臺式可編程三坐標雕刻機結構設計與運動分析

李曉東，段雪聰，楊昕，王宏剛

（1.長春工業(yè)大學 工程訓練中心，長春 130012；2.長春理工大學，長春 130000；3.吉林省石油化工設計研究院，長春130000）

0 引 言

隨著社會進步和經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們的知識文化水平逐步提高，對于機械產(chǎn)品的效率與品質(zhì)的要求也越來越高。然而，市場上小功率雕刻機樣式繁多，讓消費者眼花繚亂，但它們功能卻比較單一，適用范圍受到嚴重的限制。而大功率的雕刻機功能雖多、壽命較長，但是占地面積較大，不適宜移動與攜帶。這不符合市場的發(fā)展和消費者的需求。面對這些迫切需要解決的問題，經(jīng)過多方面的努力和實驗，可編程三坐標雕刻機將多種功能融于一身，而且也盡可能減少了資源與空間的浪費。

可編程三坐標雕刻機在經(jīng)過攝像頭拍照、電腦灰度處理后，便可以定制照片，操作十分簡便；也可以進行浮雕、玉石雕刻，樣式精美逼真；以及刻制電路板、印章、工藝品等，實用性極強，具有很好的商業(yè)價值。最為關注與期待的是它能通過串口進行遠程控制?？删幊倘鴺说窨虣C最大的亮點是：操作簡單化，一體化，節(jié)省時間，大大提高了工作效率。

1 結構組成與原理分析

可編程三坐標雕刻機主要是由三坐標工作臺各個工作軸的運動控制。在三坐標工作臺中，X 軸為橫向運動，Y軸為縱向運動，Z 軸為上下運動。導軌上的滑塊與滾珠絲桿上的橫梁相連。通過步進電機（1.8°/step）進行控制，以達到控制X、Y、Z 三軸運動的目的。X、Y、Z 三軸通過步進電機的帶動實現(xiàn)了三軸聯(lián)動。

可編程三坐標雕刻機采用立式三坐標結構；長度為545 mm，寬度為340 mm，高度為420 mm；工作平臺的面積為460 mm×240 mm；3 個導軌的尺寸分別為：長導軌長545 mm，直徑16 mm；中導軌長424 mm，直徑16 mm；小導軌長200 mm，直徑8 mm；橫梁的長度為310 mm；大滑體的尺寸為130 mm×74 mm×50 mm；中滑體的尺寸為84 mm×48 mm×38 mm；小滑體的尺寸為57mm×30 mm×20 mm，如圖1 所示。

圖1 可編程三坐標雕刻機結構圖

從圖1 中也可以看出，可編程三坐標雕刻機與市面上的傳統(tǒng)雕刻機有相似之處：工作平臺主要是由X 軸與Y 軸的聯(lián)動來控制，而Z 軸則是用于調(diào)整刀具的位置，傳統(tǒng)的雕刻機的控制系統(tǒng)也是如此。在可編程三坐標雕刻機中因為X 軸與Y 軸都采用步進電機作為驅動，步進電機通過帶動聯(lián)軸器進而帶動滾珠絲杠，與此同時導軌上的滑塊也開始運動，這樣便可以實現(xiàn)X、Y 軸聯(lián)動進而控制工作平臺的運動。因為步進電機的步距角為1.8°，所以每當步進電機接收到一個脈沖信號，步進電機旋轉1.8°，便帶動滾珠絲杠旋轉1.8°，使?jié)L珠絲桿前進1.8°÷360°×5 mm=0.025 mm。Z 軸的步進電機主要是控制刀具的位置，使雕刻出來的線條達到我們想要的效果。不會太深或太淺，使雕刻出來的器件更加美觀。主軸電機的主要功能是控制刀具產(chǎn)生多種轉速，使雕刻機適應于各種材料的雕刻。

圖2

2 控制器件

2.1 步進電機

在可編程三坐標雕刻機中，步進電機是一種不可或缺的元器件。步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰频囊环N無反饋元器件。步進電機是利用電子電路和驅動器使直流電分時供電產(chǎn)生多相時序控制電流，進而為步進電機供電的一種感應電機。步進電機的主要用途就是將電脈沖信號轉變成角位移，就是當我們給步進電機一個脈沖信號，步進電機的接收器就會接收這一脈沖信號，這個信號便可以控制步進電機按照固定的方向進行移動，要想使系統(tǒng)獲得最精準的位移，可以通過改變脈沖的數(shù)量和頻率來得到。

步進電機從構造上主要分為反應式、永磁式和混合式三類。反應式步進電機一般為三相，步距角一般為1.5°，但是反應式步進電機的缺點是在操作過程中噪聲大，導致步進電機出現(xiàn)了問題不容易發(fā)現(xiàn)；永磁式步進電機一般為兩相，步距角一般為7.5°/15°；而混合式步進電機分為步距角為1.8°的兩相步進電機和步距角為0.72°的五相步進電機兩種（步距角的定義為：控制系統(tǒng)發(fā)出一個脈沖信號帶動電機轉動，在這期間轉過的角度即為步距角）。

為雕刻機選擇合適的步進電機主要依據(jù)步距角、靜力矩和電流。步距角選擇的主要依據(jù)是將負載的最小分辨率換算到電機軸上，然后再根據(jù)負載的數(shù)據(jù)得到需要的電機的部分參數(shù)。靜力矩的選擇主要依據(jù)是：靜力矩一般為負摩擦的2～3 倍，據(jù)此便可以確定步進電機的幾何尺寸。而對于電流的選取主要依賴于矩頻特性曲線，通過曲線來選取合適的電流。依據(jù)這三點可編程三坐標雕刻機選用了3 個2 相、2A、直徑為57 mm 的步進電機。

2.2 主軸電機

交流電機主要的功能就是實現(xiàn)機械能和交流電能之間的相互轉換。

交流電機一般采用三相制，因為三相制的交流電機與單相電機相比較，有太多的優(yōu)勢。三相交流電機有自起動能力，而單相電機卻沒有。并且在相同的功率條件下，三相交流電機的體積小、質(zhì)量輕的優(yōu)點就明顯展現(xiàn)出來了。

交流電機可以分為同步交流電機和異步交流電機兩種主要類型。同步交流電機轉子的轉速ns與旋轉磁場的轉速相同，異步交流電機則是高于或低于旋轉磁場的轉速。異步交流電機的磁力線可以切割電子導條的條件是：在轉子的轉速ns高于或低于旋轉磁場的轉速時，并且外部磁場旋轉。這樣才可以在導條中產(chǎn)生感應電動勢及感應電流，產(chǎn)生的感應電流受到電磁力的作用，使轉子旋轉，從而使異步交流電機工作。

在可編程三坐標雕刻機中控制刀具轉速的主軸電機為三相異步交流電機。主要因為異步交流電機的通用性極強，而且適用于各類環(huán)境，進而也保證了運行環(huán)境的安全。在刀具高速旋轉時，可以保證安全。

3 運動分析

3.1 圓軸扭轉的強度條件

式中：τ 為材料的許用切應力，MPa；Mx為偶矩，N·m；F 為外力,N；d 為直徑，mm。

通過代入數(shù)據(jù)可以得到τ＜600 MPa。通過計算可以得知在不超過600 MPa 的情況下，操作是安全的。

扭轉力矩公式為 Me=9 545P/n。

式中：Me為作用在軸上的扭轉外力偶矩，N·m；P 為軸所傳遞的功率，kW；n 為軸的轉速，r/min。

代入數(shù)據(jù)，得Me=355 MPa。

行程公式為 X=ntL。

式中：設X 為行程，mm；L 為導程，mm；t 為時間，mm；n 為軸的轉速，r/min。X=400×1×5=2 000 mm。

3.2 操作流程

可編程三坐標的操作過程為：可編程三坐標雕刻機在使用之前要先檢查機器的部件是否出現(xiàn)問題，如果有損壞要先進行維修或者更換元器件，修理好后才可以接通電源。接通電源后，打開雕刻機，使刀具回歸零點；然后打開已經(jīng)處理好的*.NC 文件,將雕刻機啟動為自動模式，選擇循環(huán)加工，這樣雕刻機就開始加工零件。當?shù)窨虣C加工停止以后，選擇結束按鈕，此時刀具會回到一個合適的位置。待刀具運動停止，選擇回零按鈕，待下一次雕刻。程序框圖如圖3。

圖3 程序框圖

3.3 控制系統(tǒng)

可編程三坐標雕刻機的主要控制系統(tǒng)是March3 軟件。March3 軟件是一種運行系統(tǒng)的版本必須為WIN XP或WIN2 000 的數(shù)控軟件。March3 軟件通過輸出脈沖和方向信號來控制步進電機驅動器進而控制數(shù)控機床。March3 軟件需要高速讀取存儲在硬盤中的只讀文檔，而且機床與電腦之間大都是通過并口來連接的。March3軟件用的是電腦并口，一個電腦并口只有5 個輸入，這5個輸入可以接許多輸入項目。通過添加并卡口，又可以增加5 個輸入。

在操作過程中，切忌用鼠標操作。尤其是急停和啟動按鈕。在使用時首先應該設置步進電機得電脈沖信號，其次要考慮接口板和驅動板是共陽還是共陰；如果設置有一點錯誤，就會出現(xiàn)電機雖然動，可是會丟步的狀況。

March3 軟件的接口板是支持電腦并口的軟件，并且板上印有所有端口的名稱，操作便捷。USB 和外圍供電是分離的，所有的輸入信號全部經(jīng)光耦隔離，這樣可以保障人身和電腦的安全。接口板設有17 個開放端口，將P1 口設為輸出口，可以控制變頻器和主軸的轉速；P17 口設為1 路繼電器的輸出端口，可以控制主軸開關。

在軟件配置好以后，將電腦與機床之間進行簡單的連接，就可以進行簡單的測試。在測試之前首先要運行Mach3Mill，并且打開診斷界面，之后會有顯示輸入輸出信號的邏輯電平的發(fā)光二極管，最后通過觀測二極管亮與滅來測試。通過這個簡單的測試可以比較容易地發(fā)現(xiàn)并口地址定義正確與否，輸入輸出腳針的連接是否有誤，為以后的測試減少很多干擾。

程序在運行的過程中，在G 代碼的窗口上會出現(xiàn)一列特殊的代碼，這些代碼的運動方式與正常代碼的運動方式有所不同。Mach3 軟件會提前識別這些代碼并且會預先為這些代碼設計合適的運動方式，之所以會為這些特殊的代碼設計特別的運動方式，是因為刀具的速度達不到要求的速度。只有這樣才可以保證雕刻機正常工作。

如果想要讓雕刻出來的產(chǎn)品是1∶1，就必須控制脈沖的數(shù)量。只有脈沖的數(shù)量合適，才可以使板走1 mm。在可編程三坐標雕刻機中所選取步進電機的最大的特點就是"加速度"。步進電機啟動和停止時，不可以使用最大和最小頻率來控制。應該逐漸增加和慢慢減小頻率，否則電機不能可靠地運行。雕刻機的最大速度就是代碼G0 的速度，而代碼G0 的速度與螺桿螺距機器的構造、步進電機的大小、驅動器的參數(shù)都有關系，如果速度過高，則電機啟動不了，甚至會失步；如果速度慢，則雕刻機的效率不高，還影響產(chǎn)品的質(zhì)量，因此對于G0 的速度要多調(diào)試，這樣才可以保證雕刻機運行的安全性及產(chǎn)品的質(zhì)量?？删幊倘鴺说窨虣C可以做出平面的產(chǎn)品。電子愛好者做PCB 電路板；藝術者可以做字、畫、浮雕；業(yè)余愛好者可以雕印章、人像、木雕等多種用途。

4 結 語

研制的新型雕刻機能夠適應高速發(fā)展的經(jīng)濟，它體積小、成本低、用途廣，使用的人群多，操作簡單便于攜帶，可以用于學校教學，亦可用于商業(yè)雕刻玉石等工藝品。可編程三坐標雕刻機將在工業(yè)生產(chǎn)得到廣泛推廣。

［1］ 羅奇亮，馬保吉.基于Mach3 軟件的經(jīng)濟型三維機械式雕刻機開發(fā)［J］.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2009，22（6）：184-185.

［2］ 胡志祖，基于VC 的數(shù)控G 代碼解釋器的設計與實現(xiàn)［J］．中國重型裝備，2009（1）：31-34.

［3］ 喬世民.機械制造基礎［M］.北京：高等教育出版社，2003.

［4］ 趙建中.機械制造技術基礎［M］.北京：北京理工大學出版社，2008.