DIY自動雕刻機數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計

摘 要：數(shù)控雕刻機是一種用于雕刻加工的機電一體化機床?？杉庸じ鞣N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)展提供了動力。數(shù)控雕刻機通過其控制系統(tǒng)控制步進電機和電主軸的運行。步進電機通過聯(lián)軸器驅(qū)動螺桿旋轉(zhuǎn)。絲杠帶動絲杠螺母及其固定件作直線進給運動。通過對機械系統(tǒng)的總體設(shè)計、機械系統(tǒng)主要部件的設(shè)計和控制系統(tǒng)的設(shè)計，所設(shè)計的數(shù)控雕刻機能夠完成X、y、Z方向的雕刻加工，達到了預(yù)期的目標。

關(guān)鍵詞：DIY雕刻機;數(shù)控機床 ;設(shè)計

第1章? 數(shù)控雕刻機綜述

數(shù)控雕刻機是一種采用數(shù)控技術(shù)的專用機床。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)動電機運行的帶功率信號，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，受到眾多企業(yè)的歡迎，最終成為雕刻機發(fā)展的主流。

第2章 機械系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1） 底座零件

作為整個雕刻機的基礎(chǔ)，它起到了支撐雕刻機的作用。雕刻機的所有重量都作用在它上面，所以它必須有一定的剛度，不能有嚴重的變形。

（2） 工作臺部分

臺面部分包括導(dǎo)軌、Y軸方向絲杠和上臺面。工作臺的作用是支撐雕刻對象。通常，工作臺被設(shè)計成表面有T形槽的平臺。它在絲杠的驅(qū)動和導(dǎo)軌的引導(dǎo)下沿直線運動。

（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。該機構(gòu)的作用是實現(xiàn)雕刻機的Z向雕刻。

2.2進給系統(tǒng)

數(shù)控雕刻機有三個不同的進給方向，每個方向的進給運動都是其進給系統(tǒng)的一部分，這些部分共同構(gòu)成了雕刻機的進給系統(tǒng)。驅(qū)動過程為：驅(qū)動電路控制驅(qū)動電機運行，電機驅(qū)動傳動機構(gòu)傳遞動力，最后將動力傳遞給執(zhí)行部件，實現(xiàn)全方位的進給。

2.3 主傳動系統(tǒng)

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

如果采用第二種方法，則需要選擇直流電機驅(qū)動主軸。直流電動機具有以下特性：

（1） 調(diào)速范圍比較大：直流電動機的轉(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)速的機械特性具有良好的線性。直流電動機的轉(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，確定主傳動系統(tǒng)采用第二種傳動方式，驅(qū)動電機選用電主軸。主傳動系統(tǒng)的傳動過程是：電主軸通過耦合裝置與刀具直接連接，傳遞扭矩，實現(xiàn)刀具的旋轉(zhuǎn)。

第3章 機械系統(tǒng)主要零部件設(shè)計

根據(jù)作業(yè)書中的設(shè)計參數(shù)，脈沖當量？=0.01mm，步進電機通過聯(lián)軸器直接與絲杠連接，傳動比i=1。根據(jù)雕刻機的相關(guān)信息，一般雕刻機的引線可選擇為pH=5mm，將已知的相關(guān)數(shù)據(jù)代入方程3-1，得到臺階角α=0.72°。步進電機在這三個方向上的最大額定轉(zhuǎn)矩為5N？m，因此這里選擇的步進電機保持轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于5N？m，根據(jù)步進角和保持轉(zhuǎn)矩的值，步進電機型號初步確定為90byg550c-0301。

3.1? X軸滾珠絲杠螺母副及其支承軸承的選擇

首先對雕刻機的x軸絲杠進行受力分析，得到x軸絲杠的等效軸向載荷，然后計算出絲杠的預(yù)期額定動載荷和允許的最小螺紋底徑，然后根據(jù)預(yù)期的額定動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軸承。

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

雕刻機空載時，y軸絲杠的軸向載荷來自導(dǎo)軌摩擦力。當?shù)窨虣C以刀具最大速度加載時，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)計采用彈性聯(lián)軸器，其特點如下：

（1） 整體式金屬彈性體

（2） 零旋轉(zhuǎn)間隙，同步運行

（3） 它可以補償軸在各個方向上的偏差

（5） 前進和后退沒有區(qū)別

（6） 無需維護，耐油性強，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

每個軸的滾珠絲杠由兩個固定端支撐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

4.1 鍵盤設(shè)計

為了保證一些簡單控制的順利實施，控制面板上有三個控制鍵，它們起主要的控制作用。此外，還有13個功能數(shù)字鍵。三個控制鍵分別是啟動鍵、急停鍵和復(fù)位鍵，在整個控制系統(tǒng)中起著重要的作用。另外，13個功能數(shù)字鍵包括從0到9的10個數(shù)字鍵和三個方向的坐標功能字。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，操作鍵控制刻印機開始運行。這些按鍵可以控制成一些基本的動作。

4.2顯示器設(shè)計

為了使顯示器達到預(yù)期的動態(tài)顯示目的，有必要在顯示界面設(shè)計一個電路，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接口實現(xiàn)的，在該接口電路的作用下，顯示器可以動態(tài)顯示。這種設(shè)計不僅減少了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，比較容易進行觀察和發(fā)現(xiàn)其中的編程錯誤，便于修改，鍵盤和顯示系統(tǒng)的電路。

4.3步進電機接口電路及驅(qū)動

本設(shè)計采用三臺90byg550c-0301步進電機，分別布置在三個不同的軸上，為各軸的進給運動提供動力?，F(xiàn)在我們需要設(shè)計一個控制步進電機的電路。首先，我們需要選擇一個合適的驅(qū)動器來控制步進電機。這里我們選擇uln2004a作為驅(qū)動程序。該驅(qū)動程序各方面性能良好，非常適合本設(shè)計。uln2004a驅(qū)動器的主控端子為：正向CW，反向逆時針，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)動器后，需要設(shè)計步進電機接口電路，將步進電機與驅(qū)動器連接起來。在查閱相關(guān)資料后，步進電機的驅(qū)動接線圖設(shè)計如下。

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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（機電一體化）