生成刀路，KCAM4控制雕刻机加工。
CAD/CAM软件则相当多这里选用的是国产的“文泰”它安装使用方便，可以实现平面、3D立体雕刻如刻章、仪器仪表的面板、PCB线路板、浮雕等的设计绘图生成加工刀路都能完成。，图5是文泰的界面。常用控制雕刻机加工的软件是MACH3、KCAM4等。这里选用KCAM4是因为它的设置容易，界面简单能对原图进行缩放等。现在以有汉化版的KCAM4。图6是KCAM4的工作界面。
四：加工制作
底台、X轴拖板、Y轴工作台、及Z轴拖板的加工采用1.5-2mm的冷轧钢板在弯板机上加工，在弯板机上加工能保证加工精度最理想。如果没有加工条件也可以手工在大台钳上用手锤弯制，手锤加工时要在被加工的工件上加垫铁以免工件上留下锤击印痕，弯制好以后要进一步整形，每个平面都不要翘曲并且互成90度角。为了保证打孔位置的正确保证平行垂直第一划线的划针针尖要细，划线要准确，样冲定位窝要细心准确。 第二打孔分两次打比方打直径6毫米的孔，先用4毫米直径钻头打孔，根据十字定位划线来确定打好的4毫米直径孔位是否准确，如不准确要用园什锦锉修正，最后用6毫米钻头扩

孔，这样孔位误差比较小。龙门架可以采用1.2mm壁厚的防静电地板的铁龙骨用手锯按图加工锯开，在台钳上弯制加工整形完成。作为X、Y、Z三轴导轨的光杠要求平直表面光滑直径在8-10mm为宜。可以拆解废旧针式打印机字车滑轨，及旧的激光打印机墨盒里的上墨胶辊轴来解决。每个方向的两个光杠要等长端面要平整，在其端面中心钻孔攻M5的丝，用5mm螺栓固定，做工一定要横平竖直.尤其是每个方向的两根光扛要绝对的平行，这一点非常重要，它决定了制作的成败 。三个轴的丝杠选用直径6mm，螺距为1mm的丝杆，这种丝杆可以利用五金店里出售的装修吊顶用的长丝杆截取需要的长度，螺帽与丝杠要配合好转动时阻力与间隙要小，螺帽焊接在拖板对应的孔中，使回差最小提高雕刻机的精度如图二。滑套是在五金店购买的黄铜软管连接件图7，要选内经略小于滑杠直径的，再用手工铰刀将内经绞剐到与滑杠精确的配合，不要有逛量，滑动时阻力要很小，必要时用金相砂纸抛光光轴，把滑套切成6毫米长的段，共12段再将它用大功率烙铁焊于拖板对应的孔中，焊接时不要将滑套内侵入焊锡如图2，要用氯化锌（俗称“坏水”）做助焊剂保证焊接质量。装配时要细心滑台滑动时阻力小且一致，如果阻力大可用烙铁对滑套重新加热已达到要求。步进电机是在卖二手电脑的地方买旧的160K针式打字机拆下的EM-44型，及相似的老式软盘驱动器里面的两相步进电机。 步进电机的轴和丝杆是通过一小段6毫米直径的拉杆天线的铜管连上的，丝杆与铜管焊牢并保证同心，铜管另一端套入步进电机轴，再横向钻一小孔插入销钉固定，丝杆另一端是螺母焊接于拖板上。 这个雕刻机根据自己的材料大小尺寸灵活掌握大点小点都可以，但整机不要太大以免钢性差。图11、12是金属零件图。图13是制作完成整机。接口驱动电路板，为了试验方便和降低成本自制的接口驱动板没有采用PCB板而采用了洞洞板结构，比较容易调试也使成本最低，电路如图4原件排列如图8。图中集成电路L297,L298 在网上邮购二手拆机件，其余元件本地都能购得到，D3-D26要用2安50伏的高速2极管。驱动板的工作电压为12伏采用12伏2.5安培直流稳压电源供电，图中5伏电压通过7805在12伏中取得，采用洞洞板飞线焊接体积很小巧，因为步进电机的力矩不是很大，不至于损坏所以去掉保护行程开关电路简化了电路，只要元件良好连线无误就可正常工作，接口驱动板总体造价大约在25元。安装时首先将原件按图8插入洞洞板对应的孔中，用25瓦电烙铁将管脚焊好，在反面用0.13mm的助焊漆包线按原理图焊接好,L298 H桥的大电流输

出端，电源供电端应该用0.5mm漆包线焊接。安装好KCAM4软件就要进行KCAM4的设置，软件的界面如图6首先进行端口设置按照原理图中HDR1接口的功能排列进行设置。打开kcam4/设置/端口设置/LPT设置/引脚设置，如图9、工作台设置：打开kcam4/设置/工作台设置/坐标轴设置,如图10。
雕刻机的使用
雕刻机的使用主要还是软件的使用例如首先用文泰设计出雕刻图案字体延后进行2D或3D转换，最后生成刀路图保存。将保存的刀路图录入KCAM4,设置好原点及参数就可进行雕刻作业。软件带有详细的帮助说明。大家可以到雕刻网站上探讨学习雕刻机软件的使用。