小型雕刻机系统设计

史颖刚，刘 利，聂南天，刘建实，周 政

(西北农林科技大学 机电学院，杨凌 712100)

0 引言

随着微机的普及，基于微机的数控系统已经是大势所趋。应用微机技术开发工业控制系统，可以得到硬件和软件的强有力支持，避开专有技术制约，在较短时间内可达到较高水平。本文设计的基于打印接口的数控雕刻机，雕刻材料主要为木板、橡胶等，性能要求不高，结构简单，便于演示应用，同时又能体现机电系统特点。

在分析雕刻机参数的基础上，初步确定设计基本参数为：主轴最高转速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，脉冲当量0.01mm。

1 系统总体设计

数控雕刻机的基本布局通常有立柱式和龙门式两种结构，由于立柱式雕刻机的稳定性不好，本设计采用龙门式结构。

1.1 主轴运动系统的设计与校核

雕刻机在工作中主轴主要所受的力主要是铣削力和钻削力、扭矩。教学用雕刻机主要加工具有良好塑性和较高强度的非金属材料，因此以硬质合金直柄立铣刀（d0=6mm，齿数Z=2）和高速钢标准麻花钻（d0=3mm）在铝板上工作的情况为依据进行设计与校核。

1.1.1 主轴铣削力、扭矩、功率计算

查资料得雕刻机铣削力、扭矩、功率计算公式，及其修正公式。修正参数CF=116，XF=1，YF=0.75，UF=0.85，qF=0.73，WF=-0.13，KFZ=0.25。

其中进给速度vf=αfzn(mm/min)，铣削速度v=π d0n/103(m)，铣削深度αq，铣削宽度αw，铣刀外径d0，每齿的进给量αf，铣刀齿数z，铣刀转速n。

将参数带入表2公式，计算结果如表2所示，表中n丝为丝杠转速。

1.1.2 主轴钻削力、扭矩和功率计算

查资料得雕刻机钻削情况下，各要素的计算公式及其修正公式，如表3所示。各修正参数如下：CF=600，ZF=1.0，YF=0.7，KF=0.25，CM=0.305，ZM=2.0，YM=0.8，KM=0.25其中进给速度vf=αfzn(mm/min)，铣削速度v=π d0n/103(m)，铣削深度αq，铣削宽度αw，铣刀外径d0，每齿进给量αf，铣刀齿数z，铣刀转速n。

表1 铣削力、扭矩和功率计算公式

表2 铣削力、扭矩、功率计算结果

将上述参数代入表4的公式中计算得到表3所示结果，n丝为丝杠转速，功率值的计算结果非常小，所以直接忽略。

表3 钻削力、扭矩、功率计算结果

1.1.3 主轴电机选择

根据上面的计算结果，主轴所需的最大功率为0.055kW，最大扭矩为0.062Nm，安全系数取2，则额定功率P≥0.055×2=0.110kW，额定扭矩M≥0.062×2=0.124N·m。

根据以上计算结果选择的主轴电机，参数为：工作电压为DC 12V～48V，功率0.3kW，转速3000r/min～12000r/min，扭距0.3N·m，绝缘电阻＞2MΩ，绝缘介电强度400V。

1.2 丝杠选择与校核计算

雕刻机丝杠所受载荷主要为主轴套件重量、平台和工件的重量，这两部分的质量都不是很大，所以设定负载质量取最大为10kg。根据设计要求，选定的丝杆基本参数为：最大扭力100N，最大行程370mm，最高转速1000r/min，硬度HRC≥58，最大扭矩15000N☒cm。根据设计要求和工作条件，丝杠的其余参数计算后如表5所示。

根据上述设计，选择丝杠的型号为4R16-04T4-2FDIC-350-451-0.018 R，X、Y、Z轴的有效行程分别为350mm、330mm、124mm、总长分别为451mm、431mm、225mm。

1.3 雕刻机二、三维图纸设计与零件加工、装配

利用CATIA软件设计了雕刻机零件的三维图，并且进行装配，形成了雕刻机的三维装配图，如图1所示。将零件三维图形信息转化为二维CAD图，并进行加工、组装，得到系统的机械装配图，如图2所示。

图1 雕刻机的三维装配图

图2 雕刻机的机械装配图

2 雕刻机控制系统设计

雕刻机控制系统架构图如图3所示，第一级是计算机，利用ArtCAM和MACH3软件，在计算机上完成图像编辑、刀路和G代码的生成、参数设置、插补计算、实时监控等功能，通过并口输出电机控制参数。第二级是接口电路，计算机输出的控制参数通过光电隔离，传递给下一级控制器；完成自动和手动控制的切换；把限位开关的状态信息传递给计算机。第三级是电机驱动电路,根据接口电路传递的控制信息，X、Y、Z三轴步进电机按设计轨迹运动，主轴电机调整转速，进给系统和主轴配合下，完成图案雕刻。

表4 钻削力、扭矩、功率计算公式

表5 丝杠参数选择计算结果

图3 雕刻机控制系统机构框图

2.1 直流电机调速电路

直流电机调速采用PWM法，调速系统结构图如图4所示，包括主电源、驱动电源、脉冲隔离、电动机。设计的调速电路如图5(a)所示，主轴电机转速既可由PWM发生器调节，也可由电脑产生的PWM调节，当开关S1切换到1时，电机转速由电脑控制，当S1切换到3时电机转速由人工手动控制。其中驱动电源和电机电源直接由电源模块给出，电脑输出的雕刻机工作过程中的PWM是由软件直接产生，经过接口电路送到电机。图5(b)所示为PWM手动调节电路。

图4 PWM调速系统结构图

555定时器U1组成的多谐震荡电路的震荡周期T=（R1+2R2）Cln2=3.290ms，间隔时间T2=R2Cln2=0.033ms，555定时器U2组成的单稳态触发器的暂态时间tw=RCln3=0.775ms，f=1/T=304Hz。

当单稳态触发器的3号引脚输出高电平时，图5(b)所示的光耦隔离导通，电机工作。调节可变电阻R5，单稳态触发器5号引脚的控制电压也随之变化，电压降低，暂稳态时间也变小，3号引脚输出高电平的时间变短。一个周期内的光耦隔离导通时间变短，电机转速下降，即电机转速随单稳态触发器的3号引脚输出的高电平的宽度变化而变化，实现了PWM调速。当电压比较器输出低电平时，单稳态触发器的4管脚变为低电平，被复位，3管脚输出低电平，电机停转，该调速电路输出的PWM可实现电机从零到额定转速的速度连续可调节。

2.2 进给伺服系统设计

图5 电机调速与控制电路图

步进电机选择2相四线混合式57BYG250-76。进给伺服系统驱动电路以TB6560AHQ芯片为核心，主要包括TB6560AHQ外围电路、隔离电路和自动半流电路。图5(d)所示为TB6560AHQ的外围电路，有2组电源，其中5V的是逻辑电源，接VDD； 24V是电机电源，接VMB和VMA。OUTAP、OUT—AM、OUT—BP、OUT—BM分别为步进电机两相的输出接口，直接电机即可。NFA和NFB为A、B相驱动电流最大值定义端，接大于0.2Ω电阻。定义好最大电流后，改变图11中脉冲产生电路的拨码开关S1的1和2的断开和闭合，改变TQ1、TQ2端口电平，设置输出电流比率。当TQ1、TQ2端口分别为11、10、01、00时，最大输出电流分别为定义最大电流的25%、50%、75%、100%。PGNDA、PGNDA、SGND分别为电机A、B相驱动的引脚地和逻辑地。OSC所接电容为100pF～1000pF时，斩波频率为400Hz～44kHz。DCY2、DCY1是电流衰减设置，由S1的5、6控制，详见表10；M2、M1是细分控制端口，由S1的3、4控制，如表6所示。RESET是复位端口，低电平有效。MO接工作状态指示灯，PROTECT接过流保护灯。

ENABLE 、CW、CLK三个管脚接电脑给出的控制信号ENABLE 、CW、CLK，使用2片6N137，光耦隔离频率高的CW、CLK信号，使用芯片TLP521，光耦隔离频率低的ENABLE信号。

表6 细分、电流衰减控制详表

2.3 电源设计

电源电路如图5(c)所示，变压器T1的匝数比为5，把220V交流电降到44V。经整流电路整流成直流电，采用适应性强的LC滤波电路滤去交流成分，以适应主轴电机的大范围电流波动，最后经过稳压电路，得到稳定电压。D1、D2是两个24V的稳压二极管IN4749，当该二极管被反向击穿后，电流在一定的范围内变化，二极管两端的电压基本不变。这样就可以把经过滤波电路的44V的直流电稳定在24V，提供24V和-24V的直流电压输出，给步进电机供电，24V输出端和-24V输出端之间的输出电压是直流48V，给主轴电机电源供电。LM7812稳压芯片可以把24V的电压稳定到12V，给主轴直流电机控制电路供电。LM7805把LM7812给出的12V稳定到5V，给进给系统控制电路供电。

图6 接口电路完整电路图

2.4 接口电路设计

接口电路是电脑和电机驱动电路之间的桥梁，把电脑给出的控制信号，进行整形等处理后，经光耦隔离电路送给电机驱动电路，驱动电机实现预定运动。设计的接口电路如图6所示，主要包括保护电路、手动控制电路、光耦隔离电路等。保护电路中，P1、P2、P3、P4分别接X、Y、Z轴的限位开关和急停按钮。当雕刻机运动超出行程时触动限位开关，光耦导通，电脑对应管脚的高电平变为低电平，电脑作出停机的决策，雕刻机停止工作。对雕刻机和系统起到保护良好的作用。进给系统的手动控制电路，包括脉冲产生电路、手动控制按钮和手动/自动控制切换电路两部分。脉冲产生电路是一个用555定时器构成的多谐震荡器。多谐震荡器周期T=0.065ms～3.290ms，T2=0.0325ms，则其频率为304Hz～15385Hz，占空比为0.5～0.99。调节R6的阻值可以改变输出信号的占空比和频率，从而改变电机的速度。S1是手动/自动（电脑）控制切换开关，S2、S3、S4分别是X、Y、Z轴进给方向与使能控制按钮。通过切换可以自由控制雕刻机每一个轴的进给方向和进给量。

并口接口与整形电路，采用25针的并口连接，同时加入两片74HC146路施密特触发反相器，对计算机输出的信号进行整形。整形后的信号通过光耦隔离电路送给电机驱动电路。表7所示为25针并口的各端口定义，未提及的15～17管脚悬空，18～25管脚接地。

表7 打印机口定义表

2.5 系统的整体接线示意

根据设计的电路图，系统的整体接线示意图如图7所示。

3 软件设置与实践应用

图7 控制系统整体接线示意图

控制软件主要包括ArtCAM和MACH3，系统利用ArtCAM完成图像设计、刀路模拟、G代码生成的工作。根据加工对象模拟出刀具加工路径,并获取G代码,将G代码导入MACH3软件进行加工控制。定义MACH3的通信协议后,将ArtCAM产生的代码导入MACH3中,由MACH3软件进行插补、刀补等预处理。根据加工要求对设置MACH3的参数。包括进给速度Vf、加减速时间t、工件偏移量、刀具信息等。MACH3就会根据G代码和设定的参数输出符合要求的控制脉冲信号给接口电路。如图8所示，MACH3的主要端口的设置定义界面。

图8 电机输出端口定义

4 结束语

本文设计了数控雕刻机零件的三维模型，建立了整机的三维模型图。对主轴、丝杠等关键部位进行校核计算；以555定时器为基础，设计的主轴控制系统，能通过手动和自动方式控制主轴直流电机；以TB6560AHQ芯片和MACH3软件为核心，设计的伺服进给控制系统，可实现由软件实现图案设计，刀路、G代码、刀补预处理、速度预处理、插补等流程，通过并行接口输出控制脉冲信号，驱动步进电机执行相应动作；系统还设计了保护电路、接口电路、电源等辅助电路。

系统虽然已在实践中应用，但依然有不足之处，如为提高电源质量，供电模块应设计为开关电源；为使系统结构更加简单，通信高效，应引入总线结构；为增加系统应用的方便灵活性，应在接口板上增加DSP芯片，使系统能根据存储器中的加工代码进行加工，实现脱机运行；为适应制造业信息化的要求，增加遥控模块，对步进电机采用分布式现场总线控制，在后续的研究中，我们将会加大这一方面的研究力度。

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