常宏斌　郭寶坤

摘 要：通過PC并口，將Mach3作為控制軟件，選用三軸步進(jìn)電機(jī)控制板作為主控制板，步進(jìn)電機(jī)通過滾珠絲杠副帶動X，Y和Z軸運(yùn)動，主軸用直流電機(jī)控制，通過設(shè)計(jì)電氣控制電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動的小型雕刻機(jī)。

關(guān)鍵詞：小型雕刻機(jī)；March3軟件；PC；步進(jìn)電機(jī)

中圖分類號：TP391.73 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.18.094

隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于PC和Windows平臺的數(shù)控雕刻技術(shù)得到了質(zhì)的飛躍，小型雕刻機(jī)可以用作PCB、PVC、圖章、木材的平面雕刻加工等，深受許多DIY愛好者的喜愛。美國“雕霸”、法國“嘉寶”和日本“御牧”等雕刻機(jī)質(zhì)量優(yōu)秀，但體積大，價格高昂，國內(nèi)北京“精雕”、上?！白哪绝B”等雕刻機(jī)，價格也較昂貴，超出個人的承受范圍。國內(nèi)有一些機(jī)械電子愛好者因興趣愛好，設(shè)計(jì)制作了滿足個人某方面需求的小型雕刻機(jī)，但其具有較強(qiáng)的私人性，并沒有得到進(jìn)一步的推廣和開發(fā)。為此，設(shè)計(jì)開發(fā)了一臺結(jié)構(gòu)簡單、軟硬件開放、功能較為齊全、成本低的小型雕刻機(jī)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

基于PC的小型雕刻機(jī)要滿足個人愛好者制作DIY電路板、雕刻文字等需求，因此設(shè)計(jì)通過PC驅(qū)動電路板控制雕刻機(jī)的運(yùn)行，方便在電腦上進(jìn)行CAD/CAM設(shè)計(jì)后，直接實(shí)施加工。為了降低成本，要求軟硬件開放。總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

PC上裝有數(shù)控軟件，通過并口與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器連接，驅(qū)動三個軸的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。步進(jìn)電機(jī)通過機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)三軸往返運(yùn)動。機(jī)身部分直接決定了機(jī)器的穩(wěn)定性與可靠性。為了個人使用方便，可以選用質(zhì)量較輕的的鋁合金材料，便于搬運(yùn)，也可以使用更加便宜的普通鋼材。

2 機(jī)械部分設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

總體來說，小型雕刻機(jī)機(jī)身有以下3種結(jié)構(gòu)形式：①移動龍門式。這種結(jié)構(gòu)平臺固定，X軸與Z軸通過Y軸帶動龍門結(jié)構(gòu)移動，機(jī)身部分為工作平臺；行程大，但穩(wěn)定性差，精度要求高，如圖2所示。②固定龍門式。龍門與機(jī)身位置固守，工作平臺為Y軸。Z軸安裝在X軸上移動。該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，精度高，但行程小，工件質(zhì)量全部加載在Y圓軸上，且Y軸導(dǎo)軌比X軸更容易磨損，如圖3所示。③移動臺面式。X，Y軸水平移動，Z軸負(fù)責(zé)上下移動。這種結(jié)構(gòu)適合較大功率的主軸，可用于金屬、石塊和木板等的加工，機(jī)身占地面積小，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，并且成本較低。根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)特點(diǎn)，選擇此種結(jié)構(gòu)形式。

整個機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖4所示。步進(jìn)電機(jī)通過支架固定在機(jī)身上，再通過聯(lián)軸器與絲杠連接，完成運(yùn)動的傳遞。主軸電機(jī)高速轉(zhuǎn)動帶動主軸刀具轉(zhuǎn)動，完成切削。為了簡化設(shè)計(jì)、降低成本，可以采用鋼鐵材料或鋁合金型材。通過Pro/E對零部件進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)和三維建模，完成虛擬裝配。

2.2 三軸傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

X，Y，Z方向即三軸傳動結(jié)構(gòu)由絲桿、光桿、滑塊以及支架構(gòu)成。步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器與絲桿連接，光軸用于導(dǎo)向，最終實(shí)現(xiàn)由步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線往返運(yùn)動。工作臺用來放置待雕刻物體，工作臺與X軸絲桿和光桿連接在一起。其中，三軸的絲桿和光軸分別通過軸承座安裝在機(jī)身前后板上，絲桿通過一個螺母和滑塊與三軸的固定板面連接，光軸通過兩個滑塊與三軸的固定板面聯(lián)接。

2.3 主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主軸的工作方式是刀具在做高速轉(zhuǎn)動時進(jìn)行Z軸方向的進(jìn)刀和退刀運(yùn)動，Z軸方向除了由步進(jìn)電機(jī)帶動絲杠通過螺母進(jìn)行上下運(yùn)動外，還需要實(shí)現(xiàn)切削的主運(yùn)動，主軸系統(tǒng)為刀具提供動力裝置是專用的主軸電機(jī)，通過手動調(diào)速來實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)。

3 電氣部分設(shè)計(jì)

3.1 總體概述

本部分主要包括控制軟件、電源、控制卡、步進(jìn)電機(jī)這4部分。其整個工作過程是，在電腦上通過Mach3軟件設(shè)置好相關(guān)信息后，用打印并口線把電腦與運(yùn)動控制卡連接，相應(yīng)的加工代碼信息脈沖通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器控制X，Y和Z軸步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)來回往返移動。電氣控制如圖5所示。

3.2 雕刻機(jī)控制軟件

小型雕刻機(jī)的控制方式共有以下3種：①維宏卡接口。該方式加工效率高，加工軌跡三維圖形仿真，加工過程實(shí)時三維顯示，即使突然斷電也能保存工作原點(diǎn)，但價格貴，且靈活性較差。②USB CNC。該方式使用方便，USB傳輸信號的距離比并口遠(yuǎn)，使用USB-MACH3的運(yùn)動控制卡也越來越多，但運(yùn)行不如LPTl連接方式穩(wěn)定。③LPT接口。連接后機(jī)器各方面運(yùn)行穩(wěn)定，且不易出錯，技術(shù)更成熟，但新筆記本電腦沒有該接口，不方便使用。

本設(shè)計(jì)用的控制軟件是Mach3軟件，是美國ArtSoft公司開發(fā)一款借助Windows作為平臺的數(shù)控軟件。軟件使用電腦的LPT接口外接設(shè)備的連接口，可利用Artcam等cam軟件里生成的代碼（即G代碼）產(chǎn)生輸出脈沖與方向信號，控制步進(jìn)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)控制整個數(shù)控機(jī)床。Mach3具有運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡單、技術(shù)成熟、能直觀顯示刀路等優(yōu)點(diǎn)。

3.3 電源部分

電源部分的作用就是給雕刻機(jī)整個控制系統(tǒng)提供工作電壓。本設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)需要的電壓有48 V、24 V和5 V，48 V是主軸電機(jī)的工作電壓，24 V是步進(jìn)電機(jī)的工作電壓，5 V是控制卡正常工作時的邏輯電壓，即高電平。

3.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動板部分

驅(qū)動板是雕刻機(jī)的核心部件，主要是將計(jì)算機(jī)發(fā)來的脈沖信號按順序分配，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。本設(shè)計(jì)選用的驅(qū)動器控制板是TB6560，其是三軸驅(qū)動，有細(xì)分流開關(guān)、5 V電壓的隔離裝置、急停開關(guān)和三軸的限位開關(guān)等接口。VCC接電源的正極，GND接電源的負(fù)極，輸入信號是5 V使能信號。

3.5 步進(jìn)電機(jī)部分

步進(jìn)電機(jī)有很多種，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)選用的是兩相六線的57步進(jìn)電機(jī)。這種步進(jìn)電機(jī)帶有出軸，可以省去手動撥輪，使用起來更加方便。

4 調(diào)試

雕刻機(jī)控制系統(tǒng)的整個工作過程是，在電腦上通過Mach3軟件設(shè)置好相關(guān)信息后（G代碼），用打印并口線把電腦與控制卡連接，控制卡接到由電腦傳來的脈沖后，實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制?？刂瓶ㄈ齻€軸上都有細(xì)分流開關(guān)，通過電流的“細(xì)分”可以對電機(jī)在運(yùn)行的過產(chǎn)生的振動、噪聲等得到較好的降低。為了滿足需要，還需對雕刻機(jī)設(shè)置限位開關(guān)和急停開關(guān)接線。

4.1 Mach3軟件調(diào)試

4.1.1 配置并口參數(shù)

并口參數(shù)主要包括公、英制選擇，端口、針腳設(shè)置和定義等，如圖6所示。

4.1.2 電機(jī)參數(shù)設(shè)置

選擇“設(shè)置→電機(jī)調(diào)試”菜單，如圖7所示，分別設(shè)置 X，Y和Z軸；設(shè)置各軸的電機(jī)參數(shù)，每軸設(shè)置完后都需要按“保存設(shè)置”按鈕保存設(shè)置。

4.1.3 Mach3驅(qū)動測試

Mach3安裝好并按上述步驟設(shè)置好之后，需要Mach3安裝目錄下的DriveTest.exe文件對Mach3并口驅(qū)動及電腦與Mach3的兼容性進(jìn)行測試，運(yùn)行DriveTest.exe。如果驅(qū)動沒有安裝好，則會提示，需要重新安裝并重啟電腦。

4.2 測試加工

以上各項(xiàng)都設(shè)置無誤后，確保航空插頭，并口線連接良好。手動測試急停開關(guān)，通過鍵盤方鍵移動各軸，手動調(diào)速等功能，然后導(dǎo)入G代碼，裝夾雕刻的材料，對刀并設(shè)置零點(diǎn)，按循環(huán)開始雕刻加工測試。

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一款適合個人使用的小型雕刻機(jī)，利用Mach3作為PC機(jī)上的數(shù)控軟件，選用合適的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，用三維軟件設(shè)計(jì)機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了虛擬仿真裝配。經(jīng)過測試，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的功能，達(dá)到了預(yù)期的目的。

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〔編輯：劉曉芳〕