利用CNC技術(shù)對(duì)三維雕刻機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)

摘要：為了降低企業(yè)在使用雕刻機(jī)器人時(shí)的成本，讓雕刻機(jī)器人更貼合實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的需要，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)控（ComputerizedNumericalControl，CNC）技術(shù)設(shè)計(jì)了一款小型的三維雕刻機(jī)器人，利用數(shù)字信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)動(dòng)和加工，降低成本的同時(shí)，提高了零件容錯(cuò)率，滿(mǎn)足中小型企業(yè)的生產(chǎn)需求。主要針對(duì)機(jī)床本體、控制系統(tǒng)硬件部分電路設(shè)計(jì)及數(shù)控雕刻機(jī)的調(diào)試展開(kāi)研究。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信息三維雕刻控制自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)控制

ResearchandDesignof3DEngravingRobotUsingCNCTechnology

HUANGQiuxiaLIYanhuiHUANGJiaqiWANGZijianSONGBingyi

XinjiangInstituteofTechnology，Aksu，XinjiangUygurAutonomousRegion，843100China

Abstract：Inordertoreducethecostofenterprisesinusingtheengravingrobotandmaketheengravingrobotmoreinlinewiththeneedsoftheactualproductionprocess，asmallthree-dimensionalengravingrobotisdesignedbyusingComputerizedNumericalControl（CNC）technology.ItutilizesDigitalInformationtechnologytoachievemachinetoolmovementandprocessing，reducingthecostwhileimprovingthefaulttoleranceofpartstomeettheproductionneedsofsmallandmedium-sizedenterprises.Thispapermainlyfocusesonthecircuitdesignofthemachinetoolbody，controlsystemhardware，andthedebuggingoftheCNCengravingmachine.

KeyWords：Digitalinformation;Three-dimensionalcarving;Controlautomation;Motioncontrol

計(jì)算機(jī)數(shù)控（ComputerizedNumericalControl，CNC）三維雕刻機(jī)器人作為一種自動(dòng)化、精密化加工設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于廣告設(shè)計(jì)、家具雕飾、模具制造等領(lǐng)域[1]。目前，國(guó)內(nèi)的微型廣告公司與中小型家具公司等對(duì)雕刻生產(chǎn)的需求日益增多，若采用傳統(tǒng)的手工加工方式，會(huì)出現(xiàn)加工精度差、成品粗糙等現(xiàn)象。但是，市面上可以高精度加工的雕刻機(jī)器人存在產(chǎn)品少、價(jià)格高、性?xún)r(jià)比低等問(wèn)題。因此，本次研究的目的是設(shè)計(jì)一臺(tái)成本低、精度高適合廣大中小型企業(yè)需求的雕刻機(jī)器人。利用該研究成果，可以為建筑類(lèi)、機(jī)械類(lèi)、廣告類(lèi)企業(yè)快速進(jìn)行模型制作，同時(shí)也可以為電子類(lèi)企業(yè)進(jìn)行印刷電路板（PrintedCircuitBoard，PCB）雕刻。并且考慮到技術(shù)影響，本文決定采用CNC來(lái)對(duì)其進(jìn)行研究。

1研究方法及內(nèi)容

在材料加工方面，本次研究采用了先進(jìn)的數(shù)值模擬和仿真技術(shù)，對(duì)CNC三維雕刻機(jī)器人的加工過(guò)程進(jìn)行深入分析和優(yōu)化。在控制系統(tǒng)方面，本次研究通過(guò)建立和完善CNC三維雕刻機(jī)器人的控制模型，提升其運(yùn)動(dòng)精度和穩(wěn)定性[2]；還利用人工智能、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代技術(shù)手段，不斷提升CNC三維雕刻機(jī)器人的智能化水平，以滿(mǎn)足復(fù)雜加工任務(wù)的需求。同時(shí)，本次研究側(cè)重對(duì)CNC三維雕刻機(jī)器人的多學(xué)科交叉研究，通過(guò)機(jī)械、電子、材料、控制等多個(gè)學(xué)科的交叉融合，促進(jìn)了CNC三維雕刻機(jī)器人的綜合性發(fā)展。這為CNC三維雕刻機(jī)器人在工業(yè)加工、藝術(shù)創(chuàng)作等領(lǐng)域的應(yīng)用拓展提供了有力支持，也為智能制造技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力[3]。

本次研究遵循先進(jìn)行功能規(guī)劃，最終在電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)上進(jìn)行軟、硬件綜合調(diào)試的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)與具體的技術(shù)路線(xiàn)圖分別圖見(jiàn)1、圖2。

按驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行分類(lèi)，CNC雕刻機(jī)可以分為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)[4]。本文介紹的基于CNC的三維雕刻機(jī)器人通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，相較于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其雕刻能力會(huì)更加精準(zhǔn)。本次的研究針對(duì)企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)際需求進(jìn)行了相關(guān)的設(shè)計(jì)，研究主要內(nèi)容有以下幾個(gè)方面。

（1）對(duì)建筑企業(yè)、廣告企業(yè)、機(jī)械企業(yè)和建筑企業(yè)的小規(guī)模雕刻加工進(jìn)行調(diào)研，確定雕刻的基本對(duì)象和功能需求。

（2）機(jī)床本體的設(shè)計(jì)：根據(jù)確定的功能需求，對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)裝置、連接裝置進(jìn)行選擇。

（3）對(duì)控制系統(tǒng)硬件部分電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（4）上位機(jī)軟件的制作：主要包括雕刻機(jī)用戶(hù)工作界面編寫(xiě)及其與雕刻軟件的集成。

（5）數(shù)控雕刻機(jī)的調(diào)試。

2研究思路

CNC技術(shù)的三維雕刻機(jī)器人設(shè)計(jì)原理主要基于CNC技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)，其核心在于利用計(jì)算機(jī)對(duì)雕刻機(jī)器人進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)三維雕刻的自動(dòng)化和高效化。

本次研究主要通過(guò)機(jī)械部分和控制部分兩方面內(nèi)容展開(kāi)。機(jī)械部分主要實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)與導(dǎo)軌的排布，CNC技術(shù)負(fù)責(zé)控制雕刻機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)CNC系統(tǒng)，機(jī)器人能夠按照CAM軟件生成的切割路徑進(jìn)行精確的運(yùn)動(dòng)。總體控制部分包括硬件和軟件兩部分，硬件部分包括數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)器、變頻器等工具，軟件部分包括操作系統(tǒng)、編程軟件等。這些硬件和軟件共同協(xié)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的自動(dòng)化控制和運(yùn)動(dòng)，具體的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

在雕刻過(guò)程中，雕刻機(jī)器人通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的刀具在工件表面進(jìn)行精確切割、雕刻和雕塑。由于CNC技術(shù)的精確性和高效性，機(jī)器人能夠在各種材料上進(jìn)行高精度、高效率的加工，從而完成復(fù)雜的三維雕刻任務(wù)。

3硬件設(shè)計(jì)

CNC技術(shù)的三維雕刻機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)主要涵蓋了機(jī)器人的核心組成部分，這些硬件組件共同協(xié)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的精確運(yùn)動(dòng)和雕刻功能。

3.1運(yùn)動(dòng)控制器

運(yùn)動(dòng)控制器是三維雕刻機(jī)器人的核心大腦，它負(fù)責(zé)接收和處理來(lái)自CNC系統(tǒng)的指令，并控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)控制器通常采用高性能的處理器和先進(jìn)的控制算法，以確保機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的精確性和穩(wěn)定性[5]。本次設(shè)計(jì)沒(méi)有采用價(jià)格昂貴的可編程邏輯控制器（ProgrammableMotionLogicController，PLC），而是選擇使用了可編程運(yùn)動(dòng)控制器（ProgrammableMotionController，PMC）。PMC集成了PLC和運(yùn)動(dòng)控制器雙重功能，控制簡(jiǎn)單便捷。

3.2伺服驅(qū)動(dòng)器

伺服驅(qū)動(dòng)器是驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵部件，它根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制器的指令驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)進(jìn)行精確旋轉(zhuǎn)或直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。伺服驅(qū)動(dòng)器具有高精度、高響應(yīng)速度的特點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足三維雕刻機(jī)器人對(duì)運(yùn)動(dòng)精度的要求。

3.3端子板

端子板是連接運(yùn)動(dòng)控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器和其他硬件組件的重要接口部件。它負(fù)責(zé)將不同組件之間的信號(hào)線(xiàn)和電源線(xiàn)進(jìn)行集中管理和分配，確保信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

3.4變頻器

變頻器主要用于調(diào)節(jié)伺服電機(jī)的電源頻率和電壓，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩的精確控制。在三維雕刻機(jī)器人的應(yīng)用中，變頻器能夠幫助機(jī)器人適應(yīng)不同的雕刻材料和工藝需求，提高雕刻質(zhì)量和效率。

4CNC三維雕刻機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)分析

本文介紹的CNC三維雕刻機(jī)屬于經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控雕刻機(jī)，其中的伺服電機(jī)是該產(chǎn)品的一大特色，其所使用的伺服電機(jī)對(duì)整個(gè)三維雕刻機(jī)起著至關(guān)重要的作用。

在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，基于CNC的三維雕刻機(jī)器人能夠根據(jù)雕刻對(duì)象的不同采取在線(xiàn)編程方式進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，可以進(jìn)行不同格式的矢量圖文件的導(dǎo)入，支持二維、三維雕刻；同時(shí)要完成自帶斷電保護(hù)功能，能夠適應(yīng)AC100-500V的電壓變化范圍[6]。

但是，伺服電機(jī)對(duì)矢量控制的電流、速度、位置三閉環(huán)控制算法有著非常高標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)整個(gè)伺服系統(tǒng)起著關(guān)鍵作用，因此，電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)速度測(cè)量精度對(duì)于改善速度環(huán)的轉(zhuǎn)速、控制動(dòng)靜態(tài)特性至關(guān)重要。

本文介紹的CNC三維雕刻機(jī)具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，硬件部分包括運(yùn)動(dòng)控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、電主軸、端子板、變頻器這5個(gè)部分。同時(shí)，由于該產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了控制電路和執(zhí)行系統(tǒng)分立式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它具有許多零部件，以便于適應(yīng)不同的場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)拆卸和組裝，因此，這對(duì)操作人員和機(jī)器維修人員具有較高的要求。同時(shí)，CNC三維雕刻機(jī)加工路線(xiàn)不易操作，應(yīng)配備經(jīng)驗(yàn)豐富操作人員，否則可能會(huì)容易出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量差的問(wèn)題。

5CNC三維雕刻機(jī)問(wèn)題對(duì)策

5.1伺服電機(jī)故障

伺服電機(jī)的常見(jiàn)故障之一是電氣故障。電氣故障可能是由于電源供電不穩(wěn)定、電路短路、接線(xiàn)不良等原因引起的[7]。對(duì)于這種情況，維護(hù)人員需要檢查電源線(xiàn)路，確保電源供電穩(wěn)定，同時(shí)檢查電路連接是否良好，避免短路或接線(xiàn)不良導(dǎo)致的故障。

其他故障原因還有機(jī)械故障和溫度過(guò)高。當(dāng)軸承磨損、傳動(dòng)系統(tǒng)故障、零部件松動(dòng)等原因引起機(jī)械故障時(shí)，維護(hù)人員需要對(duì)伺服電機(jī)的機(jī)械部分進(jìn)行定期檢查和維護(hù)，及時(shí)更換磨損嚴(yán)重的零部件，確保傳動(dòng)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在伺服電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，溫度會(huì)不斷上升，當(dāng)超過(guò)了設(shè)定的安全溫度范圍時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致伺服電機(jī)的過(guò)熱故障。因此，維護(hù)人員需要定期檢查伺服電機(jī)的散熱系統(tǒng)，確保散熱效果良好，避免溫度過(guò)高導(dǎo)致故障發(fā)生。

5.2加工精度不足

造成加工精度不足的原因可能包括設(shè)備老化、導(dǎo)軌磨損、絲杠間隙增大等。為了解決這一問(wèn)題，維護(hù)人員需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期的維護(hù)和校準(zhǔn)，及時(shí)更換磨損部件，確保設(shè)備運(yùn)行的精確性[8]。在進(jìn)行加工時(shí)，工作人員需要根據(jù)加工材料的硬度、切削力等因素合理設(shè)置加工速度、進(jìn)給速度、切削深度等參數(shù)，以保證加工精度。

6總結(jié)與展望

通過(guò)對(duì)CNC技術(shù)在三維雕刻機(jī)器人應(yīng)用中的深入研究，發(fā)現(xiàn)CNC三維雕刻機(jī)在日常應(yīng)用和工業(yè)制造中均占據(jù)重要地位，其高精度和高效率的特點(diǎn)滿(mǎn)足了市場(chǎng)的多樣化需求，不僅提升了生產(chǎn)效率、降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)也在保障生產(chǎn)環(huán)境安全方面發(fā)揮了重要作用。此外，CNC三維雕刻機(jī)在設(shè)計(jì)、操作和維護(hù)方面均提出了較高要求，在后續(xù)研究中，必須兼顧技術(shù)精度、人員配置、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等多重因素，以保障其卓越的性能和領(lǐng)先的效率，從而滿(mǎn)足不斷提升的市場(chǎng)需求和用戶(hù)期望。

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