史穎剛，劉 利，聶南天，劉建實(shí)，周 政

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，楊凌 712100)

0 引言

隨著微機(jī)的普及，基于微機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)是大勢所趨。應(yīng)用微機(jī)技術(shù)開發(fā)工業(yè)控制系統(tǒng)，可以得到硬件和軟件的強(qiáng)有力支持，避開專有技術(shù)制約，在較短時(shí)間內(nèi)可達(dá)到較高水平。本文設(shè)計(jì)的基于打印接口的數(shù)控雕刻機(jī)，雕刻材料主要為木板、橡膠等，性能要求不高，結(jié)構(gòu)簡單，便于演示應(yīng)用，同時(shí)又能體現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)特點(diǎn)。

在分析雕刻機(jī)參數(shù)的基礎(chǔ)上，初步確定設(shè)計(jì)基本參數(shù)為：主軸最高轉(zhuǎn)速12000r/min，最大雕刻尺寸250mm×250mm×40mm，分辨率0.02 mm/step，定位精度0.02 mm，脈沖當(dāng)量0.01mm。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

數(shù)控雕刻機(jī)的基本布局通常有立柱式和龍門式兩種結(jié)構(gòu)，由于立柱式雕刻機(jī)的穩(wěn)定性不好，本設(shè)計(jì)采用龍門式結(jié)構(gòu)。

1.1 主軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校核

雕刻機(jī)在工作中主軸主要所受的力主要是銑削力和鉆削力、扭矩。教學(xué)用雕刻機(jī)主要加工具有良好塑性和較高強(qiáng)度的非金屬材料，因此以硬質(zhì)合金直柄立銑刀（d0=6mm，齒數(shù)Z=2）和高速鋼標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆（d0=3mm）在鋁板上工作的情況為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與校核。

1.1.1 主軸銑削力、扭矩、功率計(jì)算

查資料得雕刻機(jī)銑削力、扭矩、功率計(jì)算公式，及其修正公式。修正參數(shù)CF=116，XF=1，YF=0.75，UF=0.85，qF=0.73，WF=-0.13，KFZ=0.25。

其中進(jìn)給速度vf=αfzn(mm/min)，銑削速度v=π d0n/103(m)，銑削深度αq，銑削寬度αw，銑刀外徑d0，每齒的進(jìn)給量αf，銑刀齒數(shù)z，銑刀轉(zhuǎn)速n。

將參數(shù)帶入表2公式，計(jì)算結(jié)果如表2所示，表中n絲為絲杠轉(zhuǎn)速。

1.1.2 主軸鉆削力、扭矩和功率計(jì)算

查資料得雕刻機(jī)鉆削情況下，各要素的計(jì)算公式及其修正公式，如表3所示。各修正參數(shù)如下：CF=600，ZF=1.0，YF=0.7，KF=0.25，CM=0.305，ZM=2.0，YM=0.8，KM=0.25其中進(jìn)給速度vf=αfzn(mm/min)，銑削速度v=π d0n/103(m)，銑削深度αq，銑削寬度αw，銑刀外徑d0，每齒進(jìn)給量αf，銑刀齒數(shù)z，銑刀轉(zhuǎn)速n。

表1 銑削力、扭矩和功率計(jì)算公式

表2 銑削力、扭矩、功率計(jì)算結(jié)果

將上述參數(shù)代入表4的公式中計(jì)算得到表3所示結(jié)果，n絲為絲杠轉(zhuǎn)速，功率值的計(jì)算結(jié)果非常小，所以直接忽略。

表3 鉆削力、扭矩、功率計(jì)算結(jié)果

1.1.3 主軸電機(jī)選擇

根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果，主軸所需的最大功率為0.055kW，最大扭矩為0.062Nm，安全系數(shù)取2，則額定功率P≥0.055×2=0.110kW，額定扭矩M≥0.062×2=0.124N·m。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果選擇的主軸電機(jī)，參數(shù)為：工作電壓為DC 12V～48V，功率0.3kW，轉(zhuǎn)速3000r/min～12000r/min，扭距0.3N·m，絕緣電阻＞2MΩ，絕緣介電強(qiáng)度400V。

1.2 絲杠選擇與校核計(jì)算

雕刻機(jī)絲杠所受載荷主要為主軸套件重量、平臺(tái)和工件的重量，這兩部分的質(zhì)量都不是很大，所以設(shè)定負(fù)載質(zhì)量取最大為10kg。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選定的絲桿基本參數(shù)為：最大扭力100N，最大行程370mm，最高轉(zhuǎn)速1000r/min，硬度HRC≥58，最大扭矩15000N?cm。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和工作條件，絲杠的其余參數(shù)計(jì)算后如表5所示。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，選擇絲杠的型號(hào)為4R16-04T4-2FDIC-350-451-0.018 R，X、Y、Z軸的有效行程分別為350mm、330mm、124mm、總長分別為451mm、431mm、225mm。

1.3 雕刻機(jī)二、三維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)與零件加工、裝配

利用CATIA軟件設(shè)計(jì)了雕刻機(jī)零件的三維圖，并且進(jìn)行裝配，形成了雕刻機(jī)的三維裝配圖，如圖1所示。將零件三維圖形信息轉(zhuǎn)化為二維CAD圖，并進(jìn)行加工、組裝，得到系統(tǒng)的機(jī)械裝配圖，如圖2所示。

圖1 雕刻機(jī)的三維裝配圖

圖2 雕刻機(jī)的機(jī)械裝配圖

2 雕刻機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雕刻機(jī)控制系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖3所示，第一級(jí)是計(jì)算機(jī)，利用ArtCAM和MACH3軟件，在計(jì)算機(jī)上完成圖像編輯、刀路和G代碼的生成、參數(shù)設(shè)置、插補(bǔ)計(jì)算、實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能，通過并口輸出電機(jī)控制參數(shù)。第二級(jí)是接口電路，計(jì)算機(jī)輸出的控制參數(shù)通過光電隔離，傳遞給下一級(jí)控制器；完成自動(dòng)和手動(dòng)控制的切換；把限位開關(guān)的狀態(tài)信息傳遞給計(jì)算機(jī)。第三級(jí)是電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路,根據(jù)接口電路傳遞的控制信息，X、Y、Z三軸步進(jìn)電機(jī)按設(shè)計(jì)軌跡運(yùn)動(dòng)，主軸電機(jī)調(diào)整轉(zhuǎn)速，進(jìn)給系統(tǒng)和主軸配合下，完成圖案雕刻。

表4 鉆削力、扭矩、功率計(jì)算公式

表5 絲杠參數(shù)選擇計(jì)算結(jié)果

圖3 雕刻機(jī)控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)框圖

2.1 直流電機(jī)調(diào)速電路

直流電機(jī)調(diào)速采用PWM法，調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，包括主電源、驅(qū)動(dòng)電源、脈沖隔離、電動(dòng)機(jī)。設(shè)計(jì)的調(diào)速電路如圖5(a)所示，主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速既可由PWM發(fā)生器調(diào)節(jié)，也可由電腦產(chǎn)生的PWM調(diào)節(jié)，當(dāng)開關(guān)S1切換到1時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速由電腦控制，當(dāng)S1切換到3時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速由人工手動(dòng)控制。其中驅(qū)動(dòng)電源和電機(jī)電源直接由電源模塊給出，電腦輸出的雕刻機(jī)工作過程中的PWM是由軟件直接產(chǎn)生，經(jīng)過接口電路送到電機(jī)。圖5(b)所示為PWM手動(dòng)調(diào)節(jié)電路。

圖4 PWM調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

555定時(shí)器U1組成的多諧震蕩電路的震蕩周期T=（R1+2R2）Cln2=3.290ms，間隔時(shí)間T2=R2Cln2=0.033ms，555定時(shí)器U2組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫態(tài)時(shí)間tw=RCln3=0.775ms，f=1/T=304Hz。

當(dāng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的3號(hào)引腳輸出高電平時(shí)，圖5(b)所示的光耦隔離導(dǎo)通，電機(jī)工作。調(diào)節(jié)可變電阻R5，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器5號(hào)引腳的控制電壓也隨之變化，電壓降低，暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間也變小，3號(hào)引腳輸出高電平的時(shí)間變短。一個(gè)周期內(nèi)的光耦隔離導(dǎo)通時(shí)間變短，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，即電機(jī)轉(zhuǎn)速隨單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的3號(hào)引腳輸出的高電平的寬度變化而變化，實(shí)現(xiàn)了PWM調(diào)速。當(dāng)電壓比較器輸出低電平時(shí)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的4管腳變?yōu)榈碗娖?，被?fù)位，3管腳輸出低電平，電機(jī)停轉(zhuǎn)，該調(diào)速電路輸出的PWM可實(shí)現(xiàn)電機(jī)從零到額定轉(zhuǎn)速的速度連續(xù)可調(diào)節(jié)。

2.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖5 電機(jī)調(diào)速與控制電路圖

步進(jìn)電機(jī)選擇2相四線混合式57BYG250-76。進(jìn)給伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路以TB6560AHQ芯片為核心，主要包括TB6560AHQ外圍電路、隔離電路和自動(dòng)半流電路。圖5(d)所示為TB6560AHQ的外圍電路，有2組電源，其中5V的是邏輯電源，接VDD； 24V是電機(jī)電源，接VMB和VMA。OUTAP、OUT—AM、OUT—BP、OUT—BM分別為步進(jìn)電機(jī)兩相的輸出接口，直接電機(jī)即可。NFA和NFB為A、B相驅(qū)動(dòng)電流最大值定義端，接大于0.2Ω電阻。定義好最大電流后，改變圖11中脈沖產(chǎn)生電路的撥碼開關(guān)S1的1和2的斷開和閉合，改變TQ1、TQ2端口電平，設(shè)置輸出電流比率。當(dāng)TQ1、TQ2端口分別為11、10、01、00時(shí)，最大輸出電流分別為定義最大電流的25%、50%、75%、100%。PGNDA、PGNDA、SGND分別為電機(jī)A、B相驅(qū)動(dòng)的引腳地和邏輯地。OSC所接電容為100pF～1000pF時(shí)，斬波頻率為400Hz～44kHz。DCY2、DCY1是電流衰減設(shè)置，由S1的5、6控制，詳見表10；M2、M1是細(xì)分控制端口，由S1的3、4控制，如表6所示。RESET是復(fù)位端口，低電平有效。MO接工作狀態(tài)指示燈，PROTECT接過流保護(hù)燈。

ENABLE 、CW、CLK三個(gè)管腳接電腦給出的控制信號(hào)ENABLE 、CW、CLK，使用2片6N137，光耦隔離頻率高的CW、CLK信號(hào)，使用芯片TLP521，光耦隔離頻率低的ENABLE信號(hào)。

表6 細(xì)分、電流衰減控制詳表

2.3 電源設(shè)計(jì)

電源電路如圖5(c)所示，變壓器T1的匝數(shù)比為5，把220V交流電降到44V。經(jīng)整流電路整流成直流電，采用適應(yīng)性強(qiáng)的LC濾波電路濾去交流成分，以適應(yīng)主軸電機(jī)的大范圍電流波動(dòng)，最后經(jīng)過穩(wěn)壓電路，得到穩(wěn)定電壓。D1、D2是兩個(gè)24V的穩(wěn)壓二極管IN4749，當(dāng)該二極管被反向擊穿后，電流在一定的范圍內(nèi)變化，二極管兩端的電壓基本不變。這樣就可以把經(jīng)過濾波電路的44V的直流電穩(wěn)定在24V，提供24V和-24V的直流電壓輸出，給步進(jìn)電機(jī)供電，24V輸出端和-24V輸出端之間的輸出電壓是直流48V，給主軸電機(jī)電源供電。LM7812穩(wěn)壓芯片可以把24V的電壓穩(wěn)定到12V，給主軸直流電機(jī)控制電路供電。LM7805把LM7812給出的12V穩(wěn)定到5V，給進(jìn)給系統(tǒng)控制電路供電。

圖6 接口電路完整電路圖

2.4 接口電路設(shè)計(jì)

接口電路是電腦和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路之間的橋梁，把電腦給出的控制信號(hào)，進(jìn)行整形等處理后，經(jīng)光耦隔離電路送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)預(yù)定運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)的接口電路如圖6所示，主要包括保護(hù)電路、手動(dòng)控制電路、光耦隔離電路等。保護(hù)電路中，P1、P2、P3、P4分別接X、Y、Z軸的限位開關(guān)和急停按鈕。當(dāng)?shù)窨虣C(jī)運(yùn)動(dòng)超出行程時(shí)觸動(dòng)限位開關(guān)，光耦導(dǎo)通，電腦對(duì)應(yīng)管腳的高電平變?yōu)榈碗娖?，電腦作出停機(jī)的決策，雕刻機(jī)停止工作。對(duì)雕刻機(jī)和系統(tǒng)起到保護(hù)良好的作用。進(jìn)給系統(tǒng)的手動(dòng)控制電路，包括脈沖產(chǎn)生電路、手動(dòng)控制按鈕和手動(dòng)/自動(dòng)控制切換電路兩部分。脈沖產(chǎn)生電路是一個(gè)用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧震蕩器。多諧震蕩器周期T=0.065ms～3.290ms，T2=0.0325ms，則其頻率為304Hz～15385Hz，占空比為0.5～0.99。調(diào)節(jié)R6的阻值可以改變輸出信號(hào)的占空比和頻率，從而改變電機(jī)的速度。S1是手動(dòng)/自動(dòng)（電腦）控制切換開關(guān)，S2、S3、S4分別是X、Y、Z軸進(jìn)給方向與使能控制按鈕。通過切換可以自由控制雕刻機(jī)每一個(gè)軸的進(jìn)給方向和進(jìn)給量。

并口接口與整形電路，采用25針的并口連接，同時(shí)加入兩片74HC146路施密特觸發(fā)反相器，對(duì)計(jì)算機(jī)輸出的信號(hào)進(jìn)行整形。整形后的信號(hào)通過光耦隔離電路送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。表7所示為25針并口的各端口定義，未提及的15～17管腳懸空，18～25管腳接地。

表7 打印機(jī)口定義表

2.5 系統(tǒng)的整體接線示意

根據(jù)設(shè)計(jì)的電路圖，系統(tǒng)的整體接線示意圖如圖7所示。

3 軟件設(shè)置與實(shí)踐應(yīng)用

圖7 控制系統(tǒng)整體接線示意圖

控制軟件主要包括ArtCAM和MACH3，系統(tǒng)利用ArtCAM完成圖像設(shè)計(jì)、刀路模擬、G代碼生成的工作。根據(jù)加工對(duì)象模擬出刀具加工路徑,并獲取G代碼,將G代碼導(dǎo)入MACH3軟件進(jìn)行加工控制。定義MACH3的通信協(xié)議后,將ArtCAM產(chǎn)生的代碼導(dǎo)入MACH3中,由MACH3軟件進(jìn)行插補(bǔ)、刀補(bǔ)等預(yù)處理。根據(jù)加工要求對(duì)設(shè)置MACH3的參數(shù)。包括進(jìn)給速度Vf、加減速時(shí)間t、工件偏移量、刀具信息等。MACH3就會(huì)根據(jù)G代碼和設(shè)定的參數(shù)輸出符合要求的控制脈沖信號(hào)給接口電路。如圖8所示，MACH3的主要端口的設(shè)置定義界面。

圖8 電機(jī)輸出端口定義

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了數(shù)控雕刻機(jī)零件的三維模型，建立了整機(jī)的三維模型圖。對(duì)主軸、絲杠等關(guān)鍵部位進(jìn)行校核計(jì)算；以555定時(shí)器為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)的主軸控制系統(tǒng)，能通過手動(dòng)和自動(dòng)方式控制主軸直流電機(jī)；以TB6560AHQ芯片和MACH3軟件為核心，設(shè)計(jì)的伺服進(jìn)給控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)由軟件實(shí)現(xiàn)圖案設(shè)計(jì)，刀路、G代碼、刀補(bǔ)預(yù)處理、速度預(yù)處理、插補(bǔ)等流程，通過并行接口輸出控制脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作；系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了保護(hù)電路、接口電路、電源等輔助電路。

系統(tǒng)雖然已在實(shí)踐中應(yīng)用，但依然有不足之處，如為提高電源質(zhì)量，供電模塊應(yīng)設(shè)計(jì)為開關(guān)電源；為使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單，通信高效，應(yīng)引入總線結(jié)構(gòu)；為增加系統(tǒng)應(yīng)用的方便靈活性，應(yīng)在接口板上增加DSP芯片，使系統(tǒng)能根據(jù)存儲(chǔ)器中的加工代碼進(jìn)行加工，實(shí)現(xiàn)脫機(jī)運(yùn)行；為適應(yīng)制造業(yè)信息化的要求，增加遙控模塊，對(duì)步進(jìn)電機(jī)采用分布式現(xiàn)場總線控制，在后續(xù)的研究中，我們將會(huì)加大這一方面的研究力度。

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