小型雕刻機系統設計

史穎剛，劉 利，聶南天，劉建實，周 政

(西北農林科技大學 機電學院，楊凌 712100)

0 引言

隨著微機的普及，基于微機的數控系統已經是大勢所趨。應用微機技術開發工業控制系統，可以得到硬件和軟件的強有力支持，避開專有技術制約，在較短時間內可達到較高水平。本文設計的基于打印接口的數控雕刻機，雕刻材料主要為木板、橡膠等，性能要求不高，結構簡單，便于演示應用，同時又能體現機電系統特點。

在分析雕刻機參數的基礎上，初步確定設計基本參數為：主軸最高轉速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，脈沖當量0.01mm。

1 系統總體設計

數控雕刻機的基本布局通常有立柱式和龍門式兩種結構，由于立柱式雕刻機的穩定性不好，本設計采用龍門式結構。

1.1 主軸運動系統的設計與校核

雕刻機在工作中主軸主要所受的力主要是銑削力和鉆削力、扭矩。教學用雕刻機主要加工具有良好塑性和較高強度的非金屬材料，因此以硬質合金直柄立銑刀（d0=6mm，齒數Z=2）和高速鋼標準麻花鉆（d0=3mm）在鋁板上工作的情況為依據進行設計與校核。

1.1.1 主軸銑削力、扭矩、功率計算

查資料得雕刻機銑削力、扭矩、功率計算公式，及其修正公式。修正參數CF=116，XF=1，YF=0.75，UF=0.85，qF=0.73，WF=-0.13，KFZ=0.25。

其中進給速度vf=αfzn(mm/min)，銑削速度v=π d0n/103(m)，銑削深度αq，銑削寬度αw，銑刀外徑d0，每齒的進給量αf，銑刀齒數z，銑刀轉速n。

將參數帶入表2公式，計算結果如表2所示，表中n絲為絲杠轉速。

1.1.2 主軸鉆削力、扭矩和功率計算

查資料得雕刻機鉆削情況下，各要素的計算公式及其修正公式，如表3所示。各修正參數如下：CF=600，ZF=1.0，YF=0.7，KF=0.25，CM=0.305，ZM=2.0，YM=0.8，KM=0.25其中進給速度vf=αfzn(mm/min)，銑削速度v=π d0n/103(m)，銑削深度αq，銑削寬度αw，銑刀外徑d0，每齒進給量αf，銑刀齒數z，銑刀轉速n。

表1 銑削力、扭矩和功率計算公式

表2 銑削力、扭矩、功率計算結果

將上述參數代入表4的公式中計算得到表3所示結果，n絲為絲杠轉速，功率值的計算結果非常小，所以直接忽略。

表3 鉆削力、扭矩、功率計算結果

1.1.3 主軸電機選擇

根據上面的計算結果，主軸所需的最大功率為0.055kW，最大扭矩為0.062Nm，安全系數取2，則額定功率P≥0.055×2=0.110kW，額定扭矩M≥0.062×2=0.124N·m。

根據以上計算結果選擇的主軸電機，參數為：工作電壓為DC 12V～48V，功率0.3kW，轉速3000r/min～12000r/min，扭距0.3N·m，絕緣電阻＞2MΩ，絕緣介電強度400V。

1.2 絲杠選擇與校核計算

雕刻機絲杠所受載荷主要為主軸套件重量、平臺和工件的重量，這兩部分的質量都不是很大，所以設定負載質量取最大為10kg。根據設計要求，選定的絲桿基本參數為：最大扭力100N，最大行程370mm，最高轉速1000r/min，硬度HRC≥58，最大扭矩15000N?cm。根據設計要求和工作條件，絲杠的其余參數計算后如表5所示。

根據上述設計，選擇絲杠的型號為4R16-04T4-2FDIC-350-451-0.018 R，X、Y、Z軸的有效行程分別為350mm、330mm、124mm、總長分別為451mm、431mm、225mm。

1.3 雕刻機二、三維圖紙設計與零件加工、裝配

利用CATIA軟件設計了雕刻機零件的三維圖，并且進行裝配，形成了雕刻機的三維裝配圖，如圖1所示。將零件三維圖形信息轉化為二維CAD圖，并進行加工、組裝，得到系統的機械裝配圖，如圖2所示。

圖1 雕刻機的三維裝配圖

圖2 雕刻機的機械裝配圖

2 雕刻機控制系統設計

雕刻機控制系統架構圖如圖3所示，第一級是計算機，利用ArtCAM和MACH3軟件，在計算機上完成圖像編輯、刀路和G代碼的生成、參數設置、插補計算、實時監控等功能，通過并口輸出電機控制參數。第二級是接口電路，計算機輸出的控制參數通過光電隔離，傳遞給下一級控制器；完成自動和手動控制的切換；把限位開關的狀態信息傳遞給計算機。第三級是電機驅動電路,根據接口電路傳遞的控制信息，X、Y、Z三軸步進電機按設計軌跡運動，主軸電機調整轉速，進給系統和主軸配合下，完成圖案雕刻。

表4 鉆削力、扭矩、功率計算公式

表5 絲杠參數選擇計算結果

圖3 雕刻機控制系統機構框圖

2.1 直流電機調速電路

直流電機調速采用PWM法，調速系統結構圖如圖4所示，包括主電源、驅動電源、脈沖隔離、電動機。設計的調速電路如圖5(a)所示，主軸電機轉速既可由PWM發生器調節，也可由電腦產生的PWM調節，當開關S1切換到1時，電機轉速由電腦控制，當S1切換到3時電機轉速由人工手動控制。其中驅動電源和電機電源直接由電源模塊給出，電腦輸出的雕刻機工作過程中的PWM是由軟件直接產生，經過接口電路送到電機。圖5(b)所示為PWM手動調節電路。

圖4 PWM調速系統結構圖

555定時器U1組成的多諧震蕩電路的震蕩周期T=（R1+2R2）Cln2=3.290ms，間隔時間T2=R2Cln2=0.033ms，555定時器U2組成的單穩態觸發器的暫態時間tw=RCln3=0.775ms，f=1/T=304Hz。

當單穩態觸發器的3號引腳輸出高電平時，圖5(b)所示的光耦隔離導通，電機工作。調節可變電阻R5，單穩態觸發器5號引腳的控制電壓也隨之變化，電壓降低，暫穩態時間也變小，3號引腳輸出高電平的時間變短。一個周期內的光耦隔離導通時間變短，電機轉速下降，即電機轉速隨單穩態觸發器的3號引腳輸出的高電平的寬度變化而變化，實現了PWM調速。當電壓比較器輸出低電平時，單穩態觸發器的4管腳變為低電平，被復位，3管腳輸出低電平，電機停轉，該調速電路輸出的PWM可實現電機從零到額定轉速的速度連續可調節。

2.2 進給伺服系統設計

圖5 電機調速與控制電路圖

步進電機選擇2相四線混合式57BYG250-76。進給伺服系統驅動電路以TB6560AHQ芯片為核心，主要包括TB6560AHQ外圍電路、隔離電路和自動半流電路。圖5(d)所示為TB6560AHQ的外圍電路，有2組電源，其中5V的是邏輯電源，接VDD； 24V是電機電源，接VMB和VMA。OUTAP、OUT—AM、OUT—BP、OUT—BM分別為步進電機兩相的輸出接口，直接電機即可。NFA和NFB為A、B相驅動電流最大值定義端，接大于0.2Ω電阻。定義好最大電流后，改變圖11中脈沖產生電路的撥碼開關S1的1和2的斷開和閉合，改變TQ1、TQ2端口電平，設置輸出電流比率。當TQ1、TQ2端口分別為11、10、01、00時，最大輸出電流分別為定義最大電流的25%、50%、75%、100%。PGNDA、PGNDA、SGND分別為電機A、B相驅動的引腳地和邏輯地。OSC所接電容為100pF～1000pF時，斬波頻率為400Hz～44kHz。DCY2、DCY1是電流衰減設置，由S1的5、6控制，詳見表10；M2、M1是細分控制端口，由S1的3、4控制，如表6所示。RESET是復位端口，低電平有效。MO接工作狀態指示燈，PROTECT接過流保護燈。

ENABLE 、CW、CLK三個管腳接電腦給出的控制信號ENABLE 、CW、CLK，使用2片6N137，光耦隔離頻率高的CW、CLK信號，使用芯片TLP521，光耦隔離頻率低的ENABLE信號。

表6 細分、電流衰減控制詳表

2.3 電源設計

電源電路如圖5(c)所示，變壓器T1的匝數比為5，把220V交流電降到44V。經整流電路整流成直流電，采用適應性強的LC濾波電路濾去交流成分，以適應主軸電機的大范圍電流波動，最后經過穩壓電路，得到穩定電壓。D1、D2是兩個24V的穩壓二極管IN4749，當該二極管被反向擊穿后，電流在一定的范圍內變化，二極管兩端的電壓基本不變。這樣就可以把經過濾波電路的44V的直流電穩定在24V，提供24V和-24V的直流電壓輸出，給步進電機供電，24V輸出端和-24V輸出端之間的輸出電壓是直流48V，給主軸電機電源供電。LM7812穩壓芯片可以把24V的電壓穩定到12V，給主軸直流電機控制電路供電。LM7805把LM7812給出的12V穩定到5V，給進給系統控制電路供電。

圖6 接口電路完整電路圖

2.4 接口電路設計

接口電路是電腦和電機驅動電路之間的橋梁，把電腦給出的控制信號，進行整形等處理后，經光耦隔離電路送給電機驅動電路，驅動電機實現預定運動。設計的接口電路如圖6所示，主要包括保護電路、手動控制電路、光耦隔離電路等。保護電路中，P1、P2、P3、P4分別接X、Y、Z軸的限位開關和急停按鈕。當雕刻機運動超出行程時觸動限位開關，光耦導通，電腦對應管腳的高電平變為低電平，電腦作出停機的決策，雕刻機停止工作。對雕刻機和系統起到保護良好的作用。進給系統的手動控制電路，包括脈沖產生電路、手動控制按鈕和手動/自動控制切換電路兩部分。脈沖產生電路是一個用555定時器構成的多諧震蕩器。多諧震蕩器周期T=0.065ms～3.290ms，T2=0.0325ms，則其頻率為304Hz～15385Hz，占空比為0.5～0.99。調節R6的阻值可以改變輸出信號的占空比和頻率，從而改變電機的速度。S1是手動/自動（電腦）控制切換開關，S2、S3、S4分別是X、Y、Z軸進給方向與使能控制按鈕。通過切換可以自由控制雕刻機每一個軸的進給方向和進給量。

并口接口與整形電路，采用25針的并口連接，同時加入兩片74HC146路施密特觸發反相器，對計算機輸出的信號進行整形。整形后的信號通過光耦隔離電路送給電機驅動電路。表7所示為25針并口的各端口定義，未提及的15～17管腳懸空，18～25管腳接地。

表7 打印機口定義表

2.5 系統的整體接線示意

根據設計的電路圖，系統的整體接線示意圖如圖7所示。

3 軟件設置與實踐應用

圖7 控制系統整體接線示意圖

控制軟件主要包括ArtCAM和MACH3，系統利用ArtCAM完成圖像設計、刀路模擬、G代碼生成的工作。根據加工對象模擬出刀具加工路徑,并獲取G代碼,將G代碼導入MACH3軟件進行加工控制。定義MACH3的通信協議后,將ArtCAM產生的代碼導入MACH3中,由MACH3軟件進行插補、刀補等預處理。根據加工要求對設置MACH3的參數。包括進給速度Vf、加減速時間t、工件偏移量、刀具信息等。MACH3就會根據G代碼和設定的參數輸出符合要求的控制脈沖信號給接口電路。如圖8所示，MACH3的主要端口的設置定義界面。

圖8 電機輸出端口定義

4 結束語

本文設計了數控雕刻機零件的三維模型，建立了整機的三維模型圖。對主軸、絲杠等關鍵部位進行校核計算；以555定時器為基礎，設計的主軸控制系統，能通過手動和自動方式控制主軸直流電機；以TB6560AHQ芯片和MACH3軟件為核心，設計的伺服進給控制系統，可實現由軟件實現圖案設計，刀路、G代碼、刀補預處理、速度預處理、插補等流程，通過并行接口輸出控制脈沖信號，驅動步進電機執行相應動作；系統還設計了保護電路、接口電路、電源等輔助電路。

系統雖然已在實踐中應用，但依然有不足之處，如為提高電源質量，供電模塊應設計為開關電源；為使系統結構更加簡單，通信高效，應引入總線結構；為增加系統應用的方便靈活性，應在接口板上增加DSP芯片，使系統能根據存儲器中的加工代碼進行加工，實現脫機運行；為適應制造業信息化的要求，增加遙控模塊，對步進電機采用分布式現場總線控制，在后續的研究中，我們將會加大這一方面的研究力度。

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