雕刻機控制系統(tǒng)的研究

劉偉

【摘要】隨著數(shù)控技術(shù)的不斷進(jìn)步與融合、激光雕刻的廣泛應(yīng)用，而隨之發(fā)展的雕刻機在廣告、藝術(shù)品制作等行業(yè)也成為企業(yè)的焦點。數(shù)控雕刻機與以往數(shù)控控制器開發(fā)相比，該技術(shù)在集成化和標(biāo)準(zhǔn)化接口方面有很大的改善，但仍然缺乏對生產(chǎn)過程變量的觀測。為此，在傳統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對經(jīng)濟型數(shù)控雕刻機的控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入分析和研究?；诖耍恼戮偷窨虣C控制系統(tǒng)進(jìn)行簡要的分析，希望可以提供一個借鑒。

【關(guān)鍵詞】雕刻機 控制系統(tǒng) 措施

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

一、數(shù)控雕刻機

數(shù)控雕刻機就是CNC技術(shù)和雕刻工藝相結(jié)合的產(chǎn)物。作為一類特殊的數(shù)控機床，他通過數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)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(xiàn)了自動化、高效率和高精度的雕刻加工。

數(shù)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(shù)控雕刻機自動完成的，無需人工操作。

第二，產(chǎn)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(dá)到很高的精度，表面質(zhì)量批量加工時，產(chǎn)品具有很好的一致性。

第三，拓展了雕刻領(lǐng)域。通過執(zhí)行各種相應(yīng)的加工代碼配合多種刀具，數(shù)控雕刻機即可完成浮雕、各種復(fù)雜曲面的雕刻加工，提高了雕刻效率。

二、雕刻機的主要技術(shù)要求

1.激光發(fā)射器的要求

激光發(fā)射器是實現(xiàn)雕刻機的刀具，發(fā)射聚光束的激光，控制系統(tǒng)控制激光器電源的通斷和輸出功率的調(diào)節(jié)，激光發(fā)射器發(fā)射出來的激光束傳輸?shù)降窨涛恢?，實現(xiàn)雕刻。激光束發(fā)射的精度直接影響雕刻的精度，激光發(fā)射器是安裝在工作臺上，工作臺的移動由橫軸的步進(jìn)電機控制的，所以步進(jìn)電機的控制直接影響雕刻的精度。因此，激光發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)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(fā)射器調(diào)焦時，盡可能找到最小最亮的聚光點；結(jié)構(gòu)設(shè)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(jìn)進(jìn)給系統(tǒng)控制的要求

步進(jìn)進(jìn)給系統(tǒng)由步進(jìn)驅(qū)動單元、步進(jìn)電機、傳動軸、同步帶等組成。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送一定量的脈沖給驅(qū)動單元、驅(qū)動單元將定量的脈沖放大功率后送步進(jìn)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(jìn)給。步進(jìn)電機轉(zhuǎn)角的大小控制雕刻精度，設(shè)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(jìn)電機；控制系統(tǒng)直接影響步進(jìn)電機控制的穩(wěn)定性、可靠性；激光頭安裝在導(dǎo)軌，因此導(dǎo)軌的直線度、剛度有一定的要求；對工作臺進(jìn)行水平調(diào)節(jié)，工作臺的平面度要滿足設(shè)計的要求。

3.數(shù)控系統(tǒng)控制的要求

控制系統(tǒng)利用軟件將圖像自動生成控制程序控制機械部分、激光發(fā)射系統(tǒng)執(zhí)行雕刻任務(wù)，根據(jù)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(shè)計控制系統(tǒng)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(wù)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(wěn)定性和可靠性。

三、小型數(shù)控雕刻機控制系統(tǒng)設(shè)計

本小型數(shù)控雕刻機的傳動機構(gòu)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(yōu)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(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，在小型數(shù)控雕刻機中主要是實現(xiàn)位移傳動。

本小型數(shù)控雕刻機采用常見的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)一般采用步進(jìn)電動機控制，由數(shù)控裝置發(fā)出進(jìn)給脈沖，經(jīng)功率放大后，驅(qū)動步進(jìn)電動機轉(zhuǎn)動1個步距角，再經(jīng)減速齒輪帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，并通過絲杠和螺母副傳動，使工作臺產(chǎn)生相應(yīng)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(gòu)的精度，又由于進(jìn)給脈沖和方向信號發(fā)出后，移動的實際值并沒有反饋；所以，稱其為開環(huán)系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)的精度較低，速度也比較低；但是，其結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)試，目前在簡易、經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)中采用。

數(shù)控運動控制器是界于計算機與機床驅(qū)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(shù)電動機驅(qū)動器，取代并口驅(qū)動板。

USB數(shù)控系統(tǒng)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(qū)動程序和USBCNC控制器卡管理系統(tǒng)的PC軟件部分；位于中間的USB接口數(shù)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(tǒng)和下位機單片機控制軟件；最下面的人機接口電路系統(tǒng)包括各種機床的I/O接口驅(qū)動系統(tǒng)。

從硬件連接上看，系統(tǒng)由2部分組成，即開發(fā)板和PC機。當(dāng)前的PC機至少具有4個USB接口，用于連接開發(fā)板和PC機。

設(shè)備驅(qū)動程序是Windows核心的一部分，其與系統(tǒng)中的USB總線驅(qū)動程序一起，完成PC對設(shè)備的管理?？蛻魬?yīng)用程序主要完成PC機的監(jiān)控功能，將各種機床控制命令和文件數(shù)據(jù)程序輸入到下位機，顯示當(dāng)前的工作狀態(tài)。

總而言之，數(shù)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(yīng)用在加工領(lǐng)域，還可以廣泛應(yīng)用到其他領(lǐng)域。經(jīng)過實際應(yīng)用，數(shù)控雕刻機的控制系統(tǒng)硬件安全可靠，軟件功能強大，操作簡單。實現(xiàn)了整機的經(jīng)濟合理、方便實用。

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