雕刻机控制系统的研究

刘伟

【摘要】随着数控技术的不断进步与融合、激光雕刻的广泛应用，而随之发展的雕刻机在广告、艺术品制作等行业也成为企业的焦点。数控雕刻机与以往数控控制器开发相比，该技术在集成化和标准化接口方面有很大的改善，但仍然缺乏对生产过程变量的观测。为此，在传统机械结构的基础上，对经济型数控雕刻机的控制系统进行了深入分析和研究。基于此，文章就雕刻机控制系统进行简要的分析，希望可以提供一个借鉴。

【关键词】雕刻机 控制系统 措施

【中图分类号】G434 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）11-0082-02

一、数控雕刻机

数控雕刻机就是CNC技术和雕刻工艺相结合的产物。作为一类特殊的数控机床，他通过数控系统执行相应的加工程序代码来控制雕刻机完成雕刻动作。能方便快捷地在各种软性材料（有机玻璃、双色板、多层板、板材、亚可力、木材、橡胶等）和硬性材料（黄紫铜、铝、不锈钢、钦合金等）上雕刻出逼真、精致、耐久的二维图形、文字及三维立体浮雕。实现了自动化、高效率和高精度的雕刻加工。

数控雕刻机具有以下主要特点：

第一，自动化程度高。整个雕刻过程都是数控雕刻机自动完成的，无需人工操作。

第二，产品的尺寸精度高，一致性好雕刻过程是由计算机控制完成，以达到很高的精度，表面质量批量加工时，产品具有很好的一致性。

第三，拓展了雕刻领域。通过执行各种相应的加工代码配合多种刀具，数控雕刻机即可完成浮雕、各种复杂曲面的雕刻加工，提高了雕刻效率。

二、雕刻机的主要技术要求

1.激光发射器的要求

激光发射器是实现雕刻机的刀具，发射聚光束的激光，控制系统控制激光器电源的通断和输出功率的调节，激光发射器发射出来的激光束传输到雕刻位置，实现雕刻。激光束发射的精度直接影响雕刻的精度，激光发射器是安装在工作台上，工作台的移动由横轴的步进电机控制的，所以步进电机的控制直接影响雕刻的精度。因此，激光发射系统的設计须满足：在激光器输出最大功率确定的情况下，选用光速度快的激光管；在激光发射器调焦时，尽可能找到最小最亮的聚光点；结构设计合理，雕刻机工作时，缩短激光的传输距离减少能量的损失。

2.步进进给系统控制的要求

步进进给系统由步进驱动单元、步进电机、传动轴、同步带等组成。数控系统发送一定量的脉冲给驱动单元、驱动单元将定量的脉冲放大功率后送步进电机，电机带动传动轴、同步带等控制激光头在横轴和纵轴上的进给。步进电机转角的大小控制雕刻精度，设计时须考虑几个方面：在满足工艺要求的情况下，选用小步距角的步进电机；控制系统直接影响步进电机控制的稳定性、可靠性；激光头安装在导轨，因此导轨的直线度、刚度有一定的要求；对工作台进行水平调节，工作台的平面度要满足设计的要求。

3.数控系统控制的要求

控制系统利用软件将图像自动生成控制程序控制机械部分、激光发射系统执行雕刻任务，根据图形情况，在电脑上完成处理，通过USB接口传送到控制器中。在设计控制系统时要满足几个原则：对雕刻的对象，须完成图像的处理，才能保证雕刻任务的完成；要使效果更佳，允许使用Photoshop、魔漫相机等辅助软件；要保持稳定性和可靠性。

三、小型数控雕刻机控制系统设计

本小型数控雕刻机的传动机构采用丝杠传动，因为丝杠传动具有精度高、分辨力高、空程和回程误差小以及自锁功能等优点，对于精确定位非常有利。丝杠传动是精密机械传动中常见的一种形式，其主要作用是将旋转运动变为直线运动，在小型数控雕刻机中主要是实现位移传动。

本小型数控雕刻机采用常见的开环数控系统。开环数控系统一般采用步进电动机控制，由数控装置发出进给脉冲，经功率放大后，驱动步进电动机转动1个步距角，再经减速齿轮带动丝杠旋转，并通过丝杠和螺母副传动，使工作台产生相应的位移。由于没有位置反馈和校正控制，其位移精度取决于电动机的步距角和传动机构的精度，又由于进给脉冲和方向信号发出后，移动的实际值并没有反馈；所以，称其为开环系统。开环控制系统的精度较低，速度也比较低；但是，其结构简单，易于调试，目前在简易、经济型数控系统中采用。

数控运动控制器是界于计算机与机床驱动器之间的装置。使用计算机的USB接口，无需任何额外的软件。控制卡能够兼容绝大多数电动机驱动器，取代并口驱动板。

USB数控系统主要由3部分组成。按照由上到下的顺序，顶级的PC组件包括PC主机硬件的USBHOST接口、USB驱动程序和USBCNC控制器卡管理系统的PC软件部分；位于中间的USB接口数控卡（下位机）包括18F4550主控单片机芯片、外围接口电路组成的下位机硬件系统和下位机单片机控制软件；最下面的人机接口电路系统包括各种机床的I/O接口驱动系统。

从硬件连接上看，系统由2部分组成，即开发板和PC机。当前的PC机至少具有4个USB接口，用于连接开发板和PC机。

设备驱动程序是Windows核心的一部分，其与系统中的USB总线驱动程序一起，完成PC对设备的管理。客户应用程序主要完成PC机的监控功能，将各种机床控制命令和文件数据程序输入到下位机，显示当前的工作状态。

总而言之，数控雕刻机的研究具有广阔的前景，这项研究成果不仅仅可以应用在加工领域，还可以广泛应用到其他领域。经过实际应用，数控雕刻机的控制系统硬件安全可靠，软件功能强大，操作简单。实现了整机的经济合理、方便实用。

参考文献：

[1]崔广锋.基于USB接口激光雕刻机控制系统的研究[D].武汉理工大学，2012.

[2]范建锋.基于ARM和FPGA的雕刻机控制系统的研究[D].西安工程大学，2012.

[3]姜陈炀.PCB数字雕刻机控制系统研究与设计[D].浙江工业大学，2012.