基于PC的小型雕刻机的设计

2016-11-04常宏斌郭宝坤

科技与创新 2016年18期

常宏斌　郭宝坤

摘要：通过PC并口，将Mach3作为控制软件，选用三轴步进电机控制板作为主控制板，步进电机通过滚珠丝杠副带动X，Y和Z轴运动，主轴用直流电机控制，通过设计电气控制电路和机械结构，实现三轴联动的小型雕刻机。

关键词：小型雕刻机；March3软件；PC；步进电机

中图分类号：TP391.73 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.18.094

随着电子技术和计算机技术的发展，基于PC和Windows平台的数控雕刻技术得到了质的飞跃，小型雕刻机可以用作PCB、PVC、图章、木材的平面雕刻加工等，深受许多DIY爱好者的喜爱。美国“雕霸”、法国“嘉宝”和日本“御牧”等雕刻机质量优秀，但体积大，价格高昂，国内北京“精雕”、上海“啄木鸟”等雕刻机，价格也较昂贵，超出个人的承受范围。国内有一些机械电子爱好者因兴趣爱好，设计制作了满足个人某方面需求的小型雕刻机，但其具有较强的私人性，并没有得到进一步的推广和开发。为此，设计开发了一台结构简单、软硬件开放、功能较为齐全、成本低的小型雕刻机。

1 总体方案设计

基于PC的小型雕刻机要满足个人爱好者制作DIY电路板、雕刻文字等需求，因此设计通过PC驱动电路板控制雕刻机的运行，方便在电脑上进行CAD/CAM设计后，直接实施加工。为了降低成本，要求软硬件开放。总体设计方案如图1所示。

PC上装有数控软件，通过并口与步进电机驱动器连接，驱动三个轴的步进电机转动。步进电机通过机械传动结构实现三轴往返运动。机身部分直接决定了机器的稳定性与可靠性。为了个人使用方便，可以选用质量较轻的的铝合金材料，便于搬运，也可以使用更加便宜的普通钢材。

2 机械部分设计

2.1 机身结构设计

总体来说，小型雕刻机机身有以下3种结构形式：①移动龙门式。这种结构平台固定，X轴与Z轴通过Y轴带动龙门结构移动，机身部分为工作平台；行程大，但稳定性差，精度要求高，如图2所示。②固定龙门式。龙门与机身位置固守，工作平台为Y轴。Z轴安装在X轴上移动。该结构稳定性较好，精度高，但行程小，工件质量全部加载在Y圆轴上，且Y轴导轨比X轴更容易磨损，如图3所示。③移动台面式。X，Y轴水平移动，Z轴负责上下移动。这种结构适合较大功率的主轴，可用于金属、石块和木板等的加工，机身占地面积小，结构简单，安装方便，并且成本较低。根据项目设计特点，选择此种结构形式。

整个机械结构如图4所示。步进电机通过支架固定在机身上，再通过联轴器与丝杠连接，完成运动的传递。主轴电机高速转动带动主轴刀具转动，完成切削。为了简化设计、降低成本，可以采用钢铁材料或铝合金型材。通过Pro/E对零部件进行尺寸设计和三维建模，完成虚拟装配。

2.2 三轴传动结构设计

X，Y，Z方向即三轴传动结构由丝杆、光杆、滑块以及支架构成。步进电机通过联轴器与丝杆连接，光轴用于导向，最终实现由步进电机的旋转运动转化为直线往返运动。工作台用来放置待雕刻物体，工作台与X轴丝杆和光杆连接在一起。其中，三轴的丝杆和光轴分别通过轴承座安装在机身前后板上，丝杆通过一个螺母和滑块与三轴的固定板面连接，光轴通过两个滑块与三轴的固定板面联接。

2.3 主轴系统结构设计

主轴的工作方式是刀具在做高速转动时进行Z轴方向的进刀和退刀运动，Z轴方向除了由步进电机带动丝杠通过螺母进行上下运动外，还需要实现切削的主运动，主轴系统为刀具提供动力装置是专用的主轴电机，通过手动调速来实现速度的调节。

3 电气部分设计

3.1 总体概述

本部分主要包括控制软件、电源、控制卡、步进电机这4部分。其整个工作过程是，在电脑上通过Mach3软件设置好相关信息后，用打印并口线把电脑与运动控制卡连接，相应的加工代码信息脉冲通过步进电机驱动器控制X，Y和Z轴步进电机转动，实现来回往返移动。电气控制如图5所示。

3.2 雕刻机控制软件

小型雕刻机的控制方式共有以下3种：①维宏卡接口。该方式加工效率高，加工轨迹三维图形仿真，加工过程实时三维显示，即使突然断电也能保存工作原点，但价格贵，且灵活性较差。②USB CNC。该方式使用方便，USB传输信号的距离比并口远，使用USB-MACH3的运动控制卡也越来越多，但运行不如LPTl连接方式稳定。③LPT接口。连接后机器各方面运行稳定，且不易出错，技术更成熟，但新笔记本电脑没有该接口，不方便使用。

本设计用的控制软件是Mach3软件，是美国ArtSoft公司开发一款借助Windows作为平台的数控软件。软件使用电脑的LPT接口外接设备的连接口，可利用Artcam等cam软件里生成的代码（即G代码）产生输出脉冲与方向信号，控制步进电机，从而实现控制整个数控机床。Mach3具有运行稳定、操作简单、技术成熟、能直观显示刀路等优点。

3.3 电源部分

电源部分的作用就是给雕刻机整个控制系统提供工作电压。本设计控制系统需要的电压有48 V、24 V和5 V，48 V是主轴电机的工作电压，24 V是步进电机的工作电压，5 V是控制卡正常工作时的逻辑电压，即高电平。

3.4 步进电机驱动板部分

驱动板是雕刻机的核心部件，主要是将计算机发来的脉冲信号按顺序分配，驱动步进电机转动。本设计选用的驱动器控制板是TB6560，其是三轴驱动，有细分流开关、5 V电压的隔离装置、急停开关和三轴的限位开关等接口。VCC接电源的正极，GND接电源的负极，输入信号是5 V使能信号。

3.5 步进电机部分

步进电机有很多种，根据设计目标选用的是两相六线的57步进电机。这种步进电机带有出轴，可以省去手动拨轮，使用起来更加方便。

4 调试

雕刻机控制系统的整个工作过程是，在电脑上通过Mach3软件设置好相关信息后（G代码），用打印并口线把电脑与控制卡连接，控制卡接到由电脑传来的脉冲后，实现对步进电机的控制。控制卡三个轴上都有细分流开关，通过电流的“细分”可以对电机在运行的过产生的振动、噪声等得到较好的降低。为了满足需要，还需对雕刻机设置限位开关和急停开关接线。

4.1 Mach3软件调试

4.1.1 配置并口参数

并口参数主要包括公、英制选择，端口、针脚设置和定义等，如图6所示。

4.1.2 电机参数设置

选择“设置→电机调试”菜单，如图7所示，分别设置 X，Y和Z轴；设置各轴的电机参数，每轴设置完后都需要按“保存设置”按钮保存设置。

4.1.3 Mach3驱动测试

Mach3安装好并按上述步骤设置好之后，需要Mach3安装目录下的DriveTest.exe文件对Mach3并口驱动及电脑与Mach3的兼容性进行测试，运行DriveTest.exe。如果驱动没有安装好，则会提示，需要重新安装并重启电脑。

4.2 测试加工

以上各项都设置无误后，确保航空插头，并口线连接良好。手动测试急停开关，通过键盘方键移动各轴，手动调速等功能，然后导入G代码，装夹雕刻的材料，对刀并设置零点，按循环开始雕刻加工测试。

5 总结

本文设计了一款适合个人使用的小型雕刻机，利用Mach3作为PC机上的数控软件，选用合适的步进电机驱动器，用三维软件设计机械传动结构，并进行了虚拟仿真装配。经过测试，实现了设计的功能，达到了预期的目的。

参考文献