基于单片机控制的雕刻机的设计说明书

毕业设计- 1 -1 前言1.1 雕刻机的概述1.1.1 雕刻机的起源与现状19雕刻在中国有着源远流长的历史， 1955 年在半坡遗址中出土的“人面网纹盆” ，可以算作中国古代雕刻的典型代表，与此相同或类似的彩陶盆,在临潼姜寨、宝鸡北首岭等同类遗址中均有发现,总数已超过 10 例。绘有这种人面图案的彩陶盆已成为半坡文化的典型标记。这些都是现代雕刻技术最原始的雏形，到了隋朝的时候，出现了雕版印刷，经宋仁宗时的毕升发展、完善，产生了活字印刷，并由蒙古人传至了欧洲，所以后人称毕升为印刷术的始祖。中国的印刷术是人类近代文明的先导，为知识的广泛传播、交流创造了条件。印刷术先后传到朝鲜，日本，中亚，西亚和欧洲，由此，活字印刷术也成为中国古代的四大发明之一，这里的刻字也应该属与雕刻的一种。随着历史朝代变迁，各朝各代对雕刻技术都有继承和发展，这些都可以从近代中国古墓发掘出土的大量的石雕、碑刻等略见一斑，随着时代的变迁，我国民间的雕刻艺术日益精深，玉雕、象牙雕、红木雕、篆刻、泥人雕等手工雕刻技术都可堪称一绝。中国机械雕刻的大发展时期始于上世纪 90 年代，随着 78 年中国改革开放政策的实施，国内包括机械雕刻在内的各行各样都迎来了前所未有的发展机遇期，得益于机械制造业飞速发展，机械雕刻领域也迎来了大发展机遇期，从最初的主要应用于手工雕刻到刻字机、刻章机的出现，再到三维数控雕刻机的诞生，最后再到能够通过数控系统控制实现五轴联动的雕刻机出现，而且被加工对象的种类类别也产生了巨大的变化，由最初的刻章刻字转变为能够用来加工大到楼房等高大建筑物的装饰品，小到商店商铺门前面的招牌，甚至于很多种类产品的标识铭牌的加工，涉及了广告业、工艺业、模具业、建筑业、印刷包装业、木工业、装饰业等，雕刻机领域发生了翻天覆地的变化，雕刻机已经渗透到我们生活的各个方面。雕刻机(Engraving Plotter )，顾名思义就是这样一种能够被用来代替人力而实现高质量、高精度、高效率工作运转的机器设备。世界上最早的一台手动操作的雕刻机在 1938 年产生于法国的“嘉宝” 。十多年后，也就是 1950 年，世界上第一台从真正意义上能够实现电动、可缩放比例功能的手动雕刻机也在“嘉宝”被制造出来，随后的几年里，法国、日本和美国等国也开始进入研制雕刻机国家的行列。进入 20 世纪 90 年代，微电子技术取得了长足的发展，这就最直接的推动了微型计算机控制技术的突飞猛进式的发展。微型计算机控制技术和微电子应用技术的组合带动了整个高新技术群体领域的革命，让雕刻机从根本上发生了质的飞跃。雕刻机完成了从 2D-2.5D-3D 加工的变革，功能逐步完善、性能更加稳定、造型更加美观毕业设计- 2 -和价格更加合理早已成为雕刻机研制最为基本的要求。国外雕刻机比较好的品牌，如日本“牧野” 、日本“森精机” 、法国“嘉宝”和美国“雕霸” 、美国“哈斯”等，它们在市场上占有很大的份额，但价格上都是比较昂贵的。几乎每一台都在 10 万元人民币以上，近几年国内的雕刻机品牌也发展迅速，北京“精雕” 、南京“四开” 、杭州“金科” 、上海“啄木鸟”等在国内也有一定的市场，但价格同样也是非常的昂贵。图 1.1 雕刻机外形图1.1.2 雕刻机的特点雕刻机是一种非常典型的机电一体化设备，主运动系通过电机连接刀具实现刀具运转、进给系统通过丝杠与步进电机连接实现进给运动，这样就省去了中间的机械传动链，从而简化了机械结构并且提高了传递效率11。1.结构简化，精度提高雕刻机的的进给运动采用步进电机驱动，避免了采用很长的传动链，从而减少了各传动链传动环节中的摩擦损耗、机械磨损以及配合误差等导致的系统传动误差。2.精雕细刻，精确高效主要表现在雕刻加工的文字、图案既清晰又精细、边缘光滑，制作效果和加工效率均是手工雕刻所无法能够比拟的。这些特点能够在加工方式上得以充分体现，机械雕刻机进行雕刻和切割加工的实质是高速度的旋转铣削过程。最高转速可达20000 转/分。主轴电机上雕刻加工刀具的安装方便灵活，可以使用弹簧夹具直接装夹在电机的主轴上。由于主轴的运转精度高，弹簧夹头夹持对中性很好，因此刀具在装上后的跳动非常的小，传动非常平稳、非常灵活，从而确保了刀具雕刻加工过程中的精确性要求。3.方便实现柔性自动化在雕刻机系统中，采用单片机控制系统取代其他的信息处理和控制装置系统，毕业设计- 3 -不仅易于实现系统的自动故障诊断与自我安全保护，而且还能够实现系统的自动控制调节、信息数据处理计算、系统自动检测识别等，此外，计算机软硬件的结合实现了加工的柔性自动化，让雕刻机系统的灵活性大大提高。4.产品的研发周期缩短，产品的竞争力增强雕刻机的生产加工与制造可以采用高度专业化的、高精度的机电部件，不但可以大大提高产品的可靠性，而且对加工的精度和使用寿命都具有极大的保证，从而缩短了产品的开发周期，大大的增强了产品的市场竞争力水平。雕刻机因为具有加工和制作速度很快、精度很高、工艺极为简便、污染非常小、成本很低以及远远超越手工制作所能达到的立体效果等诸多优点而越来越广泛地受到大众的欢迎，因此被广泛应用于金属加工和非金属加工制造的各个行业。1.1.3 雕刻机的应用范围随着人们对广告雕刻机的认识和掌握，应用范围和应用水平也会逐步提高，如今雕刻机被越来越广泛的应用于很多领域，其中最主要的有以下几个领域，比如广告制作行业、工艺礼品加工业、艺术模型制造业、木器加工行业、模具制造业等等。可以被加工的材料包括亚克力、双色板板材、PVC 板、ABS 板、石材、仿石材、金属板材、铝塑板等各很多种材料。 1.广告制作行业：雕刻、切割加工各类标识牌、座标牌、大理石、铜板材、字模制作、字型加工，各类标志、商标等金属材料的加工。 2.工艺品制作行业：工艺品、纪念品上加工刻制各种类型的文字、图形、铁艺术品加工雕刻、刻度盘的刻度加工。 3.模具制造业：建筑用模型、实物模型、烫金模型、电机、高周波模、微量射出模、鞋模、徽章、压花模具，饼干、巧克力、糖果模具的加工制作。 4.印章雕刻行业：可在牛角、塑料板、有机材料板、板状木头材料、储置垫等材料上方便地刻制印章。5.装饰装潢制作业：用于装饰用立体字及图案的雕刻制作，各种纪念碑、个性化的装饰物品的加工制作等。6. 个性化礼品加工行业：可以加工启瓶盖器、金属名片、钥匙链的制作及各种奖牌、奖盘、奖杯等纪念品，还可以用来加工各种名人纪念雕像的制作。7. 汽车制造业：轮胎模具、车灯模具及装饰品模具加工。毕业设计- 4 -加工工艺品 装饰用品建筑模型 飞机模型印章制作 艺术品模具图 1.2 雕刻机加工产品样品图1.1.4 雕刻机的主要功能 14雕刻机主要被用来去完成切(Cutting)、雕(Carving)、刻(Engraving)三种不同的工作方式。其中“雕”工作方式需要通过三坐标一起联动控制的方式实现，主要用途是用来加工空间物体的轮廓，因此，根据被拿来加工物体轮廓的形状及所使用的加工刀具不同的形状可以划分为三维文字雕刻和浮雕雕刻两种不同的工作方式。而“切” 和“刻”这两种工作方式则是通过两坐标联动控制的方式来加以实现的，这两种不同的工作方式都具有两坐标联动的刀具半径补偿功能以及插补运算功能。意思也就是说无论在平面上所被加工零件的外形轮廓是由什么样子的线段所组成的，毕业设计- 5 -在加工的时候都一定会通过采用一小段直线逐渐逼近的方法以最终获得所想要得到的曲线轮廓。而平面图形的具体成形过程可以通过参照图 1.3 加以理解。下面再说说浮雕雕刻，常见的浮雕雕刻是由三坐标综合控制而实现的两坐标联动加工过程，而在加工方式上采用常见的“行切法”进行加工，这种类型的加工方式也通常被叫做两轴半控制，意思也就是说通过 X 轴、Y 轴、Z 轴三个坐标轴中的任意两个坐标轴来完成插补运动，而余下的另一坐标轴则会作周期性的进给运动。模拟过程可以如图 1.4 所示，在 Y 坐标轴方向上可以分为若干个相互独立的小小的间段，雕刻刀头会顺着由 X 轴及 Z 轴所构成的平面的曲线线条进行插补加工运动，当加工完了一小段距离后，会进行 Y 运动方向的进给，也就是沿着 Y 方向移动Y 的距离，再进行另一条相邻曲线的加工，照着这种简便的工作方式如此采用平面曲线逐步的逼近地方法来最终完成整个空间曲面的加工。三维空间文字的雕刻加工工艺是通过三坐标控制得三坐标联动来实现的，如图 1.5 所示，也就是通过对雕刻路径曲线进行空间里的直线插补运算而加以实现的，三维空间里文字的特定的艺术效果是通过更换不同形状的雕刻刀来实现的。通过上述概括性的对雕刻机的“切” 、 “刻” 、 “雕”三种基本功能实现过程的详尽分析，并且结合数控系统工作的原理，针对于雕刻机的不同工作方式下，为了实现坐标连动控制的不同需要，我们可以最终得到这样的结论，雕刻机的数控系统的空间轮廓控制系统应该采用三坐标控制三坐标联动的工作方式。这样才能够控制雕刻刀头在 X 轴、Y 轴、Z 轴方向上的联动运动过程，从而最终实现各种加工所需要的要求。不同工作方式原理图如下：图 1.3 平面轮廓的成形 图 1.4 行切法加工空间轮廓 图 1.5 三坐标联动加工1.2 雕刻机设计的内容雕刻机的特点是它工作时 X、Y 轴移动速度较快，Z 轴行程较短，适合雕刻厚度为 5mm8mm 的材料，它适合做切削量很小的高速旋转的雕刻工艺制作，经雕刻机加工的产品已经渗透到我们生活的方方面面，雕刻机主要用于零件表面打标、仪器仪毕业设计- 6 -表盘的制作、企业标准化管理所必需的各种指示牌、标识牌、工号牌、生产流程图的制作等，其中对雕刻机应用最多的还是用于板材的雕刻加工。本设计内容应该包括机械本体及单片机控制系统，机械部分包括工作台的选型设计；X、Y、Z 轴的传动系统设计，以及伺服电机型号的确定，采用精密滚珠丝杠传动。控制方面包括单片机对步进电机的控制。设计的雕刻机最终能够通过计算机内配置的专用雕刻软件进行设计和排版，并由计算机把设计与排版的信息自动传送至雕刻机控制器中，再由控制器把这些信息转化成能驱动步进电机或伺服电机的带有功率的信号(脉冲串)，根据计算机传送来的指令,线路板制作机的中央处理器根据运动控制原理,控制三个步进电机的转速、方向协调工作,完成指令向计算机发送信号，通过信号控制雕刻机主机生成 X,Y,Z 三轴的雕刻走刀路基径。同时，雕刻机上的高速旋转雕刻头，通过按加工材质配置的刀具，对固定于主机工作台上的加工材料进行切削，即可雕刻出在计算机中设计的各种平面或立体的浮雕图形及文字，最后再通过安装在各轴上的传感器将信息反馈到控制系统，实现雕刻自动化作业。1.3 雕刻机设计的目的和意义新中国成立的 60 多年来，我们国家的机械制造工业已经取得了长足的发展，在竞争日益激烈的世界制造业市场上也能够具备了有一定的市场竞争力，而最为重要的是，已能够基本满足我国社会主义现代化建设和人民日常生产生活的需要。但是当今社会是一个科技飞速发展的社会，各种科技的发展日新月异，我们不得不面对残酷的市场竞争，我国机械制造业所具备的科学技术水平以及生产能力的大小与制造业非常强大的美国、德国、日本等发达国家相比较还是存在着相当巨大的水平差距，许许多多的高精度机床、高准确度的机床控制系统、以及核心液压部件仍需要从外国进口，究其原因，因为我们的制造业水平还不够强大，我们的机床还不能达到如此高的加工精度要求，所以绝大多数的高新技术产品仍需要依赖进口，这对我国国民经济的健康发展是极为不利的，因此，我们国家在积极引进外国先进技术设备的基础上应该学会自身创新已变的至关重要，这已经成为我国机械行业必须正确面对和亟待解决的问题，只有通过技术创新才能在当今竞争日益激烈市场中坐拥一席之地。机电一体化技术是在迅速发展的以微型计算机为代表的微电子技术、信息技术向机械工业领域迅猛渗透并与机械电子技术深度结合的现代工业的基础上，综合的运用机械技术、自动控制技术、传感测试技术、电力电子技术、微电子技术、信息应用技术、接口技术及软件编程技术等群体技术，从系统理论上出发并且根据功能系统化和组织结构得到优化的目标，以智力、结构、运动、动力和感知等各种组成要素作为基础，对各组成要素及其之间的信息处理，物质运动，能量变换，接口耦合，运动传递进行研究，使得整个系统有机结合与综合集成，并在系统程序和微电毕业设计- 7 -子电路的有序信息流控制下，形成物质的和能量的有规则运动，在高精度、高可靠性、高功能、高质量、低能耗等诸方面实现多种技术功能复合的最佳功能价值系统工程技术。三维立体机械雕刻机的设计研制的工作就是以我国现如今的广告制作市场的需求状况和本行业的发展需要作为主要依据，并且按照国家政策在这一产业领域的长远发展战略规划的意图，经过了非常充分的市场调查和市场预测、对设计方案的深入构思和综合全面的评价，并且进行科学合理而又极为详细地设计，并对系统设计中存在的质量过程控制以及制造过程的质量管理加以考虑后，而最终决定设计的。三维立体雕刻机可实现对工件的 X、Y、Z 向联动加工，这一切可以通过机械加工本体与电脑控制端连接后实现，通过终端控制软件控制伺服电机运转速度从而驱动进给丝杠进给，根据光栅尺检测探头的监测数据准确地确定雕刻刀地加工起点及终点定位，从而可以最终实现对加工件高可靠性、高质量、高精度、低能耗的加工，而大大的减少了人工操作过程中所带来的人为误差，减少了工人师傅的劳动工作量，便于应用于批量化的生产，不仅为企业大大的节约了加工的成本，而且具有很大的市场推广应用价值，对机械雕刻行业的进步也具有推动作用。毕业设计- 8 -2 雕刻机总体方案确定2.1 机械系统总体方案确定这部分内容主要研究雕刻机的总体布局方式，分析并讨论了采用立柱左右移动还是工作台左右移动的进给工作方式，Z 轴雕刻头做上下方向移动和绕 Z 轴旋转运动的布局方式的确定；初步确定了确定雕刻机的有效雕刻面积范围；研究并选择确定了雕刻机所采用的坐标系统及主运动和进给运动的运动方式；通过计算确定滚动直线导轨的结构形式及参数、步进电机的结构参数、滚珠丝杠螺母副型号的选择等。2.1.1 雕刻机的布局方式我们要想确定雕刻机的布局方式，需要综合考虑雕刻机所要满足的各种加工目的和要求，因此对雕刻机总体的布局要求有一个正确的认识14。1.雕刻机对布局的要求（1）首先最为根本的是雕刻机的布局必须满足对工件加工范围、加工的精度以及对经济性因素和生产效率等各因素的综合考虑的要求。（2）要能够确保在给定了的加工工艺方法条件下对刀具与工件之间相对位置运动的要求，在保证结构正确合理的条件下，要尽量缩短传动链的长度，这样可以简化机构的复杂度，提高传递效率。（3）机构布局要便于实时观察监控加工的过程，以方便工序的监督、调整及维护；此外还要方便工件的装卸、切屑的清理；有安全防护措施。（4）布局可靠并且结构合理，结构上要尽可能简单，易于装配和加工。毕业设计- 9 -（5）从总体外形上，要满足重量较轻，体积较小的要求，这样不仅可以降低产品生产时的成本，节约了大部分的原材料，而且在机器设备安放时也可以节省空间。2.雕刻机的结构布局通过观察学习国内外的雕刻机设备产品，可以发现目前的雕刻机都主要采用两种类型的布局方式，这两种常见的布局方式如图 2.1 所示。布局（1） 布局（2）图 2.1 雕刻机的布局方式下面我们将就这两中最为常见布局方式进行分析，通过观察这两种布局方式可以看出，他们均采用了相同的布局结构框架，即均为龙门立柱样式的框架，这种框架所具有的最大优点是立柱保证了雕刻机具有很高的刚度。首先对布局方案（1）进行分析，方案一的布局方案是工作台被固定而不能移动，Y 方向的运动靠龙门立柱的前后移动进而实现的，而 X 轴及 Z 轴方向的运动则分别是靠雕刻头的横向上的旋转运动及竖向直线移动而实现的，这种布局方式的一个优点是可以通过改变工作台的长度而获得不同纵向长度的雕刻机。因为工作台是不动的，因此它将具有很好的承受载荷的能力，一些比较重的工件都可以用它来加工，但这种布局方式也存在着很大的缺点，那就是立柱的移动会比较笨重，因此会影响雕刻头运动的精度。下面分析布局方式（2）,在方案二这种布局方式中，与方案一最大的不同之处在于，其工作态是可以做 Y 方向的前后移动的，而立柱是固定不动的，X 和 Z 方向的运动则是靠雕刻头的横向旋转及竖向直线移动实现的，这一点和布局方式（1）是一样的，这种布局方式的特点是，由于工作台的可以移动，导致其不能承受很大的工件重量，但这种布局方式虚掩的传动部件的尺寸以及步进电机的功率都是很小的，运动起来较为轻便灵巧。根据雕刻机设计参数计其工作指标的要求，同时考虑加工工艺性于经济性综合因素，我们选用布局方案(2)。2.1.2 雕刻机坐标系统的确定我们采用右手坐标法则来确定雕刻机的坐标系统，最终选取执教笛卡尔坐标系毕业设计- 10 -统为雕刻机的坐标系统，X 轴、Y 轴、Z 轴为基本的坐标轴，在下图中我们分别用英文字母 A、B、C 来表示对应于 X、Y、Z 轴的旋转运动方向，X 轴为平行于立柱衡量的坐标轴，Y 轴为与工作台面相平行并与立柱横梁相互垂直的坐标轴， Z 轴为与雕刻机的主轴相互平行的坐标轴，并且垂直于工件装夹的平面。右手坐标系统原理图及雕刻机轴的确定如下图所示。图 2.2 雕刻机坐标系统的确定及总体布局方式图 2.3 右手坐标系统2.1.3 雕刻机运动的方式的确定通过对雕刻机系统结构的认识了解的加深，可以对雕刻机的运动系统进行简单毕业设计- 11 -的归类，我们可以简单的将其分为主运动系统和进给运动系统两大种类，下面我们将分别论述这两种运动的运动方式是如何确定的，各自的运动形式又是怎样的。1.主运动系统的运动方式的确定本设计为了简化雕刻机的结构，缩短雕刻机的传动链，进而提高其传递效率，在确定主运动系统的运动方式时，决定采用主轴电机直接与雕刻刀相联的传动方式，这样就可以通过主轴电机来带动主轴上刀具的旋转，并且可以在主轴上安装弹簧夹具，这样就可以针对不同的加工形状要求非常方便的更换刀具，而各种用于机械加工的雕刻刀头可以从采购市场上的专用雕刻机电主轴，专用雕刻机电主轴的优点非常的多，但是在使用时必须配以配套的变频调速装置，虽然结构非常简单，而且很实用，但是价格会比较昂贵，因此经济型的雕刻机不宜采用这种运动方案，因此从经济性的角度出发，可以采用直流电机驱动，因为直流电机有如下优点：(1)特性曲线呈线性直流电机的机械特性以及调节特性都能呈现出非常好的线性特性，在调速范围内，转速与转矩以及转速与控制电压的关系都是线性的。(2)调速的范围很宽转子的转速可以在很大的范围内实现连续平稳的速度调节(3)快速响应特性对于给定的输入控制信号，转子能够做出快速的响应，时间常数是很小的。故我们考虑优先选用通过直流电机直接带动雕刻机主轴的运动方案，用弹性家头直接让雕刻机主轴与刀具连接的方式。主运动系统的组成原理如下。图 2.4 主运动系统的组成原理图此外，主轴上刀具的安装跟换可以通过采用主轴上前端装有的弹性夹头来方便的实现，弹性夹头能够实现传递扭矩的目的，当需要的加工共建道具直径不同时，便更换与之相对应的弹性夹头。加工非金属材料的刀具在参数上与标准刀具的参数有很大的区别，因此这类刀具需要外购或自己制作，通常的情况下，我们根据刀具角度的不同可以将刀具分为 45刀、30刀、20刀、15刀和直柄立铣刀及成型刀和直柄球面铣刀等，用户可以根据加工材料的不同来加以选用。毕业设计- 12 -图 2.5 常见的雕刻机刀具2.进给系统运动方式的确定由前面对雕刻机布局方式的论述可以知道，本雕刻机采用的是工作台固定而龙门立柱横梁可作纵向移动布局方式，在 X、Y、Z 三个方向上分别装有一个步进电机，步进电动机主轴联轴器与丝杠轴相联，将电机的旋转运动传递给丝杠，丝杠的旋转拨动丝杠螺母副移动，从而带动与其相连的运动部件的运动，三个方向上的运动原理相同。通过这种布局方式下，X 方向的运动是通过雕刻头支架在横梁上左右移动实现的，Y 方向的运动是通过立柱沿着工作台作纵向移动实现的，而 Z 方向的运动则是通过支架上主轴组件沿着数之方向运动实现的，从而分别实现了对被加工工件宽度、长度、深度方向上的加工。在各个方向上均采用滚珠丝杠螺母副实现进给运动，两边分别采用相同类型的滚动导轨进行导向及支撑作用。进给运动系统原理图及三个方向上丝杠、导轨的布局方式分别如图 2.6 及图 2.7 所示。图 2.6 进给运动系统原理图 毕业设计- 13 -图 2.7 各坐标轴方向上丝杠与导轨的布局方式2.1.4 雕刻机运动的总体结构的确定对于给定的一台雕刻机，我们可以将其简单的分为几大部分，也就是这几大部分构成了雕刻机的总体结构，首先，由机床底座、机床工作台、雕刻机雕刻头、龙门立柱、进给丝杠、滚动导轨等共同构成了雕刻机的机械本体部分，可以把它看作是雕刻机的支撑骨架，此外，为了保证雕刻机加工时刀具的切入点的定位精度，在沿着导轨的床身上装有光栅尺，可以通过光栅尺检测探头的检测作用确定刀头在工作台上某一位置的位置坐标。2.2 控制系统总体方案确定本雕刻机采用单片机控制系统控制，这种控制系统的工作过程，可以简要的概括如下：首先采用雕刻处理软件对图形、文字等信息进行加工路径的扫描，进而生成 HPGL 格式的数据文件，然后通过相关的控制程序从计算机存储中读取出路径信息文件，通过数控系统的插补运算从而能够实现 X、Y 、Z 轴步进电机的联动控制，利用雕刻头的上下、前后、左右运动来实现对被加工物体的加工，控制系统通过给定的工作方式指令机加工轨迹的要求来控制各轴方向上电机的启停运转。雕刻机的控制系统通过对加工图像路径信息的扫描，经由图形文字处理软件处理后获得步进电机驱动的控制电脉冲信号指令，每当我们对步进电机施加一个电脉冲指令时，其输出轴便会相应的转过一个固定的角度，我们称之为一步，步进电机是一种能够将电脉冲信号转变成相应的直线位移或角位移的机电执行元部件。当我们为步进电机连续地发出电脉冲指令时就能实现步进电机的的连续不停地转动，这种电机的运行方式与普通匀速旋转的电机是有一定的差别的，步进电机的输入脉冲数与位移量成严格的正比关系，其脉冲频率与步进角和转速有关，通过控制改变输入脉冲的数量、脉冲信号的频率及电机各相绕组的接通的先后顺序，可以得到各种毕业设计- 14 -不同需要的运动特性。尤其是当它与数字系统配套时，能够体现出更大的优越性，因此被广泛应用于数字控制系统中。本系统中由 X、Y 、Z 三个方向的步进电机，采用串行接口控制。这种控制方式中，CPU2 与步进电动机的功率接口之间只需要两条控制线：一条用以发送控制旋转方向的电平信号，另外一条用以发送走步脉冲串(CP)，图 2.8 所示就是单片机通过串行控制来驱动步进电动机的原理图。图 2.8 步进电机驱动系统原理图3 雕刻机机械系统设计计算在这一章节，我们将详细地介绍本雕刻机的机械部分组件的设计计算，主要包括滚珠丝杠螺母副的计算校核、步进电机的计算及选型、雕刻机导轨的设计选型等主要内容。3.1 雕刻机设计参数的确定根据雕刻机的设计要求，结合各组成部件的功能设计要求，可以初步确定雕刻机 相关的设计参数，其主要参数如下表所示。表 3.1 雕刻机的设计参数表项目名称 参数数值 参数单位主轴最高转速 n=20000 r/min最大进给速度 =3000fvmm/min毕业设计- 15 -工作台部件总重 =50台Mkg小车部件总重 =10车 kg小车总行程 =150车Lkg主轴部件总重 =5主 kg 夹具最大重量 =20夹Mkg 工件的最大重量 =30件 kg定位精度 0.025 mm重复定位精度 0.010 mm导轨静摩擦系数 =0.1导轨动摩擦系数 =0.0050 使用寿命 =20000hLhrs3.2 雕刻机滚珠丝杠螺母副的选型计算 8 9滚珠丝杠螺母副能够将步进电机的旋转运动转换为工作台在直线方向上的水平移动，丝杠的旋转拨动丝杠螺母副的运动，采用滚珠丝杠传动可以减小传动过程中的摩擦力，使传动相对平稳。采用丝杠传动有其自身的优缺点：由于丝杠与丝杠螺母副之间有滚动体，从而变滑动摩擦为滚动摩擦，大大的减小了摩擦损失，提高了传动的效率，这是普通的滑动导轨传动方式所无法比拟的，再者，由于传动过程中的摩擦为滑动摩擦，那么运动过程中所受到的摩擦阻力会非常的小，使得传动过程非常平稳，不会产生齿轮齿条传动中出现的爬行现象，由于磨损小，这就大大的延长了丝杠的使用寿命，但这种传动方式也有其自身的缺点，那就是自身不具备自锁功能，需要额外添加自锁安全保护装置，以防止因雕刻头的误动作而带来的不必要的损失；相对于滚珠丝杠传动，齿轮齿条传动也有其自身的特点：齿轮齿条传动用来传递任意两轴间的运动和动力，其圆周速度可达到 300m/s，传递功率可达105KW，齿轮直径可从不到 1mm 到 150m 以上，是现代机械中应用最广的一种机械传动。齿条，单位距离内运行精度低，但其往复运行的结构，使其不会因运行距离产生累计误差。运行速度齿轮齿条要快于丝杠，但其制造、安装精度要求较高，因而成本也较高；而且还不宜作远距离传动，为了获得较高的加工精度，我们选择滚毕业设计- 16 -珠丝杠传动。常见的滚珠丝杠外形图及截面形状如图 3.1 所示。图 3.1 滚珠丝杠外观与截面图3.2.1 切削力、切削扭矩和切削功率计算 8三维雕刻机主要用阿里加工有机玻璃、PVC 发泡板、硬铝、紫铜、冷轧钢板、大理石等材料，这些材料具有的共同特点是有很好的强度和良好的可塑性。在这里我们仅以硬质合金治病立铣刀（d =6mm，z=2 ）在( 180Mpa)的铝0b板上加工时为例进行切削力、切削功率和切削扭矩的计算，在切削时根据且却过程中切削力的大小可以将切削过程分为强力切削（切） 、一般切削（雕） 、精细雕刻（雕）及快速进给四种不同的方式，不同的切削过程在整个切削过程中所占的时间比重也是不一样的，精细雕刻占总切削时间的约 50，而强力切削和快速切削军只占总时间的 10，一般切削占到总时间的 30。铣削力： （3.1）FWqzUyfXpFzndZKaC0铣削扭矩： （3.2）312MZ铣削功率： （3.3）406VPm在公式（3.1）中， 为铣削力，对于不同的加工材料将会选取不同的修正zF系数值，加工 45 号钢时取 =1，加工铝合金时取 =0.25； 表示铣刀宽度，KzFKwa毕业设计- 17 -取 =1.5 =1.5 6=9（mm） ； 为铣刀深度； 为进给速度， ； 为wa0dpafvZnavff0d铣刀外径； 为每齿进给量。各参数取值如下：f=116， =1， =0.75， =0.85， =0.73， =-0.13， =0.25。FCFXyFuFqFWzFK然后将以上各参数分别代入相应的公式（3.1） （3.2） （3.3）得到与切削深度、进给速度、铣刀转速有关的参数的计算公式：（3.4）62.075.75.013.07. 9.832)(69 nvanzZvaFfpfpz（3.5）zzFM33.2（3.6）nPzzm 77104.106此外，由于丝杠转速 ，初选丝杠导程 =4（mm） ，下面分别计算不hfpv丝 杠 hp同切削方式下的 、M、 。zFmP（1）强力切削（切）参数取值分别为 ， ，n=9000 分别代入公式（3.4） （3.5） （3.6） ，5.2pa10fv得到： （r/min）, =26.88 (N), M=0.081( ), (KW)30丝 杠nz m076.P（2）一般切削（雕）参数取值分别为 ， ，n=1500 分别代入公式（3.4） （3.5） （3.6） ，1pa20fv得到： （r/min）, =44.05 (N), M=0.132( ), (KW)30丝 杠nzF207.m（3）精细切削（刻）参数取值分别为 ， ，n=20000 分别代入公式（3.4） （3.5）5.pa240fv（3.6） ，得到： （r/min）, =30.99(N), M=0.039( ),60丝 杠nz (KW)195.0mP（4）快速进给参数取值分别为 ， ，n=0 分别代入公式（3.4） （3.5） （3.6） ，得0pa360fv到： （r/min）, =0(N), M=0( ), (KW)90丝 杠nzFm0P3.2.2 滚珠丝杠螺母副的选型的设计计算8 101.纵向(Y)进给丝杠的设计计算（1）计算进给率引力 Fm毕业设计- 18 -作用在滚珠丝杠上的进给率引力主要包括切削时走到抗力及移动部件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的型式有关，本设计选用的是圆型导轨。(3.7)(25.16840205.1)05.1( NdMfFxfzm （2）滚珠丝杠的最大动载荷 C 的计算(3.8)min)/(3.86/.7rn(3-9)96.710/192.501606TL(3.10)(.72.33 NfCw（3）滚珠丝杠副选型为 W1L4000。（4）滚珠丝杠螺母副的传动效率的计算：(3.11)963.0)13()(tgt2.横向（X）进给丝杠的设计计算（1）计算进给率引力 Fm进给率引力分析过程如纵向丝杠设计计算。(3.12)(126850.012)05.1( NdMfFxfzm （2）滚珠丝杠的最大动载荷 C 的计算（N ） (3.13)2.146502.967133wfLC（3）滚珠丝杠副选型为 W1L3006。（4）滚珠丝杠螺母副的传动效率的计算：(3.14)963.0)13()(tgt3.竖直（Z）方向进给丝杠毕业设计- 19 -（1）进给率引力 Fm(N) 的计算 (3.15)(37.94205.09)5.0(2NdMfFxfzm （2）最大动负载荷 C 的计算（ N） (3.16).16.16733wfL（3）滚珠丝杠副选型为 W1L3506。（4）滚珠丝杠螺母副的传动效率的计算(3.17)950.)173()(tgt3.3 步进电机的设计计算与型号选择步进电动机是一种将电脉冲信号变换为相应的角位移或直线位移的机电执行元件。每当输入一个电脉冲时，它便转过一个固定的角度，这个角度称为部距角 ，简称为部距。当从外部一步步的输入脉冲时，电动机便一步步的转动，步进电机也因此而得名。3.3.1 步进电动机的主要特性步进电动机主要的特性（1）矩角特性距角特性反映了步进电机电磁转矩 T 随偏转角 变化的关系，这一特性反映了步进电机的带负载能力。（2）启动惯频特性在负载转矩 =0 条件下，步进电机由静止状态突然启动、不失步地进入正常运LT行状态所允许的最高启动频率，称为启动频率或突跳频率，随着负载转动惯量的增加，启动频率下降。（3）运行频率特性步进电机启动后，当控制的脉冲频率连续上升时能不失步运行的最高脉冲重复频率称为连续运行频率，随着步进电机运行频率增高，负载能力变差。（4）矩频特性矩频特性描述了步进电机在负载转动惯量一定且为台运行时的最大输出转矩与脉冲重复频率的关系。3.3.2 步进电动机的主要特性8 9 10毕业设计- 20 -1.纵向（Y）进给步进电机的设计计算根据传动需要，可以初步选择确定反应式步进电机型号为 150BF002（1）步进电机等效转动惯量计算传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量为 （kg ）可以通过下面的计算J2cm获得：(3.18)(46.53)1.20(8.953.410 22cmkgLgWJsM(3.19)8Jm（2）步进电机力矩的计算：(3.20)in)/(7503601.36maxa rvnpb步进电机的启动加速力矩：(3.21)(83.20912.064.516022maxmax cmNtJM 经过折算后的电机轴上的摩擦力矩 fM：)(75.268.01432)(.2)(200 ciLGFfiLzf (3.22)附加到电机轴的预紧摩擦力矩 0：(3.23)(8.13)9.0(8.143265)1(2 2200 cmNiLFMp 空载启动时所需启动力矩 起M：(3.24)(63.408.175.26.09max cf 起进行快速进给时的所需力矩 快 ：(3.25)(.3.0 cmNf 快最大切削负载时所需力矩 切M：毕业设计- 21 -(3.26)(05.168.432108.75.260 cmNMtf 切所选步进电机的分配方式为五相十拍(3.27)(.6951.0max cqj 所选电机大于所需最大静转矩，计算步进电机空载启动频率和切削时的工作频率(3.28)(130.6810maxHzVfpk (3.29)(7.6.4fpse2.横向(X)步进电机的设计计算根据传动需要，可以初步选择确定反应式步进电机型号为 130BF001。（1）传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量为 （kg ）可以通过下面J2cm的计算获得：(3.30)(37.21)4.60(8.91236.74) 22 cmkgLgGJsm(3.31).7Jm（2）步进电机转动力矩的计算步进电机的启动加速力矩：(3.32)(02.612.06437.1062 22maxmax cmNtnJM 经过折算后的电机轴上的摩擦力矩 fM：(3.33)(93.28.01432)(.0ciLFf 附加到电机轴的预紧摩擦力矩 0：(3.34)(83.1)9.0(8.143265)1(2 2200 cmNiLMp 毕业设计- 22 -空载启动时所需启动力矩 起M：(3.35)(78.103.9.20.6max cmNf 起快速进给时所需力矩 快 ：(3.36)(6.48.13.0 cf快最大切削负载时所需力矩 切M：(3.37)(9.128.0432.9.20 cmNtf 切步进电机的分配方式为五相十拍(3.38)(.6951.0max cqj所选电机大于所需最大静转矩，计算空载启动频率(3.32)(01.601axHzVfpk 切削时的工作频率(3.39)(3.801.6501zfpse3.竖直方向（Z）步进电机计算根据传动需要，可以初步选择确定反应式步进电机型号为 90BF004。（1）传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量为 （kg ）可以通过下面J2cm的计算获得：(3.40)(46.7)1.320(8.945.1 22cmkgLgGJsm(3.41)8.05.Jm（2）步进电机转动力矩的计算空载启动折算到电机轴上的加速力矩：(3.42)(06.9712.06784351.062 22maxmax cmNtnJM 毕业设计- 23 -经过折算后的电机轴上的摩擦力矩 fM：(3.43)(12.98.014326)6(.0cmNiLFf 附加到电机轴的预紧摩擦力矩 ：0(3.44)(68.)9.01(8.43267)1(2 2200 ciLMp 快速空载启动时所需力矩 起 ：(3.45)(94.126.190.7max cmNf 起快速进给时所需力矩 快 ：(3.46)(.8.20 cMf 快最大切削负载时所需力矩 切 ：(3-47)(46.98.01326.190 cmNMtf 切所选步进电机分配方式为五相十拍(3.48)(7.965.0max cMqj 所选电机大于所需最大静转矩。计算空载启动频率：(3.49)(10.61axHzVfpk切削时的工作频率(3.50)(3.801.6501zVfpse 3.4 雕刻机导轨的选型设计随着现代制造技术的不断发展，使得传统的制造业发生了巨大的变化，数控技术、机电一体化和工业机器人在生产中得到了更加广泛的应用。同时机械传动机构的定位精度、导向精度和进给速度在不断提高，使传统的导向机构发生了重大变化。自 1973 年开始商品化以来，滚动直线导轨副以其独有的特性，逐渐取代了传统的毕业设计- 24 -滑动直线导轨，在工业生产中得到了广泛的应用。适应了现今机械对于高精度、高速度、节约能源以及缩短产品开发周期的要求，已被广泛应用在各种重型组合加工机床、数控机床、高精度电火花切割机、磨床、工业用机器人乃至一般产业用的机械装备中。 3.4.1 滚动直线导轨副的性能特点（1）定位精度高滚动直线导轨的运动借助钢球滚动实现，导轨副摩擦阻力小，动静摩擦阻力差值小，低速时不易产生爬行。重复定位精度高，适合作频繁启动或换向的运动部件。根据需要，适当增加预载荷，确保钢球不发生滑动，实现平稳运动，减小了运动的冲击和振动。 （2）磨擦损耗小滚动接触由于摩擦耗能小，滚动面的摩擦损耗也相应减少，故能使滚动直线导轨系统长期处于高精度状态。同时，由于使用润滑油也很少，这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变的非常容易。（3）能够适应高速运动且大幅度降低驱动功率采用滚动直线导轨的机床由于摩擦阻力小，可使所需的动力源及动力传递机构小型化，使驱动扭矩大大减少，使机床所需电力降低 80%，节能效果明显。可实现机床的高速运动，提高机床的工作效率 2030%。（4）承载能力强滚动直线导轨副具有较好的承载性能，可以承受不同方向的力和力矩载荷，因此，具有很好的载荷适应性。在设计制造中加以适当的预加载荷可以增加阻尼，以提高抗振性，同时可以消除高频振动现象。（5）组装容易并具有很好的互换性传统的滑动导轨必须对导轨面进行刮研，既费事又费时，且一旦机床精度不良，必须再刮研一次。滚动导轨具有互换性，只要更换滑块或导轨或整个滚动导轨副，机床即可重新获得高精度。 通过前面的论述可以知道，由于滚珠在导轨与滑块之间的相对运动为滚动，可减少摩擦损失，通常滚动摩擦系数为滑动摩擦系数的 2%左右，因此本设计采用滚动导轨。 3.4.2 滚动直线导轨副的选用方法滚动直线导轨副具有承载能力大、接触刚性高、可靠性高等特点，主要在机床的床身、工作台导轨和立柱上、下升降导轨上使用。我们在选用时可以根据负荷大小，受载荷方向、冲击和振动大小等情况来选择。（1）受力方向 毕业设计- 25 -由于滚动直线导轨副的滑块与导轨上通常有 4 列圆弧滚道，因此能承受 4 个方向的负荷和翻转力矩。导轨承受能力随滚道中心距增大而加大。 （2）负荷大小 滚动直线导轨不同规格有着不同的承载能力，可根据承受负荷大小选择。为使每副滚动直线导轨均有比较理想的使用寿命，可根据所选厂家提供的近似公式计算额定寿命和额定小时寿命，以便给定合理的维修和更换周期。（3）预加负载的选择 根据设计结构的冲击、振动情况以及精度要求，选择合适的预压值。3.4.3 滚动导轨副的型号选择结合各种类型的导轨的特点，初步确定选择 GGA 63 型圆形直线滚动导轨副，采用单个导轨双滑块的方式；对导轨的设计要求滚动体的最大载荷不得超过许用载荷，计算最大载荷的原始数据如下：GGA 63 额定负载：动载荷 C5790N；静载 C06030N 。雕刻机 X 轴上可移动部分重量 GX=1000N;GY=1500N;GZ=500N。Y 向需要承受最大载荷为： (3.51)）（ N7521max通过比较可以知道该最大载荷小于导轨的最大额定动载荷，所以满足要求，X、Z 向采用相同型号的导轨。4 雕刻机控制部分的设计4.1 单片机概述3 5单片微型计算机的英文表达是：Single Chip Micro Computer,简称 SCM，也就是单片机。单片机是指在一片集成电路芯片上继承了计算机的中央处理器、存储器和输入输出接口。 “单片机”准确的概括了这一称谓，随着单片机在技术上、体系结构上不断扩展其控制功能，单片机已不能用“单片微型计算机”来准确表达其内涵，国际上逐渐采用 MCU（Micro Controller Unit）来代替，形成了单片机界公认的名词，一直沿用至今。单片机可以这么定义：一种吧为处理器、随机存取存储器 RAM、只读存储器ROM、I/O 接口电路、定时器、计数器、串行通信接口及中断系统等部件集成在同一块芯片上，这块芯片就是它的硬件，软件程序就存放在片内只读存储器内。毕业设计- 26 -4.1.1 单片机的特点单片机是采用半导体工艺制作的，因此它具有非常多显著的特点：（1）集成度高、体积小、具有很高的可靠性；（2）指令系统具有转移指令、I/O 口逻辑操作指令及未处理功能，控制功能很强；（3）优异的性价比；（4）能耗低、工作电压低、便于生产便携式产品；（5）外部总线怎家了串行总线方式，进一步简化了结构、减小了体积；（6）系统扩展和系统配置比较典型，容易与其他系统组合。4.1.2 单片机硬件系统的设计原则一个单片机系统的硬件电路设计包含两部分的内容：一是系统扩展，也就是当单片机内部的功能单元不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择相印的芯片；设计相应的电路；二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备。系统的扩展和配置必须遵循以下的原则：（1）尽可能选择典型电路，并且电路图画法要符合常规；（2）要综合考虑硬件系统和软件方案；（3）系统中相关的器件尽量做到性能匹配；（4）系统外围配置水平及扩展应满足系统要求，以方便工作过程中的功能扩展；（5）硬件设计过程中要充分考虑电路可靠性和抗干扰性；（6）当所设计的单片机外微电路较多时，要充分考虑其驱动能力；（7）尽可能朝着“单片”方向设计硬件系统，以减少器件之间的相互干扰。4.1.3 单片机应用系统设计步骤单片机应用系统是指以单片机为核心，配以一定的外围电路和软件，能实现某种或几种功能的应用系统。单片机应用系统的设计包括硬件和软件设计两大部分。一般来说，应用系统所要完成的任务不同，相应的硬件和软件也就不同。为了保证系统能可靠工作，在软、硬件设计中，还要考虑系统的抗干扰设计，设计一个单片机应用系统，一般可分为 4 个步骤。（1）总体设计阶段总体设计阶段包括需求分析和方案论证等。需求分析和方案论证是单片机系统设计工作的开始，也是工作的基础。只有经过深入细致的需求分析和周密而科学的方案论