台式可编程三坐标雕刻机结构设计与运动分析

2014-07-08李晓东段雪聪杨昕王宏刚

机械工程师 2014年9期

李晓东，段雪聪，杨昕，王宏刚

（1.长春工业大学工程训练中心，长春 130012；2.长春理工大学，长春 130000；3.吉林省石油化工设计研究院，长春130000）

0 引言

随着社会进步和经济的不断发展，人们的知识文化水平逐步提高，对于机械产品的效率与品质的要求也越来越高。然而，市场上小功率雕刻机样式繁多，让消费者眼花缭乱，但它们功能却比较单一，适用范围受到严重的限制。而大功率的雕刻机功能虽多、寿命较长，但是占地面积较大，不适宜移动与携带。这不符合市场的发展和消费者的需求。面对这些迫切需要解决的问题，经过多方面的努力和实验，可编程三坐标雕刻机将多种功能融于一身，而且也尽可能减少了资源与空间的浪费。

可编程三坐标雕刻机在经过摄像头拍照、电脑灰度处理后，便可以定制照片，操作十分简便；也可以进行浮雕、玉石雕刻，样式精美逼真；以及刻制电路板、印章、工艺品等，实用性极强，具有很好的商业价值。最为关注与期待的是它能通过串口进行远程控制。可编程三坐标雕刻机最大的亮点是：操作简单化，一体化，节省时间，大大提高了工作效率。

1 结构组成与原理分析

可编程三坐标雕刻机主要是由三坐标工作台各个工作轴的运动控制。在三坐标工作台中，X 轴为横向运动，Y轴为纵向运动，Z 轴为上下运动。导轨上的滑块与滚珠丝杆上的横梁相连。通过步进电机（1.8°/step）进行控制，以达到控制X、Y、Z 三轴运动的目的。X、Y、Z 三轴通过步进电机的带动实现了三轴联动。

可编程三坐标雕刻机采用立式三坐标结构；长度为545 mm，宽度为340 mm，高度为420 mm；工作平台的面积为460 mm×240 mm；3 个导轨的尺寸分别为：长导轨长545 mm，直径16 mm；中导轨长424 mm，直径16 mm；小导轨长200 mm，直径8 mm；横梁的长度为310 mm；大滑体的尺寸为130 mm×74 mm×50 mm；中滑体的尺寸为84 mm×48 mm×38 mm；小滑体的尺寸为57mm×30 mm×20 mm，如图1 所示。

图1 可编程三坐标雕刻机结构图

从图1 中也可以看出，可编程三坐标雕刻机与市面上的传统雕刻机有相似之处：工作平台主要是由X 轴与Y 轴的联动来控制，而Z 轴则是用于调整刀具的位置，传统的雕刻机的控制系统也是如此。在可编程三坐标雕刻机中因为X 轴与Y 轴都采用步进电机作为驱动，步进电机通过带动联轴器进而带动滚珠丝杠，与此同时导轨上的滑块也开始运动，这样便可以实现X、Y 轴联动进而控制工作平台的运动。因为步进电机的步距角为1.8°，所以每当步进电机接收到一个脉冲信号，步进电机旋转1.8°，便带动滚珠丝杠旋转1.8°，使滚珠丝杆前进1.8°÷360°×5 mm=0.025 mm。Z 轴的步进电机主要是控制刀具的位置，使雕刻出来的线条达到我们想要的效果。不会太深或太浅，使雕刻出来的器件更加美观。主轴电机的主要功能是控制刀具产生多种转速，使雕刻机适应于各种材料的雕刻。

图2

2 控制器件

2.1 步进电机

在可编程三坐标雕刻机中，步进电机是一种不可或缺的元器件。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移的一种无反馈元器件。步进电机是利用电子电路和驱动器使直流电分时供电产生多相时序控制电流，进而为步进电机供电的一种感应电机。步进电机的主要用途就是将电脉冲信号转变成角位移，就是当我们给步进电机一个脉冲信号，步进电机的接收器就会接收这一脉冲信号，这个信号便可以控制步进电机按照固定的方向进行移动，要想使系统获得最精准的位移，可以通过改变脉冲的数量和频率来得到。

步进电机从构造上主要分为反应式、永磁式和混合式三类。反应式步进电机一般为三相，步距角一般为1.5°，但是反应式步进电机的缺点是在操作过程中噪声大，导致步进电机出现了问题不容易发现；永磁式步进电机一般为两相，步距角一般为7.5°/15°；而混合式步进电机分为步距角为1.8°的两相步进电机和步距角为0.72°的五相步进电机两种（步距角的定义为：控制系统发出一个脉冲信号带动电机转动，在这期间转过的角度即为步距角）。

为雕刻机选择合适的步进电机主要依据步距角、静力矩和电流。步距角选择的主要依据是将负载的最小分辨率换算到电机轴上，然后再根据负载的数据得到需要的电机的部分参数。静力矩的选择主要依据是：静力矩一般为负摩擦的2～3 倍，据此便可以确定步进电机的几何尺寸。而对于电流的选取主要依赖于矩频特性曲线，通过曲线来选取合适的电流。依据这三点可编程三坐标雕刻机选用了3 个2 相、2A、直径为57 mm 的步进电机。

2.2 主轴电机

交流电机主要的功能就是实现机械能和交流电能之间的相互转换。

交流电机一般采用三相制，因为三相制的交流电机与单相电机相比较，有太多的优势。三相交流电机有自起动能力，而单相电机却没有。并且在相同的功率条件下，三相交流电机的体积小、质量轻的优点就明显展现出来了。

交流电机可以分为同步交流电机和异步交流电机两种主要类型。同步交流电机转子的转速ns与旋转磁场的转速相同，异步交流电机则是高于或低于旋转磁场的转速。异步交流电机的磁力线可以切割电子导条的条件是：在转子的转速ns高于或低于旋转磁场的转速时，并且外部磁场旋转。这样才可以在导条中产生感应电动势及感应电流，产生的感应电流受到电磁力的作用，使转子旋转，从而使异步交流电机工作。

在可编程三坐标雕刻机中控制刀具转速的主轴电机为三相异步交流电机。主要因为异步交流电机的通用性极强，而且适用于各类环境，进而也保证了运行环境的安全。在刀具高速旋转时，可以保证安全。

3 运动分析

3.1 圆轴扭转的强度条件

式中：τ 为材料的许用切应力，MPa；Mx为偶矩，N·m；F 为外力,N；d 为直径，mm。

通过代入数据可以得到τ＜600 MPa。通过计算可以得知在不超过600 MPa 的情况下，操作是安全的。

扭转力矩公式为 Me=9 545P/n。

式中：Me为作用在轴上的扭转外力偶矩，N·m；P 为轴所传递的功率，kW；n 为轴的转速，r/min。

代入数据，得Me=355 MPa。

行程公式为 X=ntL。

式中：设X 为行程，mm；L 为导程，mm；t 为时间，mm；n 为轴的转速，r/min。X=400×1×5=2 000 mm。

3.2 操作流程

可编程三坐标的操作过程为：可编程三坐标雕刻机在使用之前要先检查机器的部件是否出现问题，如果有损坏要先进行维修或者更换元器件，修理好后才可以接通电源。接通电源后，打开雕刻机，使刀具回归零点；然后打开已经处理好的*.NC 文件,将雕刻机启动为自动模式，选择循环加工，这样雕刻机就开始加工零件。当雕刻机加工停止以后，选择结束按钮，此时刀具会回到一个合适的位置。待刀具运动停止，选择回零按钮，待下一次雕刻。程序框图如图3。

图3 程序框图

3.3 控制系统

可编程三坐标雕刻机的主要控制系统是March3 软件。March3 软件是一种运行系统的版本必须为WIN XP或WIN2 000 的数控软件。March3 软件通过输出脉冲和方向信号来控制步进电机驱动器进而控制数控机床。March3 软件需要高速读取存储在硬盘中的只读文档，而且机床与电脑之间大都是通过并口来连接的。March3软件用的是电脑并口，一个电脑并口只有5 个输入，这5个输入可以接许多输入项目。通过添加并卡口，又可以增加5 个输入。

在操作过程中，切忌用鼠标操作。尤其是急停和启动按钮。在使用时首先应该设置步进电机得电脉冲信号，其次要考虑接口板和驱动板是共阳还是共阴；如果设置有一点错误，就会出现电机虽然动，可是会丢步的状况。

March3 软件的接口板是支持电脑并口的软件，并且板上印有所有端口的名称，操作便捷。USB 和外围供电是分离的，所有的输入信号全部经光耦隔离，这样可以保障人身和电脑的安全。接口板设有17 个开放端口，将P1 口设为输出口，可以控制变频器和主轴的转速；P17 口设为1 路继电器的输出端口，可以控制主轴开关。

在软件配置好以后，将电脑与机床之间进行简单的连接，就可以进行简单的测试。在测试之前首先要运行Mach3Mill，并且打开诊断界面，之后会有显示输入输出信号的逻辑电平的发光二极管，最后通过观测二极管亮与灭来测试。通过这个简单的测试可以比较容易地发现并口地址定义正确与否，输入输出脚针的连接是否有误，为以后的测试减少很多干扰。

程序在运行的过程中，在G 代码的窗口上会出现一列特殊的代码，这些代码的运动方式与正常代码的运动方式有所不同。Mach3 软件会提前识别这些代码并且会预先为这些代码设计合适的运动方式，之所以会为这些特殊的代码设计特别的运动方式，是因为刀具的速度达不到要求的速度。只有这样才可以保证雕刻机正常工作。

如果想要让雕刻出来的产品是1∶1，就必须控制脉冲的数量。只有脉冲的数量合适，才可以使板走1 mm。在可编程三坐标雕刻机中所选取步进电机的最大的特点就是"加速度"。步进电机启动和停止时，不可以使用最大和最小频率来控制。应该逐渐增加和慢慢减小频率，否则电机不能可靠地运行。雕刻机的最大速度就是代码G0 的速度，而代码G0 的速度与螺杆螺距机器的构造、步进电机的大小、驱动器的参数都有关系，如果速度过高，则电机启动不了，甚至会失步；如果速度慢，则雕刻机的效率不高，还影响产品的质量，因此对于G0 的速度要多调试，这样才可以保证雕刻机运行的安全性及产品的质量。可编程三坐标雕刻机可以做出平面的产品。电子爱好者做PCB 电路板；艺术者可以做字、画、浮雕；业余爱好者可以雕印章、人像、木雕等多种用途。