五軸雕刻機機電結構設計①—驅動設計

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XX 工 學 院畢業(yè)設計說明書（論文）作 者: 學 號：學 院: 機械工程學院專 業(yè): 機械設計制造及其自動化題 目: 五軸雕刻機機電結構設計驅動設計指導者： (姓 名) (專業(yè)技術職務)評閱者： (姓 名) (專業(yè)技術職務)年 月畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 中 文 摘 要數(shù)控雕刻機廣泛運用在木工業(yè)、石材業(yè)、廣告業(yè)、制造業(yè)等多個行業(yè)領域。目前，市場上多以三軸數(shù)控雕刻機為主，多軸數(shù)控雕刻機多用于高端產(chǎn)品，高昂的機床價格和維修維護的成本一直是多軸數(shù)控雕刻機應用的主要瓶頸。針對五軸數(shù)控雕刻機的市場需求，本課題提出了一種經(jīng)濟型五軸數(shù)控雕刻機的設計方案。本文主要闡述的是運用 PC 機上的軟件將數(shù)控加工代碼轉化為各軸的輸出脈沖數(shù)通過計算機并口輸出脈沖信號到步進電機驅動器，來控制步進電機運動并且優(yōu)化其運動，從而實現(xiàn)各軸的運動完成加工。這中間還包括驅動器、步進電機以及驅動板的接線方式。關鍵詞 五軸雕刻機，驅動設計，接線方式，運動優(yōu)化畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 外 文 摘 要Title Structural Design Of Five-axis CNC Machinery Driven Design AbstractCNC engraving machine is widely used in the wood industry, stone industry, advertising industry, manufacturing industry and other industries. Currently, the market is dominated by three-axis CNC engraving machine, multi-axis CNC engraving machine is usually used for high-end products, high prices and high repair and maintenance cost of machine is the main bottleneck, which have restricted the application of multi-axis CNC engraving machine.For the market demand of five-axis CNC engraving machine, this project presents an economical five-axis CNC engraving machine design. Which the article focuses on is that with the software running on the PC, NC code will be converted into each axis output pulses, the output pulse signal through the computer parallel port is sent to the stepper motor driver to control and optimize the stepper motor movement, to achieve the movement of each axis and finish processing. It also includes the drive, stepper motor and driver board wiring in this process.Keywords five-axis engraving machine, driven design, wiring, motion optimization目 錄1 引言 .111 雕刻機的起源 .112 雕刻機的特征 .113 發(fā)展現(xiàn)狀及其研究意義 .21.3.1 我國雕刻機的發(fā)展現(xiàn)狀 .21.3.2 雕刻機的市場發(fā)展趨勢 .21.3.3 研究的目的與意義 .314 本文的研究內容 .32 總體方案與設計要求 .321 驅動方式的選擇 .322 設計要求及方案 .53 雕刻機的驅動原理 .631 軟件 EMC2 .73.1.1 EMC 的特點 .73.1.2 EMC2 的配置向導 .832 驅動板與驅動器 .103.2.1 驅動板 .103.2.2 驅動器 .1133 雕刻機的結構 .114 雕刻機的整體接線 .1241 步進電機的接線方式 .1342 驅動器的接線方式 .144.2.1 驅動器 SM-202A144.2.2 驅動器 SH-20403 .164.2.3 驅動器接線注意問題 .1843 驅動板的接線方式 .195 雕刻機的驅動與優(yōu)化 .2051 雕刻機的驅動 .205.1.1 EMC2 中的引腳介紹 .205.1.2 進給軸的配置 .2252 雕刻機運動優(yōu)化 .245.2.1 步進電機的轉速控制 .245.2.2 步進電機的靜態(tài)步距誤差 .255.2.3 步進電機的失步 .265.2.4 電機的啟動及噪聲處理 .275.2.5 利用 Test Area 測試最大速度和加速度 .2753 本章小結 .316 總結與展望 .31結 論 .32致 謝 .33參 考 文 獻 .34附件 A.3511 引言11 雕刻機的起源雕刻技術起源于藝術品的加工，是一種很傳統(tǒng)的手工工藝，由于深厚的文化內涵和精湛的成品效果是雕刻走入工業(yè)生產(chǎn)的初期，雕刻的主要工作是產(chǎn)品形態(tài)的精細休整和產(chǎn)品的文字圖案雕刻。在我國北宋時期發(fā)明了活字印刷，那時用的模版便屬于雕刻的范疇。隨著時代的發(fā)展，我國的雕刻藝術也日益精湛，玉雕、象牙雕、紅木雕、篆刻泥人雕等雕刻技術都堪稱一絕。上世紀 90 年代至今，機械雕刻獲得了前所未有的發(fā)展。從最初的刻字機、刻章機再到三位雕刻機，制作工藝也日漸成熟，應用范圍也日漸廣泛。1938 年世界第一臺手動雕刻機在法國“嘉寶”問世，1950 年“嘉寶”生產(chǎn)出世界第一臺真正意義的電動、可縮放比例的手動雕刻機。隨后美國、日本等國家也開始研制。目前雕刻機主要有仿形雕刻機和計算機數(shù)控（CNC）雕刻機兩大類，以完成有互換性要求的雕刻加工和模具雕刻加工。隨著工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)速度的加快，尤其是計算機輔組設計的廣泛的應用，工業(yè)產(chǎn)品的形態(tài)更加豐富，變化更加迅速，對制造設備提出了新的要求。這就使以計算機輔組設計和制造（CAD/CAM）技術、計算機數(shù)控技術（CNC）為核心的數(shù)控雕刻技術成了雕刻加工發(fā)展的主流。12 雕刻機的特征數(shù)控雕刻機它體現(xiàn)的是一種自動化以及機械化的生產(chǎn)模式。從加工原理講是一種鉆銑組合加工，通過 CAM 軟件中設計好的任意圖案、字體、三位路徑進行電腦式計算加工路徑。由于 CNC 雕刻對象的特點為圖案復雜、造型奇特、成品精細，而CNC 雕刻機以輕型結構為主，這實際上限定了 CNC 雕刻的工作方式為：“小刀具的快速銑削” ，事實上這也正是 CNC 雕刻的“專業(yè)優(yōu)勢” ，原因就是 CNC 雕刻是在干“常規(guī)大刀具無法加工的業(yè)務” 。另外它的操作也是非常簡單，涉及的行業(yè)也是相當?shù)膹V泛，有廣告業(yè)、印章業(yè)、木器加工業(yè)、建筑業(yè)、藝術模型業(yè)等等?？杉庸さ牟牧弦彩欠浅V泛，包括金屬、石材、PVC 板、鋁塑板等等。隨著人們對雕刻機的認識逐步加深，應用范圍會得到不斷擴大，應用水平也會逐步提高，雕刻加工必定會有更廣闊的前景。213 發(fā)展現(xiàn)狀及其研究意義1.3.1 我國雕刻機的發(fā)展現(xiàn)狀伴隨著人類社會的發(fā)展，雕刻行業(yè)發(fā)生著巨大的變化。現(xiàn)如今人們對雕刻機有了全新的認識，數(shù)控木工雕刻機、模具雕刻機、激光雕刻機等電腦雕刻加工的興起與發(fā)展是時代發(fā)展的需要，電腦雕刻代替機械已是大勢所趨。以廣告業(yè)為例，許多廣告業(yè)的客戶都經(jīng)歷過從手工刻字到使用電腦刻字機，廣告雕刻機的使用實現(xiàn)了機械代替手工，電腦代替人腦的飛躍，字體規(guī)范的同時又大大提高了生產(chǎn)效率。隨著近年來我國制造業(yè)的迅速發(fā)展，數(shù)控雕刻機產(chǎn)業(yè)也獲得了良好的發(fā)展機遇，有效地促進了我國數(shù)控雕刻機的生產(chǎn)、推廣和應用。我國數(shù)控雕刻機起步于經(jīng)濟型數(shù)控機床，隨著數(shù)控技術的進步，經(jīng)過十多年的發(fā)展，已成為了多個國產(chǎn)品牌的雕刻機，如上海洛克公司生產(chǎn)的啄木鳥數(shù)控雕刻機、北京精雕公司生產(chǎn)的精雕數(shù)控雕刻機和南京科能公司生產(chǎn)的威克數(shù)控雕刻機等。上述各類雕刻機的機床本體結構較為簡單，控制器大多借鑒國外新技術，采用基于高檔的微控制器或 PC 的數(shù)控系統(tǒng)，伺服部分以步進電機細分驅動為主，可獲得中等控制精度，但價格比較便宜，因此整機的性價比不是太高，適用于精度要求不太高的普及應用場合。至于高精度的雕刻加工，目前我國尚以進口數(shù)控雕刻機為主，如意大利的佐拉、日本的全量等品牌的數(shù)控雕刻機。這類數(shù)控雕刻機機床本體設計剛度好、精度高，采用伺服電機驅動，加工精度高，控制系統(tǒng)功能全、可靠性高，但價格昂貴，往往數(shù)倍于國產(chǎn)產(chǎn)品，因此主要應用于模具等高精度加工場合。1.3.2 雕刻機的市場發(fā)展趨勢雕刻機市場緊跟雕刻制作行業(yè)的走向。隨著雕刻行業(yè)的發(fā)展，市場對雕刻機生產(chǎn)廠商提出了更高的要求。雕刻制作行業(yè)的市場細分已經(jīng)日益成熟，但雕刻設備只有零星的專業(yè)系列雕刻機推出，推出專業(yè)系列雕刻機是雕刻設備研制廠商的當務之急。操作人性化、簡潔化是 CNC 雕刻機的一大發(fā)展趨勢。為了滿足規(guī)模化生產(chǎn)的需要，簡潔的操作系統(tǒng)就成了目前雕刻機生產(chǎn)廠商急需研發(fā)的項目。簡潔的操作系統(tǒng)使一人操作數(shù)臺 CNC 雕刻設備成為現(xiàn)實。完善的服務體系是雕刻機生產(chǎn)廠商發(fā)展、壯大的根基。建立完善的服務體系也是目前許多雕刻機生產(chǎn)廠商迫切需要解決的問題。 不僅僅如此，隨著機構設計、高速電機、控制芯片、軟件平臺和程序設計等領3域的發(fā)展，雕刻機的性能將得到改進和提高。而今后計算機網(wǎng)絡技術的迅猛發(fā)展，也將給雕刻機帶來一場革命。最終雕刻機將改變不了走向高速高精度化、高效率可靠性、多軸聯(lián)動技術的命運。 1.3.3 研究的目的與意義建國以來，我國的機械工業(yè)雖然已經(jīng)有了較大的發(fā)展，具備了一定的基礎和規(guī)模，初步滿足國民經(jīng)濟和人民生活的需要。但隨著世界科學技術的迅速發(fā)展，我國機械工業(yè)的技術水平和生產(chǎn)能力與工業(yè)發(fā)達國家相比還存在相當大的差距。因此，在我國以新技術改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和開發(fā)高技術含量的新產(chǎn)品已成為當前機械工業(yè)以至各傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)密切關注和改革的焦點。因此，在雕刻行業(yè)也同樣隨著市場的變化需求需要做出突破與創(chuàng)新。而雕刻機的數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控雕刻機的控制核心，其控制功能的強弱、控制性能的優(yōu)劣直接關系著數(shù)控雕刻機的加工質量與加工效率，對整個雕刻機的性價比和市場競爭力都至關重要。但目前國產(chǎn)雕刻機使用的數(shù)控系統(tǒng)在性能和價格上不能很好的統(tǒng)一，成為影響國產(chǎn)數(shù)控雕刻機市場競爭力的制約因素之一。為此，研究開發(fā)具有良好性價比的雕刻機數(shù)控系統(tǒng)很有意義。這樣的研究將能節(jié)約資源，進一步提高雕刻機數(shù)控系統(tǒng)的性價比，以優(yōu)良的控制性能和較低的價格進一步增強國產(chǎn)雕刻機的市場競爭力，并為雕刻機最終用戶改善產(chǎn)品質量、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約生產(chǎn)成本提供有效手段。14 本文的研究內容本文研究的主要內容是掌握步進電機驅動器與其相連的各部件之間的連線方式并通過計算機中的 EMC2 軟件輸出信號給驅動器，然后利用驅動器控制五軸雕刻機的運動。在雕刻機運動的基礎上，再通過 EMC2 軟件對雕刻機的運動進行優(yōu)化，使其能夠正常順暢的運行并能夠對實物進行雕刻。2 總體方案與設計要求本課題的大體的驅動設計的方向就是選取一個合理的驅動方式來驅動雕刻機。而雕刻機結構里面又包括了各個部件的設計，這些設計都是根據(jù)具體的雕刻機結構來的。21 驅動方式的選擇一般對于雕刻機的驅動方式有兩種可供選擇：伺服-運動控制卡，PC 并口控制。具體選擇哪一種就要具體分析后才能知道。4運動控制卡通常是采用專業(yè)的運動控制芯片或 DSP 來滿足一系列運動控制要求的控制單元，其可通過 PCI、PC104 等總線接口安裝到 PC 和工業(yè) PC 上，可與步進和伺服驅動器連接，驅動步進和伺服電機完成各種運動（單軸運動、多軸運動、多軸插補等） ，接收各種輸入信號（限位原點信號，sensor） ，可輸出控制繼電器、電磁閥、氣缸等元件。用戶可使用 VC、VB 等開發(fā)工具，調用運動控制卡函數(shù)庫，快速開發(fā)出軟件。運動控制卡也因其功能強大、開發(fā)便利等優(yōu)勢已被廣泛運用于切割機、點膠機、激光打標機、電路板鉆/銑機、超聲波焊機、絲印機、 AOI 檢測機、飛針測試機、激光焊接機、雕刻機、噴繪機、快速成型機等測量與自動化設備領域。針對我國主要存在的中低檔機床，經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)仍具有相當大的市場潛力。所以在研制經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)過程中，考慮提高系統(tǒng)性能的同時，如何盡可能多地減少硬件設計，降低成本，提高可靠性已經(jīng)成為大多人追求的目標。而在 PC 并口的驅動方式下，系統(tǒng)中常規(guī)的位置控制模塊由主 CPU 依靠軟件完成，降低了硬件成本，提高了可靠性。況且運動控制卡的成本比較昂貴，受到實驗室的限制所以就選擇了PC 并口來控制雕刻機。PC 并口控制采用并口輸出的方法來實現(xiàn)與外部設備的接口。標準并口具有 12個輸出位（D0-D7、C0-C3） ，5 個輸入位（S3-S7） 。由于每路步進電機驅動器需要 2個數(shù)字位（脈沖、方向）控制，五軸系統(tǒng)共占用 10 個數(shù)字輸出位。通過步進電機驅動器放大并口輸出的脈沖和方向信號，使之驅動步進電機。并口的輸入位用來檢測回零開關信號、限位開關信號以及急停輸入信號。但是由于輸入資源有限，采用將各個軸電機的正負限位和回零信號分別并聯(lián)的方法，每個并聯(lián)位各占用一個并口輸入位。具體結構圖如圖 1：圖 1.并口結構圖522 設計要求及方案雕刻機總體布局的基本要求有以下幾點：1、首先必須滿足如加工范圍、工作精度、生產(chǎn)率和經(jīng)濟性等各種要求；2、確保實現(xiàn)既定工藝方法所要求的工件和刀具的相對位置與相對運動。在經(jīng)濟合理的條件下，盡量采用較短的傳動鏈，以簡化機構，提高傳動精度和傳動效率；3、確保雕刻機具有與所要求的加工精度相適應的剛度、抗振性、熱變形及噪音水平；4、應便于觀察加工過程，便于操作、調整和維修，便于輸送、裝卸工件和清理。根據(jù)以上這些要求設計出雕刻機的結構圖，如圖 2：圖 2.結構圖由該結構圖可以看出需要三個步進電機，所以先要選取步進電機的型號。根據(jù)6雕刻的加工范圍、加工精度和經(jīng)濟性等要求選擇了 42BYGH121 型號的步進電機。具體參數(shù)如下：額定電流：1A；額定電壓：12V-24V；導程：8mm；步距角：1.8；脈沖當量：0.04mm；行程：20cm；扭矩：3kg/cm。步進電機的最大速度與最大加速度是通過測試得出的，測試的方式與結果見第五章的詳細介紹。另外旋轉電機的減速比是 42：1。所以每個脈沖就會使電機旋轉角度為360/42=8.5714。旋轉電機的加工范圍 45-135。以上所有電機參數(shù)見附件 A。步進電機已經(jīng)有了還需驅動器和驅動板，三個步進電機對應的就是三個步進電機驅動器，根據(jù)步進電機的要求來選擇驅動器。在本課題中選用了兩種不同的驅動器共三個：SH-20403 兩個和 SM-202A 一個。具體參數(shù)和接線方式見第三章驅動器介紹部分。驅動板則主要是用來與 PC 連接的（通過并口） 。以上這些都是雕刻機的硬件部分，若要能夠使雕刻機成功運動起來就必須還要有一個軟件來給步進電機發(fā)送脈沖和方向信號。本課題主要是運用 EMC2 軟件來發(fā)送信號驅動步進電機。方案的設計與一些設備儀器的選取差不多已經(jīng)完成了，接下來的主要任務便是搞清楚驅動的原理及相關設備之間的連線方式。3 雕刻機的驅動原理雕刻機的傳統(tǒng)的工作原理：通過計算機內部配置的專用雕刻軟件進行設計和排版，并由計算機把設計與排版的信息自動傳送至雕刻機控制器中，再由控制器把這些信息轉化為能驅動步進電機或伺服電機的帶有功率的信號（脈沖串） ，控制雕刻機主機生成各軸的雕刻走刀路徑。同時，雕刻機上的高速旋轉雕刻頭通過按加工材質配置的刀具對固定于主機工作臺上的加工材料進行切削，這樣即可雕刻出在計算機中設計的各種平面或立體的浮雕圖形及文字，實現(xiàn)雕刻自動化作業(yè)。而本課題的原理是將預先設定好的 G 代碼轉化為 EMC2 軟件能讀懂的信號，然后 EMC2 軟件通過計算機并口到驅動板將信號放大給驅動器脈沖信號，驅動器帶動步進電機然后就是雕刻機正常運行如圖 3 所示。7G 代碼 驅動板驅動器 步進電機 雕刻機EMC2輸出脈沖與方向圖 3.驅動原理圖31 軟件 EMC23.1.1 EMC 的特點EMC（增強機器控制）是一款用來控制機床（銑床、車床等）的計算機軟件系統(tǒng)，也是一款開源的自由軟件。當前軟件只許可 GPL 和 LGPL 的版本。軟件具有以下幾個特點：（1） 它提供了幾種不同的用戶界面可供使用，是一種 G 代碼翻譯器；（2） 是一種帶預處理功能的實時運動規(guī)劃系統(tǒng)；（3） 可直接操作底層的機床電器如傳感器、電機驅動器等；（4） 它獨有的“面包板層”可以使用戶像使用“面包板”做電路實驗一樣很容易的創(chuàng)建適合自己機器的獨有配置文件；（5） 是可用梯形圖編程操作的 PLC 軟件；（6） 以上所有這些都集成到一張 Live-CD 上面，易于安裝。但是這個軟件不提供 CAD 和 CAM 功能，不能畫圖，也不能從圖直接導出 G 代碼。它可以支持 9 軸聯(lián)動并且還可以支持不同的接口。既能夠實現(xiàn)開環(huán)和閉環(huán)的運動控制，又能控制模擬 PWM 接口的伺服電機。在運動控制方面還具有很多優(yōu)點：刀具半徑和長度補償、路徑偏差可限制在給定的誤差范圍內、車床車螺紋、多軸聯(lián)動、自動適應進給速度、手動進給覆蓋、恒速控制等。通過調整運動學模塊的參數(shù)還可以支持非笛卡爾運動系統(tǒng)。EMC 的部分圖如圖 4 和圖 5。8圖 4.EMC 圖圖 5.EMC 圖3.1.2 EMC2 的配置向導本課題中涉及到 EMC2 軟件部分的其實只有配置向導部分而已，所以在設計本課題時最重要的就是要了解配置向導部分選項的使用。9配置向導只是 EMC2 的一個比較基本的配置功能。EMC2 可以通過許多不同的硬件接口控制不同類型的機器設備。當機器設備使用并口與 PC 機連接而且可以用“脈沖信號+ 方向信號”控制時，使用 Stepconf Wizard 生成配置文件是最好的選擇。Stepconf Wizard 在安裝 EMC2 時就已經(jīng)自動安裝了。如圖 6 是對圖中的選項的解釋。圖 6.配置向導圖Create New：創(chuàng)建一個新的配置。Modify：修改一個舊的配置。選擇此項后，接下來的頁面就是一個文件選擇界面（如果是新建一個配置，就不會出現(xiàn)這個文件選擇界面） ，在此頁面里你可以選擇要修改的配置文件。配置向導在新建配置時，除了在 emc2/config 文件夾下放置一個.stepconf 后綴的文件以外，還在該文件夾下新建了一個文件夾 my-mill，里面有六個文件 custom.hal，custom_postgui.hal，my-mill.hal，my-mill.ini，README，tool.tbl， “my-mill”是 Stepconf Wizard 默認的一個名字，操作者可以在向導中改成自己想要的名字。選擇 Modify 功能后所做的修改將覆蓋到 my-mill.hal 和 my-mill.ini 文件中， “覆蓋”意味著如果你曾用其他編輯工具（如 vim）對這兩個文件做了手動修改，那么經(jīng)過使用 Stepconf Wizard 的 Modify 功能后，這些修改都會丟失。而 custom.hal 和 custom_postgui.hal 則不會受到影響，Stepconf Wizard 的 Modify 功能對它們不起作用。Create Desktop Shortcut：為 my-mill 文件夾創(chuàng)建一個桌面快捷方式。Create Desktop Launcher：為啟動包含 my-mill 相關配置的 EMC2 應用程序創(chuàng)建一個快捷方式。下圖 7 是一些常用到選項。10圖 7.配置向導圖Axis Configuration：軸配置，只能選用 XYZ、XYZA 或 XZ 中的一種。Machine Units：機床尺寸單位，英制或公制。本課題用到的只要是公制的。Driver Type：電機驅動器型號，軟件自帶的有很多種驅動器型號，但是本課題中涉及到的是其他兩種型號的驅動器，所以應選其他這個選項。Step Time：指的是步進脈沖信號的寬度。Step Space：指的是步進脈沖之間的寬度。Direction Hold：電機方向切換后保持的時間，這個時間過后才能發(fā)步進脈沖。Direction Setup：這個指的是步進脈沖發(fā)完后需保持一段時間（該時間是自己設置的）然后才能切換方向。32 驅動板與驅動器3.2.1 驅動板驅動板的工作原理就是將 EMC2 軟件給的信號進行放大，然后將該信號以脈沖和方向兩個信號形式連接到驅動器上。同時還可以降低電流，將高電壓和大電流與控制板隔離，起到一個保護電器的作用。113.2.2 驅動器步進電機是一種作為控制用的特種電機，它的旋轉是以固定的角度（稱為“步距角” ）一步一步運行的，其特點是沒有積累誤差，所以廣泛應用于各種開環(huán)控制。步進電機的運行是要有一個電子裝置進行驅動的，這種裝置就是步進電機驅動器。它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉化為步進電機的角位移，或者說：控制系統(tǒng)每發(fā)一個脈沖信號，通過驅動器就使步進電機旋轉一步距角。所以步進電機的轉速與脈沖的頻率成正比。因此，只要控制步進電機脈沖信號的頻率就可以對電機精確調速，而控制步進電機脈沖的個數(shù)就可以對電機精確定位。步進電機驅動器還可以對電機的步距角進行細分。步進電機通過細分驅動器的驅動，其步距角變小了。如驅動器工作在 10 細分狀態(tài)時，其步距角只為“電機固有步距角”的十分之一，也就是說：當驅動器工作在不細分的整步狀態(tài)時，控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖，電機就轉動 1.8；而用細分驅動器工作在 10 細分狀態(tài)時，電機只轉動了 0.18，這就是細分的基本概念。細分功能完全是由驅動器靠精確控制電機的相電流所產(chǎn)生的，與電機無關。驅動器細分的優(yōu)點主要有：完全消除了電機的低頻振蕩。低頻振蕩是步進電機（尤其是反應式電機）的固有特性，而細分是消除它的唯一途徑。如果步進電機有時要在共振區(qū)工作（如走圓?。?，選擇細分驅動器是唯一的選擇。不僅如此，細分還可以提高電機的輸出轉矩。尤其是對三相反應式電機，其力矩比不細分時提高了約30-40%。還能提高電機的分辨率，由于減小了步距角、提高了步距的均勻度，提高電機的分辨率也是不言而喻的。33 雕刻機的結構本課題是由本人和另外一個同學共同完成的，兩個人的主要工作任務都不同，一個主要做的是結構，而我主要做的是驅動設計的部分，所以在這里就結合一下圖稍微簡單點給大家介紹一下雕刻機的結構。如圖 8 為已加工裝配后的雕刻機結構圖，圖中主要標出了各個方向的進給軸，其中兩軸為現(xiàn)成的。12圖 8.結構圖4 雕刻機的整體接線整體的接線就是縱觀所有儀器設備的接線方式與原理。本章首先主要講的是整體的各部分直接的接線方式，然后再介紹每個部件各自的接線方式。等線全部接完之后，再試著用計算機中的 EMC2 軟件來驅動雕刻機運動看看。圖 9.整體接線圖如圖 9 所示，計算機與驅動板之間通過計算機并口連接，并由計算機控制板給驅動板提供一個 5V 的電源。然后驅動板通過四根信號線與步進電機驅動器連接在一Y 軸步進電機：驅動電機上下工作X 軸步進電機：驅動電機左右工作Z 軸步進電機：驅動電機繞X 軸旋轉工作13起，一個 24V 的電源給驅動器提供電流。最后就是步進電機驅動器與雕刻機上的各個軸的步進電機相連以至驅動雕刻機。41 步進電機的接線方式要搞清楚步進電機的接線方式，首先我覺得應該先弄懂步進電機的工作原理。按照常理來說，步進電機接線要根據(jù)線的顏色來區(qū)分接線。但是不同公司生產(chǎn)的步進電機線的顏色是不一樣的，特別是國外的步進電機。這樣一來，步進電機的接線就應該用萬用表打表。步進電機內部構造如圖 10：圖 10.步進電機內部構造圖通過上圖可知，A，A-是連通的，B，B-是連通的。那么，A 和 A-是一組 a，B和 B-是一組 b。因此要驅動步進電機無非是輪流給 a 組和 b 組線連續(xù)的脈沖，這樣步進電機就能驅動了。不管是兩相四線、四相五線還是四相六線步進電機，內部結構都是如此。至于究竟是四線、五線還是六線，就要看 A 和 A-之間，B 和 B-之間有沒有公共端 com端。如果 a 組和 b 組各有一個 com 端，則該步進電機為六線。如果 a 組和 b 組的公14共端連在一起則是五線的。所以，要弄清步進電機如何接線，只需把 a 和 b 組分開就可以了。分開的方法就是用萬用表測兩根線，如果相通便是一組。本課題用到的步進電機便是兩相四線的，所以只要將這兩相分別如圖 11 所示接到驅動器對應的A+，A-和 B+，B-上即可。圖 11.SM-202A42 驅動器的接線方式上一節(jié)已經(jīng)介紹了步進電機的接線方式，而要能夠使步進電機驅動起來就必須要有步進電機驅動器，所以本節(jié)主要介紹的就是步進電機驅動器的接線方式。要知道驅動器的接線方式就必須知道驅動器的內部結構和每個接口代表的是什么意思以及該驅動器的一些特點和參數(shù)。本課題主要用到了兩種不同型號的驅動器（SM-202A 和 SH-20403） ，所以接下來著重介紹的也是這兩種驅動器的接線方式。4.2.1 驅動器 SM-202A驅動器 SM-202A 如上圖所示，該驅動器具有的特點：電源電壓不大于+40VDC；斬波頻率大于 35KHZ；輸入信號與 TTL 兼容；無 CP 脈沖電流自動減半；最大驅動電流 1A/相；可驅動兩相或四相混合式步進電機；雙極性恒流斬波方式；光電隔離信號輸入；SM202A 型：2、4、8、16、32 、64、128、256；驅動電流可由開關設定；外形尺寸：85*59*19。引腳的說明：+45V，GND 端為外接直流電源，直流電壓范圍為+12V+40V。A+，A-端為電機 A 相，B+，B-端為電機 B 相。前面在介紹步進電機的接線方式的時候就已經(jīng)介紹過了，這四個引腳是直接與電機的 A 相和 B 相接的。15+COM 端為光電隔離電源公共端，典型值為+5V，高于 +5V 時應在 CP，DIR 及FREE 端串接電阻。CP 端為脈沖信號，下降沿有效。DIR 端為方向控制信號，電平高低決定電機運行方向。FREE 端為驅動器使能，高電平或懸空電機可運行。低電平驅動器無電流輸出，電機出于自由狀態(tài)。電氣特性：輸入電壓在+12V-+40V 之間，典型值為+30V。本課題用的是一個+24V 的電源；輸出相電流 0.15、0.25、0.40、0.5、 0.6、0.7、0.85、1.00A ；信號邏輯輸入電流 10mA-25mA；下降沿脈沖時間大于 5us；絕緣電阻大于 500M 歐。細分數(shù)由開關 K1、K2、K3 選擇，具體的選擇方式如圖 12。圖 12.細分圖電流值由 K4、K5、K6 選擇，具體的選擇方式如圖 13。圖 13.電流圖接下來就是驅動器具體接線的電路圖以及一些要注意的問題。先講一下要注意的地方：電源電壓在 DC12V-DC40V 之間可以正常工作；最好選用非穩(wěn)壓型電源；當多個驅動器共用一個電源時，應提高電源的額定功率和額定輸出電流并注意散熱；注意靜態(tài)電流的設定，設定靜態(tài)電流時，當脈沖信號延遲 1 秒后，電機電流自動減半并減少發(fā)熱。16圖 14 為典型接線圖：圖 14. SM-202A 典型接線圖4.2.2 驅動器 SH-20403驅動器 SH-20403 如圖 15 所示。圖 15.SH-20403簡單介紹一下該驅動器的特點：10V-40V 直流供電；H 橋雙極恒相流驅動；最大 3A 的八種輸出電流可選；最大 64 細分的七種細分模式可選；輸入信號光電隔離；標準共陽單脈沖接口；脫機保持功能；半密閉式機殼可適應更嚴苛環(huán)境；提供節(jié)能17的自動半電流鎖定功能；通過 CE 認證。輸出電流選擇：該驅動器最大輸出電流為 3A/相（峰值） ，通過驅動器面板上六位撥碼開關的第 5、6、7 三位可組合出八種狀態(tài)，對應輸出八種電流，從 0.9A 到3A（詳見電流選擇圖 16）以配合不同的電機使用。圖 16.電流圖細分選擇：該驅動器可提供整步、改善半步、4、8、16、32 和 64 細分七種運行模式，利用驅動器面板上六位撥碼開關的第 1、2、3 三位可組合出不同的狀態(tài)（詳見細分模式選擇圖 17） 。圖 17.細分圖公共端：該驅動器的輸入信號采用共陽極接線方式，用戶應將輸入信號的電源正極連接到該端口上，將輸入的控制信號連接到對應的信號端口上?？刂菩盘柕碗娖接行?，此時對應的內部光耦導通，控制信號輸入驅動器中。脈沖信號輸入：共陽極時該脈沖下降沿被驅動器解釋為一個有效脈沖，并驅動電機運行一步。為了確保脈沖信號的可靠響應，共陽極時脈沖低電平的持續(xù)時間不應少于 10us。該驅動器的信號響應頻率為 70KHZ，過高的輸入頻率將可能得不到正確的響應。方向信號輸入：該端口信號的高電平和低電平控制電機的兩個轉向。共陽極時該端懸空被等效認為輸入高電平?？刂齐姍C轉向時，應確保方向信號領先脈沖信號18至少 10us 建立，可避免驅動器對脈沖的錯誤響應。脫機信號輸入：該端接受控制機輸出的高/低電平信號，共陽極時低電平時電機相電流被切斷，轉子處于自由狀態(tài)（脫機狀態(tài)） 。共陽極時高電平或懸空時，轉子處于鎖定狀態(tài)。圖 18 為典型接線圖：圖 18. SH-20403 典型接線圖4.2.3 驅動器接線注意問題在接線驅動器時，應遵循功率線（電機相線，電源線）與弱電信號線分開的原則，以避免控制信號被干擾。在無法分別布線或有強干擾源（變頻器，電磁閥等）存在的情況下，最好使用屏蔽電纜傳送控制信號；采用較高電平的控制信號對抵抗干擾也有一定的意義。為了取得最滿意的驅動效果，需要選取合理的供電電壓和設定電流。供電電壓的高低決定電機的高速性能，而電流設定值決定電機的輸出力矩。供電電壓的選定：一般來說，供電電壓越高，電機高速時力矩越大，越能避免高速時掉步。但另一方面，電壓太高可能損壞驅動器，而且在高電壓下工作時，低速運動振動較大，所以要選用一個合適的電壓值。輸出電流的設定值：對于同一電機，電流設定值越大時，電機輸出力矩越大，但電流大時電機和驅動器的發(fā)熱也比較嚴重。所以一般情況是把電流設成供電機長19期工作時出現(xiàn)溫熱但不過熱時的數(shù)值。本課題用到的是四線電機，一般情況下，四線電機的高速度模式是輸出電流設成等于或略小于電機額定電流值。43 驅動板的接線方式驅動板是連接在計算機與驅動器之間的電氣件，它起的作用就是信號放大和隔離保護的作用，所以驅動板的接線也是很重要的。驅動板的輸出端與驅動器的輸入端相連，如圖 19 和 20 所示。SM-202A：圖 19.輸入端接線圖SH-20403：圖 20.輸入端接線圖在實際接線的時候，往往都是一個驅動板與多個驅動器相連。如圖 21 是本課題驅動板的實際接線圖以及一些引腳所接的信號說明。20圖 21.驅動板接線圖驅動板上的綠顏色的線接的是脈沖信號，與驅動器上的脈沖端相連。棕色的線接的方向信號，與驅動器上的方向端相連。至于橙色和藍色的線是驅動板上的兩個+5V 的接線端，橙色線是與公共端相連的（公共端接線要求是 TTL 電平） ，而藍色的線在 SM-202A 上是與 ENA 端相連的，在 SH-20403 上是與脫機端相連的。這兩個端口的接線要求都是要懸空或者是接高電平（這里接的是高電平） ，否則驅動器就處于自由狀態(tài)。5 雕刻機的驅動與優(yōu)化據(jù)前面接線的鋪墊，本個章節(jié)主要介紹的就是雕刻機的驅動與運動方面的優(yōu)化。本課題雕刻機的驅動與優(yōu)化都是依賴于 EMC2 軟件，而在前面就已經(jīng)介紹過了這個軟件的一些選項、控件的含義與用途。接下來就是主要介紹如何利用該軟件驅動雕刻機以及運動優(yōu)化。51 雕刻機的驅動5.1.1 EMC2 中的引腳介紹EMC2 的并口有 17 個引腳可以用。對 Stepconf Wizard 來說，是 12 個輸出引腳外加5 個輸入引腳。圖 22 這個界面主要是為了給每個引腳選擇不同的功能（輸出引腳有23 種功能可選，輸入引腳有 40 種功能可選，具體選哪個就要參考要和并口連接的硬件了） 。這兩個引腳是兩個+5V 的高電平這兩個引腳分別是 X 軸的脈沖和方向信號這兩個引腳分別是 Z 軸的脈沖和方向信號這兩個引腳分別是 Y 軸的脈沖和方向信號21圖 22如果電平信號是相反的就需要把引腳的“invert”選項勾上。在本課題中電平是相反的，所以要驅動就必須要把該選項給勾上。Output pinout presets：Sherline 機床和 Xylotex 驅動的并口順序都是固定的，所以 EMC2 在這個頁面就有兩個快捷鍵，這兩個快捷鍵主要是自動設置第 2-9 引腳的。Outputs：左邊這 12 個引腳就是 EMC2 的輸出引腳，引腳 2-9 每兩個就分別對應著步進電機的脈沖和運動方向。Inputs：這五個主要是輸入引腳，基本上是作為接收反饋信號用的。比如接個限位開關，當步進電機運動碰到限位開關時，限位開關就會將信號通過驅動板反饋到計算機中，然后 EMC2 就會自動將雕刻機停下。圖中引腳 1 對應的 ESTOP Out 主要接的是外部急停開關。典型的急停開關回路應該使用常閉觸點來實現(xiàn)。另外，在 Outputs 和 Inputs 中一些不用的輸入或輸出引腳全部都要設成“Unused”的狀態(tài)。5.1.2 進給軸的配置驅動步進電機就需要給它脈沖和方向兩種信號，圖 23 就是對步進電機進給軸參22數(shù)的一些設定。圖 23Motor Steps Per Revolution：這個指的是電機轉一圈所需要的脈沖數(shù)。如果是步進電機并且該電機的步距角也知道就能夠算出所需的脈沖數(shù)，用 360 除以步距角就可以得到脈沖數(shù)。我們用的步進電機的步距角為 1.8，所以脈沖數(shù)就是 200。Driver Microstepping：驅動器細分數(shù)，如果是 2 細分，此處就應該是 2。本課題中用到的驅動器都是采用整步的，所以填 1。Pulley teeth：傳動比。主要是電機和絲杠之間的傳動比。如果用皮帶輪連接電機和絲杠，就應該將傳動比給寫上。如果是電機直接驅動絲杠，此處就寫 1：1。Leadscrew Pitch：絲杠與工作臺之間的傳動比。在這里有兩個選項，一個是英寸，一個是毫米。我們用的是毫米，所以在此處就應該填絲杠每轉一圈工作臺走的毫米數(shù)（比如填 2 就表示 2mm/rev，單頭絲杠就是螺距，多頭絲杠就是導程） 。在測試該軸的時候，如果發(fā)現(xiàn)工作臺的方向走反了，可以通過在此處輸入一個負數(shù)來調整方向或者就是修改一下“invert ”選項。Maximum Velocity：電機的最大轉速。Maximum Acceleration：電機的最大加速度。23Home Location：原點的位置，就是在該軸上執(zhí)行回歸原點操作后在該軸所處的位置。沒有原點開關時，需要機床操作員手動把工作臺移到某個位置，然后按“Home”按鈕確定原點。如果共同使用原點和限位開關功能就必須讓原點位置和原點開關位置不同，否則就會出現(xiàn)“joint limit”錯誤。Table Travel：工作臺的行程。指的是不允許 G 代碼超過該行程，而且原點位置也必須在這個行程范圍之內。尤其要注意的是，把原點位置剛好設在工作臺行程的某一端也是不允許的。Home Switch Location：原點開關位置。在執(zhí)行原點復位時，經(jīng)過這個位置時將會產(chǎn)生壓下、釋放原點開關的動作。只有在并口頁面里面選擇了相應軸的原點開關選項時該參數(shù)和下面兩個參數(shù)才會出現(xiàn)，否則都是不可用的狀態(tài)。Home Search Velocity：原點回復速度。在操作原點回復操作時，工作臺向原點開關運行時的速度。如果原點開關距離行程終點很近，就應該設定一個適當?shù)幕貜退俣龋构ぷ髋_可以減速停止，以免超出行程。即使原點開關距離行程終點有一段距離，但如果不能保證原點開關從被壓下時到行程終點一直都處于壓下的狀態(tài)，也應該設定一個適當?shù)幕貜退俣?，這樣工作臺才能減速停止。而且要確保原點開關不在工作臺方向上被釋放，還要確保每一次原點回復操作都是從原點開關的同一側開始的。如果原點回復操作時，工作臺的運行方向反了，把這個原點恢復速度設成一個負值就可以解決問題了。Home Latch Direction：最終確定原點的方式。工作臺壓下原點開關以后，如果選“Same” ，則工作臺會退回一點，重新以一個非常慢的速度再次接近原點開關，原點開關再次閉合時，工作臺停止，原點確定；如果選“Opposite ”，則工作臺非常慢的退回，原點開關釋放時，工作臺停止，原點確定。Test this axis：測試軸。這個按鈕是專門用來驅動步進電機用的，也是用來調試步進電機的運動的?？梢酝ㄟ^這個按鈕調試步進電機運行的速度、加速度、方向等等。如下圖所示，圖中 Velocity 就是用來調節(jié)改變速度的。Acceleration：是用來調節(jié)加速度的。Jog：指的是點動，左右方向分別指的是按一個方向運動。Test Area：如果你保證電機在一個安全的范圍內運行就可以使用這個選項。它的意思你可以在自己設定的一個范圍之內來回往返的運動。如果想朝一個方向移動固定的一段距離也同樣可以使用這個選項，只需要把“+、-”改成單個的“+”或者24是“-” ，它就會朝一個固定的方向移動一段固定的距離，如圖 24 所示。圖 24.測試圖52 雕刻機運動優(yōu)化對雕刻機的運動優(yōu)化，無非就是對步進電機的運動進行改善，使它的誤差變得更小一點，運行的時候能夠更加平穩(wěn)流暢。以及在這個基礎上能夠使雕刻機的工作效率提高，比如在保證精度要求的前提下提高步進電機的速度和加速度已到達縮短工件的加工時間。另外就是選用一些適合的參數(shù)以及對一些不足之處提出一些可供參考解決方案。5.2.1 步進電機的轉速控制首先我們來了解一下步進電機轉速的計算公式：（只適用于兩相步進電機）步進電機轉速= 頻率*60/200*n 。步進電機的轉速單位是：分/轉，頻率單位是：赫茲，n 是指步進電機驅動器的細分倍數(shù)。從公式中我們可以知道，步進電機的速度與控制器所發(fā)的頻率成正比。發(fā)出的頻率越高，步進電機的速度越快。步進電機的速度越快，輸出軸的力矩就越小。所以步進電機的速度并不能設定的太高。記得以前有一個概念：600 轉是正常轉速，當然這個不是絕對的，要看電機軸具體的負載情況。但是不管這個概念是否正確，都說明了：步進電機不可能做到很高的轉速！步進電機驅動器一般情況下都有兩組設置開關：1、電流設定：根據(jù)步進電機的額定電流設置。252、細分設置：兩相步進電機是接收到 200 個脈沖，電機轉一圈（整步） 。細分的作用就是改變轉一圈的脈沖數(shù)。半步就是接收到 400 個脈沖轉一圈?？傊弘姍C轉一圈所需要的脈沖數(shù)=驅動器細分數(shù)*2005.2.2 步進電機的靜態(tài)步距誤差每輸入一個電脈沖信號轉子轉過的角度稱為步距角。步距角大小會直接影響步進電機的起動和運行頻率。外型尺寸相同的電機，步距角小的往往起動和運行的頻率高，但轉速和輸出功率不一定高。使用時，可根據(jù)需要的脈沖當量（每一脈沖步進電機帶動負載所轉過的轉角或是移動的直線位移）和可能選擇的傳動比來選擇步進電機的步距角。有了步距角才會有靜態(tài)步距角誤差。先來假設一個工況：步進電機轉一圈帶動機械行步 40mm，我們要求步進電機轉一圈機械行走誤差為 0.1mm。從 0.1 個精度的要求考慮，在電機軸帶額定負載情況下，驅動器設為 4 細分或是 8 細分基本可以滿足要求了。步進電機是一種精密的執(zhí)行電機，但是再精密的東西也是有誤差存在的，步進電機也不例外。步進電機實際步距角與理論的步距角之間的誤差稱為靜態(tài)步距角誤差。我們在不考慮機械誤差和丟脈沖的情況下，把驅動器細分設為整步（200 個脈沖轉一圈） ，一個脈沖行走的長度就是 0.2mm，如果步距誤差是 5%（當然實際誤差是不可能這么大的） ，每走一個脈沖就產(chǎn)生誤差 0.01mm。如果 200 個脈沖里有 10 個脈沖產(chǎn)生誤差，就是 0.1mm 的誤差。把驅動器細分設為 4 細分（800 個脈沖每轉） ，一個脈沖行走的長度就是 0.05mm，步距誤差還是 5%，每走一個脈沖就產(chǎn)生誤差0.0025mm。如果 800 個脈沖里有 10 個脈沖產(chǎn)生誤差，0.025mm 的誤差。再考慮丟（增）脈沖現(xiàn)象，細分設為整步，丟（增）一個脈沖就是 0.2mm 誤差，細分設為 4 細分，丟（增）一個脈沖是 0.05mm 的誤差。如上，細分數(shù)越大精度越高，那么設為 128 細分。128*200=25600 個脈沖轉一圈。算下來差不多一秒鐘轉四圈，也就是每分鐘 240 轉，速度很慢。所以增加太多的細分數(shù)也不是一個可以選擇的方案，而且基本細分數(shù)超過 16 以后對于精度的要求而言就已經(jīng)沒有什么意義了。所以綜上，只有經(jīng)過實際調試之后選擇一個適合自己用的細分數(shù)。5.2.3 步進電機的失步什么是步進電機的失步或丟步呢？通俗的講就是發(fā)的脈沖數(shù)本應讓步進電機走