电脑自动雕刻机cnc中文简体版文档格式.docx

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由于工件随工作台移动，所以不能加工太重工件、而且雕刻机有一定尺寸，虽然制作容宜然而稳定性较差，本次设计对机械部分结构要求小而轻便、加工物件质量是较轻。

在结构中、机械本体部分是雕刻机骨架、有底座、立柱、工作台、机投和主轴组件部份。

保证整个系统的机械钢性前提下，为简化设计结构、缩短产品的设计和制造时间，用标准紧固件和定位销连结。

图2【构想图】图3【构想图】

（1）近给运动方式

我们设采用雕刻方式：

雕刻刀具只做高速旋转和Z轴方向进刀、退刀运动，而X、Y工作台带动工件作X、Y轴方向进给运动，这两个方向的基本运动方式如下：

由马达转动螺杆，带动工作台移动、从而实现【X、Y轴方向】近给运动。

在X、Y方向上导向件直线导轨，其导向精度可以满足工作台定位精度的要求。

（2）雕刻机主要运动方式

雕刻机主要运动方式通常有两种方式：

直接采用专用雕刻头或采用直流电机带动主轴机构，专用雕刻头的优点在这里不在叙述，但必须配以与之配套的变频调速机装置、价格相对较昂贵。

因此从经济性的角度出发、经济型雕刻机则不宜采用。

3、机械元件：

【图4】：

二相步进马达驱动芯片TA8435H及其应用TA8435H是东芝公司推出的一款单片步进电机专用驱动芯片。

介绍该芯片特点、脚引功能和工作原理，采用89C51和82C53作为控制核心驱动步进电机具体电路和相关程序码。

图4【步进马达】

（1）主要特点：

TA8435H是东芝公司生产单片正弦细分二相步进电动机驱动专用芯片，TA8435H可以驱动二相步进电动机，且电路简单、工作可靠、该芯片还具有以下特点1：

工作电压范围宽（10V~40V）2：

输出电流可达1.5A平均到2.5A峰值3：

具有整步、半步、1/4细分、1/8细分运行方式可供选择4：

采用脉宽调制是斩波驱动方式5：

具有正反转控制功能6：

带有重定和使能引脚7：

可选择使用单时钟输入或双时钟输入。

（2）引脚功能：

TA8435H采用ZIP25封装形式，【图5】引脚排列图，各引脚功能如下：

引脚1（S-GND）信号，引脚2（RESET）重定端低电平有效、当该端有效时电路重定到起始状态，此时在任何激励方式下，输出各相都置于他们的原点，引脚3（ENABLE）使能端低电平有效；

当该端为高电平时电路处于维持状态，此时各相输出被强制关闭，引脚4（OSC）该脚外接电容的典型值可决定内部驱动级的斩波频率。

（15kHz~80kHz）计算公式为：

FOSC=1/5.15xCOSC式中，COSC的单位为μＦ、FOSC的单位为kHz、脚5（CW/CCW）正反转控制引脚；

脚6、7（CK2、CK1）时钟输入端可选择单时钟输入或双时钟输入，最大时钟输入频率为5kHz，脚8、9（M1、M2）激励方式，00表示步进电机工作再整步方式，10为半步方式、01危1/4细分方式、11为1/8细分方式、接高电平时VNF为0.8V，接低电平时VNF危0.5V，脚11（MO）输出监视，用于监视输出电流峰值位置，脚13（VCC）逻辑电路供电引脚一般为5V，脚15、24（VMB、VMA）B相合A相负载电源端，脚16、19（B、B）B相输出引脚，脚17、22（PG－B、PG－A）B相和A相负载地，脚18、21（NFB、NFA）B相和A相电流检测端，由该引脚外接电阻和REF－IN引脚控制输出电流为：

IO=VNF/RNF，

脚20、23（A、A）A相输出引脚。

图5【引脚排列图】

（3）电路应用：

TA8435H是一个典型应用电路，该电路用一片TA8435H来驱动一个步进电机、输入信号有始控制、正反转控制和时钟输入，通过光耦可将驱动器与输入进行电隔离，以起到逻辑电平隔离和保护作用；

该电路工作在1/8细分模式（M1、M2接高电平）可减小低速时振动R8和C1组成重定电路，D1~D4快恢复二极管可用来泄放绕扰组电流由于REF－IN为0.8V

输出级斩波电流为VNF/RNF＝0.8/0.8＝1A，选用不同二相步进电机时应根据电流大小选择合适的R13何R14。

本次设计采用外部定时/计数器82C53来给TA8425H提供步进派冲。

因为82C53有三个定时/计数器，可以驱动三个步进电机控制器、因而能满足设计要求；

另外82C53工作方式3是一种方波速率发生器。

在这种方式下，当CPU设置控制后，输出将为高电平、在写完计数值后就自动开始计数，输出保持高电平；

而当计到一半计数值时，输出变低直到计数到0，此后输出又变高以重新开始计数，在计数期间写入新的计数值并不影响现行计数过程，但是若在方波半周期结束前和新计数术值写入后收到GATE脉冲，那么计数器将在下一个CLK脉冲时装入新的计数值并以这个计数值开始计数。

否则新的计数值将在现行半周期结束时装入计数值。

因此只要写入不同的计数初值，就能控制步进电机的转速而不需要用软件来控制高低电平的转换，因而编程比较容易。

本设计将82C53的GATE端全部接高电平，新的计数值将在现行半周期结束时起作用。

由于采用了定时／计数器82C53作为步进脉冲产生电路，因此系统编程十分简单。

16个计数初值，对应16种转速，初值大小应根据电机的转速要求和82C53计数器CLK端输入的时钟频率决定采用TA8435H构成步进电机驱动器，利用82C53输出步进脉冲的设计方案具有占用 

CPU时间短、编程容易、结构简单、成本低、可靠性好、抗干扰能力强等优点，因此可在控制和测量领域中得到广泛应用。

图6【IC（TA8429H）桥式DC马达驱动器附煞车A8429H】

4、研究方法：

1、小型雕刻机的机械部分设计

（1）元件的选择

小型虎钳、小型鑚台、步进马达、直流减速马达、个人计算机一台、联轴器

（2）铣削力的计算

当进行一般切削时产生的铣削力最大，因此只需计算此时的铣削力进行校正即可。

一般切削时：

铣削深度ap=1mm,进给速度。

Vf=1200mm/min,n=1500r/min。

根据经验公式计算铣削力：

F=42.76apVf0.75n-0.62=22.45N

（3）启动转矩的计算

对于4级精度的丝杠，η=0.85。

已知Ph=4mm，设丝杠上最大负载G为500N，静摩擦μ为0.2，根据经验公式计算启动力矩：

T=（F+μG）Ph/（2＆#1051；

η）x10-3=0.0918N.M

（4）步进电机的选择

根据所需转矩，结合所查资料决定采用57BYG250C步进电机作为本次设计所需的驱动电机。

2、参数如下

型号相数相电流步距步角保持转矩空载起动频率空载运行频率动惯量重量。

3、形尺寸如下

选用市售的XYTable系列，其外观及结构如图7：

图7【雕刻机】

4、轴器的选择：

选用驻铁联轴器。

联轴器外观如图：

八、九、十

图8【联轴器】

图9【联轴器】

图10【联轴器】

5、功能需求分析：

本次项目是为个人及小团体用户提供的一种价格低廉，性能适中的雕刻机。

因此它应具有个人及小团体用户所需要的大部分功能。

具体如下：

（1）能够制作线路间距在3mm以上，长宽在60x60cm内的电路板。

（2）能够制作空间在60x60x10cm内的软材料模型及模具。

（3）能够进行广告刻字。

（4）提供简易的操作界面。

（5）有安全保护措施。

（6）精度在0.1mm以内。

五、概念设计与模块功能定义：

1、设计思想：

小型雕刻机的基本设计思想主要有以下几点：

（1）应用PC机的强大计算功能，将译码、刀补、插补、加减速控制等放在PC上解决。

最后PC上形成的是各向步进电机的控制脉冲。

（2）应用PC的并口直接输出各向步进电机的控制脉冲，以控制工作台的移动。

（3）步进电机的驱动采用集成的驱动芯片。

（4）通过限位开关以及各运动方向的使能开关来保证雕刻机的安全工作。

2、设计原则：

小型雕刻机的基本设计原则主要有以下几点：

（1）在要求的性能指标下，对于各应用部件尽量选择成品以降低成本。

（2）产品设计得尽量的轻而小，电源符号市电要求。

3、总体方案选择：

（1）雕刻机工作方式的选择：

运动方式一般有两种形式：

一种是刀具既转动又进行三个方向的运动，另外一种方式是刀具只进行转动和垂直方向的上下运动，而工作台进行水平两个方向上的移动。

在这次设计中，选择了第二种方式来进行雕刻。

若采用第一方式，则会因为三个方向的运动部件都集中在垂直升降机构上，容易造成整个机构重心过高，如果机构底座质量不足以承受雕刻过程中产生的振动，那就会影响刻的结果，而且这样会造成整个机构体积过于庞大，不利于安装、搬运和维护。

（2）主要直线传动元件的选择：

直线传动元件一般有两种：

同步带和丝杠。

因为同步带传动平稳，传动精度较高，目前的针式打印机和部分机械雕刻系统均采用同步带作为直线运动原件。

对于数控机床而言，直线传动机械都采用丝杠，因为丝杠传动精度高。

因此在本项目中，采用丝杠为直线运动元件，可达到预期的目的。

而且丝杠作为标准件，只需按标准型号及尺寸进行设计和选用既可。

（3）PC机与机械传动机构的信号通讯方式的选择：

要开发通讯部分，就要进行硬件的开发，就是要在计算机与外设之间架设一座桥，进行物理连接。

要开发硬件，总的来说有两种途径：

一条是自己动手开发标准的计算机接口卡，另一条途径是在现有的计算机硬设备的基础上，稍加改进而利用已有的标准接口卡进行通讯。

在第一种方法中，需要自己设计接口电路，劳动量大，且在使用时要占用PC机的一个扩展槽;

若使用第二种方法，不但设计简单、危险性小，而且节省计算机插槽空间。

因此本设计采用PC机的并口进行上下位机的通讯。

（4）总机方案的说明：

综合上面对各种方案的讨论，我们确定的雕刻机的总体方案可简述如：

采用我们研制的软件导入在CAD软件中产生的G代码后，该软件将对G代码进行译码、刀补处理、速度预处理、插补运算，获得包含X-Y-Z三个方向配合运动需控制字节的资料档案，即为雕核资料，然后将控制字节逐个向打印口输出，这样与打印口相连的X-Y-Z三个方向的步进电机就分别可以的到动作信号，从而带动各自的执行机构产生动作。

我们设计采用的雕刻方式是，雕刻刀具只做高速旋转和Z方向的进刀、退刀运动，而X-Y工作台带动工件作X、Y方向的进给运动。

刀具与工作的运动合成就可以得到所需图案的轮廓。

本机的主要组成部分是：

专用软件，X-Y二维工作台及其驱动放大电路、雕刻刀升降机构（Z向）及其驱动放大电路，以及雕刻刀。

（5）设计参数的确定：

根据各类个人用户对雕刻机的需求，以及参考一些现有商品，初步确定了以下一些设计参数：

[1].项目参数单位

[2].主轴最高转速6000r/min

[3].最大雕刻尺寸60*60*10mm

[4].分辨率0.55mm/step

[5].精度0.1mm

4.功能模块的划分和定义：

雕刻机的功能模块包括软件模块、机械模块和电汽模块。

（1）软件模块：

主要是在Windows操作系统环境下研制一软件，具有读入G代码、译码、刀补预处理、速度预处理、插补等功能，并最终通过PC机的并行口（即打印口）向步进电机输出控制信号，这是整个系统的关键部分，软件好坏直接影响着最终的雕刻效果。

（2）机械模块：

主要是执行机构的设计，它是接收放大后的控制信号，实现具体的雕刻动作的机构，它的设计必须考虑到既要实现功能，又要尽可能地小巧轻便。

（3）电气模块：

连接PC机输出和机械执行机构的必要通道，它的主要作用是放大PC机产生的控制信号，使其能驱动机械执行机构实现雕刻动作，这对于能否将控制信号及时、准确地放大并发送至步进电机至关重要。

电路的可靠性、稳定性与可持续性是在设计中必须注意的三项指标。

主要内容是步进电机驱动设计、主轴电机的控制、限位开关的反馈、电源的设计等。

以上我们对小型雕刻机的设计背景、功能需求进行了详细地分析，提出了本次设计的基本思想和基本原则，对雕刻方式、传动元件等方案的选择进行了简要的讨论，并且按照小型雕刻机的总体工作流程进了功能模块的划分。

后面我们将对各个功能模块进行具体的讨论。

利用桥式DC马达驱动器TA8429H附煞车，输入+5V小信号，驱动大电流DC马达可达3Amp，两相同时送+5V信号时，可以提拱煞车功能，Z轴上下动作，Z轴动作虽不大，但须极大的力道，精密的下刻。

4、结果与讨论：

【图11】利用VB程序易学易用，语法简单，图形界面易控制硬件之特点、还有侦测荧幕图形颜色之方法，可将图形输入荧幕，分割成细小点状，在依XY轴，模拟打印机打印方法，由左而右，由上而下一点一点完成整个动作、颜色以黑白最为分明。

图11【VB程序画面】

六、作过程与改善：

1、加上极限开关后，左线定位精准、加强马达固定。

如【图13】所示。

2、考虑加强马力问题，改用直流减速马达，附加光遮断器来改善定位及马力问题。

如【图14】所示、。

3、再来又有新的问题产生，光遮断器计数不准，右线明显失误，校正光遮断器计数。

如【图15】所示。

4、程序修改方法不良，利用光遮断孔及不遮断两者皆渡过方法。

如【图16】所示。

5、雕刻机已经上轨道了，雕刻一半，疑是发生程序错误导致失误连连。

针对VB修改程序如【图17】所示。

6、在雕刻中发现控制器明显发热的问题可以仿效计算机主机加装风扇散热方式、再控制器加上一个计算机风扇，运转过程明显没有乱码。

如【图18】所示。

7、试雕『德霖』校名发生小小失误，经改善遮断器被飞尘污染可能造成产生问题。

如【图19】所示。

图12【利用木地板有加亮光漆、颜色漂亮来雕刻、切成60㎝小段。

】

图13【未加上极限开关前定位左线不是很准确、所以有歪斜之情形，而且马达位锁紧、定位虽准、但是整体结构不完美。

图14【马达锁紧，以后步进马达力量不足产生定位跑掉。

图15【再来又有新的问题产生，光遮断器计数不准，右现明显失误。

图16【有干扰光源易产生侦测失误、导致右线不准。

图17【雕刻机已经上轨道了，可惜雕到一半发生状况，程序错误导致失误连连。

图18【未装风扇前控制器明显发热，造成程序出现错误、雕刻时发生错误。

图19【在雕刻时遮断器被灰尘污染。

七、VB程序与解说：

OptionExplicitPrivateDeclareFunctionAVIO_OUT_LPT1Lib"

AVIO.dll"

（ByValPortDataAsInteger）AsInteger==设定印表埠输出=====

PrivateDeclareFunctionAVIO_INLib"

（ByValPortDataAsInteger）AsInteger

========设定印表埠输入===

Dima,i,jAsInteger========定义整数变量===

Dimtt,nnAsLong

========定义长整数变量===

DimFile_Name,TextAddrAsString========定义字符串变量===

＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊

PrivateSubForm_Load（）=====开机执行程序画白网线===

TextAddr=&

H378===设定输出埠为打印机插座==

DrawWidth=1=========画点尺寸=1===

a=0=========变量a=0===

Fori=0To9600Step100==设i变量从0到9600间格=100===

Line（0,i）-（9600,i）,QBColor（15）======画纵线96条白色线===

Nexti=======下一线===========

Forj=0To9600Step100===设j变量从0到9600间格100===

Line（j,0）-（j,9600）,QBColor（15）======画横线96条白色线===

Nextj==========下一线===

EndSub

＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊

PrivateSubForm_MouseDown（ButtonAsInteger,ShiftAsInteger,XAsSingle,YAsSingle）

==========鼠标按下===

DrawWidth=6==========画点尺寸=6===

X=Int（X/100）*100+50==========画点X坐标取坐标中心点整数部分+50===========

Y=Int（Y/100）*100+50==========画点Y坐标取坐标中心点整数部分+50===========

IfButton=1Then=======如果鼠标左键按下===

PSet（X,Y）,QBColor（12）=============画红点===

Form_Load==========画纵横网格===

EndIf

IfButton=2Then=======如果鼠标右键按下PSet（X,Y）,QBColor（11）============画蓝点===

＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊

PrivateSubForm_MouseMove（ButtonAsInteger,ShiftAsInteger,XAsSingle,YAsSingle）

DrawWidth=6==========画点尺寸6=====

X=Int（X/100）*100+50=============画点X坐标取坐标中心点整数部分+50====

Y=Int（Y/100）*100+50=============画点X坐标取坐标中心点整数部分+50========='

IfButton=1Then=======如果鼠标左键按下=====

PSet（X,Y）,QBColor（12）=============画红点======

Form_Load==========画纵横白网格=====

IfButton=2Then======如果鼠标右键按下======

PSet（X,Y）,QBColor（11）===========画蓝点===========

Form_Load=========画纵横白网格======

PrivateSubLabel1_Click（）============画红框=======

DrawWidth=12=======画点尺寸12========

Fori=100To9500Step100==设i变量从0到9500间格100==

PSet（100,i）,QBColor（12）==========画左红纵线=======

PSet（9500,i）,QBColor（12）==========画右红纵线=======

Nexti

Forj=100To9500Step100===设i变量从0到9500间格100==

PSet（j,100）,QBColor（12）=========画上红横线=======

PSet（j,9500）,QBColor（12）=========画下红横线=====

Nextj

PrivateSubLabel2_Click（）===========存档按键=======

File_Name="

c:

\雕刻\"

+Text1.Text+"

.bmp"

======取得档名========

SavePictureImage,File_Name=============存档=======

Label2.ForeColor=QBColor（5）==========文字紫色=5号

Label2.Caption="

已经存档"

======显示已经存档字样======

Fornn=1To600000===========延时电路=======

DoEvents===========作显示事件=====

Nextnn==========下一个nn========

存档"

========显示存档字样=======

PrivateSubLabel4_Click（）===========读档按键======

'

取得档名

雕刻机.Picture=LoadPicture（File_Name）

=============读档=======

Form_Load======画纵横白网格========

PrivateSubSculpture_Click（）==============雕刻=====

DimrgbColorAsString========