基于MACH数控软件的三维雕刻机结构设计与实现王党利精.docx

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基于MACH数控软件的三维雕刻机结构设计与实现王党利精

应性,并且通过匹配不同的电感实现了从2kHz到6.5kHz的宽范围驱动.

5结束语

由于采用匹配电感的方式来实现正弦驱动信

号,该控制电源适合在一定的驱动频率范围内应用.所以本文所提出的驱动电源更适合于固定频率驱动的压电电机,并且所用电子元器件少,电路结构简单,电路功耗小,适合于小型化.为实现压电电机调速,在下一步的研究中,会在所提出的驱动控制电源基础上实现调压调速的功能.参考文献:

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作者简介:

潘松（1978-,男,山东邹平人,博士后,研究

方向为超声电机及压电作动器的驱动控制系统.

基于MACH数控软件的三维雕刻机结构

设计与实现

王党利,宁生科,马保吉

（西安工业大学工业中心,陕西西安710021

Three-dimensionalEngravingMachineStructureDesignandImplementationBased

onMACHDigitalControlSoftware

WANGDang-li,NINGSheng-ke,MABao-ji

（IndustrialCenter,XiøanTechnologyUniversity,Xiøan710021,China

摘要:

讨论了基于PC机的MACH软件控制平台,三坐标联动小型数控雕刻机工程应用方案,给出了雕刻机总体结构,X,Y,Z轴的传动给进,步进电机的选择,专用雕刻头结构方案.通过直流高速电机

雕刻头和专用雕刻头部件的研制测试对比,总结了不同雕刻头方案的优劣.

关键词:

MACH软件;CNC;雕刻机;雕刻头;结构设计

收稿日期:

2010-04-22

基金项目:

西安工业大学校长基金项目（XAGDXJJ0840

中图分类号:

TH13文献标识码:

A

文章编号:

1001-2257（201008-0027-04Abstract:

Thepurposeofthispaperistode-signanengineeringapplicationprojectofsmallCNCengravingmachine,whichbecontrolledbyMACHsoftwarePC-basedplatform,itcanbethreeCoordinateaxismovementtogether.Thearticlefo-cusedonthedesignoftheoverallstructureofen-gravingmachine,X,Y,Zaxisdrivemechanismde-sign,steppermotorselection,anddevelopmentprocessofspecialengravingheadstructure.Sum-marizedifferentofengravingheadthroughcompar-isonofthetestresulthigh-speedDCmotorcarving

headandspecialengravingheadcomponents.

Keywords:

MACHsoft;CNC;engravingma-chine;engravinghead;structuredesign

0引言

功能完善、性能稳定、造型美观和价格合理成为雕刻机研制的基本要求.MACH软件是一种功能强大的模拟数控软件,利用PC机的资源来完成G代码的解释、运动分配和控制等功能,目前在数控铣床和雕刻机等控制方面得到广泛的应用,特别是为个人提供了一种经济型雕刻机的设计思路[1-3].在采用MACH软件的方案中,所要进行的重点设计对象是控制部分和机械结构部分,本文着重讨论机械部分的设计.

1经济型CNC雕刻机的总体方案

1.1雕刻机设计目的

针对不同的应用领域,所要求的雕刻机的性能亦不相同.本文的目的就是利用MACH软件和PC机的并口等现有资源,提供一种低价、高效和实用的数控雕刻系统的解决方案.该机可以雕刻木制品、有机玻璃、PVC板、水晶、铜和铝等材料,也可进行电路板的雕刻加工等,满足不同需要.

1.2雕刻机设计主要参数

雕刻机有效行程,240mm@400mm@50mm;雕刻机定位精度,0.05mm;雕刻机重复定位精度,0.02mm;主轴转速,8000~15000r/min;最大进给速度,3m/min,传动系统X,Y,Z采用步进电机驱动,步进电机驱动用8细分驱动;分辨率,0.0025mm,采用开环控制.

1.3雕刻机系统的构成部分

雕刻机完整的工作流程主要包括4部分.第1部分,浮雕设计及G代码生成,如常用的ARTCAM软件,该软件可完成三维浮雕制作及G代码生成,同时具有刀路模拟加工功能,可真实地模拟加工路径和产品的形状.第2部分,脉冲的分配及发送,MACH软件的作用类似于运动控制卡,主要作用是完成G代码的解释,加工点坐标位移量的计算,译码、刀补、插补、加减速控制及各个轴位移脉冲的发送.第3部分,控制系统的作用主要是完成各个轴脉冲的接收及发送限位、原点开关的信号给MACH控制软件,同时对各个轴的运动进行驱动.第4部分,雕刻机本体通过传动机构的运动,用刀具完成材料的雕刻动作,最终形成加工产品.

1.4雕刻机的总体布局

数控系统的基本布局通常有立柱和龙门2种架构.立柱式结构稳定性要比龙门式差,因此选用龙门式.龙门布局通常有如图1所示的2种方案,这2种布局都采用龙门框架结构,雕刻机的刚度均较高.布局a方案中,工作台固定,雕刻头作横向和上下移动,立柱作纵向移动.该方案便于变形为不同纵向长度的雕刻机.由于工作台不动,承载能力好,适合加工较重的工件.但雕刻头运动精度较难保证且龙门移动较笨重.布局b方案中,立柱固定,雕刻头作横向和上下移动,工作台作纵向移动.由于工作台移动,承载能力较布局a方案差;工作台运动占用较大的场地面积;工作台运动到支架两端时处于悬臂位置,长时间导致工作台变形.该方案的最大优势在于雕刻头运动精度较易保证.由于本设计的雕刻机雕刻范围小,要求经济型、加工精度小于0105mm,整个机身重量轻,大约20kg,为了增加稳定性,设计时工作台面本身重,龙门架采用硬铝制作,减轻运动部件的重量.若采用布局b,工作台运动,首先,在加工工件最大重量不变的前提下,要求的电机驱动功率变大,其次,且丝杠副的承载、精度和寿命要求也更高,带来的成本上升,最后,机器安装占用的场地变大.经以上比较,充分考虑到布局的基本要求、影响布局的基本因素及三维雕刻机的设计参数,在满足性能前提下采用布局

a.

图1龙门布局的2种方案

2雕刻机的主运动方案

2.1雕刻机的主运动方案讨论

雕刻机主运动方案通常有2种:

方案1,采用专用的主轴电机,当前电主轴主要采用的是交流高频电动机,故也称为÷高频主轴",由于没有中间传动环节,有时又称它为÷直接传动主轴".电主轴可恒功率或者恒扭矩输出,径向精度为0.01~01001mm,轴向精度小于0.003mm;具有结

构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低及响应快等优点,而且转速高、功率大,简化机床设计,易于实现主轴定位,是高速主轴单元中的一种理想结构.电主轴缺点是必须配变频器调速装置,整体价格昂贵.

方案2,采用直流电机带动主轴机构.首先,直流电机调速范围宽,其转子转速可在大的范围内连续调节并稳定运行,特性呈线性.无论机械特性还是调节特性都呈现良好的线性度.其次,直流电机价格非常便宜,特别适合经济型雕刻机.缺点是电机精度较低,主要是一般的直流电机径向误差大,在高速运转时噪音大,且碳刷易磨损,选用合适的轴承可提高电机轴的径向精度和降低噪音.

和主轴电机相比,直流电机带动主轴机构方案具有更高的性价比,故优先选用直流电机带动主轴机构的方案.

2.2雕刻机的主轴结构

直流电机和主轴组件之间采用同步带传动,由于选用的直流电机转速在20V时转速可达15000r/min,故选择的传动比为1,主轴组件结构如图2所示.直流电机输出扭矩通过同步带传递给输出轴,降低了直流电机转速和精度等性能的要求,同时也可隔断电机振动的传递和过载保护作用.由于角接触轴承装球数比深沟球轴承多,额定负荷在球轴承中最大,刚性强,运转平稳,角接触轴承可同时承受径向负荷和轴向负荷,转速较高,接触角越大,轴向承载能力越高.由于单列轴承只能承受一个方向的轴向负荷,在承受径向负荷时,将引起附加轴向力,并且只能限制轴或外壳在一个方向的轴向位移.若是成对双联安装,即可避免引起附加轴向力,而且可在2个方向使轴或外壳限制在轴向游隙范围内.

雕刻误差主要取决于雕刻主轴组件的径向和轴向跳动,为了减少误差,采取以下方法:

第1,在输出轴的末端选用一对25b

角接触轴承

图2雕刻机主轴组件结构

来承受输出轴的轴向和径向载荷,成对使用轴承避免引起的附加轴向力,保证输出轴的轴向精度,同时也提高了刀具的回转精度.

第2,输出轴的上端采用深沟球轴承支撑,距离上压盖留有一定的间隙,可保证轴高速运转发热有一定的伸缩空间,避免轴的膨胀变形.

第3,输出轴端采用锥孔珩磨保证和ER11刀具夹头的配合;轴的固定端到刀具的长度尽量短;这两项措施可减少轴的径向跳动.

第4,轴的内部空间被带有密封圈的上下压盖密封,防止灰尘及雕刻屑进入内部磨损组件,提高使用寿命和精度.

3雕刻机的进给运动方案

3.1雕刻机的进给运动方案

机械本体部分是雕刻机的骨架,有底座、龙门架、工作台、机头和主轴组件等部分.雕刻机的3轴传动部分全部采用步进电机驱动丝杠副,通过弹性连轴器和丝杠副连接,丝杠的一端采用深沟球支撑,另外一端