毕业论文-小型雕刻机研制-方案设计与控制设计.doc

本科生毕业论文（设计）题 目:小型雕刻机研制方案设计与控制设计 姓 名: 学 院:工学院 专 业:机械设计制造及其自动化 班 级:机制86 指导教师: 职称:教授 2012年05月15日南京农业大学教务处制毕业设计（论文）诚信声明书本人郑重声明：本人所提交的毕业设计（论文），包括论文、图纸、软件、翻译、制作的产品等成果，均是本人在指导教师的指导下独立完成。凡他人完成的部分或引用的他人已发表的成果均在文中以明确方式标出。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论 文 作 者： （签字）时间：2012年 月 日指导教师已阅： （签字）时间：2012年 月 日目录目录3摘要1Abstract11.绪论31.1课题背景31.2课题意义31.3研究目标32.总体结构布局设计与分析42.1运动功能设计42.2运动功能的分配52.3结构布局设计62.4总体结构的概略形状与尺寸设计62.4.1总体布局方案的细化62.4.2总体结构的有限元分析8有限元分析技术简介8Ansys Workbench有限元分析平台简介8Ansys Workbench与其他CAD软件的接口技术9两种结构的静态特性分析102.4.3总体结构概略方案综合评价153.控制系统设计163.1基于HY-TB3DV-M三轴驱动板的控制系统集成163.1.1HY-TB3DV-M三轴驱动板介绍16信息接收模块17步进驱动模块183.1.2Mach数控软件介绍203.1.3HY-TB3DV-M驱动板与Mach3软件的通讯213.2步进电机调试243.3接口板的设计与制作263.3.1Proteus简介263.3.2原理图与PCB的设计及接口板制作28接口板原理图设计28PCB图的生成29接口板的制作303.4基于L297+L298N芯片的步进电机驱动器的设计与制作323.4.1L298N介绍323.4.2L297介绍333.4.3步进驱动电路原理图设计353.4.4步进驱动电路仿真测试373.4.5步进驱动器的制作383.5接口板和步进驱动器测试413.5.1接口板测试413.5.2步进驱动器的测试434.样机实验与分析444.1样机展示444.2样机运动测试444.3样机加工测试46致谢48参考文献49小型雕刻机研制-方案设计与控制设计机械设计制造及其自动化专业 黄攀指导老师 仲高艳摘要本文主要包括两个内容。一是雕刻的总体方案的设计；二是雕刻机电气控制设计。首先采用机床设计方法完成了总体方案的设计，包括运动功能设计、运动功能分配设计与分析、结构布局设计以及结构布局的细化。然后在Ansys Workbench平台下分析了两种方案的变形；依据有限元分析结果、加工与装配的难易程度以及经济性等因素对细化的两种方案做了简要的分析比较。分析得出龙门移动式的方案比较适合，并把这一结果提供给同组其他同学，进一步做结构细节设计与计算。控制设计模块首先介绍了Mach3数控软件和HY-TB3DV-M三轴驱动板以及它们的设置，然后介绍它们如何集成并驱动雕刻机机械本体运动。接着介绍了运用Proteus软件设计、采用感光蓝油方法制作的接口板和基于L297与L298N的步进驱动器。最后展示了接口板、步进驱动器和雕刻机样机的测试结果和简要的分析。关键词：方案设计、控制设计、有限元分析、Mach3、HY-TB3DV-M、接口板、步进驱动器、Proteus、L297、L298N、Ansys WorkbenchThe Development of small Engraving MachineDesign and Control DesignStudent majoring in The Mechanical Design & Manufacturing &Automation panhuangTutor gaoyanZhongAbstractThis 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 Workbench1. 绪论1.1 课题背景1938年世界上第一台手动雕刻机在法国“嘉宝”问世，1950年“嘉宝”生产出第一台电动雕刻机。20世纪90年代，微电子技术大爆发，带动了一大批高新技术企业的发展，也助雕刻机完成了2D2.5D3D的变革周伟安.基于DSP的小型雕刻机全闭环控制系统设计D.广州.华南理工大学，2011：1-4.。经过近80年的发展，目前雕刻机技术已经非常成熟。21世纪初期，小型雕刻机技术的普及，使得小型雕刻机成为DIY爱好者的另一个热衷项目。经过10多年的发展，我国小型雕刻机DIY虽已形成一定的规模，算得上一个小行业，但DIY的模式大多还为“复制式”。大伙不断地重复DIY同一个方案。高校学生有较好的专业基础和研发条件，是最有可能引导小型雕刻机DIY行业往“研发式”发展的群体之一，但目前小型雕刻机DIY在高校中还未有太多的推广。1.2 课题意义随着电子技术的发展，机电一体化产品在我们生活中占的比例越来越高，机电一体化技术对于我们的生产和制造发挥着越来越重要的作用。小型雕刻机属于典型的机电一体化产品。它的设计和制造包含着丰富的机电一体化技术。可谓麻雀虽小，五脏俱全。数控雕刻机从上世纪70年代王志英.电子雕刻技术未来发展趋势J.印刷技术，1999，12：29-30.出现以来，经过几十年的发展、改进，不管是在硬件还是在软件上都已经发展到一定的高度。雕刻机技术不断成熟的同时也在不断地普及，尤其是小型雕刻机。作为一名本科生，研制小型雕刻机最直接的目的在于实践机械设计、机械制造、机电一体化技术等专业理论知识。其重大意义在于为下一步研制难度更高的机电一体化产品奠定厚实的基础。就小型雕刻机的整个研制过程，从设计、制造、调试到总结，每一个环节都是对大学四年来所学知识的巩固和应用。通过这个项目的锻炼，个人的能力能得到很大的提高。从培养人才、检验毕业生的角度，这一课题是非常有意义的。此外目前小型雕刻机DIY在高校中缺乏推广。以该课题作为试验项目，期望小型雕刻机DIY能在高校得到更多的关注。从而逐步引导小型雕刻机DIY行业往“研发式”方向发展。1.3 研究目标总体目标为完成小型雕刻机的方案设计和控制设计。结合同组同学的设计计算资料，与同学一起完成样机的制造和装配。绘制图形并编写G代码，用样机完成图形的加工。为了便于研究，在开始研制小型雕刻机之前，我们对将要研制的小型雕刻机提出必要的几点要求，即技术设计任务书。包括联动轴数、可加工材料的范围、可加工工件的最大尺寸、各轴最大的移动速度、重复定位精度及可达到的最高加工精度几个方面。a) 联动轴数：三轴b) 可加工的材料：HBS端口/针脚电机输出，将会出现如界面。Enabled是否使用使能针脚控制；Step Pin#步进脉冲输出针脚；Dir Pin#步进方向控制针脚。根据表3- 1的定义，把X、Y、Z轴各自电机的控制针脚设置成如图3.1. 5。图3.1. 5 电机输出针脚设置因在图3.1. 5中设置了使能控制，我们还需要设置各个轴的使能控制引脚。在刚才设置的窗口上单击“输出信号”标签。按图3.1. 6设置使能和输出控制针脚。其中output #1设置的是主轴启停控制端口，用于控制接口板上的一个继电器。这里补充一下主轴控制的一点知识。Mach3能够通过三种不同的方式控制主轴。1) 用继电器或电流接触器控制电机的启停。2) 通过分步或直接脉冲控制电机（电机必须为伺服电机）。3) 通过PWM脉冲可调信号控制直流电机。HY-TB3DV-M驱动板采用的是最简单的继电器控制。所以在设置的时候只用了一个针脚，通过设置该针脚的电平来控制继电器的开关。图3.1. 6 输出信号针脚设置以上设置仅玩成了驱动板与Mach3软件并口针脚的对应关系。要实现通讯还必须设置Mach3软件与外部通讯用的并口的地址。在刚刚的窗口中单击“端口设置和轴向选择”标签。如图3.1. 7中“端口 #1”和“端口 #2”前面有一个小方框，要使用哪一个端口就勾选哪一个。注意到有一个端口地址输入框，这个需要根据自己电脑的定义设置。并口地址查询方法比较简单。进入电脑的设备管理器，找到打印机并口，右键单击查看属性，在“资源”标签下就可查看到。这里不再详细叙述。图3.1. 7 并口地址设置完成设置后，用并口线把电脑的并口和驱动板的并口连接起来就完成了Mach3与驱动板的通讯。接下来要做的是把驱动板和步进电机联系起来。步进电机的接线比较简单，只要知道步进电机每根线的定义即可。拿四线电机来说，把A+、A-、B+、B-与四根线分别对应起来就好了，然后根据表3- 4的定义正确连线就完成连接。对于六线、八线的步进电机可以按照图3.1. 8的方法把他们转变为四线电机，然后按四线电机的接法连接。五线电机跟六线电机的原理可以看成是一样的，只是五线电机把图中的公共端NC连在了一起。图3.1. 8 四线、六线、八线步进电机的连线由于驱动板无法对主轴电机调速，而驱动板本身供应的电压过低（12V），无法满足电主轴的转速要求。为此单独购买了电主轴的控制电源。连线很简单，分清+、-、GND就ok。图3.1. 9 急停开关针脚设置剩下的工作还有急停开关、限位开关和外部手控设备的接线。因雕刻机机械本体自带机械手轮，可自由控制各轴的移动。为了节约成本我们不使用手控设备。其他两个开关也对整个机器的运作没有太大影响。考虑到雕刻机各轴移动速度不快，限位开关的安装还比较麻烦，在样机试制时放弃使用限位开关。急停开关对于意外事故很重要，必须安装。连线很简单，请参考图3.1. 10。连好线后还得在Mach3软件中进行设置。进入“端口/针脚”设置窗口，在输入信号标签下，按图3.1. 9设置。至此整个系统的连线工作完成，连线示意如图3.1. 10。图3.1. 10 系统接线示意图3.2 步进电机调试上一节我们完成了系统的集成。在这一节我们需要根据购买的步进电机及在结构设计中选用的滚珠丝杠，进行Mach3软件的设置工作。包括计算步进电机的脉冲当量、调节移动部件的最高移动速度和加速度，并通过调试选择最合适的细分设置。调试之前先明确已知的一些参数。根据结构设计计算的结果，我们在淘宝上买了3个二手的42步进电机（型号：17PM-M007-02）。因为是二手的，没有说明书。主要的参数如下：步距角=1.8；静转矩Fj=0.34Nm。另外滚珠丝杠的导程为P=5mm。步进电机与滚珠丝杠直接用弹性联轴器连接，所以传动比为i=1。我们先看看电机调试的界面，了解需要设置的几个参数。图3.1. 11的红色方框部分为我们需要设置的项目。下面对每个参数做简要的解释。1) Steps Per：丝杆螺母移动1mm、需要向步进电机发送的脉冲数。与脉冲当量有关。2) 速度（mm/min）：丝杆螺母每分钟最高的移动速度。速度越高，电机转速越高，电机的扭矩越小。3) 加速度（mm/s2）：电机由静止到达到最高速度，由最高速度到静止下来的加速度，决定电机匀速运动的时间。也决定了移动部件对丝杠的冲击力。4) 步进脉冲：用于设置最小脉宽，一般不需要设置。如果外部设备无法识别脉宽太小的脉冲时，才需要设置。5) 方向脉冲：用于设置方向脉冲的换向时间。一般也不设置。图3.1. 11 电机调试界面经过一番解释，发现电机调试需要计算的参数只有“Steps Per”。速度和加速度是直接设定的，需要通过调试选择合适的数值。下面先计算“Steps Per”，其本质就是步进电机的脉冲当量。步进电机的脉冲当量：速度和加速度这两个参数我们是通过调试、试验获得的。因工具有限，试验条件差，下面简单介绍调试的思想。加速度的确定是这样的，首先凭感觉给定了一个加速度值，观察部件的加减速情况。然后根据运动情况调整。直至加减速的时候没有明显的延时也不会过冲就ok。速度的调整主要考虑了电机转速与扭矩的关系。首先给定一个初速度，然后按一常量增速，直至电机无法驱动部件为止。接着调整细分和衰减设置，调整后若能移动部件，则继续增速，否则不做调整。最后获得一个细分和衰减设置，并把电机速度调低，使电机的驱动力有一定的剩余，用于切削加工。3.3 接口板的设计与制作本节将简单介绍Proteus电子设计自动化软件，并详细展示用Proteus设计接口板的过程。接着介绍如何使用用感光蓝油自制接口板。3.3.1 Proteus简介Proteus是英国Labcenter Electronic公司研发的包含单片机/嵌入式应用系统仿真独特功能的电子设计自动化系统。主要由ISIS电路设计与仿真平台、ProSPICE模数混合仿真器、VSM单片机/嵌入式系统协同仿真和ARES PCB设计构成。它真正实现了从概念到产品的完整的工程设计过程周灵彬.任开杰.基于Proteus的电路与PCB设计M.北京：电子工业出版社，2010.。本文主要应用了ISIS、VSM和ARES PCB模块。Proteus有非常丰富的元件库和封装库，目前元件模型超过5万，元件封装接近5千。为ISIS电路设计和ARES PCB设计提供了很大的便利，同时也大大提高设计的效率。ISIS功能强大、操作简单。只要把元器件摆放好后点击接头连线即可完成电路原理图的设计。ISIS设计界面如图3.3. 1所示。图3.3. 1 ISIS电路设计界面这个看似简单的界面还支持VSM电路仿真。在设计初期，选用具有仿真功能的元器件，在完成所有连线，确认无误后，直接运行仿真按钮，即可实现声、光、动等逼真的效果。非常直观地检验电路硬件和软件设计的对错。 VSM的整个电路分析模块是ISIS模块延续下来的，原理图中可以包含很多的实用的仿真工具：a) 探针：用于采集电路中的电压/电流信号。b) 电路激励：系统的多种激励信号。包括正弦、锯齿波、脉冲等。c) 虚拟仪器：用于观测电路的运行状况，以波形的方式显示电压/电流信号。d) 曲线图表：用于分析电路的参数指标。这些工具大大扩展了电路仿真的功能，增强了仿真的真实性和意义。ARES PCB模块的功能同样非常强大，是基于高性能网表的设计系统。其特点是：a) 基于“形状”的自动布线，有效提高布线效率和布通率。b) 采用冲突减少运算法则，提供多路径基于成本冲突减少运算法则的，适应于网络自然流的布线方案。c) 拥有高级自动布线系统，包括全自动布线、脚本化布线、交互式布线等模式。同时支持手工布线。d) 自动生成飞线和力向量，为元件布局提供指导。允许自由拖放飞线实现引脚交换、门交换。e) 有连通检查CRC和实时的设计规则检查DRC系统。减少布线错误率。f) 支持多种PCB输出格式，方便生产制作。ARES PCB的界面如图3.3. 2所示。图3.3. 2 ARES PCB设计界面3.3.2 原理图与PCB的设计及接口板制作接口板原理图设计前面的章节中，已经介绍了打印机并口的特性。这节将根据这些特性来设计接口板。接口板在整个系统中的主要作用是允许电脑给驱动器等外部设备发送或接收信号。板子比较简单，本质就是把打印机并口的每个引脚根据外部接线的便利性分配到不同的排针上。为了增强输入输出引脚的驱动能力，每个引脚都配备了一个4.7k欧的电阻何立民.单片机