小型雕刻機研制-方案設(shè)計與控制設(shè)計說明書

小型雕刻機研制-方案設(shè)計與控制設(shè)計說明書,小型,雕刻,研制,方案設(shè)計,控制,節(jié)制,設(shè)計,說明書,仿單 小型雕刻機DIY現(xiàn)狀綜述作者：XX 指導(dǎo)老師：XX摘要：簡單敘述了雕刻機的發(fā)展和分類?？偨Y(jié)了小型雕刻機機械部分的總體結(jié)構(gòu)、傳動方式、導(dǎo)軌的現(xiàn)狀。以系統(tǒng)的分類方法，詳細(xì)地講述了目前常用的基于Windows、DOS、Linux系統(tǒng)的用于小型雕刻機的CNC軟件，并簡單敘述了不同軟件的優(yōu)缺點。簡單介紹了下位機的工作原理、DIY難點以及目前主要的一些開發(fā)商。最后分析了現(xiàn)在的幾個雕刻機DIY網(wǎng)站，包括他們的優(yōu)勢和劣勢。關(guān)鍵詞：雕刻機、DIY、機械、CNC控制系統(tǒng)Summarization of Smallengraving machineDIYName：XX Teacher：XXAbstract：A brief description of the development and classification of the engraving machine.The status summary of the overall structure of the mechanical parts of the small engraving machine,transmission, rail. The classification of the system in detail about the advantages and disadvantages ofcurrently used for small engraving machine, CNC Software for Windows, DOS,Linux-based system, and a brief description of the different software.Brief bit machine works, theDIY difficulty some of the major developers.Finally, several engraving machine DIY website, including their advantages and disadvantages. Key words: engraving machine、DIY、Mechanical、CNC control system前言1938年世界上第一臺手動雕刻機在法國“嘉寶”問世，1950年“嘉寶”生產(chǎn)出第一臺電動雕刻機。20世紀(jì)90年代，微電子技術(shù)大爆發(fā)，帶動了一大批高新技術(shù)企業(yè)的發(fā)展，也助雕刻機完成了2D2.5D3D的變革1。經(jīng)過近80年的發(fā)展，目前雕刻機技術(shù)已經(jīng)非常成熟。21世紀(jì)初期，小型雕刻機技術(shù)的普及，使得小型雕刻機成為DIY愛好者的另一個熱衷項目。1 雕刻機的分類經(jīng)過幾十年的發(fā)展，雕刻機的產(chǎn)品已非常豐富，種類繁多。根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，我們可以把現(xiàn)有的雕刻機按如下方式分類。按聯(lián)動軸數(shù)不同：兩軸、三軸、四軸、五軸、六軸雕刻機。三軸、四軸雕刻機最為常見也最為實用，性價比也最高；兩軸的雕刻機現(xiàn)在基本上沒有再使用和生產(chǎn)；五軸、六軸的雕刻機適應(yīng)性最強，但價格特別高，通常用于特殊加工行業(yè)，加工自由曲面類零部件2。按加工材料不同分為木材、石材、黑色金屬、非黑色金屬、塑料、玻璃、陶瓷加工雕刻機3。加工的材料不同，需要的切削力大小不同、可能達(dá)到的最高切削速度也不一樣，將會對雕刻機的控制系統(tǒng)和機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計有很大的影響。按機械結(jié)構(gòu)不同分為串聯(lián)和并聯(lián)雕刻機。串聯(lián)結(jié)構(gòu)又分為龍門移動式和工作臺移動式兩種。串聯(lián)結(jié)構(gòu)就是傳統(tǒng)機床的結(jié)構(gòu)。拿三軸的雕刻機舉例來說，Z軸的所有部件是跟著X軸的移動而移動的，Z軸在X方向上的位置是受X軸移動部件限制的。并聯(lián)機構(gòu)是一種新型機構(gòu)，其顯著特點是一個機構(gòu)產(chǎn)生若干個分支后續(xù)機構(gòu)，或者若干個分支機構(gòu)匯合于一個后續(xù)機構(gòu)、各個機構(gòu)的誤差不會累積4。圖1為典型串聯(lián)機床和并聯(lián)機床的示意圖：(a)串聯(lián)機床 (b)并聯(lián)機床圖1 串聯(lián)機床與并聯(lián)機床的區(qū)別按加工范圍的大小分為大型雕刻機、普通雕刻機、小型雕刻機。大型雕刻機通常用于大件產(chǎn)品的制作；小型雕刻機往往只在家庭或個人使用，普通雕刻機則用于一般的產(chǎn)品加工。按主軸不同分為電主軸和非電主軸式雕刻機。按驅(qū)動電機不同分為步進(jìn)電機驅(qū)動和伺服電機驅(qū)動式雕刻機。按傳動機構(gòu)的不同分為滾珠絲杠傳動和梯形絲桿傳動式雕刻機。2 小型雕刻機DIY機械部分現(xiàn)狀關(guān)于小型雕刻機的機械部分，其總體結(jié)構(gòu)目前主要有兩種形式。一種是工作臺移動式，即加工過程中，工件和刀具同時移動，完成零部件的切削。此種結(jié)構(gòu)主要在早期的時候使用，現(xiàn)在用這一結(jié)構(gòu)的很少。另一種是龍門移動式，加工過程中僅靠刀具運動就完成零部件的切削。例如羅奇亮和馬保吉在基于Mach3軟件的經(jīng)濟型機械式雕刻機開發(fā)中研究的結(jié)構(gòu)就為龍門移動式5。龍門移動式是現(xiàn)在的主流設(shè)計，國內(nèi)幾家有名的小型雕刻機公司目前的產(chǎn)品均為龍門移動式，例如廣州鹿原、東莞航宇、景德鎮(zhèn)英菲賽、阿莫雕刻、雷珀科技公司都為這種結(jié)構(gòu)。圖2 新型導(dǎo)軌機械傳動目前有三種形式。第一種是普通絲杠傳動。成本低，有自鎖功能。例如阿莫雕刻的AMCNC-016機型采用的就是這種方式。第二種是滾珠絲杠傳動。傳動精度高，阻力小。例如雷珀科技的6040Z+D7機型采用的就是這種方式。第三種是同步帶傳動。隨著同步帶的強度、精度的提升而出現(xiàn)的一種傳動方式。目前使用的較少。軸心自控的B200桌面機器人8為這種方式。機械部分的導(dǎo)軌主要有2種形式。一種是采用直線軸承+圓柱導(dǎo)軌式。是目前小型雕刻機的主流導(dǎo)軌，大部分產(chǎn)品均采用這種形式。另一種是阿莫雕刻最近開發(fā)的一種新型高速、重負(fù)荷導(dǎo)軌9。巧妙地使用類深溝球軸承與圓柱導(dǎo)軌配合。未進(jìn)行市場推廣，用的較少。如圖2。3 小型雕刻機DIY控制部分現(xiàn)狀控制部分通常包括上位機和下位機。在這里，上位機就是PC機，負(fù)責(zé)人機交互界面的管理和控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控等任務(wù)，如鍵盤和鼠標(biāo)的管理、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、控制指令的發(fā)送、外部信號的監(jiān)控、直線圓弧的插補、脈沖和方向信號的產(chǎn)生、原點和限位信號的檢測。而下位機是指接口板，主要負(fù)責(zé)脈沖信號的接收、放大和輸出、開關(guān)信號的檢測及反饋10。目前可用于小型雕刻機控制的CNC系統(tǒng)很多，基本上是由正規(guī)公司編寫的。它們中有些本身就是開源免費的，有些則是由網(wǎng)友破解的。我國有小部分愛好者嘗試編寫過CNC系統(tǒng)，也有一定的成果，但最終真正共享出來大家共同開發(fā)的目前還沒有。下面就國內(nèi)常用的，用于小型雕刻機DIY的CNC系統(tǒng)做綜合的敘述?；赪indows系統(tǒng)的有Mach11、NCStudio12、KCam13、DeskCNC14、AVR-CNC15、USBCNC16軟件。其中Mach軟件最受歡迎，很多的下位機都基于這個系統(tǒng)開發(fā)。Mach最高支持六軸聯(lián)動，控制精度能達(dá)到0.01mm，擁有良好的控制性能及友好的人機界面。NCStudio是一個國產(chǎn)控制系統(tǒng)，由上海維宏電子科技有限公司設(shè)計，經(jīng)網(wǎng)友破解后也很受歡迎，是唯一的一個可用于DIY的國產(chǎn)控制軟件，很多的控制卡也基于這個軟件開發(fā)。KCAM是一個可以自由編輯打印機端口輸出的軟件，這對于開發(fā)下位機非常方便，當(dāng)自己開發(fā)下位機的時候往往用這個系統(tǒng)。DeskCNC有很強的兼容性，能工作在各種Windows系統(tǒng)下，基于針的串口輸出。AVR-CNC基于TMega8芯片設(shè)計的一個系統(tǒng)，具有構(gòu)建簡單、擴展容易的優(yōu)勢；而且Mega8直接控制電機，因此有更好的實時性。USBCNC是因現(xiàn)在的電腦都配USB接口，取消打印機并口而專門開發(fā)的。目前破解、漢化并不完全，技術(shù)還不成熟，使用得較少?；贒OS系統(tǒng)的有TurboCNC17、CStep18。由于DOS系統(tǒng)是單一任務(wù)的操作系統(tǒng)，每個軟件的運行都是獨占CPU，因此有更高的實時性，在硬件跟不上的年代這點非常重要，對CNC系統(tǒng)的影響很大?，F(xiàn)在硬件的能力都很強，計算速度飛快，通常就忽略了這一點。TurboCNC的性能介于KCam和Mach之間，對硬件的要求低，最多支持軸，完全免費，不支持鼠標(biāo)操作，DOS界面一般，操作不方便。CStep軟件既可運行于DOS，也可以在Windows下工作，在DOS下運行比在Windows下運行會更順暢，獲得更好的實時性。此軟件無需安裝，絕對綠色。不想用的時候只要把解壓出來的文件夾刪除即可，不會在其他地方殘留垃圾文件7。不過這個軟件從2004年以后就不再更新了。基于Linux系統(tǒng)的有EMC219。EMC（Enhanced Machine Controller，增強型機器控制器）是來源于NIST （National Institute of Standards and Technology，美國標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院）90 年代早期開始的一個項目。其目的是提供一個有效的途徑來驗證用 PC 代替專用的 CNC控制器的可行性, 并最早在 Bridgeport 系列三軸機床上實現(xiàn)了其大部分控制功能。EMC充分發(fā)揮了 PC的硬實時特性和計算能力，在開放的 PC 上實現(xiàn)了封閉昂貴的專用 CNC 控制器的功能，對現(xiàn)代開放數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計有著重要的影響8。要在Linux系統(tǒng)上用好EMC還應(yīng)具備一定的Linux知識。國內(nèi)Linux的普及還不夠，所以使用EMC的人比較少。不過EMC在學(xué)術(shù)研究中很受歡迎，有很多相關(guān)的論文。上位機是整個系統(tǒng)的大腦。下位機則是連接控制系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的橋梁，在整個系統(tǒng)中具有非常重要的作用。相對于上位機只是破解、安裝一些CNC軟件來說，下位機的制作難度還是比較大的，需要具備一定的知識基礎(chǔ)。但下位機的原理比上位機簡單得多。其基本原理是接口板通過打印機并口接收上位機的信息，并把這些信息傳送給各個驅(qū)動器，驅(qū)動器再把這些信息放大，用于驅(qū)動電機。需要DIY的是接口板和驅(qū)動器，比較困難的是接口板，它需要你清楚知道打印機并口的每一個針腳的功能。對于一般的CNC軟件，這些信息是在軟件內(nèi)部保密的，獲取需要一定的技巧。可以自己設(shè)置各個針腳的功能的控制軟件很少，目前知道的只有KCam一個，很多下位機DIY均基于這個軟件。驅(qū)動器這一塊目前有很多的步進(jìn)電機專用控制芯片，功能很強大，外圍電路也比較簡單，所以相對容易。下位機制作的另一個瓶頸在于PCB板的制作，包括電氣原理圖的繪制、PCB布線、蝕刻法制作PCB。目前接口板和驅(qū)動器的原理圖都有開源的，但真正能根據(jù)這些資料自己制作的還是很少，也就是因為被這個瓶頸卡住。基于以上原因，目前下位機的制作還主要靠一些專業(yè)人士或公司制作。DIY愛好者直接購買他們的產(chǎn)品，調(diào)試使用即可。目前市場上的產(chǎn)品主要分為以下兩種，一種是接口板和驅(qū)動器是分開的，另一種則是兩者一體的。目前淘寶上賣下位機的商家很多，但品種不多，性能也大同小異。主要區(qū)別有以下幾點：控制軸數(shù)、驅(qū)動的最高細(xì)分、輸出的控制電流、與電腦主板是否隔離。目前做下位機比較專業(yè)、產(chǎn)品較全，性價比較高的有以下幾家：東莞航宇、江西英菲賽、極平驅(qū)動、寧波歌林、斯達(dá)普斯、深圳展翔、溫州通卡、珩源電子。4 小型雕刻機DIY學(xué)術(shù)氛圍國內(nèi)小型雕刻機的研究及發(fā)展主要靠幾個論壇。它們調(diào)動了DIY愛好者的興趣和激情的同時，給他們提供積極的幫助和指導(dǎo)，對小型雕刻機DIY行業(yè)的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。目前比較活躍的論壇有以下幾家：廣州鹿原電控器材廠論壇（www.luyuandk.com/bbs）：國內(nèi)最早做小型雕刻機的公司9。最早的小型雕刻機都是山寨鹿原的，鹿原在某種意義上來說算是中國小型雕刻機DIY行業(yè)的發(fā)源地。不過鹿原的商業(yè)模式更趨于傳統(tǒng)，其公司的DIY論壇也是后來才建立的。其中對于DIY真正有用的資料很少 。阿莫雕刻（www.ourdev.cn）：靠“阿莫”的團隊支撐，商業(yè)氣氛比較濃。這個論壇的優(yōu)勢在于阿莫團隊設(shè)計的機子都為了賣，技術(shù)較完善，而其中很多的技術(shù)資料阿莫都敢于開源。認(rèn)真去看能學(xué)很多。世紀(jì)模具論壇（www.21mould.net）：看站名就知道這個論壇的重點在于模具，其實這個論壇主要是關(guān)于雕刻機應(yīng)用方面的，例如雕刻程序的生成和編寫。雕刻機DIY是2007年才開的一個小版塊?？偟脕碇v這里DIY的氛圍不濃，但有很多有用的學(xué)習(xí)資料。大海作坊（www.xyzdiy.com）：一個草根DIY社區(qū)，但卻是小型雕刻機DIY的天堂。里面有足夠的關(guān)于機械部分和控制部分的DIY資料。最新的基于USB接口的數(shù)控系統(tǒng)接口板的開發(fā)就開始于這里。磁動力論壇（www.cdle.net）：目前國內(nèi)最大的雕刻機DIY論壇，有很豐富的DIY資料和良好的DIY氛圍。5 結(jié)論從雕刻機DIY現(xiàn)狀來看，雖有10多年的歷史，但這個行業(yè)還未有太大的發(fā)展。目前的DIY主要為“復(fù)制式”，大家不斷地重復(fù)DIY同一個東西?！把邪l(fā)式”的DIY很缺乏，是今后的發(fā)展方向。參考文獻(xiàn)：1周偉安.基于DSP的小型雕刻機全閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計D.廣州.華南理工大學(xué)，2011:1-42李榮泳，陳勇志，孫振忠. 基于Mach3軟件的經(jīng)濟型五軸雕刻機開發(fā)J.裝備制造技術(shù)，2011，1：77-853雕刻機. http:/baike.baidu.com/view/777785.htm4朱建國.并聯(lián)機構(gòu)的研究J.科協(xié)論壇，2010，9：94-955羅奇亮，馬保吉. 基于Mach3軟件的經(jīng)濟型機械式雕刻機開發(fā)J.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2009，6：184-1876 AMCNC-01機型發(fā)布http:/www.ourdev.cn/thread-3355500-1-1.html76040Z+D高性能雕刻機http:/item.taobao.com/item.htm?scm=1007.77.0.0&id=15393332489&ad_id=&am_id=&cm_id=&pm_id=8B200桌面機器人http:/www.axxonauto.com/Pro_details.asp?ClassID=9&ID=459 http:/www.ourdev.cn/thread-3960214-1-1.html10桂紹勇，彭同明，何新洲.基于MEGA103單片機的數(shù)控系統(tǒng)研制J.機械設(shè)計與制造.2005，9:36-3711 http:/www.artsoftcontrols.com12 http:/www.weihong.com.cn13 Geoff Williams.CNC Robotics,Build Your Own Workshop BotM.US:McGraw-Hill,2003:13-7614 http:/www.deskcnc.com15 http:/sorcefoge.net/project/avrcnc/?_test=b16 http:/www.planet-cnc.com17 http:/www.dakeng.com/turbo.html18 http:/cstep.luberth.com19http:/www.linuxcnc.org專業(yè)文獻(xiàn)綜述成績評閱表系部專業(yè)姓名題目小型雕刻機DIY現(xiàn)狀綜述指導(dǎo)教師意見(包括選題是否恰當(dāng)、文字表達(dá)水平、論文的難度和創(chuàng)新性、參考文獻(xiàn)質(zhì)量、格式是否規(guī)范等方面，請使用鋼筆書寫或打印)：論文評定成績： 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日編寫者：XX 日 期：20X年05月22日,小型雕刻機研制方案設(shè)計與控制設(shè)計,TD-XXXX,XX答辯,內(nèi)容簡介,小型雕刻機的總體方案設(shè)計 雕刻機總體方案的評價 基于MAch3數(shù)控軟件和HY-TB3DV-M三軸驅(qū)動板的控制系統(tǒng)的集成 基于Mach3的接口板的設(shè)計與制作 基于L297和L298N集成芯片的步進(jìn)驅(qū)動器設(shè)計與制作 接口板與步進(jìn)驅(qū)動器的測試 與同組同學(xué)合作完成樣機的制造 樣機的測試與分析,采用設(shè)計機床的方法與步驟，根據(jù)預(yù)定的技術(shù)任務(wù)書的要求，首先完成雕刻機的運動功能設(shè)計，并繪制運動功能圖。,小型雕刻機運動功能圖,雕刻機總體方案設(shè)計,依據(jù)接地或支撐位置的不同，完成了運動分配設(shè)計，得到四種方案,四種運動分配方案,簡單分析了四種運動分配方案，擯棄了其中兩種不適合的方案，對兩外兩種進(jìn)一步做結(jié)構(gòu)布局設(shè)計。,兩種結(jié)構(gòu)布局,龍門移動式布局圖,工作臺移動式布局圖,由技術(shù)任務(wù)書的要求，根據(jù)各軸最大行程的限制，完成兩種結(jié)構(gòu)的概略形狀和尺寸設(shè)計。,兩種結(jié)構(gòu)布局的細(xì)化,龍門移動式細(xì)化后模型,工作臺移動式細(xì)化后模型,主要對兩種細(xì)化后的方案做了簡單的有限元分析，分析了兩種結(jié)構(gòu)的變形特點。然后依據(jù)有限元分析的結(jié)果以及其他的一些因素，選出了進(jìn)一步研究的方案。,總體方案的評價,龍門移動式變形云圖,工作臺移動式方案變形云圖,控制系統(tǒng)的集成上位機,上位機使用的是安裝有Mach3控制軟件的PC。其控制界面如左圖。,Mach3控制界面,控制系統(tǒng)的集成下位機,下位機使用的是東莞航宇自動化公司的HY-TB3DV-M三軸驅(qū)動板。各個端口的功能及接線如左圖。,HY-TB3DV-M三軸驅(qū)動板,控制系統(tǒng)的集成并口設(shè)置,控制系統(tǒng)的集成電機控制引腳設(shè)置,控制系統(tǒng)的集成電機使能引腳設(shè)置,控制系統(tǒng)的集成電機調(diào)試,控制系統(tǒng)的集成電機使能引腳設(shè)置,控制系統(tǒng)的集成連線,接口板設(shè)計與制作原理圖,接口板設(shè)計與制作PCB圖,接口板設(shè)計與制作實物圖,步進(jìn)驅(qū)動器設(shè)計與制作原理圖,驅(qū)動器原理圖仿真測試輸入脈沖,利用Proteus的仿真功能，分別測試了L297工作在整步和半步模式時，L298N四個輸出引腳的脈沖。輸入脈沖如左圖所示。 通過簡單的分析，能夠發(fā)現(xiàn)原理圖的錯誤和不足之處。,整步模式L298N輸出脈沖,半步模式L298N輸出脈沖,接口板的測試,步進(jìn)驅(qū)動器的測試,樣機展示,1-主軸控制電源 2-電腦機箱及控制柜 3-步進(jìn)電機 4-電主軸 5-工作臺 6-手動手輪 7-控制界面 圖4. 1 樣機,樣機運動功能測試,在進(jìn)行加工測試前，先對雕刻機三軸的運動功能做了簡單的測試。采用的方法是，在主軸電機座上綁定一支記號筆，繪制了左圖的軌跡。 左圖的軌跡有四種功能：大正方形測試X、Y軸的最大行程；大圓測試XY平面的順時針圓弧插補能力；小正方形測試XY平面的直線插補能力；小圓測試XY平面的逆時針圓弧插補能力。 測試結(jié)果表明這幾項功能良好。,樣機加工測試運動軌跡,首先嘗試加工了運動測試用的軌跡。把軌跡縮小到6060。加工參數(shù)如下： 主軸轉(zhuǎn)速：5000r/min X、Y軸進(jìn)給速度：600mm/min 切削深度：0.2mm 加工材料：雙色板,樣機加工測試成品展示,樣機加工測試亞克力板,內(nèi)容簡介,小型雕刻機的總體方案設(shè)計 雕刻機總體方案的評價 基于MAch3數(shù)控軟件和HY-TB3DV-M三軸驅(qū)動板的控制系統(tǒng)的集成 基于Mach3的接口板的設(shè)計與制作 基于L297和L298N集成芯片的步進(jìn)驅(qū)動器設(shè)計與制作 接口板與步進(jìn)驅(qū)動器的測試 與同組同學(xué)合作完成樣機的制造 樣機的測試與分析,Thank you!, 小型雕刻機研制-方案設(shè)計與控制設(shè)計摘要本文主要包括兩個內(nèi)容。一是雕刻的總體方案的設(shè)計；二是雕刻機電氣控制設(shè)計。首先采用機床設(shè)計方法完成了總體方案的設(shè)計，包括運動功能設(shè)計、運動功能分配設(shè)計與分析、結(jié)構(gòu)布局設(shè)計以及結(jié)構(gòu)布局的細(xì)化。然后在Ansys Workbench平臺下分析了兩種方案的變形；依據(jù)有限元分析結(jié)果、加工與裝配的難易程度以及經(jīng)濟性等因素對細(xì)化的兩種方案做了簡要的分析比較。分析得出龍門移動式的方案比較適合，并把這一結(jié)果提供給同組其他同學(xué)，進(jìn)一步做結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計與計算?？刂圃O(shè)計模塊首先介紹了Mach3數(shù)控軟件和HY-TB3DV-M三軸驅(qū)動板以及它們的設(shè)置，然后介紹它們?nèi)绾渭刹Ⅱ?qū)動雕刻機機械本體運動。接著介紹了運用Proteus軟件設(shè)計、采用感光藍(lán)油方法制作的接口板和基于L297與L298N的步進(jìn)驅(qū)動器。最后展示了接口板、步進(jìn)驅(qū)動器和雕刻機樣機的測試結(jié)果和簡要的分析。關(guān)鍵詞：方案設(shè)計、控制設(shè)計、有限元分析、Mach3、HY-TB3DV-M、接口板、步進(jìn)驅(qū)動器、Proteus、L297、L298N、Ansys WorkbenchThe Development of small Engraving MachineDesign and Control DesignAbstractThis paper includes two main parts, overall design planning of engraving and the electric control design of engraving machine. First, it completes the design of overall planning by introducing machine tool design, involving motor function design, motor function allocation design, structural design and structural and layout details. Then, based on the platform of Ansys Workbench, two modified plans being analyzed. Also, with consideration of the result of finite elements analysis, difficulties level of processing and assembling and economical factors, a briefly comparison within two refinement plans could be explored. According to the analysis, it is found that Gantry style is appropriate for implementing the plan. Therefore, the author offers the result to team members for a further calculation and detailed refinement. The control of design module explains Mach3 numerical control software, HY-TB3DV-M three axis driving board and methods of installation finally, following by illustration of how to be assembled and drive engraving machine to function.Keywords：Design、Control Design、Finite Element Analysis、Mach3、HY-TB3DV-M、The Interface Board、Stepper drives、Proteus、L297、L298N、Ansys Workbench目錄目錄III摘要IAbstractII1.緒論11.1課題背景11.2課題意義11.3研究目標(biāo)12.總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計與分析22.1運動功能設(shè)計22.2運動功能的分配32.3結(jié)構(gòu)布局設(shè)計42.4總體結(jié)構(gòu)的概略形狀與尺寸設(shè)計42.4.1總體布局方案的細(xì)化42.4.2總體結(jié)構(gòu)的有限元分析6有限元分析技術(shù)簡介6Ansys Workbench有限元分析平臺簡介6Ansys Workbench與其他CAD軟件的接口技術(shù)7兩種結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性分析82.4.3總體結(jié)構(gòu)概略方案綜合評價123.控制系統(tǒng)設(shè)計133.1基于HY-TB3DV-M三軸驅(qū)動板的控制系統(tǒng)集成133.1.1HY-TB3DV-M三軸驅(qū)動板介紹14信息接收模塊15步進(jìn)驅(qū)動模塊153.1.2Mach數(shù)控軟件介紹183.1.3HY-TB3DV-M驅(qū)動板與Mach3軟件的通訊193.2步進(jìn)電機調(diào)試223.3接口板的設(shè)計與制作243.3.1Proteus簡介243.3.2原理圖與PCB的設(shè)計及接口板制作25接口板原理圖設(shè)計25PCB圖的生成27接口板的制作283.4基于L297+L298N芯片的步進(jìn)電機驅(qū)動器的設(shè)計與制作303.4.1L298N介紹303.4.2L297介紹313.4.3步進(jìn)驅(qū)動電路原理圖設(shè)計333.4.4步進(jìn)驅(qū)動電路仿真測試353.4.5步進(jìn)驅(qū)動器的制作363.5接口板和步進(jìn)驅(qū)動器測試393.5.1接口板測試393.5.2步進(jìn)驅(qū)動器的測試414.樣機實驗與分析424.1樣機展示424.2樣機運動測試424.3樣機加工測試44致謝46參考文獻(xiàn)47IV1. 緒論1.1 課題背景1938年世界上第一臺手動雕刻機在法國“嘉寶”問世，1950年“嘉寶”生產(chǎn)出第一臺電動雕刻機。20世紀(jì)90年代，微電子技術(shù)大爆發(fā)，帶動了一大批高新技術(shù)企業(yè)的發(fā)展，也助雕刻機完成了2D2.5D3D的變革周偉安.基于DSP的小型雕刻機全閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計D.廣州.華南理工大學(xué)，2011：1-4.。經(jīng)過近80年的發(fā)展，目前雕刻機技術(shù)已經(jīng)非常成熟。21世紀(jì)初期，小型雕刻機技術(shù)的普及，使得小型雕刻機成為DIY愛好者的另一個熱衷項目。經(jīng)過10多年的發(fā)展，我國小型雕刻機DIY雖已形成一定的規(guī)模，算得上一個小行業(yè)，但DIY的模式大多還為“復(fù)制式”。大伙不斷地重復(fù)DIY同一個方案。高校學(xué)生有較好的專業(yè)基礎(chǔ)和研發(fā)條件，是最有可能引導(dǎo)小型雕刻機DIY行業(yè)往“研發(fā)式”發(fā)展的群體之一，但目前小型雕刻機DIY在高校中還未有太多的推廣。1.2 課題意義隨著電子技術(shù)的發(fā)展，機電一體化產(chǎn)品在我們生活中占的比例越來越高，機電一體化技術(shù)對于我們的生產(chǎn)和制造發(fā)揮著越來越重要的作用。小型雕刻機屬于典型的機電一體化產(chǎn)品。它的設(shè)計和制造包含著豐富的機電一體化技術(shù)?？芍^麻雀雖小，五臟俱全。數(shù)控雕刻機從上世紀(jì)70年代王志英.電子雕刻技術(shù)未來發(fā)展趨勢J.印刷技術(shù)，1999，12：29-30.出現(xiàn)以來，經(jīng)過幾十年的發(fā)展、改進(jìn)，不管是在硬件還是在軟件上都已經(jīng)發(fā)展到一定的高度。雕刻機技術(shù)不斷成熟的同時也在不斷地普及，尤其是小型雕刻機。作為一名本科生，研制小型雕刻機最直接的目的在于實踐機械設(shè)計、機械制造、機電一體化技術(shù)等專業(yè)理論知識。其重大意義在于為下一步研制難度更高的機電一體化產(chǎn)品奠定厚實的基礎(chǔ)。就小型雕刻機的整個研制過程，從設(shè)計、制造、調(diào)試到總結(jié)，每一個環(huán)節(jié)都是對大學(xué)四年來所學(xué)知識的鞏固和應(yīng)用。通過這個項目的鍛煉，個人的能力能得到很大的提高。從培養(yǎng)人才、檢驗畢業(yè)生的角度，這一課題是非常有意義的。此外目前小型雕刻機DIY在高校中缺乏推廣。以該課題作為試驗項目，期望小型雕刻機DIY能在高校得到更多的關(guān)注。從而逐步引導(dǎo)小型雕刻機DIY行業(yè)往“研發(fā)式”方向發(fā)展。1.3 研究目標(biāo)總體目標(biāo)為完成小型雕刻機的方案設(shè)計和控制設(shè)計。結(jié)合同組同學(xué)的設(shè)計計算資料，與同學(xué)一起完成樣機的制造和裝配。繪制圖形并編寫G代碼，用樣機完成圖形的加工。為了便于研究，在開始研制小型雕刻機之前，我們對將要研制的小型雕刻機提出必要的幾點要求，即技術(shù)設(shè)計任務(wù)書。包括聯(lián)動軸數(shù)、可加工材料的范圍、可加工工件的最大尺寸、各軸最大的移動速度、重復(fù)定位精度及可達(dá)到的最高加工精度幾個方面。a) 聯(lián)動軸數(shù)：三軸b) 可加工的材料：HBS端口/針腳電機輸出，將會出現(xiàn)如界面。Enabled是否使用使能針腳控制；Step Pin#步進(jìn)脈沖輸出針腳；Dir Pin#步進(jìn)方向控制針腳。根據(jù)表3- 1的定義，把X、Y、Z軸各自電機的控制針腳設(shè)置成如圖3.1. 5。圖3.1. 5 電機輸出針腳設(shè)置因在圖3.1. 5中設(shè)置了使能控制，我們還需要設(shè)置各個軸的使能控制引腳。在剛才設(shè)置的窗口上單擊“輸出信號”標(biāo)簽。按圖3.1. 6設(shè)置使能和輸出控制針腳。其中output #1設(shè)置的是主軸啟?？刂贫丝?，用于控制接口板上的一個繼電器。這里補充一下主軸控制的一點知識。Mach3能夠通過三種不同的方式控制主軸。1) 用繼電器或電流接觸器控制電機的啟停。2) 通過分步或直接脈沖控制電機（電機必須為伺服電機）。3) 通過PWM脈沖可調(diào)信號控制直流電機。HY-TB3DV-M驅(qū)動板采用的是最簡單的繼電器控制。所以在設(shè)置的時候只用了一個針腳，通過設(shè)置該針腳的電平來控制繼電器的開關(guān)。圖3.1. 6 輸出信號針腳設(shè)置以上設(shè)置僅玩成了驅(qū)動板與Mach3軟件并口針腳的對應(yīng)關(guān)系。要實現(xiàn)通訊還必須設(shè)置Mach3軟件與外部通訊用的并口的地址。在剛剛的窗口中單擊“端口設(shè)置和軸向選擇”標(biāo)簽。如圖3.1. 7中“端口 #1”和“端口 #2”前面有一個小方框，要使用哪一個端口就勾選哪一個。注意到有一個端口地址輸入框，這個需要根據(jù)自己電腦的定義設(shè)置。并口地址查詢方法比較簡單。進(jìn)入電腦的設(shè)備管理器，找到打印機并口，右鍵單擊查看屬性，在“資源”標(biāo)簽下就可查看到。這里不再詳細(xì)敘述。圖3.1. 7 并口地址設(shè)置完成設(shè)置后，用并口線把電腦的并口和驅(qū)動板的并口連接起來就完成了Mach3與驅(qū)動板的通訊。接下來要做的是把驅(qū)動板和步進(jìn)電機聯(lián)系起來。步進(jìn)電機的接線比較簡單，只要知道步進(jìn)電機每根線的定義即可。拿四線電機來說，把A+、A-、B+、B-與四根線分別對應(yīng)起來就好了，然后根據(jù)表3- 4的定義正確連線就完成連接。對于六線、八線的步進(jìn)電機可以按照圖3.1. 8的方法把他們轉(zhuǎn)變?yōu)樗木€電機，然后按四線電機的接法連接。五線電機跟六線電機的原理可以看成是一樣的，只是五線電機把圖中的公共端NC連在了一起。圖3.1. 8 四線、六線、八線步進(jìn)電機的連線由于驅(qū)動板無法對主軸電機調(diào)速，而驅(qū)動板本身供應(yīng)的電壓過低（12V），無法滿足電主軸的轉(zhuǎn)速要求。為此單獨購買了電主軸的控制電源。連線很簡單，分清+、-、GND就ok。圖3.1. 9 急停開關(guān)針腳設(shè)置剩下的工作還有急停開關(guān)、限位開關(guān)和外部手控設(shè)備的接線。因雕刻機機械本體自帶機械手輪，可自由控制各軸的移動。為了節(jié)約成本我們不使用手控設(shè)備。其他兩個開關(guān)也對整個機器的運作沒有太大影響?？紤]到雕刻機各軸移動速度不快，限位開關(guān)的安裝還比較麻煩，在樣機試制時放棄使用限位開關(guān)。急停開關(guān)對于意外事故很重要，必須安裝。連線很簡單，請參考圖3.1. 10。連好線后還得在Mach3軟件中進(jìn)行設(shè)置。進(jìn)入“端口/針腳”設(shè)置窗口，在輸入信號標(biāo)簽下，按圖3.1. 9設(shè)置。至此整個系統(tǒng)的連線工作完成，連線示意如圖3.1. 10。圖3.1. 10 系統(tǒng)接線示意圖3.2 步進(jìn)電機調(diào)試上一節(jié)我們完成了系統(tǒng)的集成。在這一節(jié)我們需要根據(jù)購買的步進(jìn)電機及在結(jié)構(gòu)設(shè)計中選用的滾珠絲杠，進(jìn)行Mach3軟件的設(shè)置工作。包括計算步進(jìn)電機的脈沖當(dāng)量、調(diào)節(jié)移動部件的最高移動速度和加速度，并通過調(diào)試選擇最合適的細(xì)分設(shè)置。調(diào)試之前先明確已知的一些參數(shù)。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計計算的結(jié)果，我們在淘寶上買了3個二手的42步進(jìn)電機（型號：17PM-M007-02）。因為是二手的，沒有說明書。主要的參數(shù)如下：步距角=1.8；靜轉(zhuǎn)矩Fj=0.34Nm。另外滾珠絲杠的導(dǎo)程為P=5mm。步進(jìn)電機與滾珠絲杠直接用彈性聯(lián)軸器連接，所以傳動比為i=1。我們先看看電機調(diào)試的界面，了解需要設(shè)置的幾個參數(shù)。圖3.1. 11的紅色方框部分為我們需要設(shè)置的項目。下面對每個參數(shù)做簡要的解釋。1) Steps Per：絲桿螺母移動1mm、需要向步進(jìn)電機發(fā)送的脈沖數(shù)。與脈沖當(dāng)量有關(guān)。2) 速度（mm/min）：絲桿螺母每分鐘最高的移動速度。速度越高，電機轉(zhuǎn)速越高，電機的扭矩越小。3) 加速度（mm/s2）：電機由靜止到達(dá)到最高速度，由最高速度到靜止下來的加速度，決定電機勻速運動的時間。也決定了移動部件對絲杠的沖擊力。4) 步進(jìn)脈沖：用于設(shè)置最小脈寬，一般不需要設(shè)置。如果外部設(shè)備無法識別脈寬太小的脈沖時，才需要設(shè)置。5) 方向脈沖：用于設(shè)置方向脈沖的換向時間。一般也不設(shè)置。圖3.1. 11 電機調(diào)試界面經(jīng)過一番解釋，發(fā)現(xiàn)電機調(diào)試需要計算的參數(shù)只有“Steps Per”。速度和加速度是直接設(shè)定的，需要通過調(diào)試選擇合適的數(shù)值。下面先計算“Steps Per”，其本質(zhì)就是步進(jìn)電機的脈沖當(dāng)量。步進(jìn)電機的脈沖當(dāng)量：速度和加速度這兩個參數(shù)我們是通過調(diào)試、試驗獲得的。因工具有限，試驗條件差，下面簡單介紹調(diào)試的思想。加速度的確定是這樣的，首先憑感覺給定了一個加速度值，觀察部件的加減速情況。然后根據(jù)運動情況調(diào)整。直至加減速的時候沒有明顯的延時也不會過沖就ok。速度的調(diào)整主要考慮了電機轉(zhuǎn)速與扭矩的關(guān)系。首先給定一個初速度，然后按一常量增速，直至電機無法驅(qū)動部件為止。接著調(diào)整細(xì)分和衰減設(shè)置，調(diào)整后若能移動部件，則繼續(xù)增速，否則不做調(diào)整。最后獲得一個細(xì)分和衰減設(shè)置，并把電機速度調(diào)低，使電機的驅(qū)動力有一定的剩余，用于切削加工。3.3 接口板的設(shè)計與制作本節(jié)將簡單介紹Proteus電子設(shè)計自動化軟件，并詳細(xì)展示用Proteus設(shè)計接口板的過程。接著介紹如何使用用感光藍(lán)油自制接口板。3.3.1 Proteus簡介Proteus是英國Labcenter Electronic公司研發(fā)的包含單片機/嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)仿真獨特功能的電子設(shè)計自動化系統(tǒng)。主要由ISIS電路設(shè)計與仿真平臺、ProSPICE模數(shù)混合仿真器、VSM單片機/嵌入式系統(tǒng)協(xié)同仿真和ARES PCB設(shè)計構(gòu)成。它真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整的工程設(shè)計過程周靈彬.任開杰.基于Proteus的電路與PCB設(shè)計M.北京：電子工業(yè)出版社，2010.。本文主要應(yīng)用了ISIS、VSM和ARES PCB模塊。Proteus有非常豐富的元件庫和封裝庫，目前元件模型超過5萬，元件封裝接近5千。為ISIS電路設(shè)計和ARES PCB設(shè)計提供了很大的便利，同時也大大提高設(shè)計的效率。ISIS功能強大、操作簡單。只要把元器件擺放好后點擊接頭連線即可完成電路原理圖的設(shè)計。ISIS設(shè)計界面如圖3.3. 1所示。圖3.3. 1 ISIS電路設(shè)計界面這個看似簡單的界面還支持VSM電路仿真。在設(shè)計初期，選用具有仿真功能的元器件，在完成所有連線，確認(rèn)無誤后，直接運行仿真按鈕，即可實現(xiàn)聲、光、動等逼真的效果。非常直觀地檢驗電路硬件和軟件設(shè)計的對錯。 VSM的整個電路分析模塊是ISIS模塊延續(xù)下來的，原理圖中可以包含很多的實用的仿真工具：a) 探針：用于采集電路中的電壓/電流信號。b) 電路激勵：系統(tǒng)的多種激勵信號。包括正弦、鋸齒波、脈沖等。c) 虛擬儀器：用于觀測電路的運行狀況，以波形的方式顯示電壓/電流信號。d) 曲線圖表：用于分析電路的參數(shù)指標(biāo)。這些工具大大擴展了電路仿真的功能，增強了仿真的真實性和意義。ARES PCB模塊的功能同樣非常強大，是基于高性能網(wǎng)表的設(shè)計系統(tǒng)。其特點是：a) 基于“形狀”的自動布線，有效提高布線效率和布通率。b) 采用沖突減少運算法則，提供多路徑基于成本沖突減少運算法則的，適應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)自然流的布線方案。c) 擁有高級自動布線系統(tǒng)，包括全自動布線、腳本化布線、交互式布線等模式。同時支持手工布線。d) 自動生成飛線和力向量，為元件布局提供指導(dǎo)。允許自由拖放飛線實現(xiàn)引腳交換、門交換。e) 有連通檢查CRC和實時的設(shè)計規(guī)則檢查DRC系統(tǒng)。減少布線錯誤率。f) 支持多種PCB輸出格式，方便生產(chǎn)制作。ARES PCB的界面如圖3.3. 2所示。圖3.3. 2 ARES PCB設(shè)計界面3.3.2 原理圖與PCB的設(shè)計及接口板制作接口板原理圖設(shè)計前面的章節(jié)中，已經(jīng)介紹了打印機并口的特性。這節(jié)將根據(jù)這些特性來設(shè)計接口板。接口板在整個系統(tǒng)中的主要作用是允許電腦給驅(qū)動器等外部設(shè)備發(fā)送或接收信號。板子比較簡單，本質(zhì)就是把打印機并口的每個引腳根據(jù)外部接線的便利性分配到不同的排針上。為了增強輸入輸出引腳的驅(qū)動能力，每個引腳都配備了一個4.7k歐的電阻何立民.單片機高級教程M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000.。接口板的元器件清單如表3- 8。表3- 8 接口板原理圖元器件清單CategoryQuantityReferenceValueResistors17R1-R174.7kMiscellaneous1J1CONN-D25MMiscellaneous1J2CONN-SIL18Miscellaneous5J3-J7CONN-SIL2繪制完成的原理圖如圖3.3. 3所示。圖3.3. 3 接口板原理圖簡單介紹這個接口板。4.7k歐的電阻與5V電源串聯(lián)，能增強各個輸出輸入引腳的驅(qū)動能力。另外還能在一定范圍內(nèi)保護(hù)接口板電路和并口。J2排針的117號引腳分別與并口的117號引腳連接；J7的Pin1接5V電源，Pin2接地；J3、J4、J5、J6的Pin2都接地，Pin1分別與并口的1013引腳連接。之所以把這1013引腳單獨連接出來，是為了方便連接限位和急停開關(guān)。PCB圖的生成PCB圖的生成要求每個元件都需要有PCB封裝。在原理圖設(shè)計的時候就注意了這一點，都選擇了有合適封裝的元件。這樣在制作PCB圖的時候就很方便了，可直接把原理圖中的網(wǎng)表導(dǎo)入到ARES中。使用快捷鍵“Alt+A”即可導(dǎo)入網(wǎng)表，并打開ARES平臺。圖3.3. 4 手工布置元器件后的效果圖圖3.3. 5 完成布線的PCB圖在ARES平臺首先在“Board Edge”層繪制電路板的概略大小，然后在“Keep out”層繪制布線區(qū)域，接著手工布置元器件。元器件布置完成后的PCB如圖3.3. 4所示。此時圖中還有很多的飛線。元件布置完畢，單擊“Tools”菜單下的“Auto Router”，軟件將會自動完成布線。第一次自動布線出來的效果可能不好，多自動布置幾次，如果還不行可嘗試調(diào)整元件的位置。布線完成后必須檢查是否有DRC或CRC錯誤，軟件自帶檢查功能，。最終布完線的效果如圖3.3. 5。為了確保每個元器件都能焊在板子上，空間上不會相互干涉。在打印PCB圖前有必要看看其三維效果圖。如圖3.3. 6所示。圖3.3. 6 接口板三維圖一切都檢查完畢、無誤，根據(jù)感光藍(lán)油制作PCB的要求打印PCB圖。首先把PCB圖以負(fù)片的樣式打印為PDF文件。因Proteus7.10不支持負(fù)片打印，所以在打印前需要做簡單的設(shè)置。把布線層和焊盤層改為白色。然后單擊“Output”“Print”，彈出打印窗口，按圖3.3. 7設(shè)置。圖3.3. 7 打印設(shè)置窗口圖3.3. 8 PCB負(fù)片單擊“ok”完成打印，效果如圖3.3. 8。接口板的制作為了方便制作，我們事先把所需要的工具和材料都準(zhǔn)備好。制作PCB板的材料清單如下：激光打印機：1臺。PCB菲林膠片：1張。畫筆：1支。感光藍(lán)油：100ml。感光油墨稀釋劑：50ml。覆銅板：701001.6mm 一塊。取暖器：1個。亞克力板：1001003mm一塊。顯影劑：20g。過硫酸銨：1kg。脫模劑：20g。小型鉆床：1臺。鉆頭：0.6、3.0各一支。下面一步步介紹我們制作的過程。圖3.3. 91) 打印負(fù)片：把PCB負(fù)片按1:1的比例用激光打印機打印到菲林膠片上。2) 涂感光藍(lán)油：用畫筆在覆銅板上涂覆均勻的感光藍(lán)油，然后使用取暖器烘干表面的藍(lán)油。此步驟在紫外線很弱的室內(nèi)完成。晾干后的覆銅板如圖3.3. 9。圖3.3. 103) 曝光：把PCB負(fù)片剪成覆銅板大小，放在晾干的藍(lán)油上；再用亞克力板壓緊，確保膠片與藍(lán)油貼緊；最后在陽光下照射30s。4) 顯影：把曝光后的覆銅板放入到配置好的顯影劑中，用畫筆輕刷，一會就得到印制了電路圖的覆銅板。