DIY自動雕刻機數控系統的設計

摘 要：數控雕刻機是一種用于雕刻加工的機電一體化機床。可加工各種材料，如銅、鋁等金屬材料，以及塑料、陶瓷、石材等非金屬材料。因此，它被廣泛應用于各行各業，具有非常廣闊的市場前景。數控雕刻機的使用大大提高了雕刻加工的效率，為制造業的發展提供了動力。數控雕刻機通過其控制系統控制步進電機和電主軸的運行。步進電機通過聯軸器驅動螺桿旋轉。絲杠帶動絲杠螺母及其固定件作直線進給運動。通過對機械系統的總體設計、機械系統主要部件的設計和控制系統的設計，所設計的數控雕刻機能夠完成X、y、Z方向的雕刻加工，達到了預期的目標。

關鍵詞：DIY雕刻機;數控機床 ;設計

第1章? 數控雕刻機綜述

數控雕刻機是一種采用數控技術的專用機床。它通過控制系統識別程序代碼，并將程序代碼轉換成能驅動電機運行的帶功率信號，從而控制雕刻加工。與傳統手工雕刻相比，它具有效率高、精度高、成品率高等優點，受到眾多企業的歡迎，最終成為雕刻機發展的主流。

第2章 機械系統總體設計

2.1 整體結構設計

（1） 底座零件

作為整個雕刻機的基礎，它起到了支撐雕刻機的作用。雕刻機的所有重量都作用在它上面，所以它必須有一定的剛度，不能有嚴重的變形。

（2） 工作臺部分

臺面部分包括導軌、Y軸方向絲杠和上臺面。工作臺的作用是支撐雕刻對象。通常，工作臺被設計成表面有T形槽的平臺。它在絲杠的驅動和導軌的引導下沿直線運動。

（3） 橫梁部分

這部分結構由x軸絲杠及其兩側的導軌以及支撐橫梁的支架組成。橫梁支撐z軸部件。

（4） 鼻部

該部分結構由主軸總成、絲杠、支架和導軌組成。該機構的作用是實現雕刻機的Z向雕刻。

2.2進給系統

數控雕刻機有三個不同的進給方向，每個方向的進給運動都是其進給系統的一部分，這些部分共同構成了雕刻機的進給系統。驅動過程為：驅動電路控制驅動電機運行，電機驅動傳動機構傳遞動力，最后將動力傳遞給執行部件，實現全方位的進給。

2.3 主傳動系統

主傳動系統由主軸電機、主軸總成和刀具組成。數控雕刻機主要有兩種傳動方式。一種是用專用雕刻頭直接雕刻，二是用直流電機將轉矩傳遞給主軸及其連接的刀具進行加工。專用雕刻頭價格相對昂貴，不適合小型簡易雕刻機。

如果采用第二種方法，則需要選擇直流電機驅動主軸。直流電動機具有以下特性：

（1） 調速范圍比較大：直流電動機的轉子可以在更大的范圍內旋轉，更容易調整和選擇合適的轉速。

（2） 轉速的機械特性具有良好的線性。直流電動機的轉速與控制電壓和轉矩成線性關系。

（3） 反應速度比較快：轉子一收到控制信號就可以立即做出反應。

經過綜合考慮，確定主傳動系統采用第二種傳動方式，驅動電機選用電主軸。主傳動系統的傳動過程是：電主軸通過耦合裝置與刀具直接連接，傳遞扭矩，實現刀具的旋轉。

第3章 機械系統主要零部件設計

根據作業書中的設計參數，脈沖當量？=0.01mm，步進電機通過聯軸器直接與絲杠連接，傳動比i=1。根據雕刻機的相關信息，一般雕刻機的引線可選擇為pH=5mm，將已知的相關數據代入方程3-1，得到臺階角α=0.72°。步進電機在這三個方向上的最大額定轉矩為5N？m，因此這里選擇的步進電機保持轉矩應大于5N？m，根據步進角和保持轉矩的值，步進電機型號初步確定為90byg550c-0301。

3.1? X軸滾珠絲杠螺母副及其支承軸承的選擇

首先對雕刻機的x軸絲杠進行受力分析，得到x軸絲杠的等效軸向載荷，然后計算出絲杠的預期額定動載荷和允許的最小螺紋底徑，然后根據預期的額定動載荷和允許的最小螺紋底徑確定各絲杠的類型和尺寸，最后根據選擇的滾珠絲杠螺母副選擇合適的支承方式和支承所用的滾動軸承。

確定絲杠的等效載荷。雕刻機空載時，x軸絲杠的軸向載荷來自導軌的摩擦力。當雕刻機以刀具最大速度加載時，x軸螺釘的軸向載荷來自導軌摩擦力和刀具沿x軸方向的切削阻力。

3.2? Y軸滾珠絲杠螺母副及其支承軸承的選擇

首先對雕刻機y軸絲杠的受力進行分析，得到y軸絲杠的等效軸向承載模型（basic/mm），然后分別計算出絲杠的預期動載荷額定值和允許的最小螺紋直徑，然后計算出該絲杠的型號和尺寸根據預期額定動載荷和允許的最小螺紋底徑確定每個絲杠。最后，根據所選滾珠絲杠螺母副，選擇合適的支撐方式和支撐所用的滾動軸承。

雕刻機空載時，y軸絲杠的軸向載荷來自導軌摩擦力。當雕刻機以刀具最大速度加載時，y軸螺釘的軸向載荷來自導軌摩擦力和刀具沿y軸方向的切削力。

3.3 聯軸器的選擇

本設計采用彈性聯軸器，其特點如下：

（1） 整體式金屬彈性體

（2） 零旋轉間隙，同步運行

（3） 它可以補償軸在各個方向上的偏差

（5） 前進和后退沒有區別

（6） 無需維護，耐油性強，耐腐蝕性好，滾道表面硬度為HRC

（7） 它由鋁合金或不銹鋼制成

（8） 用頂絲或夾鉗固定

3.4 滾珠絲杠的校核

每個軸的滾珠絲杠由兩個固定端支撐SK是滾珠絲杠螺母副的壓縮剛度，BK是支撐滾珠絲杠的軸承的軸向剛度，CK是滾珠絲杠滾珠與滾道之間的接觸剛度

第4章 數控系統設計

4.1 鍵盤設計

為了保證一些簡單控制的順利實施，控制面板上有三個控制鍵，它們起主要的控制作用。此外，還有13個功能數字鍵。三個控制鍵分別是啟動鍵、急停鍵和復位鍵，在整個控制系統中起著重要的作用。另外，13個功能數字鍵包括從0到9的10個數字鍵和三個方向的坐標功能字。此外，還應設置一些其他功能鍵。復制鍵控制每個程序的復制功能。縮放鍵按一定比例縮小和放大圖形。初始狀態是1，這意味著數字沒有被放大或縮小。歸零鍵控制刻印過程回到原點，操作鍵控制刻印機開始運行。這些按鍵可以控制成一些基本的動作。

4.2顯示器設計

為了使顯示器達到預期的動態顯示目的，有必要在顯示界面設計一個電路，主要起到為顯示器提供字體代碼輸入和顯示位控制的作用。bc89d的輸出是通過bc89d和c589d接口實現的，在該接口電路的作用下，顯示器可以動態顯示。這種設計不僅減少了LED的使用量，節約了成本，而且顯示一次的字符的位數比較少，比較容易進行觀察和發現其中的編程錯誤，便于修改，鍵盤和顯示系統的電路。

4.3步進電機接口電路及驅動

本設計采用三臺90byg550c-0301步進電機，分別布置在三個不同的軸上，為各軸的進給運動提供動力。現在我們需要設計一個控制步進電機的電路。首先，我們需要選擇一個合適的驅動器來控制步進電機。這里我們選擇uln2004a作為驅動程序。該驅動程序各方面性能良好，非常適合本設計。uln2004a驅動器的主控端子為：正向CW，反向逆時針，工作模式為4Pin in，2×8155pb端口用于控制所需的連接控制信號。

在選定驅動器后，需要設計步進電機接口電路，將步進電機與驅動器連接起來。在查閱相關資料后，步進電機的驅動接線圖設計如下。

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作者簡介：

姓名（馬春躍）性別（男）出生年（1988年4月），籍貫（北京）民族（漢）職稱（高級工）學歷（本科）研究方向（機電一體化）

（首都航天機械有限公司 北京 100076）