基于PC的小型雕刻機的設計

2016-11-04 10:45:06常宏斌郭寶坤

科技與創新 2016年18期

常宏斌　郭寶坤

摘要：通過PC并口，將Mach3作為控制軟件，選用三軸步進電機控制板作為主控制板，步進電機通過滾珠絲杠副帶動X，Y和Z軸運動，主軸用直流電機控制，通過設計電氣控制電路和機械結構，實現三軸聯動的小型雕刻機。

關鍵詞：小型雕刻機；March3軟件；PC；步進電機

中圖分類號：TP391.73 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.18.094

隨著電子技術和計算機技術的發展，基于PC和Windows平臺的數控雕刻技術得到了質的飛躍，小型雕刻機可以用作PCB、PVC、圖章、木材的平面雕刻加工等，深受許多DIY愛好者的喜愛。美國“雕霸”、法國“嘉寶”和日本“御牧”等雕刻機質量優秀，但體積大，價格高昂，國內北京“精雕”、上海“啄木鳥”等雕刻機，價格也較昂貴，超出個人的承受范圍。國內有一些機械電子愛好者因興趣愛好，設計制作了滿足個人某方面需求的小型雕刻機，但其具有較強的私人性，并沒有得到進一步的推廣和開發。為此，設計開發了一臺結構簡單、軟硬件開放、功能較為齊全、成本低的小型雕刻機。

1 總體方案設計

基于PC的小型雕刻機要滿足個人愛好者制作DIY電路板、雕刻文字等需求，因此設計通過PC驅動電路板控制雕刻機的運行，方便在電腦上進行CAD/CAM設計后，直接實施加工。為了降低成本，要求軟硬件開放。總體設計方案如圖1所示。

PC上裝有數控軟件，通過并口與步進電機驅動器連接，驅動三個軸的步進電機轉動。步進電機通過機械傳動結構實現三軸往返運動。機身部分直接決定了機器的穩定性與可靠性。為了個人使用方便，可以選用質量較輕的的鋁合金材料，便于搬運，也可以使用更加便宜的普通鋼材。

2 機械部分設計

2.1 機身結構設計

總體來說，小型雕刻機機身有以下3種結構形式：①移動龍門式。這種結構平臺固定，X軸與Z軸通過Y軸帶動龍門結構移動，機身部分為工作平臺；行程大，但穩定性差，精度要求高，如圖2所示。②固定龍門式。龍門與機身位置固守，工作平臺為Y軸。Z軸安裝在X軸上移動。該結構穩定性較好，精度高，但行程小，工件質量全部加載在Y圓軸上，且Y軸導軌比X軸更容易磨損，如圖3所示。③移動臺面式。X，Y軸水平移動，Z軸負責上下移動。這種結構適合較大功率的主軸，可用于金屬、石塊和木板等的加工，機身占地面積小，結構簡單，安裝方便，并且成本較低。根據項目設計特點，選擇此種結構形式。

整個機械結構如圖4所示。步進電機通過支架固定在機身上，再通過聯軸器與絲杠連接，完成運動的傳遞。主軸電機高速轉動帶動主軸刀具轉動，完成切削。為了簡化設計、降低成本，可以采用鋼鐵材料或鋁合金型材。通過Pro/E對零部件進行尺寸設計和三維建模，完成虛擬裝配。

2.2 三軸傳動結構設計

X，Y，Z方向即三軸傳動結構由絲桿、光桿、滑塊以及支架構成。步進電機通過聯軸器與絲桿連接，光軸用于導向，最終實現由步進電機的旋轉運動轉化為直線往返運動。工作臺用來放置待雕刻物體，工作臺與X軸絲桿和光桿連接在一起。其中，三軸的絲桿和光軸分別通過軸承座安裝在機身前后板上，絲桿通過一個螺母和滑塊與三軸的固定板面連接，光軸通過兩個滑塊與三軸的固定板面聯接。

2.3 主軸系統結構設計

主軸的工作方式是刀具在做高速轉動時進行Z軸方向的進刀和退刀運動，Z軸方向除了由步進電機帶動絲杠通過螺母進行上下運動外，還需要實現切削的主運動，主軸系統為刀具提供動力裝置是專用的主軸電機，通過手動調速來實現速度的調節。

3 電氣部分設計

3.1 總體概述

本部分主要包括控制軟件、電源、控制卡、步進電機這4部分。其整個工作過程是，在電腦上通過Mach3軟件設置好相關信息后，用打印并口線把電腦與運動控制卡連接，相應的加工代碼信息脈沖通過步進電機驅動器控制X，Y和Z軸步進電機轉動，實現來回往返移動。電氣控制如圖5所示。

3.2 雕刻機控制軟件

小型雕刻機的控制方式共有以下3種：①維宏卡接口。該方式加工效率高，加工軌跡三維圖形仿真，加工過程實時三維顯示，即使突然斷電也能保存工作原點，但價格貴，且靈活性較差。②USB CNC。該方式使用方便，USB傳輸信號的距離比并口遠，使用USB-MACH3的運動控制卡也越來越多，但運行不如LPTl連接方式穩定。③LPT接口。連接后機器各方面運行穩定，且不易出錯，技術更成熟，但新筆記本電腦沒有該接口，不方便使用。

本設計用的控制軟件是Mach3軟件，是美國ArtSoft公司開發一款借助Windows作為平臺的數控軟件。軟件使用電腦的LPT接口外接設備的連接口，可利用Artcam等cam軟件里生成的代碼（即G代碼）產生輸出脈沖與方向信號，控制步進電機，從而實現控制整個數控機床。Mach3具有運行穩定、操作簡單、技術成熟、能直觀顯示刀路等優點。

3.3 電源部分

電源部分的作用就是給雕刻機整個控制系統提供工作電壓。本設計控制系統需要的電壓有48 V、24 V和5 V，48 V是主軸電機的工作電壓，24 V是步進電機的工作電壓，5 V是控制卡正常工作時的邏輯電壓，即高電平。

3.4 步進電機驅動板部分

驅動板是雕刻機的核心部件，主要是將計算機發來的脈沖信號按順序分配，驅動步進電機轉動。本設計選用的驅動器控制板是TB6560，其是三軸驅動，有細分流開關、5 V電壓的隔離裝置、急停開關和三軸的限位開關等接口。VCC接電源的正極，GND接電源的負極，輸入信號是5 V使能信號。

3.5 步進電機部分

步進電機有很多種，根據設計目標選用的是兩相六線的57步進電機。這種步進電機帶有出軸，可以省去手動撥輪，使用起來更加方便。

4 調試

雕刻機控制系統的整個工作過程是，在電腦上通過Mach3軟件設置好相關信息后（G代碼），用打印并口線把電腦與控制卡連接，控制卡接到由電腦傳來的脈沖后，實現對步進電機的控制。控制卡三個軸上都有細分流開關，通過電流的“細分”可以對電機在運行的過產生的振動、噪聲等得到較好的降低。為了滿足需要，還需對雕刻機設置限位開關和急停開關接線。

4.1 Mach3軟件調試

4.1.1 配置并口參數

并口參數主要包括公、英制選擇，端口、針腳設置和定義等，如圖6所示。

4.1.2 電機參數設置

選擇“設置→電機調試”菜單，如圖7所示，分別設置 X，Y和Z軸；設置各軸的電機參數，每軸設置完后都需要按“保存設置”按鈕保存設置。

4.1.3 Mach3驅動測試

Mach3安裝好并按上述步驟設置好之后，需要Mach3安裝目錄下的DriveTest.exe文件對Mach3并口驅動及電腦與Mach3的兼容性進行測試，運行DriveTest.exe。如果驅動沒有安裝好，則會提示，需要重新安裝并重啟電腦。

4.2 測試加工

以上各項都設置無誤后，確保航空插頭，并口線連接良好。手動測試急停開關，通過鍵盤方鍵移動各軸，手動調速等功能，然后導入G代碼，裝夾雕刻的材料，對刀并設置零點，按循環開始雕刻加工測試。

5 總結

本文設計了一款適合個人使用的小型雕刻機，利用Mach3作為PC機上的數控軟件，選用合適的步進電機驅動器，用三維軟件設計機械傳動結構，并進行了虛擬仿真裝配。經過測試，實現了設計的功能，達到了預期的目的。

參考文獻