經(jīng)濟(jì)型三維雕刻機(jī)的研究與設(shè)計

韓文凱，陳海達(dá)，吳志剛，楊 超，張木凱

（哈爾濱理工大學(xué) 榮成學(xué)院，山東 榮成 264300）

0 引言

隨著雕刻市場需求及數(shù)控相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控雕刻機(jī)產(chǎn)業(yè)獲得前所未有的發(fā)展，在廣告、木材加工、模具加工等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但是，現(xiàn)有的雕刻機(jī)如美國的“雕霸”、法國的“嘉寶”雖然性能很好，但其昂貴的價格令一些小單位及個人用戶望而卻步。本文介紹的雕刻機(jī)是一種經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)品，其機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、傳動鏈短，采用開環(huán)系統(tǒng)，易于控制和調(diào)試。

1 雕刻機(jī)總體方案的設(shè)計

本設(shè)計的目的是為廣大中小客戶及學(xué)校提供一種價廉、實(shí)用的數(shù)控雕刻系統(tǒng)，完成文字、圖案的雕刻以及課堂演示?？刂葡到y(tǒng)采用“PC＋運(yùn)動控制卡”的模式，即利用CNC USB Controller軟件進(jìn)行繪圖或讀取其他相關(guān)加工圖形信息并進(jìn)行解釋，調(diào)用直線或圓弧插補(bǔ)運(yùn)算，并將各種插補(bǔ)轉(zhuǎn)換為一系列的信號，并通過串口傳輸給運(yùn)動控制卡，然后驅(qū)動X，Y，Z方向電機(jī)的運(yùn)動，完成對工件的加工。雕刻機(jī)系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1 雕刻機(jī)系統(tǒng)工作流程圖

2 雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計

為了提高雕刻機(jī)的工作范圍以及降低成本，本雕刻機(jī)采用剛性較好的移動式龍門結(jié)構(gòu)，主要由工作臺、主軸、龍門架、X軸部件、Y軸部件和Z軸部件等組成，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在該機(jī)械結(jié)構(gòu)中，工作臺主要用來裝夾工件；X軸部件在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動下，通過絲杠螺母機(jī)構(gòu)帶動龍門架及其上的主軸刀具運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)刀具相對工件的X向進(jìn)給；Y軸部件和Z軸部件分別實(shí)現(xiàn)刀具相對于工件的Y向進(jìn)給和Z向進(jìn)給。當(dāng)?shù)窨虣C(jī)進(jìn)行加工時，刀具在主軸電機(jī)的驅(qū)動下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，并通過X軸、Y軸和Z軸部件，實(shí)現(xiàn)刀具相對于工件的復(fù)雜曲線運(yùn)動，從而完成對工件輪廓的雕刻加工。

圖2 雕刻機(jī)三維結(jié)構(gòu)模型

3 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

3.1 DXF文件

DXF是AutoCAD圖形文件的ASCII或二進(jìn)制文件格式，由于其具有較好的兼容性，已經(jīng)成為一種國際數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)文件，它具有ASCII或二進(jìn)制兩種文件格式形式。在實(shí)際應(yīng)用過程中，通常情況下所指的DXF文件為ASCII格式文件。

一個DXF文件包含標(biāo)題段、類段、段塊、表段、對象段和實(shí)體段。在設(shè)計文件中僅有實(shí)體段包含所涉及的幾何信息，所以零件的特征信息從實(shí)體段部分提取。

3.2 轉(zhuǎn)換

簡單實(shí)體主要包括點(diǎn)、線、圓、文本等，轉(zhuǎn)換主要是對實(shí)體位置數(shù)據(jù)的提取和對所提取數(shù)據(jù)的處理。實(shí)體段包含圖形中出現(xiàn)的上述所有的圖形對象，也包括對塊的引用。

如果將DXF文件轉(zhuǎn)換成數(shù)控代碼，只需對圖形文件中圖形實(shí)體元素的幾何信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和處理，并可忽略存放在文件頭段、類段、表段和對象段中的信息。由于幾何圖形元素的圖元信息主要保存在實(shí)體段，因此分析實(shí)體段才是生成數(shù)控代碼的關(guān)鍵。實(shí)體段的作用是記錄每個幾何元索的名稱、所在圖層名、線型名、顏色號、基面高度、厚度以及有關(guān)的幾何數(shù)據(jù)。圖元實(shí)體信息存放著相應(yīng)圖元實(shí)體所必須含有的各種信息。在Visual C＋＋6.0環(huán)境下定義的讀取DXF文件的函數(shù)如下：

3.3 G-code在上位機(jī)中的翻譯

對于G-code的翻譯即為VC對G-code文件的編譯。VC中的編譯程序要有語法檢測（檢測與規(guī)定的G代碼語法差異）、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換（將程序轉(zhuǎn)為運(yùn)動坐標(biāo)信息）、處理變量表達(dá)式（支持變量表達(dá)式輸入）、控制結(jié)構(gòu)處理、處理固定循環(huán)、處理子程序和宏程序調(diào)用等功能。利用PC機(jī)龐大的內(nèi)存空間（外加虛擬內(nèi)存）足已處理一般情況。DXF轉(zhuǎn)G-code的具體解釋流程如圖3所示。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本雕刻機(jī)是利用PC機(jī)的串口與運(yùn)動控制板相連，然后分別將信號傳輸給主軸驅(qū)動電路和步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路，實(shí)現(xiàn)雕刻機(jī)的主運(yùn)動以及X，Y，Z方向的進(jìn)給運(yùn)動。

4.1 運(yùn)動控制板的搭建

PIC單片機(jī)具有運(yùn)行速度快、工作電壓低、電耗低、輸入輸出驅(qū)動能力、價格低、抗干擾性強(qiáng)、體積小等特點(diǎn)，為下位機(jī)核心控制器件。下位機(jī)系統(tǒng)控制部分主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)及外圍電路實(shí)現(xiàn)，以單片機(jī)最小系統(tǒng)作為核心，外加通信模塊、反饋模塊、控制模塊、指示模塊等外圍設(shè)備。其中，通信模塊負(fù)責(zé)與PC部分進(jìn)行串口通信，反饋模塊負(fù)責(zé)接收機(jī)床部分反饋信號，控制模塊負(fù)責(zé)控制機(jī)床部分，指示模塊負(fù)責(zé)顯示控制系統(tǒng)目前工作狀態(tài)。運(yùn)動控制卡電路圖如圖4所示。

圖3 DXF轉(zhuǎn)G-code流程圖

4.2 驅(qū)動電路的構(gòu)成

本文采用由東芝TB6560芯片構(gòu)成的高細(xì)分驅(qū)動器來實(shí)現(xiàn)X，Y，Z軸方向上步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動。該驅(qū)動器具有如下優(yōu)點(diǎn)：①自帶16細(xì)分功能，能夠滿足每分鐘從幾到近千轉(zhuǎn)的應(yīng)用要求，且電機(jī)振動小、噪聲低；②大電流驅(qū)動時，芯片的散熱面便于外連散熱器，也可以直接連接在用戶原有控制器金屬殼體上，嵌入式驅(qū)動器體積小巧、易于散熱。

TB6560步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路主要包括3部分：控制信號隔離電路、主電路和自動半流電路。因篇幅所限，此處未給出其具體的電路圖。

5 結(jié)論

本文設(shè)計的經(jīng)濟(jì)型雕刻機(jī)屬于典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，通過上位機(jī)對圖形進(jìn)行解釋并發(fā)出指令給運(yùn)動控制卡，實(shí)現(xiàn)雕刻機(jī)X，Y，Z方向電機(jī)的聯(lián)動，從而完成對工件的雕刻加工。該雕刻機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、調(diào)試方便等特點(diǎn)，適合于中小型企業(yè)的雕刻加工以及學(xué)校進(jìn)行相關(guān)課堂演示。

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