三自由度小型雕刻机设计与制作设计方案

1 三自由度小型雕刻机设计与制作设计方案 我们设采用雕刻方式：雕刻刀具只做高速旋转和 刀运动，而 轴方向进给运动，而 轴作 两个方向的基本运动方式 如下：由步进电机转动螺杆，带动刀具和工件的相对移动、从而实 现 X,Y, X,Y,导向活动范围满足加工工件的要求。 3 系统结构 雕刻机有电气控制部分和机械结构部分三部分组成，电器结构部分主要有控制计算机，信号接口部分与驱动控制部分。计算机主要负责图形设 计，位移计算，控制信号输出，在整个系统中起到大脑的作用。信号接口部分负责将电脑传来的信号进行分配，将信号分配给各个驱动电路（包括变频器，可以控制主轴转速）。还可以控制主轴状态，例如如果主轴上安装是激光切割器，就可以完成激光切割的控制。同时又接受限位开关，对刀开关的信号，把信号反馈给电脑。在整个系统中相当于神经的作用。驱动电路将信号放大，结合驱动芯片将位移信号输出给步进电机。起执行器的作用。机械部分主要有龙门架，工作台，丝杆，联轴器，导轨等部分组成。 4 步进电机选用 进电机特点及驱动方法 位移驱动 电机选用步进电机，考虑到系统为开环控制，选用 57型步进电机，扭矩较大，在此负荷状态下一般不会造成失步。 步进 电机 是将电 脉冲 信号转变为 2 角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的 频率 和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的 目的 ；同时可以通过控制 脉冲频率 来控制电机转动的速 度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机是一种 感应电机 ，它的工作原理是利用 电子 电路， 将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。 进电机应用特点 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能 像普通的直流电机， 交流电机 在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、 功率 驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进 电机 却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机作为 执行元件 ，是机电一体化的关键产品之一 , 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的 目的 ；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 步进电机在构造上有三种主要类型。 1 反应式： 定子上有绕组、转子由软磁材料组成。结构简单、成本低、步距角小，可达 但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。 2 永磁式： 永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大（一般为 15）。 3 混合式： 混合式步进电 机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高。 按定子上绕组来分，共有二相、三相和五相等系列。最受欢迎的是两相混合式步进电机，约占 97%以上的市场份额，其原因是性价比高，配上细分驱动器后效果良好。该种电机的基本步距角为 ，配上半步驱动器后，步距角减少 3 为 配上细分驱动器后其步距角可细分达 256倍（ ）。由于摩擦力和制造精度等原因，实际控制精度略低 。同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变精度和效果。 1 步距角精度： 步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差 /步距角 *100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在 5%之内，八拍运行时应在 15%以内。 2 失步： 电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。 3 失调角： 转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。 4 最大空载起动频率： 电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能 够直接起动的最大频率。 5 最大空载的运行频率： 电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。 6 运行矩频特性： 电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线 称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。其它特性还有惯频特性、起动 频率特性 等。 电机 一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，采用小 电感 大电流的电机。 7 电机的共振点： 步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式的共振区一般在 180间（步距角 在 400距角为 电机驱动 电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。电机正反转控制：例如当电机绕组通电时序为)时为正转，通电时序为 )时为反转。 根据所需转矩 ,采用的 57该电机的外观： 4 图 3 步进电机实物图 步进电机尺寸： 其中 L=76 图 4 步进电机尺寸 表 1 步进电机技术参数表 型号 相数 相电流 步距角 保持转矩 空载起动频率 空载运行频率 转动惯量 重量 57 020 5 5 步进电机驱动设计 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角） 而不 受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。而电脑信号并不能直接驱动步进电机，需要专门的驱动芯片把电脑传过来的信号转换和分配之后。在进行放大从而前驱动步进电机。本次设计采用的 57 型步进电机，驱动电流在 2A 左右，选用 为 驱动芯片。 东芝公司开发的全双桥 压 40V，电流 值），通过反馈电阻可设置多种驱动电流， 具有整步、 1/2 细分、 1/8 细分、 1/16 细分运行方式可供选择；电流衰减方式可调；内置温度保护及过流保护功能； 下图是该公司提供的芯片的典型应用外围： 6 图 5 本例采用 片管教分布图见下图： 图 6 装 其中关键的几个引脚是 定四种细分模式，细分模式有二分之一细分， 八分之一细分，十六分之一细分。与 四个零一状态对应，步进电机细分不仅会增加步 7 进电机精度角，也会在一定程度上增加步进电机的力拒。 脚控制分别控制电动机旋转方向，旋转速度，复位与使能。使能引脚有效时步进电机处于自由旋转状态。 除此之外 于设定电机驱动电流的衰减。可通过 电机不转时半流保持电机不动。 耦的选取 由于步进电机驱动电压较高（ 24V）。而且电动机转动时会产生各 种干扰脉冲，为了保护个人电脑，以及隔离不同驱动电压，使用光耦就比较方便。 光耦合器 （ 文缩写为 称光电隔离器或光电耦合器，简称光耦。它是以光为媒介来传输电 信号 的 器 件 ，通常把发光器（红外线 发光二极管受光器（光敏半导体管）封装在同一管壳内。当输入端加电 信号 时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生 光电流 ，从输出端流出，从而实现了“电 光 电”转换。 以光为媒介把输入端 信号耦合 到输出端的 光电耦合器 ，由于它具有体积小、寿命长、无触点，抗干扰能力强，输出和输入之间绝缘，单向传输信号等优点。耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的 隔离作用 ，所以，它在各种电路中得 到广泛的应用。 光耦合器 一般由三部分组成：光的发射、光的接收及 信号放大 。输入的电信号驱动 发光二极管 （ 使之发出一定 波长 的光，被光探测器接收而产生 光电流 ，再经过进一步放大后输出。这就完成了电 光 电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电 信号 传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。光耦合器的主 要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无 影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离 元件 可以大大提高信噪比。在 计算机 数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口 器件 ，可以大大提高计算机工作的可靠性。 本设计考虑 号脉冲频率较高，而 能和 向脉冲频率较低，选取 66用 他两个使用 8 图 7 6 产的线性光耦，用在电源的反馈回路，用来稳定电压和隔离。亿光电子的光耦合器可提供各式封装型式 (44468 8且客户可依据产品输出功能，选用适合的产品。 本电路选用 细信息见下图： 图 8 路原理图与 作 电路原理图是在官方提供基础上修改简化之后，由于所需元件不是常用元 9 件，电路图器件和 装都需要自己在软件里自己再画。在 后生成 印，修改整改，腐蚀，打孔等过程。 根据芯片资料与自己 设计，采用驱动板卡与控制卡隔离形式。便于拆装与检修。及时某块驱动卡损坏可以直接代换，因为驱动卡是比较容易损坏的，而信号卡一般不容易损坏。电路原理图篇幅较大，详见附录。最终驱动卡 图 9 路的焊接与调试 . 还接过程中会遇到芯片损坏的问题，所以在制作过程中，将集成电路芯片焊接安装插座还是很方便的。由于本次制作很多标准原件都没有。才有了很多代替零件，封装不同，但是经过细心调试。电路还是焊接成功了。实物照片见下图： 图 10 实物 6 电源部分设计 10 源整体方案 电源部分采用变压器降压，然后经简单滤波整流，最后经 虑到成本以及身边材料情况，采用这种方式是比较理想的选择。 片为核心，电路输出电压为 24V.。输出电流最大可达 3A。完全满足、单个驱动电路板对电源的要求。 片简介 列集成芯片专为开关芯片电路，该系列有很多种，其中 电路用的是 调输出系列）。电源开关是典型的 置，电流能够达到 3A，可以承受 40 电源开关保护电路主要由电流限制电路和热限制电路以及欠压闭锁电路组成。芯片内部包含 100 定频率的内部振荡器。其它特点包括软启动模式以降低启动时的冲击电流，电流模式改善输入电压排斥反应和输出负载瞬态以及逐周期电流限制等。在规定输入电压和输出负载条件下输出电压的偏差范围是 4%，为电源系统提供了保证 其特色如下： （ 1）需要很少的外部元件； （ 2）标准电感器； （ 3） 出开关电流达 可以承受 40 （ 4）宽输入电压范围： 4V 40V； （ 5）电流模式操作，以提高瞬态响应，线路调整率和电流限制； （ 6） 100 （ 7）启动时内部软启动功能可降低浪涌电流； （ 8）输出晶体管由电流限制，欠压锁定和热关闭保护； （ 9）在最大输入电压范围和负载条件下系统输出电压容差为 4%。 本电路主要由 电感，续流二极管及其他外围元件组成。芯片内部电路主要包括 100振荡器，误差放大器，比较器， 动电路和逻辑控制电路。引脚如图所示， 5 脚为控制开关脚， 4 脚为反馈端， 3脚接地， 2脚为输出脚， 1脚为芯片的电源输入端。对于固定输出电压系列的芯片，反馈端只需接到电路输出端即可，芯片内部已经有 分压装置。如 1=K； 51=K； 121=K。而 列则没有内部的分压装置（此时 ， ），需要在外面另加，这就给我们的使用带来了方便，这也是本电路采用 下图是厂家方提供的典型应用电路： 11 图 11 路参数确定 降压式 换电路 , 输入电压为 12V，其输出电压值可按以下公式改变 （ 1） 用 1%的金属膜电阻） （ 2）本电路的输出电压为 24V， K，代人（ 2）式计算得 7K，选取 1%）。如果想有不同的电路输出，可以将 做精密可调电位器， 过调整 电路中不同的电压值 需要不同的电感，本电路电感选取为 33 H。二极管 求开关速度快。采用肖特基二极管 5158。 路工作原理与特点 当 12流入开关，由于电感阻碍电流变化的原因，电感中的电流以速率 持续上升，将电能储存在电感中。当开关关闭时，电感 感 时电感 L 通过二极管 D 释放它的电流到输出端电容 ，经整流输出，释放电流的速率为（ 。从而，开关开启时储存在电感中的电能在开关关闭时 传送到了输出端，完成了电能的输送。 12 输出电压的大小是通过调整开关峰值电流控制的。 输出电压进行分压后反馈到芯片内部的误差放大器，反馈电压同内部的参考电压 行比较然后经误差放大器放大输出。误差放大器产生的电压和同开关电流 (即在开关打开时电感中的电流 )成正比的电压相比较，当二个电压相等时比较器及时终止开关，从而控制开关峰值电流来保持一恒定的输出电压。 同时芯片内部集成有限流电路，温度限制电路，欠压保护电路等保护措施防止损害芯片及用电设备。 1、电流保护电路。芯片内部集成有一个电 流限制电路，来保护 关装置，允、许通过的最大电流是 5A，当电路中的电流超过 5A 时芯片自动切断内部开关电路，使开关停止工作从而保护开关不受损害。电路中同样有限流二极管来限制外部电流的大小，使电流不超过用电设备的额定电流，保护用电设备不会因电流过大而烧毁。 2、温度限制电路。电路由于长时间工作而导致芯片温度升高，当温度超过芯片所能承受的范围时，温度限制电路自动切断开关，保护芯片。 3、欠压保护电路。如果外电源不能够提供足够的功率供用电设备使用时，容易导致电压过低，使用电设备不能工作或者损坏。这时 芯片内部的欠压保护电路会切断对用电设备的供电。 该电路采用变压器降压，之后整流滤波，再经 换达到了输出 24有输入电压范围大，功耗低，输出稳定，结构简单，成本低，等特点，满足了平时雕刻机电源的需求。焊接成品件下图： 图 12 7 机械零部件选择 13 杠选择 直线传动元件一般有两种：同步带和丝杠。因为同步带传动平稳，传动精度较高，目前的针式打印机和部分机械雕刻系统均采用同步带作为直线运动原件。对于数控机床而言，直线传动机械都采用丝杠，因为丝杠传动精度高 。因此在本项目中，采用丝杠为直线运动元件，可达到预期的目的。而且丝杠作为标准件，只需按标准型号及尺寸进行设计和选用既可。常见的丝杆有三种，普通丝杆，梯形丝杆，以及滚珠丝杠。精度最高的是滚珠丝杆。滚珠丝杆是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。滚珠丝杆由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。但是价格相对较为昂贵。 梯形丝杆较为耐磨，价格相对便宜，但是市场容量下降，适合产品较少。本品最后使用普通丝杆。螺母用交流电焊将普通六角螺母和钢板焊接构成。 轴器选择 联轴器有很多种，其中在此可以上的主要有两种，一种是梅花形联轴器。另一种是弹性联轴器。梅花形联轴器扭矩较大，精度高，但是价格较贵。本品采用铝合金弹性联轴器，弹性联轴器通常具备良好的性能而且有价格上的优势，在很多步进、伺服系统实际应用中，弹性联轴器是首选的产品。一体成型的设计使弹性联轴器实现了零间隙地传递扭矩和无须维护的优势。 弹性联轴器基本满足使用要求。联轴器的 使用主要是为了克服在传递扭矩过程中避免因为两个扭矩轴心不同导致无法传递力矩。联轴器的使用是来那个轴心安装和固定变得十分容易。 线导轨的选择 直线 导轨 又称线轨、滑轨、线性导轨、线性滑轨，用于直线往复运动场合，拥有比 直线轴承 更高的额定负载， 同时可以承担一定的扭矩，可在高负载的情况下实现高精度的直 线运动 . 直线运动导轨的作用是用来支撑和引导运动部件，按给定的方向做往复直线运动。依按摩擦性质而定，直线运动导轨可以分为滑动摩擦导轨、滚动摩擦导轨、弹性摩擦导轨、 流体摩擦 导轨等种类。直线 轴承 主要用在自动化机械上比较多 ,像 德国 进口的机床 ,折弯机 ,激光焊接机 等等 ,当然直线轴承和直线轴是配套用的。像直线导轨主要是用在精度要求比较高的机械结构上 , 滑块 线 转变为直线。新的导轨系统使机床可获得 快速 进给速度 ， 14 在主轴转速相同的情况下，快速进给是直线导轨的特点。直线导轨与 平面 导轨一样，有两个基本元件；一个作为导向的为固定元件，另一个是移动元件。由于直线导轨是标准部件，对机床 制造厂 来说唯 一要做的只是加工一个安装导轨的平面和校调导轨的平行度。当然，为了保证机床的精度，床身或立柱少量的刮研是必不可少的，在多数情况下，安装是比较简单的。 由于成本限制，没有选择市场上的直线导轨，而是将家用抽屉的导轨用做直线移动的部件，但是其原理相同，只是精度不同而已。经过调试，简单的改装活动范围限制在一定的自由度内，以保证该导轨所能达到的较高的精度。 8 控制卡与控制软件简介 制卡简介 开始试图选用 用自己做的并口控制卡。结果后来发现自己做的并口板工作不正常，加上时间紧迫，所以直接在网上买的 个电脑即使不拥有 25针并口也都可以使用，。软件操作也比较简单，该控制卡最多可控制四轴，也就是说可以实现四个活动自由度，另外还可以控制不同的刀具，例如可以实现激光切割，激光雕刻，等离子切割等可以在四个自由度下实现的雕刻或者切割。另外还可以控制变频器，已达到控制主轴转速的目的。同时支持外部手轮等常用控制装置的输入。对外部限位开关信号，对刀信号的采集等等，下面是控制卡实物图： 图 13 控制卡实物图 15 制卡与步进电机驱动的连接 控制卡实物图控制卡与雕刻机各 种连接很多，包括限位开关，对刀开关，变频器控制等等，这里不再逐个介绍。电脑与控制卡的连接只是通过一个普通简单的 连接即可。 图 14 控制卡与驱动卡连接示意图 制软件简介 目前雕刻机控制软件较多主要流行的 制软件有文泰，维控，雕刻机驱动软件，等等，代码能做出来，雕刻机就可以雕出来。各种控制软件都有各自的优缺点。由于对软件不太熟悉，也是花了很长时间熟悉软件，但对软件还是不能耳熟能详。软件界面如 下： 图 15 控制软件界面 16 点击文件，弹出下拉菜单中选择设置。会弹出设置对话框，这里边包括常用所有的功能设置，常用的通讯功能，各种功能的启用与关闭，其中各个轴的步进角，活动范围软件设置，刀具类型等主要信息设置，步进电机驱动脉冲宽度以及频率设置，步进电机最高转速设置，主轴转速的设置等等，囊括整个软件与硬件的连接以及属性控制下图是设置对话框的截图。 图 16 控制软件设置对话框 常见及常用的而功能设置说明 加工轴：设置设备有几轴（本卡最多 4 轴）。 轴名定义：大部分 4 轴设备都设为 X， Y， Z， A。 轴常用名 称： X, Y, Z 普通轴。 A, B, C 旋转轴 。 U, V, W 平行轴 ( 热切割机 ) 缺省速度：设定代码运行时缺省（ 未指定 F 时）的进给与空程速度，单位 /每分钟。进给 下刀加工速度（ 一般为 速速度 ) 。 限定速度 : 勾上后主界面 F 值右边也选中（意指软件缺省）勾上后加工时按主界面中设定的 F 加工，不理会 G 代码中 F 指令。 17 只限制进给速度：勾上后只指定下刀速度，不勾是指空程与下刀速度，全按主界面 F 值。 颜色：定义图示 窗口部件颜色。 快捷键：定义电脑键盘快捷键操作雕刻机。 校准：校准平台，指定单位，运动距离与实际，是否相符。 脉冲数 / 步设置每单位脉冲数，该值非常重要，设置后基础设置中的校准功能检测。 反向：（运动方向置反）电平反相 与有些电机驱动器相关，共阳共阴接法不同相关。 加速度：运动将从初始速度开始（单位 / 分钟）并加速 ( 单位 / 平方秒 ) 至最大速度。 加速值越小，从初始速度至最大速度耗时越长，电机越平稳。 最大速度：设为机器最高运动不丢步数值。 回差：可设置每个轴的回差。 停靠点： 设置 息。在手动归位，换刀时有用。 限位 限制每轴硬件限位开关，勾上起用 。限位 -，一般设为 0。限位 +， 有效工作距离，设置后在主界面图示窗会有工作区域 。 回原点，该功能需配合硬件限位开关实现。执行后，将轴向某一方向移动，接触到限位开。关后认为该接触 点是某位置，再移动一段距离。 Y 轴的回原点时，向 - 方向按 200 速度移动，碰到 - 限位开关后，则该点定义为 Y 再移动至 0 点。 也就是说 Y 轴 0 点距离真正的硬限位有 10个安全距离。 单限位：勾上后：每个轴 - + 方向限位共用一个端 口，即该轴 2 只限位开关 并联， 此时限位 1 给 X 用，限位 2 给 Y, 限位 3 给 Z，限位 4 给 A。 不勾：限位 1 给 位 2 给 X+ 。 反电平：常闭式限位开关时勾上。 外接点动开关 启用，勾上后本功能才生效。 加减速 ，勾上后加减速功能生效。 步进，最小步进量，点动一次走多少单位。 最高速，移动最快速度。 移动速度由控制卡外接调速电位器控制，如不接则按最高速。 18 结束语 本次制作使我学到了很多东西，例如机械上的各种传动方式，以及各种机床上用的一些零部件的作用以及优缺点等都有了更清 楚的认识，还有就是对电脑与下位机连接有了更一步的认识。以及软件设置使用等等。同时特别的对步进电机的驱动有了更清楚的认识，以及步进电机的特性，以及步进电机与伺服电机等，丝杠定位技术，同步带技术都得到了了解。最主要的是跑遍了本市的几个比较大的配件市场，在网上浏览并知道了各种销售渠道。对电器元件的采购，机械零部件的采购以及加工渠道和加工方法以及各种加工的优缺点都有了了解。本次制作实习虽然花费很大功夫也没有取得比较好的效果。但是对整个产品的加工和各个加工环节有了进一步的认识。对一个产品从设计到制作都有了比较严谨的态 度和周全的计划，对于个人的态度的影响还是比较大的。同时又对自己本身的缺点有了很清楚的认识，知道了各个学科结合与知识全面性才可以开发产品的的重要性。对自己以后可从事的职业有了更长远的规划与自己目前欠缺的知识补充有了更深的认识。 研究目的是本次雕刻机设计制作目的就是实现机电一体化的制作实习，实现电子学和机械制造学结合，初步了解机械加工基本知识。了解各种常见的标准件，机械制造常用的结构体装配原理，给进运动方式等等同时采用自己本身专业对机械控制做一些简单的控制。本次制作由于缺乏经验，另外