小型雕刻机总体方案及硬件部分.ppt

小型雕刻机 一 总体设计 1938年世界第一台手动雕刻机在法国 嘉宝 问世 1950年 嘉宝 生产出世界第一台真正意义的电动 可缩放比例的手动雕刻机 发展历程 2D 2 5D 3D国外雕刻机 美国 雕霸 法国 嘉宝 和日本 御牧 国内雕刻机 北京 精雕 上海 啄木鸟 1 雕刻机简介 2 问题描述 雕刻机的应用在各行各业中的应用已日益广泛 然而国内市面上出现的雕刻机 虽然性能较好 但价格也非常昂贵 普通的雕刻机都是万元以上 令一些小单位及个人用户望而却步 针对不同的应用领域 所要求的雕刻机的性能价格亦不相同 对于个人及小型用户 对价格的要求远胜与性能的要求 本设计的目的就是提供一种低价 高效 简便的数控雕刻机 从而拓宽现有雕刻机的用户群 3 功能需求分析 小型雕刻机的应用领域 1 电路板的制作 主要用户为电子爱好者 实验室等 2 小型模型的制作 比如木质模型 软金属模型等 主要用户为模型爱好者等 3 广告字体及图案雕刻 主要是打印店及广告公司等 4 低精度小型模具的制作 功能分析 1 对于加工精度要求不高 本设计的加工精度为0 1mm 2 对于雕刻尺寸要求不大 本设计的雕刻尺寸定为250mm 200mm 100mm 3 由于针对的用户都非数控专业人士 因此需提供简易的操作界面以及安全保护措施 4 对于雕刻机的尺寸及质量要求小而轻 5 能够适应商业级的工作环境 4 设计思想 小型雕刻机的基本设计思想主要有以下几点 1 应用PC机的强大计算功能 将译码 刀补 插补 加减速控制等放在PC上解决 最后PC上形成的是各向步进电机的控制脉冲 2 应用PC机的并口直接输出各向步进电机的控制脉冲 以控制工作台的移动 3 步进电机的驱动采用集成的驱动芯片 4 通过限位开关以及各运动方向的使能信号来保证雕刻机的安全工作 5 总体框图 专用软件 各轴控制信号 步进电机驱动电路 X向步进电机 Y向步进电机 Z向步进电机 X向执行机构 Y向执行机构 Z向执行机构 6 功能模块的划分和定义 本设计的功能模块包括软件模块 机械模块和电气模块 1 软件模块主要是在Windows操作系统环境下开发一软件 具有读入g代码 译码 刀补预处理 速度预处理 插补等功能 并最终能通过PC机的并行口 即打印口 向步进电机输出控制信号 2 机械模块主要是执行机构的设计 即设计一个三坐标工作台 它能接收放大后的控制信号 实现具体的雕刻动作 3 电气模块连接PC机输出和机械执行机构的必要通道 它的主要作用是放大PC机产生的控制信号 使其能驱动机械执行机构实现雕刻动作 主要内容是步进电机驱动设计 主轴电机的控制 限位开关的反馈 电源的设计等 7 设计任务分配 二 机械模块设计 1 总体结构的选择现在市面上流行的小型雕刻机工作台主要有两种 第一种右图所示工作台只作Y方向的移动 而刀具作X方向和Z方向的移动 这种结构制作容易 结构稳定 但是加工工件质量不能太重 而且雕刻机尺寸不能太大 第二种则如下图所示工作台作X Y方向的移动 而刀具只作Z方向的移动 这种虽然制作也较容易 然而稳定性要比结构1差很多 由于本次设计对机械部件结构的要求就是要小而轻便 加工工件的质量也是比较轻 但对稳定性要求较高 因此选用结构1 2 滚珠丝杠副的选择与安装 本设计采用深圳市赛瑞德精工机械技术有限公司提供的G系列滚珠丝杠副 滚珠内循环固定反向器单螺母 其外观图如下 其具体性能指标如下表 丝杆的安装尺寸如下 3 步进电机的选择 采用杭州日升电气设备有限公司的57BYG250C步进电机 该电机的外观 技术参数如下 外形尺寸如下 其中L 76mm 4 圆柱直线导轨与联轴器的选择 选用浙江新亿特轴承有限公司的圆柱直线导轨 光轴 系列 其外观及结构如下图 广州菱科自动化设备有限公司的LK6系列联轴器YL1 外观如下图 本设计中d1轴径为电机轴径即6 35mm d2轴径为丝杠连接部分的直径即12mm 5 主轴电机的选择 主轴电机选用安阳莱必泰机械有限公司的雕刻机电主轴 其外观及结构图如下 其参数如下表 6 安装效果图及实物参考图 以下是各轴执行机构安装效果图 以下是一些成品的照片 本设计的工作台的最终形态基本上与这些成品相同 三 电气模块设计 1 并口通讯的设计 1 并口简介计算机中的并行接口主要作为打印机端口 接口为25针D形接头 各针脚定义如下图 D0 D7 八位的输出数据信息 通过数据端口访问 C0 C3 输出制信息 通过控制端口访问 其中上划线代表低电平有效 S3 S7 输入状态信息 通过状态端口访问 其中上划线代表低电平有效 剩余引脚全部接地 2 并口引脚的定义本设计中并口并不是用来做普通的数据传送接口 因此对于现有的各引脚必须进行重新定义 以实现特有功能 所有并口的输出输入线都需上拉一个4 7K的电阻 以增加引脚的驱动能力 PIN2PIN3PIN4PIN5PIN6PIN7PIN8PIN9PIN14PIN16PIN11PIN12PIN13 Xsteppulse x轴步进电机的驱动脉冲 Xderiction x轴步进电机的方向控制脉冲 Xenable x轴步进电机使能控制脉冲 Ysteppules y轴步进电机的驱动脉冲 Yderiction y轴步进电机的方向控制脉冲 Yenable y轴步进电机使能控制脉冲 Zsteppules z轴步进电机的驱动脉冲 Zderiction z轴步进电机的方向控制脉冲 zenable z轴步进电机使能控制脉冲 motor 主轴电机起停控制信号 xlimit x轴的限位信号 ylimit y轴的限位信号 zlimit z轴的限位信号 2 步进电机驱动的设计 本设计的步进电机驱动芯片选用专业驱动集成芯片TA8435H 1 TA8435H简介TA8435H是东芝公司一款两相有极性步进电机控制驱动芯片 具有以下特点 1 内部集成了一个具有8细分功能的控制器和2 5A的驱动器 2 用PWM恒流方式 3 有整步 半步 4细分 8细分四个工作模式 4 方便的转向控制 5 大部分控制引脚内部有上拉电阻和施密特电路 有较好的噪声容限 6 方便的转向控制 7 HZIP25 P封装 以下是TA8435H的一些重要参数 芯片工作电压 4 5 5 5V 典型值为5 0V 电机驱动电压 21 6 26 4V 典型值为24V 输出电流 平均值 1 5A 峰值 2 5A 输入的脉冲频率最大为 5KHz OSC频率最大为 80Hz 左图为TA8435H的引脚图 2 TA8435H功能描述及引脚设定1 TA8435H的工作方式的设定TA8435H有四种工作方式 分别代表着无细分 2细分 4细分 8细分 工作方式由M1 M2引脚电平来决定 具体情况如下表 本设计中为了步进电机能平稳工作 选择8细分即将M1 M2置高电平 2 控制脉冲的输入设定TA8435H由两个脉冲输入引脚CK1 CK2 可以用来输入两路脉冲 但是当其中一个引脚输入脉冲时 另一个引脚必须保持高电平 本设计中 控制脉冲只有一路 因此直接接入CK1 同时将CK2置高 就满足要求 3 驱动电流的设定TA8435H输出的驱动电流由VNF和NFA NFB引脚上所连的检测电阻RNF决定 公式为 IO VNF RNF 而VNF的大小由REFIN引脚电平决定 高电平 VNF 0 8V 低电平 VNF 0 5V 本设计中所需驱动电流为1 5A 因此设定REFIN引脚为高电平 RNF 0 53om 4 续流二极管的选择TA8435H的输出端必须外接续流二极管 该二极管需要足够的正向电流和灵敏度 本设计中采用东芝公司的3GWJ42 其平均正向电流为3A 符合要求 下图为X方向步进电机的驱动电路 其他轴的驱动电路与之类似 3 主轴控制与限位反馈的设计 主轴控制信号通过一个光电耦合器和达林顿晶体管控制继电器的开关 从而控制着主轴电机的起停 其电路图如下图 限位开关直