雕刻机三轴驱动控制研究.docx

1、雕刻机三轴驱动控制研究毕业设计开题报告书2010年01月20日院（系）机电工程系专业机械设计制造及其自动化姓名学号论文（设计）题目雕刻机三轴驱动控制研究一、选题目的和意义随着计算机数控（CNC）技术及相关技术（CAD/CAM/CAPP等）的发展。雕刻机与数控技 术的结合已广泛地应用于平板材料上文字、图案的雕刻加工，而在圆柱面、圆锥面雕刻领 域由于受到夹具设计制造、PC机运算算法等方面的影响，目前市场上很少有多轴设备的定 型产品。控制系统部分是雕刻机的“大脑”。雕刻机的控制部分一般分为两大类。第一类是用 电脑控制而自身的控制部分。第二类是控制器本身控制并驱动，这种方式大大提高了雕刻 机的工作效率

2、。从某种程度上讲，一台雕刻机的控制系统的好坏决定了这台雕刻机的工作 效率和这台雕刻机的价值和价格。雕刻机的工作原理就是三轴转动，然后带动电机，三轴由系统控制。CNC能实现切割、 钻、洗以及浮雕，这一切都是由主轴来完成的。把 CNC看成一个三轴平台+功能部件，那么通过更换功能部件，CNC的功能将大大扩展。雕刻机不仅投资少，见效快，而且雕刻 加工范围广泛，发展前景广阔，可以在实验平台和工业部分领域推广。二、本选题在国内外的研究现状和发展趋势1938年世界第一台手动雕刻机在法国 嘉宝”问世，1950年嘉宝”生产出世界第一台真 正意义的电动、可缩放比例的手动雕刻机。随后美国、日本和法国等国也开始研制。

3、 20世纪90年代，随着微电子技术的突飞猛进，直接推动微型计算机的急剧发展。微电子技术 和微型计算机技术带动整个高技术群体飞速发展，从而使雕刻机产生了质的飞跃。雕刻机 完成了从2D 2.5D 3D加工的变革，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。近几年国内的雕刻机，北京 精雕”、上海 啄木鸟”在国内也有一定的市场，但价格也不菲。雕刻加工涉及各行各业、分布很广，可加工的材料也是非常 广泛。未来的科技社会里，雕刻加工必定会有更广阔的前景。三、课题设计方案 主要说明：研究（设计）的基本内容、观点及拟采取的研究途径和方法。 本设计研究雕刻机的起源和发展现状，根据机电一体化产品

4、设计的基本原理、关键技 术和研制原则，分析雕刻机系统的总体布局和结构方案、数控系统的运动方式，以及主运 动和进给运动系统选择等。研究的基本内容：一.三轴雕刻机总体布局，二三轴雕刻机的基本的工作原理（三轴转动，然后带动电机，三轴由系统控制）,3.三轴雕刻机的主轴电机选择：雕刻机使用的主轴通常为变频无刷电机，它的特点是精度高，寿命长。选择时主要考虑以下要素： 1该主轴电机是否采用高精度轴承，如 果不采用高精度轴承，表现是主轴电机长时间高速旋转后过热， 影响主轴电机的使用寿命。2.不同速度旋转，声音是否均匀和谐。 3.主轴径向是否受力。4.数控系统部分的软件设计研究及控制软件的使用，数控雕刻机的微机

5、控制系统硬 件电路设计。5.步进电机驱动电路板的研究及步进电动机的选用。研究设计的原则：（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。（2）产品设计得尽量的轻而小，电源符合市电要求。四、计戈U进度安排 主要说明：起止时间及分阶段的进度要求。 2010年1月12日1月22日：开题报告，包括：1.雕刻机控制系统研究的意义（12日一14日）;2.雕刻机控制系统的发展趋势及其现状（15日一17日）;3.雕刻机控制系统研究方案的制定（18日一21日）。2010年1月25日6月1日：论文中期设计，包括：1.材料收集及整理；2.基本知识的学习和总结；3.雕刻机的总体布局设计，各组成部分的选择

6、及设计五、主要参考文献1盛晓敏，邓朝晖先进制造技术M.北京:械工业出版社，2000。2张 昱.三维机械雕刻机的研制C.合肥:合肥工业大学出版社，2002。3张得礼，周来水.三轴数控铣床系统图形的实时显示J.计算机辅助设计与图形学学 报,2005,17。4李峰，吴涛，杨代华等.用VC实现数控雕刻机加工过程仿真J.机床与液压,2003。 刘志峰，王贤虎基于OpenGL的数控仿真三维图形的研究J.机械与电子,2006 指导教师意见及建议：签名：年 月 日教学单位领导小组审批意见：组长签名：年 月 日毕业设计中期检查表毕业设计题目：雕刻机三轴驱动控制研究学生姓名学号指导教师职称计划完成时间：2010年

7、4月15日毕业设计的进度计划：2010.2.1-3.01 进行课题的搜集资料，查阅有关的参考书，教材及相关资料。201031 -3.31 需求分析，进行市场调研，考察雕刻机的市场情况。2010.4.1-4.15 概念分析，理论分析，及相关的加工原理分析。完成情况：到现在为止，我通过查找资料学到了很多关于三轴雕刻机的基本知识，包括硬 件的组成（床身结构、主轴电机、控制系统、驱动器、步进 /伺服电机、导轨、变频器、泵、吸尘器等），雕刻机的现状及发展趋势，如何选择主轴电机，控制系统 的设计，主轴驱动系统、步进电机驱动系统、人机界面和通信系统的的设计；软件 方面的程序设计、整个系统的软件结构和一些主要

8、子程序的逻辑分析。指导教师评议（指出优点和不足，如有其它建议，可另附页）签名：年 月 日院（系）：机电工程系专业：机械设计制造及其自动化2010年3月15日备注:1.绪论 11.1雕刻机概述 11.1.1雕刻起源与发展 11.1.2研制雕刻机的功能 21.2雕刻机的研制目标 21.3研制雕刻机的目的和意义 22.总体设计方案 32.1 雕刻机总体方案 32.1.1主要内容 32.1.2总体布局 32.1.3坐标系统的确定与雕刻机外观 42.1.4数控系统 42.1.5机械部分 83.机械系统设计 93.1设计参数的确定 93.2切削力、切削扭矩和切削功率计算 103.2.1铣削力、扭矩和功率的

9、计算 103.2.2钻削力、扭矩和功率的计算 113.3主运动系统的设计计算 113.3.1主运动系统传动链的组成 113.3.2主轴电机的设计计算 123.4进给运动系统设计计算 123.4.1进给运动系统传动链的组成 123.4.2滚珠丝杠副的设计计算 133.4.3工作台进给电机的设计计算 153.4.4 同步带及带轮的设计计算 164. 控制系统设计 . 174.1 控制系统的硬件设计 174.1.1 主控部分 174.1.2 步进电机驱动系统 184.2 控制系统的软件设计 184.2.1数据接收处理 184.2.2三维插补运算 194.2.3对刀功能的处理 215. 结论. 215

10、.1 总结 215.2 改进完善 21参考文献 . 22谢 辞. 24()摘要：本文简要地介绍了雕刻机的起源和发展现状， 从系统的观点出发， 根据机电一体化产品设计的基本原理、关键技术和研制原则，应用相关技术进行有机的组织和综合， 详细地分析了雕刻机系统的总体布局和结构方案、数控系统的运动方式，以及主运动和进给运动系统选择等。 分别进行了机械系统的设计和实现，包括主运动和进给运动的设计计算； 控制系统的设计和实现， 包括硬件选用、软件结构;以及“三维雕刻”插补算法的选择、分析和实现过程。该课题的目的在于提高独立自主开发机电一体化产品的能力， 填补企业产品的空白， 并推动本企业的技术进步和发展。

11、关键词： 雕刻机数控系统 机电一体化 三维插补算法1.绪论随着当代科学技术的突飞猛进，传统的产品隶属行业界线已被打破，不同设计构思、 结构新颖的产品层出不穷，日新月异。微电子技术加紧向机械行业渗透，自动控制和计算 机技术迅速在机械产品和生产过程中推广应用。机电一体化技术是当今世界机械工业技术 和产品发展的重要趋向，近年来各国工业竞相发展。数控机床是典型的机电一体化技术的 结晶，采用数控机床可以大大提高加工质量和生产效率，适应产品的不断更新。这些高新 技术已经且继续向经济、军事和社会生活的各个领域渗透，并以空前的规模向现实生产力 迅速转化。高新技术向产业的转移，推动了生产力的发展。传统机械产业经

12、机电一体化革 命带来了优质、高效、低耗及柔性的优势，增强了产品在行业内的经济竞争能力。因此， 高新技术的应用得到各行业的极大重视。微电子技术和微型计算机技术带动整个高技术群 体飞速发展，迅速转化为巨大的经济效益。高新技术流向传统产业，引起传统产业的深刻 变革。作为传统产业之一的机械工业，在这场新技术革命的冲击下，产品结构和生产系统 结构发生了质的跃变，微电子技术、微型计算机技术使信息和智能与机械装置和动力设备 有机结合，一方面极大地提高机电产品性能和产品竞争性，另一方面又极大地提高产品生 产系统的生产效率和企业的经济竞争能力。1.1雕刻机概述1.1.1雕刻起源与发展雕刻可以追溯到远古时期，母系

13、氏族时期的半坡氏族的“人面网纹盆”便是雕刻的雏 形。在我国北宋时期便发明了活字印刷，梦溪笔谈有记：“其法用胶泥刻字，薄为钱唇， 每字为一印，火烧令坚”。这里的刻字应属于雕刻的范畴。随着时代的发展，我国的雕刻 艺术日益精深。上世纪90年代至今，机械雕刻获得了前所未有的发展。从最初的刻字机， 刻章机再到三维雕刻机，制作工艺也日渐成熟，应用范围也日渐广泛。1938年世界第一台手动雕刻机在法国“嘉宝”问世，1950年“嘉宝”生产出世界第 一台真正意义的电动、可缩放比例的手动雕刻机。随后美国、日本和法国等国也开始研制。 20世纪90年代，随着微电子技术的突飞猛进，直接推动微型计算机的急剧发展。微电子 技

14、术和微型计算机技术带动整个高技术群体飞速发展，从而使雕刻机产生了质的飞跃。雕 刻机完成了从2D 2.5D3D加工的变革，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。国外的雕刻机，如美国“雕霸”、法国“嘉宝”和日本“御牧” 是此行业的佼佼者，但价格非常昂贵。不管大小都在 10万圆人民币以上；近几年国内的雕刻机，北京“精雕”、上海“啄木鸟”在国内也有一定的市场，但价格也不菲。1.1.2研制雕刻机的功能所研制雕刻机应可实现以下三种功能：1.切:把硬质的板材切割成文字或案，主要用于制作装饰用的立体字；2.刻：把文字和图案雕刻在材料表面，用于各种标牌 （胸牌、门牌、桌牌、礼品牌、设

15、 备铭牌等）和礼品工艺品的制作；3.雕:用于三维立体作品和模具的制作。1.2雕刻机的研制目标随着微电子技术和机电结合深度的发展，可不断提高产品附加值。雕刻机是一种典型 的机电一体化设备，研制的总体目标是提高该产品在市场中的竞争能力。研制目标具体体 现在以下几个主要方面：1.自动化；2.高速度；3.监测监控；4.计算机信息化；5.柔性化; 6.模块化；7.标准化和通用化；8.专用化；9.智能化；10.优化；11.节能化；12.集成化。 1.3研制雕刻机的目的和意义随着计算机数控（CNC）技术及相关技术（CAD/CAM/CAPP等）的发展。雕刻机与数控技 术的结合已广泛地应用于机械工业的各个领域。

16、 由于受到夹具设计制造、PC机运算算法等方面的影响，目前市场上很少有多轴设备的定型产品。建国五十年来，我国的机械工业虽 然已经有了较大的发展，具备了一定的基础和规模。但随着世界科学技术的迅速发展，我 国机械工业的技术水平和生产能力与工业发达国家相比还存在相当大的差距。因此，在我 国以新技术改造传统产业和开发高技术含量的新产品，已成为当前机械工业以至各传统产 业密切关注和改革的焦点。机电一体化技术是机械技术和电子技术的有机结合，它包括机械、电子、计算机和自 动控制技术。它从系统工程的观点出发，使产品或系统实现整体优化。近年来，世界上各 发达国家竞相发展机电一体化技术，以提高制造技术水平，实现生产

17、系统向柔性化、智能 化发展。机电一体化技术给传统的机械工业带来了革命性的变革和惊人的效益，使产业结 构、生产方式和管理体制发生深刻的变化。机电一体化是当今世界机械工业技术和产品发 展的主要趋势，也是我国机械工业发展的必由之路。2总体设计方案三轴机械雕刻机是一种典型的机电一体化设备。雕刻机系统的设计应充分考虑系统设 计评价的各个方面，经过对该设计方案进行系统评价，最终选择技术先进、经济、可靠性 高、系统匹配性好、操作简单、维修方便和安全性高的方案。针对不同的加工材料和考虑其加工的特点，将雕刻机分成两大系列 ：广告型雕刻机和工业型雕刻机，即加工非金属材料为主的雕刻机 （LAE系列）和加工金属材料为

18、主的雕刻机 （LME系列）。LAE型系列广告型雕刻机是针对加工非金属材料开发的，设计上有其自身的 特点。2.1雕刻机总体方案2.1.1主要内容三维机械雕刻机总体方案的制订着重考虑两大方面：机械部分、智能电子控制部分。（1） 机械部分：研究确定总体布局的型式、有效雕刻区域、滚珠丝杠的结构型式和参 数、直线导轨的结构型式和参数、主电机的结构型式和参数、步进电机的结构型式和参数、 主运动和进给运动的传递方式和转速范围等；（2） 智能电子控制部分：研究确定总体布局型式、主电机调速方式、步进电机的驱动 方式、插补算法、兼容文件格式、操作面板的型式和内容、通讯协议、传感器件等； 2.1.2总体布局23雕刻

19、机总体布局的基本要求有以下几点：1.首先必须满足如加工范围、工作精度、生 产率和经济性等等各种要求。2.确保实现既定工艺方法所要求的工件和刀具的相对位置与 相对运动。3.确保雕刻机具有与所要求的加工精度相适应的刚度、抗振性、热变形及噪音 水平。4.应便于观察加工过程；便于操作、调整和维修 ；便于输送、装卸工件和清理；注 意防护，确保安全。5.结构简单，合理可靠，便于加工和装配。 6.体积小，重量轻，节约原材料，降低制造成本，缩小占地面积，外型美观大方。 7.表面形成运动的影响。8.雕刻机运动分配的影响。在分配雕刻机运动时，一般应注意以下三点 ：（1）移动部件的重量应尽量轻。（2）应有利于提高加

20、工精度。（3）应有利于提高雕刻机刚度，缩小占地面积。9工 件的尺寸、重量和形状的影响。雕刻机基本布局形式通常有如图 2.1所示的两种方案：2.1.3坐标系统的确定与雕刻机外观2雕刻机的坐标系统采用右手法则，直角卡笛儿坐标系统。基本坐标轴为 X、丫、Z直角坐标，对相应每一个旋转运动符号为 A、B、C,如图2.3所示。Z轴为平行于雕刻机主轴 的坐标轴，垂直于工件装卡面。图2.2右手坐标系统图2.3 雕刻机外观及坐标系统的确定2.1.4数控系统1.运动方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统、轮廓控制系统。雕刻机要求完成“切，、“刻”、“雕”等不同功能，其中“切”、“刻”是两

21、坐标联动控制，具 有两坐标联动的插补运算功能和刀具半径补偿功能。用圆柱铣刀“切”或“刻”轮廓侧面 时，数控系统控制的刀具中心相对工件在单位时间内，同时在两坐标轴移动 x y，刀具中心对工件的合成位移 L1,则由轮廓曲线的等距线上的点I 移到点丫，从而在工 件上加工出一小段直线IJ，来逼近轮廓曲线上的IJ弧段。连续控制两个相对位移分量 x、 y，便可加工出多段小直线组成的折线来逼近曲线轮廓。 “雕”根据轮廓形状和加工刀具形状的不同可分为“雕”浮雕和“雕”三维文字两种。 “雕”浮雕是三坐标控制两坐标联动，用“行切法”进行加工，也称为两轴半控制，即以 X、丫 Z三轴中任意两轴作插补运动，第三轴作周期

22、进给。如图 2.4所示，在丫向分为若干段，雕刻刀沿 XZ平面的曲 线进行插补加工，当一段加工完后进给 y，再加工另一相邻曲线，如此依次用平面曲线来逼近整个空间曲面。“雕”三维文字是三坐标控制三坐标联动，对雕刻路径进行空间直线 插补，利用雕刻刀的几何形状来实现三维文字的特定效果。经上述分析，雕刻机的数控系 统应采用三坐标控制三坐标联动的空间轮廓控制系统。图2.4平行轮廓的成型 行切法加工空间轮廓 三坐标联动加工2.主运动系统和进给运动系统的确定雕刻机的数控系统包括主运动系统和进给运动系统两部分。根据伺服系统的被调量有 无检测和反馈可分为开环控制、闭环控制和半闭环控制。该系统应满足工作精度、调速性

23、 能、负载能力、响应速度和稳定性的要求。采用直流或交流伺服电机驱动的半闭环控制， 其性能介于开环和闭环控制之间。由于调速范围宽、过载能力强，又采用反馈控制，因此 性能远优于以步进电机驱动的开环控制。由于反馈环节不包括大部分机械传动元件，调试 比闭环简单，系统和稳定性较易保证，所以比闭环容易实现。但是，采用半闭环控制，调 试比开环复杂，设计上也要有自身特点，技术难度较大。因为本设计任务的目标精度不很 高、负载变化不大，加之开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调 试、价格便宜、使用维修方便等优点，开环控制应优先选用综上所述，雕刻机的主运动系统采用以直流电机驱动的开环控制；进给运动

24、系统采以取步进电机驱动的开环控制。主运动系统和进给运动系统的组成原理图分别如图 2.5和图2.6所示。图2.5主运动系统组成原理图图2.6 进给运动系统组成原理图3.数控系统的硬件电路设计任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，性能的好坏 直接影响整个数控系统的工作性能。数控系统中的关键部分是数控装置。数控装置的设计 方案通常有：(1)全部自己设计、制作； 采用单板机或STD模块或工控机改制；(3)选用 现成的数控装置作少量的适用化改动或配接。雕刻机的设计中，考虑到经济性的原因，主控部分自行设计制作， X、丫两轴向步进电机的驱动部分外购成品，Z向由于功率较小仍自制。自行

25、设计的数控装置中， CPU勺选择是十分重要的环节。考虑到：1).时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关； 2).可扩展存储器的容量与数控的功能的强弱相关； 3).指令系统功能强弱与编程的灵活性相关；4).1/0 口扩展的能力与对外设控制的能力相关；5).开发手段，含支持开发的软件 和硬件电路，与开发周期、推广应用相关。另外，还应根据数控系统应用场合、控制对象以及性能、参数要求等，综合起来 考虑以确定CPU目前在数控系统中常用的 CPUS片很多。雕刻机的数控系统中，在完全 满足设计要求需要的情况下，首先考虑它们的配套芯片价廉，普及性、通用性强，制造和维修方便。4.智能电子控制部分在实现

26、基本雕刻功能的前提下，做到布局合理、层次分明、具有一定的抗干扰性，能 在各种不同的工作环境中进行长时间良好运行。(1)主控方案主控部分以Atmel公司的89C52芯片为核心，外扩存储和接口模块组成。 89C52芯片内部集成了一个全双工的串行通讯模块，可以方便地和计算机进行通讯。存储器模块中扩 展了 64KB的EPROM用于存放液晶显示的字库；扩展256B的EZPRO用来存放雕刻机的一 些主要工作参数；扩展128KB的SRAMH于存放计算机发送来的雕刻图形数据。 CPUS过扩展后端口检测限位、对刀传感器的信号，接收用户的按键操作。(2)主轴电机控制方案由于PWMg动装置具有可控器件少、线路简单、

27、调速范围宽、快速性好、电流波形系数好、附加损耗小、功率因素高和效率高、体积小、重量轻、寿命长、频带宽、滞后小、 非线性小、维修方便、性能/价格比优良、对环境敏感度低的优点，因此选用 PWMg动装置对主电机进行调速控制。该驱动装置是利用大功率晶体管的开关特性来调制固定电压的 直流电源，按一个固定的频率来接通和断开，并根据需要改变一个周期内“接通”与“断 开”的时间长短，通过改变直流伺服电动机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大 小，从而控制电动机的转速。(3)进给驱动控制方案步进式伺服系统主要由步进电机和步进电机驱动控制电路两部分组成。其功能为将具 有一定频率f、定子绕组通电状态变化次数 N

28、和方向的进给脉冲，转换成控制步进电机各 相定子绕组通电、断电的电平信号变化频率、变化次数和通电顺序。在步进式伺服系统中，驱动控制线路将输入的进给脉冲数量 N、频率f和方向送给步进电机，在经齿轮传动、丝杠传动转换为移动部件的位移量、进给速度和进给方向，用以 满足雕刻机伺服系统对位移控制的要求。控制过程如下 ：(1)移动部件位移量控制过程。进给脉冲数量 定子绕组通电状态变化次数 步进电机转角一工作的位移量L。(2)移动部件进给速度控制过程。进给脉冲的频率 f 一步进电机转角=Na移动部件 的进给速度v= t。(3)移动部件运动方向控制过程。改变步进电机定子绕组的通电顺序可使步进电机正转和反转，从而

29、改变移动部件的移动方向（4）传感器选型方案传感器是一种以一定的精确度将被测量转换为与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量的测量部件或装置。用传感器来确定雕刻机 X、Y、Z向的绝对零点坐标，从而能用控制面板设定加工图形输出的相对坐标位置。 可选用二值型无接点型传感器，二值就是1（开）和0（关）,工作原理如图2.8。如果传感器的输入量达到某个值以上，输出 为1,反之输出为0。这个临界的某值就是开关的设定点。开关设定点 输入图2.72.1.5机械部分451.总体结构机械本体部分是雕刻机的骨架，有底座、立柱、工作台、机头和主轴组件等部分。在 保证整个系统的机械刚性的前提下，为了简化设计的

30、结构，减轻整机重量，缩短产品的设 计和制造的周期，其主体框架采用铝合金拉延型材和轧制铝板制造，防护件用塑料件和饭 金件制造，用标准的紧固件和定位销连接。2.主运动方案雕刻机主运动方案通常有两种方案：直接采用专用的雕刻头或采用直流电机带动主轴 机构。由于直流电机具有以下特点：（1）调速范围宽其转子转速可在宽广的范围内连续调节 并稳定运行。（2）特性呈线性不论机械特性还是调节特性都呈现良好的线性度。 （3）快速反应在输入控制信号的作用下，转子能迅速地反应动作，时间常数小。故优先选用直流电机 带动主轴机构的方案。3.进给运动方案由前所述，采用横梁固定、工作台移动实现相对运动的方式，机头在横梁上移动（

31、X向）， 实现雕刻宽度；工作台在底座上移动（Y向），实现雕刻长度；主轴组件上下移动（Z向）， 实现雕刻深度。由于滚珠丝杠副具有以下特点：（1）传动效率高。（2）运动平稳。（3）传动可 逆性。 可预紧。(5)定位精度和重复定位精度高。 同步性好。(7)使用寿命长。(8) 使用可靠，润滑简单，维修方便。因此各运动链中传动件均采用滚珠丝杠副。由于滚动直线导轨副具有以下特点 ：1).摩擦系数小，运动灵活。2).动、静摩擦系数基本相同，因而启动阻力小，且不易发生爬 行。3).可以预紧，刚度高。4).寿命长。5).定位精度和重复定位精度高。6).使用可靠, 润滑方便。因此各运动链中支承件均采用滚动直线导轨副。4.加工刀具方案加工非金属的刀具与标准刀具在参数上有较大不同，因此需要自制或外购。一般情况 下，雕刻刀按刀尖角可分为15刀、20刀、30刀、45刀和成型刀及直柄立铣刀和直 柄球面铣刀，用户可根据实际加工的需要进行选用。刀具按材质可分