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      DIY自動(dòng)雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

      2020-03-10 22:12:34馬春躍
      科學(xué)與財(cái)富 2020年32期
      關(guān)鍵詞:數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)

      摘 要:數(shù)控雕刻機(jī)是一種用于雕刻加工的機(jī)電一體化機(jī)床。可加工各種材料,如銅、鋁等金屬材料,以及塑料、陶瓷、石材等非金屬材料。因此,它被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè),具有非常廣闊的市場前景。數(shù)控雕刻機(jī)的使用大大提高了雕刻加工的效率,為制造業(yè)的發(fā)展提供了動(dòng)力。數(shù)控雕刻機(jī)通過其控制系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)和電主軸的運(yùn)行。步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)。絲杠帶動(dòng)絲杠螺母及其固定件作直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。通過對機(jī)械系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、機(jī)械系統(tǒng)主要部件的設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),所設(shè)計(jì)的數(shù)控雕刻機(jī)能夠完成X、y、Z方向的雕刻加工,達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

      關(guān)鍵詞:DIY雕刻機(jī);數(shù)控機(jī)床 ;設(shè)計(jì)

      第1章? 數(shù)控雕刻機(jī)綜述

      數(shù)控雕刻機(jī)是一種采用數(shù)控技術(shù)的專用機(jī)床。它通過控制系統(tǒng)識別程序代碼,并將程序代碼轉(zhuǎn)換成能驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行的帶功率信號,從而控制雕刻加工。與傳統(tǒng)手工雕刻相比,它具有效率高、精度高、成品率高等優(yōu)點(diǎn),受到眾多企業(yè)的歡迎,最終成為雕刻機(jī)發(fā)展的主流。

      第2章 機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

      2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      (1) 底座零件

      作為整個(gè)雕刻機(jī)的基礎(chǔ),它起到了支撐雕刻機(jī)的作用。雕刻機(jī)的所有重量都作用在它上面,所以它必須有一定的剛度,不能有嚴(yán)重的變形。

      (2) 工作臺(tái)部分

      臺(tái)面部分包括導(dǎo)軌、Y軸方向絲杠和上臺(tái)面。工作臺(tái)的作用是支撐雕刻對象。通常,工作臺(tái)被設(shè)計(jì)成表面有T形槽的平臺(tái)。它在絲杠的驅(qū)動(dòng)和導(dǎo)軌的引導(dǎo)下沿直線運(yùn)動(dòng)。

      (3) 橫梁部分

      這部分結(jié)構(gòu)由x軸絲杠及其兩側(cè)的導(dǎo)軌以及支撐橫梁的支架組成。橫梁支撐z軸部件。

      (4) 鼻部

      該部分結(jié)構(gòu)由主軸總成、絲杠、支架和導(dǎo)軌組成。該機(jī)構(gòu)的作用是實(shí)現(xiàn)雕刻機(jī)的Z向雕刻。

      2.2進(jìn)給系統(tǒng)

      數(shù)控雕刻機(jī)有三個(gè)不同的進(jìn)給方向,每個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)都是其進(jìn)給系統(tǒng)的一部分,這些部分共同構(gòu)成了雕刻機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)過程為:驅(qū)動(dòng)電路控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行,電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞動(dòng)力,最后將動(dòng)力傳遞給執(zhí)行部件,實(shí)現(xiàn)全方位的進(jìn)給。

      2.3 主傳動(dòng)系統(tǒng)

      主傳動(dòng)系統(tǒng)由主軸電機(jī)、主軸總成和刀具組成。數(shù)控雕刻機(jī)主要有兩種傳動(dòng)方式。一種是用專用雕刻頭直接雕刻,二是用直流電機(jī)將轉(zhuǎn)矩傳遞給主軸及其連接的刀具進(jìn)行加工。專用雕刻頭價(jià)格相對昂貴,不適合小型簡易雕刻機(jī)。

      如果采用第二種方法,則需要選擇直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸。直流電動(dòng)機(jī)具有以下特性:

      (1) 調(diào)速范圍比較大:直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子可以在更大的范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn),更容易調(diào)整和選擇合適的轉(zhuǎn)速。

      (2) 轉(zhuǎn)速的機(jī)械特性具有良好的線性。直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與控制電壓和轉(zhuǎn)矩成線性關(guān)系。

      (3) 反應(yīng)速度比較快:轉(zhuǎn)子一收到控制信號就可以立即做出反應(yīng)。

      經(jīng)過綜合考慮,確定主傳動(dòng)系統(tǒng)采用第二種傳動(dòng)方式,驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用電主軸。主傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)過程是:電主軸通過耦合裝置與刀具直接連接,傳遞扭矩,實(shí)現(xiàn)刀具的旋轉(zhuǎn)。

      第3章 機(jī)械系統(tǒng)主要零部件設(shè)計(jì)

      根據(jù)作業(yè)書中的設(shè)計(jì)參數(shù),脈沖當(dāng)量?=0.01mm,步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器直接與絲杠連接,傳動(dòng)比i=1。根據(jù)雕刻機(jī)的相關(guān)信息,一般雕刻機(jī)的引線可選擇為pH=5mm,將已知的相關(guān)數(shù)據(jù)代入方程3-1,得到臺(tái)階角α=0.72°。步進(jìn)電機(jī)在這三個(gè)方向上的最大額定轉(zhuǎn)矩為5N?m,因此這里選擇的步進(jìn)電機(jī)保持轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于5N?m,根據(jù)步進(jìn)角和保持轉(zhuǎn)矩的值,步進(jìn)電機(jī)型號初步確定為90byg550c-0301。

      3.1? X軸滾珠絲杠螺母副及其支承軸承的選擇

      首先對雕刻機(jī)的x軸絲杠進(jìn)行受力分析,得到x軸絲杠的等效軸向載荷,然后計(jì)算出絲杠的預(yù)期額定動(dòng)載荷和允許的最小螺紋底徑,然后根據(jù)預(yù)期的額定動(dòng)載荷和允許的最小螺紋底徑確定各絲杠的類型和尺寸,最后根據(jù)選擇的滾珠絲杠螺母副選擇合適的支承方式和支承所用的滾動(dòng)軸承。

      確定絲杠的等效載荷。雕刻機(jī)空載時(shí),x軸絲杠的軸向載荷來自導(dǎo)軌的摩擦力。當(dāng)?shù)窨虣C(jī)以刀具最大速度加載時(shí),x軸螺釘?shù)妮S向載荷來自導(dǎo)軌摩擦力和刀具沿x軸方向的切削阻力。

      3.2? Y軸滾珠絲杠螺母副及其支承軸承的選擇

      首先對雕刻機(jī)y軸絲杠的受力進(jìn)行分析,得到y(tǒng)軸絲杠的等效軸向承載模型(basic/mm),然后分別計(jì)算出絲杠的預(yù)期動(dòng)載荷額定值和允許的最小螺紋直徑,然后計(jì)算出該絲杠的型號和尺寸根據(jù)預(yù)期額定動(dòng)載荷和允許的最小螺紋底徑確定每個(gè)絲杠。最后,根據(jù)所選滾珠絲杠螺母副,選擇合適的支撐方式和支撐所用的滾動(dòng)軸承。

      雕刻機(jī)空載時(shí),y軸絲杠的軸向載荷來自導(dǎo)軌摩擦力。當(dāng)?shù)窨虣C(jī)以刀具最大速度加載時(shí),y軸螺釘?shù)妮S向載荷來自導(dǎo)軌摩擦力和刀具沿y軸方向的切削力。

      3.3 聯(lián)軸器的選擇

      本設(shè)計(jì)采用彈性聯(lián)軸器,其特點(diǎn)如下:

      (1) 整體式金屬彈性體

      (2) 零旋轉(zhuǎn)間隙,同步運(yùn)行

      (3) 它可以補(bǔ)償軸在各個(gè)方向上的偏差

      (5) 前進(jìn)和后退沒有區(qū)別

      (6) 無需維護(hù),耐油性強(qiáng),耐腐蝕性好,滾道表面硬度為HRC

      (7) 它由鋁合金或不銹鋼制成

      (8) 用頂絲或夾鉗固定

      3.4 滾珠絲杠的校核

      每個(gè)軸的滾珠絲杠由兩個(gè)固定端支撐SK是滾珠絲杠螺母副的壓縮剛度,BK是支撐滾珠絲杠的軸承的軸向剛度,CK是滾珠絲杠滾珠與滾道之間的接觸剛度

      第4章 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      4.1 鍵盤設(shè)計(jì)

      為了保證一些簡單控制的順利實(shí)施,控制面板上有三個(gè)控制鍵,它們起主要的控制作用。此外,還有13個(gè)功能數(shù)字鍵。三個(gè)控制鍵分別是啟動(dòng)鍵、急停鍵和復(fù)位鍵,在整個(gè)控制系統(tǒng)中起著重要的作用。另外,13個(gè)功能數(shù)字鍵包括從0到9的10個(gè)數(shù)字鍵和三個(gè)方向的坐標(biāo)功能字。此外,還應(yīng)設(shè)置一些其他功能鍵。復(fù)制鍵控制每個(gè)程序的復(fù)制功能??s放鍵按一定比例縮小和放大圖形。初始狀態(tài)是1,這意味著數(shù)字沒有被放大或縮小。歸零鍵控制刻印過程回到原點(diǎn),操作鍵控制刻印機(jī)開始運(yùn)行。這些按鍵可以控制成一些基本的動(dòng)作。

      4.2顯示器設(shè)計(jì)

      為了使顯示器達(dá)到預(yù)期的動(dòng)態(tài)顯示目的,有必要在顯示界面設(shè)計(jì)一個(gè)電路,主要起到為顯示器提供字體代碼輸入和顯示位控制的作用。bc89d的輸出是通過bc89d和c589d接口實(shí)現(xiàn)的,在該接口電路的作用下,顯示器可以動(dòng)態(tài)顯示。這種設(shè)計(jì)不僅減少了LED的使用量,節(jié)約了成本,而且顯示一次的字符的位數(shù)比較少,比較容易進(jìn)行觀察和發(fā)現(xiàn)其中的編程錯(cuò)誤,便于修改,鍵盤和顯示系統(tǒng)的電路。

      4.3步進(jìn)電機(jī)接口電路及驅(qū)動(dòng)

      本設(shè)計(jì)采用三臺(tái)90byg550c-0301步進(jìn)電機(jī),分別布置在三個(gè)不同的軸上,為各軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力?,F(xiàn)在我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)控制步進(jìn)電機(jī)的電路。首先,我們需要選擇一個(gè)合適的驅(qū)動(dòng)器來控制步進(jìn)電機(jī)。這里我們選擇uln2004a作為驅(qū)動(dòng)程序。該驅(qū)動(dòng)程序各方面性能良好,非常適合本設(shè)計(jì)。uln2004a驅(qū)動(dòng)器的主控端子為:正向CW,反向逆時(shí)針,工作模式為4Pin in,2×8155pb端口用于控制所需的連接控制信號。

      在選定驅(qū)動(dòng)器后,需要設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)接口電路,將步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器連接起來。在查閱相關(guān)資料后,步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)接線圖設(shè)計(jì)如下。

      參考文獻(xiàn):

      [1]一種預(yù)判插補(bǔ)時(shí)間的S形加減速插補(bǔ)算法[J]. 唐小琦,何王勇,李勇波.? 中國機(jī)械工程. 2018(23).

      [2]基于模糊控制器的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制[J]. 申友濤,薛重德,徐俊.? 電子設(shè)計(jì)工程. 2017(21).

      [3]精密數(shù)控機(jī)床銑刀故障監(jiān)測方法的研究[J]. 周峰,黃民.? 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造. 2018(10).

      [4]嵌入式數(shù)控機(jī)床狀態(tài)信息采集技術(shù)的研究[J]. 徐永樂,葉文華.? 機(jī)械科學(xué)與技術(shù). 2018(07).

      [5]數(shù)控機(jī)床高速微線段插補(bǔ)算法與自適應(yīng)前瞻處理[J]. 張立先,孫瑞勇,高小山,李洪波.? 中國科學(xué):技術(shù)科學(xué). 2017(06).

      作者簡介:

      姓名(馬春躍)性別(男)出生年(1988年4月),籍貫(北京)民族(漢)職稱(高級工)學(xué)歷(本科)研究方向(機(jī)電一體化)

      (首都航天機(jī)械有限公司 北京 100076)

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