雕刻機控制系統的研究

劉偉

【摘要】隨著數控技術的不斷進步與融合、激光雕刻的廣泛應用，而隨之發展的雕刻機在廣告、藝術品制作等行業也成為企業的焦點。數控雕刻機與以往數控控制器開發相比，該技術在集成化和標準化接口方面有很大的改善，但仍然缺乏對生產過程變量的觀測。為此，在傳統機械結構的基礎上，對經濟型數控雕刻機的控制系統進行了深入分析和研究。基于此，文章就雕刻機控制系統進行簡要的分析，希望可以提供一個借鑒。

【關鍵詞】雕刻機 控制系統 措施

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）11-0082-02

一、數控雕刻機

數控雕刻機就是CNC技術和雕刻工藝相結合的產物。作為一類特殊的數控機床，他通過數控系統執行相應的加工程序代碼來控制雕刻機完成雕刻動作。能方便快捷地在各種軟性材料（有機玻璃、雙色板、多層板、板材、亞可力、木材、橡膠等）和硬性材料（黃紫銅、鋁、不銹鋼、欽合金等）上雕刻出逼真、精致、耐久的二維圖形、文字及三維立體浮雕。實現了自動化、高效率和高精度的雕刻加工。

數控雕刻機具有以下主要特點：

第一，自動化程度高。整個雕刻過程都是數控雕刻機自動完成的，無需人工操作。

第二，產品的尺寸精度高，一致性好雕刻過程是由計算機控制完成，以達到很高的精度，表面質量批量加工時，產品具有很好的一致性。

第三，拓展了雕刻領域。通過執行各種相應的加工代碼配合多種刀具，數控雕刻機即可完成浮雕、各種復雜曲面的雕刻加工，提高了雕刻效率。

二、雕刻機的主要技術要求

1.激光發射器的要求

激光發射器是實現雕刻機的刀具，發射聚光束的激光，控制系統控制激光器電源的通斷和輸出功率的調節，激光發射器發射出來的激光束傳輸到雕刻位置，實現雕刻。激光束發射的精度直接影響雕刻的精度，激光發射器是安裝在工作臺上，工作臺的移動由橫軸的步進電機控制的，所以步進電機的控制直接影響雕刻的精度。因此，激光發射系統的設計須滿足：在激光器輸出最大功率確定的情況下，選用光速度快的激光管；在激光發射器調焦時，盡可能找到最小最亮的聚光點；結構設計合理，雕刻機工作時，縮短激光的傳輸距離減少能量的損失。

2.步進進給系統控制的要求

步進進給系統由步進驅動單元、步進電機、傳動軸、同步帶等組成。數控系統發送一定量的脈沖給驅動單元、驅動單元將定量的脈沖放大功率后送步進電機，電機帶動傳動軸、同步帶等控制激光頭在橫軸和縱軸上的進給。步進電機轉角的大小控制雕刻精度，設計時須考慮幾個方面：在滿足工藝要求的情況下，選用小步距角的步進電機；控制系統直接影響步進電機控制的穩定性、可靠性；激光頭安裝在導軌，因此導軌的直線度、剛度有一定的要求；對工作臺進行水平調節，工作臺的平面度要滿足設計的要求。

3.數控系統控制的要求

控制系統利用軟件將圖像自動生成控制程序控制機械部分、激光發射系統執行雕刻任務，根據圖形情況，在電腦上完成處理，通過USB接口傳送到控制器中。在設計控制系統時要滿足幾個原則：對雕刻的對象，須完成圖像的處理，才能保證雕刻任務的完成；要使效果更佳，允許使用Photoshop、魔漫相機等輔助軟件；要保持穩定性和可靠性。

三、小型數控雕刻機控制系統設計

本小型數控雕刻機的傳動機構采用絲杠傳動，因為絲杠傳動具有精度高、分辨力高、空程和回程誤差小以及自鎖功能等優點，對于精確定位非常有利。絲杠傳動是精密機械傳動中常見的一種形式，其主要作用是將旋轉運動變為直線運動，在小型數控雕刻機中主要是實現位移傳動。

本小型數控雕刻機采用常見的開環數控系統。開環數控系統一般采用步進電動機控制，由數控裝置發出進給脈沖，經功率放大后，驅動步進電動機轉動1個步距角，再經減速齒輪帶動絲杠旋轉，并通過絲杠和螺母副傳動，使工作臺產生相應的位移。由于沒有位置反饋和校正控制，其位移精度取決于電動機的步距角和傳動機構的精度，又由于進給脈沖和方向信號發出后，移動的實際值并沒有反饋；所以，稱其為開環系統。開環控制系統的精度較低，速度也比較低；但是，其結構簡單，易于調試，目前在簡易、經濟型數控系統中采用。

數控運動控制器是界于計算機與機床驅動器之間的裝置。使用計算機的USB接口，無需任何額外的軟件。控制卡能夠兼容絕大多數電動機驅動器，取代并口驅動板。

USB數控系統主要由3部分組成。按照由上到下的順序，頂級的PC組件包括PC主機硬件的USBHOST接口、USB驅動程序和USBCNC控制器卡管理系統的PC軟件部分；位于中間的USB接口數控卡（下位機）包括18F4550主控單片機芯片、外圍接口電路組成的下位機硬件系統和下位機單片機控制軟件；最下面的人機接口電路系統包括各種機床的I/O接口驅動系統。

從硬件連接上看，系統由2部分組成，即開發板和PC機。當前的PC機至少具有4個USB接口，用于連接開發板和PC機。

設備驅動程序是Windows核心的一部分，其與系統中的USB總線驅動程序一起，完成PC對設備的管理。客戶應用程序主要完成PC機的監控功能，將各種機床控制命令和文件數據程序輸入到下位機，顯示當前的工作狀態。

總而言之，數控雕刻機的研究具有廣闊的前景，這項研究成果不僅僅可以應用在加工領域，還可以廣泛應用到其他領域。經過實際應用，數控雕刻機的控制系統硬件安全可靠，軟件功能強大，操作簡單。實現了整機的經濟合理、方便實用。

參考文獻：

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