DIY自动雕刻机数控系统的设计

摘 要：数控雕刻机是一种用于雕刻加工的机电一体化机床。可加工各种材料，如铜、铝等金属材料，以及塑料、陶瓷、石材等非金属材料。因此，它被广泛应用于各行各业，具有非常广阔的市场前景。数控雕刻机的使用大大提高了雕刻加工的效率，为制造业的发展提供了动力。数控雕刻机通过其控制系统控制步进电机和电主轴的运行。步进电机通过联轴器驱动螺杆旋转。丝杠带动丝杠螺母及其固定件作直线进给运动。通过对机械系统的总体设计、机械系统主要部件的设计和控制系统的设计，所设计的数控雕刻机能够完成X、y、Z方向的雕刻加工，达到了预期的目标。

关键词：DIY雕刻机;数控机床 ;设计

第1章  数控雕刻机综述

数控雕刻机是一种采用数控技术的专用机床。它通过控制系统识别程序代码，并将程序代码转换成能驱动电机运行的带功率信号，从而控制雕刻加工。与传统手工雕刻相比，它具有效率高、精度高、成品率高等优点，受到众多企业的欢迎，最终成为雕刻机发展的主流。

第2章 机械系统总体设计

2.1 整体结构设计

（1） 底座零件

作为整个雕刻机的基础，它起到了支撑雕刻机的作用。雕刻机的所有重量都作用在它上面，所以它必须有一定的刚度，不能有严重的变形。

（2） 工作台部分

台面部分包括导轨、Y轴方向丝杠和上台面。工作台的作用是支撑雕刻对象。通常，工作台被设计成表面有T形槽的平台。它在丝杠的驱动和导轨的引导下沿直线运动。

（3） 横梁部分

这部分结构由x轴丝杠及其两侧的导轨以及支撑横梁的支架组成。横梁支撑z轴部件。

（4） 鼻部

该部分结构由主轴总成、丝杠、支架和导轨组成。该机构的作用是实现雕刻机的Z向雕刻。

2.2进给系统

数控雕刻机有三个不同的进给方向，每个方向的进给运动都是其进给系统的一部分，这些部分共同构成了雕刻机的进给系统。驱动过程为：驱动电路控制驱动电机运行，电机驱动传动机构传递动力，最后将动力传递给执行部件，实现全方位的进给。

2.3 主传动系统

主传动系统由主轴电机、主轴总成和刀具组成。数控雕刻机主要有两种传动方式。一种是用专用雕刻头直接雕刻，二是用直流电机将转矩传递给主轴及其连接的刀具进行加工。专用雕刻头价格相对昂贵，不适合小型简易雕刻机。

如果采用第二种方法，则需要选择直流电机驱动主轴。直流电动机具有以下特性：

（1） 调速范围比较大：直流电动机的转子可以在更大的范围内旋转，更容易调整和选择合适的转速。

（2） 转速的机械特性具有良好的线性。直流电动机的转速与控制电压和转矩成线性关系。

（3） 反应速度比较快：转子一收到控制信号就可以立即做出反应。

经过综合考虑，确定主传动系统采用第二种传动方式，驱动电机选用电主轴。主传动系统的传动过程是：电主轴通过耦合装置与刀具直接连接，传递扭矩，实现刀具的旋转。

第3章 机械系统主要零部件设计

根据作业书中的设计参数，脉冲当量？=0.01mm，步进电机通过联轴器直接与丝杠连接，传动比i=1。根据雕刻机的相关信息，一般雕刻机的引线可选择为pH=5mm，将已知的相关数据代入方程3-1，得到台阶角α=0.72°。步进电机在这三个方向上的最大额定转矩为5N？m，因此这里选择的步进电机保持转矩应大于5N？m，根据步进角和保持转矩的值，步进电机型号初步确定为90byg550c-0301。

3.1  X轴滚珠丝杠螺母副及其支承轴承的选择

首先对雕刻机的x轴丝杠进行受力分析，得到x轴丝杠的等效轴向载荷，然后计算出丝杠的预期额定动载荷和允许的最小螺纹底径，然后根据预期的额定动载荷和允许的最小螺纹底径确定各丝杠的类型和尺寸，最后根据选择的滚珠丝杠螺母副选择合适的支承方式和支承所用的滚动轴承。

确定丝杠的等效载荷。雕刻机空载时，x轴丝杠的轴向载荷来自导轨的摩擦力。当雕刻机以刀具最大速度加载时，x轴螺钉的轴向载荷来自导轨摩擦力和刀具沿x轴方向的切削阻力。

3.2  Y轴滚珠丝杠螺母副及其支承轴承的选择

首先对雕刻机y轴丝杠的受力进行分析，得到y轴丝杠的等效轴向承载模型（basic/mm），然后分别计算出絲杠的预期动载荷额定值和允许的最小螺纹直径，然后计算出该丝杠的型号和尺寸根据预期额定动载荷和允许的最小螺纹底径确定每个丝杠。最后，根据所选滚珠丝杠螺母副，选择合适的支撑方式和支撑所用的滚动轴承。

雕刻机空载时，y轴丝杠的轴向载荷来自导轨摩擦力。当雕刻机以刀具最大速度加载时，y轴螺钉的轴向载荷来自导轨摩擦力和刀具沿y轴方向的切削力。

3.3 联轴器的选择

本设计采用弹性联轴器，其特点如下：

（1） 整体式金属弹性体

（2） 零旋转间隙，同步运行

（3） 它可以补偿轴在各个方向上的偏差

（5） 前进和后退没有区别

（6） 无需维护，耐油性强，耐腐蚀性好，滚道表面硬度为HRC

（7） 它由铝合金或不锈钢制成

（8） 用顶丝或夹钳固定

3.4 滚珠丝杠的校核

每个轴的滚珠丝杠由两个固定端支撑SK是滚珠丝杠螺母副的压缩刚度，BK是支撑滚珠丝杠的轴承的轴向刚度，CK是滚珠丝杠滚珠与滚道之间的接触刚度

第4章 数控系统设计

4.1 键盘设计

为了保证一些简单控制的顺利实施，控制面板上有三个控制键，它们起主要的控制作用。此外，还有13个功能数字键。三个控制键分别是启动键、急停键和复位键，在整个控制系统中起着重要的作用。另外，13个功能数字键包括从0到9的10个数字键和三个方向的坐标功能字。此外，还应设置一些其他功能键。复制键控制每个程序的复制功能。缩放键按一定比例缩小和放大图形。初始状态是1，这意味着数字没有被放大或缩小。归零键控制刻印过程回到原点，操作键控制刻印机开始运行。这些按键可以控制成一些基本的动作。

4.2显示器设计

为了使显示器达到预期的动态显示目的，有必要在显示界面设计一个电路，主要起到为显示器提供字体代码输入和显示位控制的作用。bc89d的输出是通过bc89d和c589d接口实现的，在该接口电路的作用下，显示器可以动态显示。这种设计不仅减少了LED的使用量，节约了成本，而且显示一次的字符的位数比较少，比较容易进行观察和发现其中的编程错误，便于修改，键盘和显示系统的电路。

4.3步进电机接口电路及驱动

本设计采用三台90byg550c-0301步进电机，分别布置在三个不同的轴上，为各轴的进给运动提供动力。现在我们需要设计一个控制步进电机的电路。首先，我们需要选择一个合适的驱动器来控制步进电机。这里我们选择uln2004a作为驱动程序。该驱动程序各方面性能良好，非常适合本设计。uln2004a驱动器的主控端子为：正向CW，反向逆时针，工作模式为4Pin in，2×8155pb端口用于控制所需的连接控制信号。

在选定驱动器后，需要设计步进电机接口电路，将步进电机与驱动器连接起来。在查阅相关资料后，步进电机的驱动接线图设计如下。

参考文献：

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作者简介：

姓名（马春跃）性别（男）出生年（1988年4月），籍贯（北京）民族（汉）职称（高级工）学历（本科）研究方向（机电一体化）

（首都航天机械有限公司 北京 100076）