現(xiàn)在市面上流行的小型雕刻機(jī)工作臺(tái)主要有兩種。第一種如圖1所示工作臺(tái)只作Y方向的移動(dòng)，而刀具作X方向和Z方向的移動(dòng)。第二種則如圖2所示工作臺(tái)作X,Y方向的移動(dòng)，而刀具只作Z方向的移動(dòng)。

結(jié)構(gòu)1的優(yōu)點(diǎn)是制作容易，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。但由于工件隨工作臺(tái)移動(dòng)，所以不能加工太重的工件，而且雕刻機(jī)尺寸不能太大。結(jié)構(gòu)2雖然制作也較容易，然而穩(wěn)定性要比結(jié)構(gòu)1差很多。由于本次設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)械部件結(jié)構(gòu)的要求就是要小而輕便，加工工件的質(zhì)量也是比較輕，因此選用結(jié)構(gòu)1。

在該結(jié)構(gòu)中，機(jī)械本體部分是雕刻機(jī)的骨架，有底座、立柱、工作臺(tái)、機(jī)頭和主軸組件等部分。在保證整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械剛性的前提下，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，減輕整機(jī)重量，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造的周期，其主體框架采用鋁合金制造，防護(hù)件用塑料件制造，用標(biāo)準(zhǔn)的緊固件和定位銷連接。

 

 

我們?cè)O(shè)計(jì)采用的雕刻方式是:雕刻刀具只做高速旋轉(zhuǎn)和Z方向的進(jìn)刀、退刀運(yùn)動(dòng)，而X-Y工作臺(tái)帶動(dòng)工件作X,Y方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，這兩個(gè)方向的基本運(yùn)動(dòng)方式如下:由步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)了工作臺(tái)的移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)某個(gè)方向(X或Y方向)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。在X，Y方向上的導(dǎo)向件采用直線導(dǎo)軌，其導(dǎo)向精度可滿足對(duì)工作臺(tái)定位精度的要求。

雕刻機(jī)主運(yùn)動(dòng)方案通常有兩種方案:直接采用專用的雕刻頭或采用直流電機(jī)帶動(dòng)主軸機(jī)構(gòu)。專用的雕刻頭的優(yōu)點(diǎn)在這里不在復(fù)述，但必須配以與之配套的變頻調(diào)速裝置，價(jià)格相對(duì)昂貴。因此，從經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，經(jīng)濟(jì)型的雕刻機(jī)則不宜采用。由于直流電機(jī)具有以下特點(diǎn):

(l)調(diào)速范圍寬

其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可在寬廣的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)并穩(wěn)定運(yùn)行。

(2)特性呈線性

不論機(jī)械特性還是調(diào)節(jié)特性都呈現(xiàn)良好的線性度。即在整個(gè)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的變化關(guān)系或是轉(zhuǎn)速隨控制電壓的變化關(guān)系都是線性的。

(3)快速反應(yīng)

在輸入控制信號(hào)的作用下，轉(zhuǎn)子能迅速地反應(yīng)動(dòng)作，時(shí)間常數(shù)小。

故優(yōu)先選用直流電機(jī)帶動(dòng)主軸機(jī)構(gòu)的方案。直流電機(jī)通過彈性?shī)A頭直接與刀具連接。

本設(shè)計(jì)采用上海漢承機(jī)電設(shè)備有限公司提供的G系列滾珠絲杠副 （滾珠內(nèi)循環(huán) 固定反向器 單螺母）。其具體性能指標(biāo)如下表：

 

X，Y,Z軸的絲杠精度等級(jí)為4，螺紋長(zhǎng)度分別為為300mm，350mm，150mm。絲杠總長(zhǎng)分別為：375mm,425mm,225mm。

滾珠絲杠副軸頭尺寸如下：

 

 

 

（1）銑削力的計(jì)算

當(dāng)進(jìn)行一般切削時(shí)產(chǎn)生的銑削力最大，因此只需計(jì)算此時(shí)的銑削力進(jìn)行校核即可。取一般切削時(shí)：銑削深度a_p=1mm,進(jìn)給速度V_f =1200mm/min,n=15000r/min。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算銑削力：

F=42.76a_pV_f^0.75 n^-0.62=22.45N

（2）啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算

對(duì)于4級(jí)精度的絲杠，η=0.85。已知P_h=4mm,設(shè)絲杠上最大負(fù)載G為500N,靜摩擦µ為0.2,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算啟動(dòng)力矩：

T=(F+µG) P_h/(2Лη)×10^－3＝0.0918N·M

（3）步進(jìn)電機(jī)的選擇

根據(jù)所需轉(zhuǎn)矩,結(jié)合所查資料決定采用杭州日升電氣設(shè)備有限公司的57BYG250C步進(jìn)電機(jī)作為本次設(shè)計(jì)所需的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

該電機(jī)的外觀：

技術(shù)參數(shù)如下：

外形尺寸如下：

其中L=76mm。

選用上海漢承機(jī)電設(shè)備有限公司的圓柱直線導(dǎo)軌（光軸）系列，其外觀及結(jié)構(gòu)如下圖:

X,Y,Z三軸所需導(dǎo)軌長(zhǎng)度分別為375mm,425mm,225mm。

選用上海漢承機(jī)電設(shè)備有限公司的LK6系列聯(lián)軸器YL1。外觀如下圖：

其結(jié)構(gòu)如下圖

 

 

 

 

基本參數(shù)如下表（mm）：

 

主軸電機(jī)選用安陽萊必泰機(jī)械有限公司的雕刻機(jī)電主軸。

其外觀及結(jié)構(gòu)圖如下：

其參數(shù)如下表：

主軸型號(hào)Spindle type

轉(zhuǎn)速Speed (r/min)

電機(jī)　Motor

外形尺寸　Dimensions(mm)

變頻器Conv Kw

潤(rùn)滑Lub

冷卻Cool

Bearings type

KW

V

A Hz

D

D1

D2

Joint of nose

L

L1

L2

ADX60-24Z/0.25

24000

0.25

220

1.2

400

60

55

-

ER11

162

6

23

0.5

grease

water

1×7002C/P4 1×7000C/P4

分辨率：4/200=0.02(mm/step)

最高進(jìn)給速度：5000*4/200=100(mm/s)

機(jī)械精度：16/300=0.053（mm）

 

1938年世界第一臺(tái)手動(dòng)雕刻機(jī)在法國(guó)“嘉寶”問世，1950年“嘉寶”生產(chǎn)出世界第一臺(tái)真正意義的電動(dòng)、可縮放比例的手動(dòng)雕刻機(jī)。隨后美國(guó)、日本和法國(guó)等國(guó)也開始研制。20世紀(jì)90年代，隨著微電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)，直接推動(dòng)微型計(jì)算機(jī)的急劇發(fā)展。微電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)帶動(dòng)整個(gè)高技術(shù)群體飛速發(fā)展，從而使雕刻機(jī)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。雕刻機(jī)完成了從2D——2.5D——3D加工的變革，功能完善、性能穩(wěn)定、造型美觀和價(jià)格合理成為雕刻機(jī)研制的基本要求。

國(guó)外的雕刻機(jī)，如美國(guó)“雕霸”、法國(guó)“嘉寶”和日本“御牧”是此行業(yè)的佼佼者，但價(jià)格非常昂貴。不管大小都在10萬元各人民幣以上。近幾年國(guó)內(nèi)的雕刻機(jī)，北京“精雕”、上海“啄木鳥”在國(guó)內(nèi)也有一定的市場(chǎng)，但價(jià)格也不菲。

雕刻機(jī)的應(yīng)用在各行各業(yè)中的應(yīng)用已日益廣泛，然而國(guó)內(nèi)市面上出現(xiàn)的雕刻機(jī)，雖然性能較好，但價(jià)格也非常昂貴。普通的雕刻機(jī)都是萬元以上，令一些小單位及個(gè)人用戶望而卻步。

針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，所要求的雕刻機(jī)的性能亦不相同。本項(xiàng)目的目的就是利用PC機(jī)的并口等現(xiàn)有資源，提供一種低價(jià)，高效，簡(jiǎn)便的數(shù)控雕刻系統(tǒng)的解決方案。通過本項(xiàng)目的研究，可以為中小用戶，尤其是個(gè)人用戶提供低價(jià)的雕刻機(jī)，從而拓寬現(xiàn)有雕刻機(jī)的用戶群，普及國(guó)內(nèi)雕刻機(jī)。

本項(xiàng)目是為個(gè)人及小團(tuán)體用戶提供的一種價(jià)格低廉，性能適中的雕刻機(jī)。因此，它應(yīng)具有個(gè)人及小團(tuán)體用戶所需要的大部分功能。具體如下：

（1）       能夠制作線路間距在3mm以上，長(zhǎng)寬在25×20cm內(nèi)的電路板。

（2）       能夠制作空間在25×20×10cm內(nèi)的軟材料模型及模具。

（3）       能夠進(jìn)行廣告刻字。

（4）       提供簡(jiǎn)易的操作界面。

（5）       有安全保護(hù)措施。

（6）       精度在0.1mm以內(nèi)。

小型雕刻機(jī)的基本設(shè)計(jì)思想主要有以下幾點(diǎn)：

（1）應(yīng)用PC機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算功能，將譯碼、刀補(bǔ)、插補(bǔ)、加減速控制等放在PC上解決。最后PC上形成的是各向步進(jìn)電機(jī)的控制脈沖。

（2）應(yīng)用PC機(jī)的并口直接輸出各向步進(jìn)電機(jī)的控制脈沖，以控制工作臺(tái)的移動(dòng)。

（3）步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)采用集成的驅(qū)動(dòng)芯片。

（4）通過限位開關(guān)以及各運(yùn)動(dòng)方向的使能開關(guān)來保證雕刻機(jī)的安全工作。

小型雕刻機(jī)的基本設(shè)計(jì)原則主要有以下幾點(diǎn)：

（1）       在要求的性能指標(biāo)下，對(duì)于各應(yīng)用部件盡量選擇成品以降低成本。

（2）       產(chǎn)品設(shè)計(jì)得盡量的輕而小，電源符號(hào)市電要求。

（1）雕刻機(jī)工作方式的選擇

運(yùn)動(dòng)方式一般有兩種形式:一種是刀具既轉(zhuǎn)動(dòng)又進(jìn)行三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，另外一種方式是刀具只進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)和垂直方向的上下運(yùn)動(dòng)，而工作臺(tái)進(jìn)行水平兩個(gè)方向上的移動(dòng)。在這次設(shè)計(jì)中，選擇了第二種方式來進(jìn)行雕刻。若采用第一種方式，則會(huì)因?yàn)槿齻€(gè)方向的運(yùn)動(dòng)部件都集中在垂直升降機(jī)構(gòu)上，容易造成整個(gè)機(jī)構(gòu)重心過高，如果機(jī)構(gòu)底座質(zhì)量不足以承受雕刻過程

中產(chǎn)生的振動(dòng)，那就會(huì)影響雕刻的效果。而且這樣會(huì)造成整個(gè)機(jī)構(gòu)體積過于龐大，不利于安裝、搬運(yùn)和維護(hù)。

（2）主要直線傳動(dòng)元件的選擇

直線傳動(dòng)元件一般有兩種:同步帶和絲杠。因?yàn)橥綆鲃?dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)精度較高，目前的針式打印機(jī)和部分機(jī)械雕刻系統(tǒng)均采用同步帶作為直線運(yùn)動(dòng)原件。對(duì)于數(shù)控機(jī)床而言，直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)都采用絲杠，因?yàn)榻z杠傳動(dòng)精度高。因此，在本項(xiàng)目中，采用絲杠為直線運(yùn)動(dòng)元件，可達(dá)到預(yù)期的目的。而且絲杠作為標(biāo)準(zhǔn)件，只需按標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)及尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)和選用即可。

（3）PC機(jī)與機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的信號(hào)通訊方式的選擇

要開發(fā)通訊部分，就要進(jìn)行硬件的開發(fā)，就是要在計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間架設(shè)一座橋，進(jìn)行物理連接。要開發(fā)硬件，總的來說有兩種途徑:一條是自己動(dòng)手開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)接口卡，另一條途徑是在現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備的基礎(chǔ)上，稍加改進(jìn)而利用已有的標(biāo)準(zhǔn)接口卡進(jìn)行通訊。在第一種方法中，需要自己設(shè)計(jì)接口電路，勞動(dòng)量大，且在使用時(shí)要占用PC機(jī)的一個(gè)擴(kuò)展槽;若使用第二種方法，不但設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、危險(xiǎn)性小，而且節(jié)省計(jì)算機(jī)插槽空間。因此本設(shè)計(jì)采用PC機(jī)的并口進(jìn)行上下位機(jī)的通訊。

（4）總體方案的說明

綜合上面對(duì)各種方案的討論，我們確定的雕刻機(jī)的總體方案可簡(jiǎn)述如:

用戶采用我們研制的軟件導(dǎo)入在CAD軟件中產(chǎn)生的G代碼后，該軟件將對(duì)G代碼進(jìn)行譯碼、刀補(bǔ)處理、速度預(yù)處理、插補(bǔ)運(yùn)算，獲得包含X-Y-Z三個(gè)方向配合運(yùn)動(dòng)需控制字節(jié)的數(shù)據(jù)文件，即為雕刻數(shù)據(jù)，然后將控制字節(jié)逐個(gè)向打印口輸出，這樣與打印口相連的X-Y-Z三個(gè)方向的步進(jìn)電機(jī)就分別可以得到動(dòng)作信號(hào)，從而帶動(dòng)各自的執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生動(dòng)作。

我們?cè)O(shè)計(jì)采用的雕刻方式是:雕刻刀具只做高速旋轉(zhuǎn)和Z方向的進(jìn)刀、退刀運(yùn)動(dòng)，而X-Y工作臺(tái)帶動(dòng)工件作X, Y方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。刀具與工件的運(yùn)動(dòng)合成就可以得到所需圖案的輪廓。(工作原理圖見圖3-1)

本機(jī)的主要組成部分是:專用軟件，X-Y 二維工作臺(tái)及其驅(qū)動(dòng)放大電路、雕刻刀升降機(jī)構(gòu)(Z向)及其驅(qū)動(dòng)放大電路，以及雕刻刀。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                            圖3-1

（5）設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

根據(jù)各類個(gè)人用戶對(duì)雕刻機(jī)的需求，以及參考一些現(xiàn)有商品，初步確定了以下一些設(shè)計(jì)參數(shù)：

雕刻機(jī)的功能模塊包括軟件模塊、機(jī)械模塊和電氣模塊。

（1）軟件模塊

主要是在Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下研制一軟件，具有讀入g代碼、譯碼、刀補(bǔ)預(yù)處理、速度預(yù)處理、插補(bǔ)等功能，并最終通過PC機(jī)的并行口(即打印口)向步進(jìn)電機(jī)輸出控制信號(hào)，這是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，軟件好壞直接影響著最終的雕刻效果。

（2）機(jī)械模塊

主要是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，它是接收放大后的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)具體的雕刻動(dòng)作的機(jī)構(gòu)，它的設(shè)計(jì)必須考慮到既要實(shí)現(xiàn)功能，又要盡可能地小巧輕便。

（3）電氣模塊

連接PC機(jī)輸出和機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)的必要通道，它的主要作用是放大PC機(jī)產(chǎn)生的控制信號(hào)，使其能驅(qū)動(dòng)機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雕刻動(dòng)作，這對(duì)于能否將控制信號(hào)及時(shí)、準(zhǔn)確地放大并發(fā)送至步進(jìn)電機(jī)至關(guān)重要。電路的可靠性、穩(wěn)定性與可持續(xù)性是在設(shè)計(jì)中必須注意的三項(xiàng)指標(biāo)。

主要內(nèi)容是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、主軸電機(jī)的控制、限位開關(guān)的反饋、電源的設(shè)計(jì)等。

以上我們對(duì)小型雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)背景、功能需求進(jìn)行了詳細(xì)地分析，提出了本次設(shè)計(jì)的基本思想和基本原則，對(duì)雕刻方式、傳動(dòng)元件等方案的選擇進(jìn)行了簡(jiǎn)要的討論，并且按照小型雕刻機(jī)的總體工作流程進(jìn)行了功能模塊的劃分。后面我們將對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行具體的討