1、 XX 大学 xx 学院 xx 届 毕 业 设 计 (论 文 ) 简易三维雕刻机电控系统设计与分析 摘 要 本论文首先介绍数控雕刻机行业发展状况以及未来发展趋势，根据机电一体化设计原理、方法和原则自行设计了龙门式雕刻机，随后按照时间逻辑分别在雕刻机执行机构设计，控制电路原理设计，手控电路原理设计， PCB 设计，并口线定义和使用以及 CNC 控制原理作了详细的分析和论证。其中执行机构设计结合其机构部分与步进电机矩频曲线图选定了合适的两相混合式步进电机。步进控制系统设计基于市场上常见的驱动芯片 TB6560AHQ 与 A3997SED，设计步进电机驱动电路图与 PCB 板。自行设计了雕刻机手控逻
2、辑板，实现机构部分的手动控制，方便对刀和测试等调整工作。雕刻机使用 MACH3 软件实现计算机直接运动控制，运动控制信号通过接口电路和步进驱动电路，实现雕刻机 CNC 直接数控，实际样机在行程范围内（ 350 毫米 *300 毫米 *150 毫米），雕刻机能够实现 0.1 毫米的定位精度和 重复精度，并实际完成了若干复杂浮雕或刻字等实际测试，加工对象可以为尼龙、硬木、塑料等。 关键字： 雕刻机； 混合式步进电机； TB6560AHQ； PCB； MACH 3 ABSTRACT This paper introduces CNC engraving machine industry develo
3、pment situation and the future trend of development firstly. Gantry carving machine was self-designed according to the mechanical and electrical integration design principle, methods and principles. Then,mechanism design was executed in carving machine separately in accordance with the time logic. I
4、nclude control circuit principle design, manual control circuit principle design, PCB design. Parallel lines define and use and CNC control principle were Analysed and verified in detail. The suitable two phase hybrid step motor was selected combined its institutions part with step motor torque freq
5、uency curve. Step motor driver circuit diagram and PCB are designed based on the common drive chip TB6560AHQ and A3977SED on market. The carving machine manual control logic board realized the manual control of Institutions part. It is convenient for tool setting and testing adjustment, etc. The MAC
6、H3 software of carving machine realized the computer direct motion control. According to the interface circuit and stepping driving circuit controlled signal through the motion CNC engraving machine direct numerical control and the actual prototype in travel range(350mm*300mm*150mm)is achieved. Posi
7、tion accuracy of 0.1 mm and repeat precision can achieve by this kind of gantry carving machine. Several complex anaglyphs and lettering actual tests are completed. Processing object can be for nylon, hardwood, plastic, etc. Keywords： Engraving machine； Hybrid step motor； TB6560AHQ； PCB； MACH3 目 录 1
8、 绪论 . 1 1.1 雕刻机行业发展概况 . 1 1.2 雕刻机行业的特点 . 1 1.3 数控雕刻机的未来发展趋势 . 1 2 简易型三维雕刻机控制原理分析及方案提出 . 2 2.1 简易型三维雕刻机机构部分简介 . 2 2.2 两相混合式步 进电机的结构和控制原理 . 4 2.2.1 步进电机的分类 . 4 2.2.2 两相混合式步进电机的结构特点 . 4 2.2.3 两相混合式步进电机的控制原理 . 5 2.2.4 步进电机驱动技术概述 . 6 2.3 控制原理 . 7 2.3.1 控制系统 . 8 2.3.2 简易型三维雕刻机控制系统选择 . 9 3 简易型三维雕刻机控制系统设计 .
9、 10 3.1 简易型三维雕刻机 步进电机选择和分析 . 10 3.2 简易型三维雕刻机伺服系统方案设计分析 . 11 3.2.1 基于 A3997SED 芯片的雕刻机控制系统 . 12 3.2.2 基于 TB6560 芯片的雕刻机控制系统 . 17 3.2.3 简易型三维雕刻机伺服系统最终方案 . 22 4 简易型三维雕刻机手控逻辑电路设计 . 24 4.1 逻辑电路的构成原理 . 24 4.2. 手控逻辑电路设计 . 25 4.2.1 手控逻辑电路设计图 . 25 4.2.2 手控逻辑电路分析与操作 . 28 4.3 手控逻辑面板实物图 . 29 5 简易型三维雕刻机控制电路 PCB 板设
10、计 . 30 5.1 PCB 板的发展和介绍 . 30 5.2 PCB 设计原则与注意事项 . 31 5.2.1 一般遵循规则 . 32 5.2.2 布线的规则 . 33 5.2.3 焊盘 . 34 5.2.4 大面积填充 . 34 5.2.5 跨接线 . 35 5.2.6 接地 . 35 5.2.7 抗干扰 . 36 5.3 PCB 板图设计 . 38 6 并口线的定义和使用 . 40 6.1 并口的定义 . 40 6.2 并口的分类 . 40 6.3 25 针并口线的定义 . 41 6.4 并口在三维雕刻机轨迹控制系统中的应用 . 41 6.4.1 系统的组成 . 41 6.4.2 并口驱
11、动程序的设计 . 42 6.4.3 系统应用程序开发 . 44 7 简易型三维雕刻机控制电路 与计算机数据接口交换 . 44 7.1 数据交换 . 44 7.2 电脑接口板的设计 . 46 7.3 接口电路的逻辑输出和接线 方式 . 49 7.3.1 电流的衰减调节、细分调节、电流的输出调节 . 49 7.3.2 驱动板额定工作时的数据输出 . 50 8 论文总结与展望 . 51 参考文献 . 53 附 录 . 54 致 谢 . 54 1 1 绪论 1.1 雕刻机行业发展概况 雕刻加工是一项饱含着人类高智能和高技能的工匠型劳动，但手工雕刻需要专业的技术人员，并且生产效率低，导致雕刻产品昂贵。传
12、统的数控铣床、（ CNC）加工中心虽然可以取代人工雕刻机来提高效率，但其加工铜、铝等软质材料时存在着加工表面光洁度低、加工效率低等缺点，而高速 CNC 加工中心虽然可以克服以上缺点但价格昂贵，一般的厂家难以接受。随着计算机数控（ CNC）技术的发展，电脑雕刻机应运而生，和传统的 CNC 数控设备相比，有着转速高、加工软质材料效率高、表面光洁度高、性价比高等优 点，故当代雕刻制造技术正经历着从手工雕刻向电脑雕刻的革命。 1 雕刻机最早出现在欧美等发达国家中，主要应用于模具的生产。如美国“雕霸”、法国“嘉宝”和日本“御牧”，其设计和制造技术已相当成熟，品质也相当稳定。上世纪 80 年代，雕刻机开始
13、进入我国市场，由于具有很大的实用性，逐渐被越来越多的行业所采用，从原来应用于文字标牌的雕刻加工逐渐发展到石墨电极、装饰、木工家具、轻工、电子、机械、礼品、模具等行业。经过二十几年的发展，国内出现了一些生 产雕刻机的龙头企业，如北京“精雕”、上海“啄木鸟”、南京“威克”等。其中“精雕”是国内最早进入雕刻机生产行业的企业，该企业立足于产品精度的提高，其生产的雕刻机在精度保持上具有较大的竞争力。上海“啄木鸟”主要生产小型的广告雕刻机。南京“威克”是九十年代后才开始生产雕刻机的，但发展迅速，目前该公司所生产雕刻机的行程在国内是最大的，并且有不少型号的产品远销到欧美一些国家。 1.2 雕刻机行业的特点
14、近几年，中国的雕刻机市场发展史相当的迅速，从传统的手工雕刻到现在的机器雕刻，雕刻机给人们的生活带来了极大的变化。雕刻 机之所以发展的如此迅速，是和其鲜明的特点是密不可分的，主要特点：雕刻机行业的投资少，见效快；雕刻机操作方便，简便易学；雕刻机加工的范围广，前景开阔。 2 1.3 数控雕刻机的未来发展趋势 随着高速刀具技术以及 CAD/CAM技术的迅速发展，数控雕刻机也向着高精度、2 高速度和高自动化的方向发展。目前，数控雕刻机已经在各种行业都有着广泛的应用，由于涉及到的行业呈现多样化，这就决定了数控雕刻机必须向多功能化的方向发展，只有这样才能永葆生命力，满足市场的需求。在要求低成本、雕刻品质好
15、的前提下，高效、高可靠性也是其发展 的一个重大的趋势。 在雕刻机控制器硬件平台方面， 8/16 位的微处理器的架构不支持如嵌入式Linux 之类的操作系统，而且其计算速度和内存也不能满足现代化的要求。当前，32 位高性能微处理器已逐渐成为雕刻机控制系统中的核心处理芯片，其中 ARM以其低功耗、高性能、外围设备丰富和价格低等优势，已经在嵌入式系统应用领域中占主导地位。在雕刻加工技术方面，数字控制雕刻技术与图像建模技术等的结合，极大的简化了操作程序，提高了雕刻的工艺水平以及雕刻的效率，对数控雕刻机的雕刻品质和效率的追求依然是雕刻行业未来发展的重要目标。 3 2 简易型三维雕刻机控制原理分析及方案提
16、出 2.1 简易型三维雕刻机机构部分简介 雕刻机主要包括主轴和 Z轴部件、 X轴部件、 Y 轴部件和工作台几个部分，其装配效果图如图 2-1所示（ CATIA 制图）。 图 2-1 三维雕刻机整体效果图 3 以计算最大主切削力 FC，确定最大主轴转速 Vmax和输出转矩，选定主轴电机为 E240 主轴，功率 300W，转速 3000-1200r/min，扭矩 230N M。如图 2-2 所示 图 2-2 主轴电机实物图 根据 X和 Y 方向的负载条件，选定滚珠丝杠幅为 GD 系列，同时进行校核，根据负载转矩选定步进电机型号分别为 X轴 57BYGHH93， Y 轴为 57BYGH112， Z
17、轴为57BYGH78-401B，选择相应的轴承、联轴器、导轨、圆螺母、设计端盖等。 主轴部件：安装主轴电机、刀具的部件，实现机床的主轴主运动； Z轴部件：安装部件电机，承载主轴的重量，实现主轴在 Z 方向抬刀和下刀； X 轴部件：安装步进电机，承载 Z 轴和主轴重量，实现刀具在 X 轴方向的进给运动； Y轴部件：安装步进电机，承载 X、 Z轴和主轴重量，实现刀具在 Z轴方向的进给运动； 工作台：安装夹具，安放工件。 我们三 维雕刻机的工作范围为 X 300； Y 350； Z 150。 4 2.2 两相混合式步进电机的结构和控制原理 2.2.1 步进电机的分类 步进电机可以分为三大类： （ 1
18、）反应式步进电机（ Variable Reluctance，简称 VR） 反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。他的结构简单，成本低，步距角可以做的很小。单动态性能较差。 （ 2）永磁式步进电机（ Permanent Magnet，简称 PM） 永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。它的输出转矩大，动态性能好。转子的极数与定子的极数相同，所以步距角一般较大。需要给正负脉冲信号。 （ 3）混合式步进电机（ Hybrid，简称 HB） 混合式步进电机综合了反应式步进电机和永磁式步进电机两者的优点，它的输出转矩大，动态性能好，步距角小，但结构复杂，成本较高。
19、 混合式步进电机是一种十分流行的步进电机，他具有运行频率高、动态力矩大、波动小、运行平稳、低噪声、定位精度和分辨率高等优点，已广泛应用于诸如数控装置、机械手、商业机器、自动化仪器、印 刷、服装加工和包装装备、军事设备等机电一体化设备中。混合式步进电机主要包括两类，两相式和无相式。其中两相式最为常见，除具有以上优点以外，它还具有明显的零电流定位转矩，所以应用广泛。 4 2.2.2 两相混合式步进电机的结构特点 混合式步进电机由定子和转子两部分组成。最常见的定子有 4个极或 8个极，极面上均匀分布一定数量的小齿，极上的线圈可以两个方向通电，形成 A 相和A-相， B 相和 B-相。它的转子也由圆圈上均匀分布一定数量小齿的两片齿片组成，两片齿片中间夹有一个轴向充磁的环形永久磁钢。同一段转子片子上的所有齿都具有同向极性，而两块不通段的转子片间的极性相反。 5电机的轴向结构如图 2-3所示。转子被分为完全对称的两段，一段转子的磁力线沿定子表面穿过气隙回归到转子中去，称为 S极转子。从轴向看， N极的转子和 S 极的转子的齿中心线并不一致，而是彼此错开了半个齿距。此外， N 极与 S 极的转子构造完全相同。
