DIY自動(dòng)雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要：數(shù)控雕刻機(jī)是一種用于雕刻加工的機(jī)電一體化機(jī)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(yīng)用于各行各業(yè)，具有非常廣闊的市場前景。數(shù)控雕刻機(jī)的使用大大提高了雕刻加工的效率，為制造業(yè)的發(fā)展提供了動(dòng)力。數(shù)控雕刻機(jī)通過其控制系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)和電主軸的運(yùn)行。步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)。絲杠帶動(dòng)絲杠螺母及其固定件作直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。通過對機(jī)械系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、機(jī)械系統(tǒng)主要部件的設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的數(shù)控雕刻機(jī)能夠完成X、y、Z方向的雕刻加工，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：DIY雕刻機(jī);數(shù)控機(jī)床 ;設(shè)計(jì)

第1章? 數(shù)控雕刻機(jī)綜述

數(shù)控雕刻機(jī)是一種采用數(shù)控技術(shù)的專用機(jī)床。它通過控制系統(tǒng)識別程序代碼，并將程序代碼轉(zhuǎn)換成能驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行的帶功率信號，從而控制雕刻加工。與傳統(tǒng)手工雕刻相比，它具有效率高、精度高、成品率高等優(yōu)點(diǎn)，受到眾多企業(yè)的歡迎，最終成為雕刻機(jī)發(fā)展的主流。

第2章 機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1） 底座零件

作為整個(gè)雕刻機(jī)的基礎(chǔ)，它起到了支撐雕刻機(jī)的作用。雕刻機(jī)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(yán)重的變形。

（2） 工作臺(tái)部分

臺(tái)面部分包括導(dǎo)軌、Y軸方向絲杠和上臺(tái)面。工作臺(tái)的作用是支撐雕刻對象。通常，工作臺(tái)被設(shè)計(jì)成表面有T形槽的平臺(tái)。它在絲杠的驅(qū)動(dòng)和導(dǎo)軌的引導(dǎo)下沿直線運(yùn)動(dòng)。

（3） 橫梁部分

這部分結(jié)構(gòu)由x軸絲杠及其兩側(cè)的導(dǎo)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(jié)構(gòu)由主軸總成、絲杠、支架和導(dǎo)軌組成。該機(jī)構(gòu)的作用是實(shí)現(xiàn)雕刻機(jī)的Z向雕刻。

2.2進(jìn)給系統(tǒng)

數(shù)控雕刻機(jī)有三個(gè)不同的進(jìn)給方向，每個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)都是其進(jìn)給系統(tǒng)的一部分，這些部分共同構(gòu)成了雕刻機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)過程為：驅(qū)動(dòng)電路控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞動(dòng)力，最后將動(dòng)力傳遞給執(zhí)行部件，實(shí)現(xiàn)全方位的進(jìn)給。

2.3 主傳動(dòng)系統(tǒng)

主傳動(dòng)系統(tǒng)由主軸電機(jī)、主軸總成和刀具組成。數(shù)控雕刻機(jī)主要有兩種傳動(dòng)方式。一種是用專用雕刻頭直接雕刻，二是用直流電機(jī)將轉(zhuǎn)矩傳遞給主軸及其連接的刀具進(jìn)行加工。專用雕刻頭價(jià)格相對昂貴，不適合小型簡易雕刻機(jī)。

如果采用第二種方法，則需要選擇直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸。直流電動(dòng)機(jī)具有以下特性：

（1） 調(diào)速范圍比較大：直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子可以在更大的范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，更容易調(diào)整和選擇合適的轉(zhuǎn)速。

（2） 轉(zhuǎn)速的機(jī)械特性具有良好的線性。直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與控制電壓和轉(zhuǎn)矩成線性關(guān)系。

（3） 反應(yīng)速度比較快：轉(zhuǎn)子一收到控制信號就可以立即做出反應(yīng)。

經(jīng)過綜合考慮，確定主傳動(dòng)系統(tǒng)采用第二種傳動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用電主軸。主傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)過程是：電主軸通過耦合裝置與刀具直接連接，傳遞扭矩，實(shí)現(xiàn)刀具的旋轉(zhuǎn)。

第3章 機(jī)械系統(tǒng)主要零部件設(shè)計(jì)

根據(jù)作業(yè)書中的設(shè)計(jì)參數(shù)，脈沖當(dāng)量？=0.01mm，步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器直接與絲杠連接，傳動(dòng)比i=1。根據(jù)雕刻機(jī)的相關(guān)信息，一般雕刻機(jī)的引線可選擇為pH=5mm，將已知的相關(guān)數(shù)據(jù)代入方程3-1，得到臺(tái)階角α=0.72°。步進(jìn)電機(jī)在這三個(gè)方向上的最大額定轉(zhuǎn)矩為5N？m，因此這里選擇的步進(jìn)電機(jī)保持轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于5N？m，根據(jù)步進(jìn)角和保持轉(zhuǎn)矩的值，步進(jìn)電機(jī)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(jī)的x軸絲杠進(jìn)行受力分析，得到x軸絲杠的等效軸向載荷，然后計(jì)算出絲杠的預(yù)期額定動(dòng)載荷和允許的最小螺紋底徑，然后根據(jù)預(yù)期的額定動(dòng)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(jù)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(dòng)軸承。

確定絲杠的等效載荷。雕刻機(jī)空載時(shí)，x軸絲杠的軸向載荷來自導(dǎo)軌的摩擦力。當(dāng)?shù)窨虣C(jī)以刀具最大速度加載時(shí)，x軸螺釘?shù)妮S向載荷來自導(dǎo)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(jī)y軸絲杠的受力進(jìn)行分析，得到y(tǒng)軸絲杠的等效軸向承載模型（basic/mm），然后分別計(jì)算出絲杠的預(yù)期動(dòng)載荷額定值和允許的最小螺紋直徑，然后計(jì)算出該絲杠的型號和尺寸根據(jù)預(yù)期額定動(dòng)載荷和允許的最小螺紋底徑確定每個(gè)絲杠。最后，根據(jù)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(dòng)軸承。

雕刻機(jī)空載時(shí)，y軸絲杠的軸向載荷來自導(dǎo)軌摩擦力。當(dāng)?shù)窨虣C(jī)以刀具最大速度加載時(shí)，y軸螺釘?shù)妮S向載荷來自導(dǎo)軌摩擦力和刀具沿y軸方向的切削力。

3.3 聯(lián)軸器的選擇

本設(shè)計(jì)采用彈性聯(lián)軸器，其特點(diǎn)如下：

（1） 整體式金屬彈性體

（2） 零旋轉(zhuǎn)間隙，同步運(yùn)行

（3） 它可以補(bǔ)償軸在各個(gè)方向上的偏差

（5） 前進(jìn)和后退沒有區(qū)別

（6） 無需維護(hù)，耐油性強(qiáng)，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(gè)軸的滾珠絲杠由兩個(gè)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(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 鍵盤設(shè)計(jì)

為了保證一些簡單控制的順利實(shí)施，控制面板上有三個(gè)控制鍵，它們起主要的控制作用。此外，還有13個(gè)功能數(shù)字鍵。三個(gè)控制鍵分別是啟動(dòng)鍵、急停鍵和復(fù)位鍵，在整個(gè)控制系統(tǒng)中起著重要的作用。另外，13個(gè)功能數(shù)字鍵包括從0到9的10個(gè)數(shù)字鍵和三個(gè)方向的坐標(biāo)功能字。此外，還應(yīng)設(shè)置一些其他功能鍵。復(fù)制鍵控制每個(gè)程序的復(fù)制功能?？s放鍵按一定比例縮小和放大圖形。初始狀態(tài)是1，這意味著數(shù)字沒有被放大或縮小。歸零鍵控制刻印過程回到原點(diǎn)，操作鍵控制刻印機(jī)開始運(yùn)行。這些按鍵可以控制成一些基本的動(dòng)作。

4.2顯示器設(shè)計(jì)

為了使顯示器達(dá)到預(yù)期的動(dòng)態(tài)顯示目的，有必要在顯示界面設(shè)計(jì)一個(gè)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(shí)現(xiàn)的，在該接口電路的作用下，顯示器可以動(dòng)態(tài)顯示。這種設(shè)計(jì)不僅減少了LED的使用量，節(jié)約了成本，而且顯示一次的字符的位數(shù)比較少，比較容易進(jìn)行觀察和發(fā)現(xiàn)其中的編程錯(cuò)誤，便于修改，鍵盤和顯示系統(tǒng)的電路。

4.3步進(jìn)電機(jī)接口電路及驅(qū)動(dòng)

本設(shè)計(jì)采用三臺(tái)90byg550c-0301步進(jìn)電機(jī)，分別布置在三個(gè)不同的軸上，為各軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力?，F(xiàn)在我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)控制步進(jìn)電機(jī)的電路。首先，我們需要選擇一個(gè)合適的驅(qū)動(dòng)器來控制步進(jìn)電機(jī)。這里我們選擇uln2004a作為驅(qū)動(dòng)程序。該驅(qū)動(dòng)程序各方面性能良好，非常適合本設(shè)計(jì)。uln2004a驅(qū)動(dòng)器的主控端子為：正向CW，反向逆時(shí)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(qū)動(dòng)器后，需要設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)接口電路，將步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器連接起來。在查閱相關(guān)資料后，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)接線圖設(shè)計(jì)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(xué)歷（本科）研究方向（機(jī)電一體化）

（首都航天機(jī)械有限公司 北京 100076）