经济型三维机械雕刻机的开发

　　随着计算机数控（CNC）技术及相关技术（AD/CAM/CAPP等）的发展，在有机玻璃、石材、铜、铝、木材等材料上进行文字、图形的雕刻加工，己用数控雕刻机进行。目前，国内三维雕刻机市场中的雕刻机可以分为国外进口和国产两种。

　　进口三维雕刻机，如美国“雕霸”、法国“嘉宝”和日本‘御牧“，其雕刻机的设计和制造技术己相当成熟，品质也相当稳定，但价格非常昂贵。国产的雕刻机，如北京”精雕“、上海”啄木鸟“，在国内也有一定的市场，但价格也不菲。为了填补市场产品线的空缺，满足市场的需要，我们进行了经济型三维雕刻机的开发工作。

　　1总体布局经济型三维雕刻机是指既具有三维雕刻机的功能和特点，又能够通过简化机械结构等方式降低生产成本的雕刻机。经济型雕刻机总体布局的基本要求有以下几点：必须满足加工范围、工作精度、生产率和经济性等各种要求；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。在经济、合理的条件下，尽量采用较短的传动链，以简化机构，提高传动精度和传动效率；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、热变形和噪声水平；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；能够确保安全；结构简单，合理可靠，便于加工和装配；体积小，质量轻，节约原材料，降低制造成本缩小占地面积，外型美观大方。

　　在充分考虑到布局的基本要求之后，确定的雕刻机总体布局如所示。在该布局中，立柱固定，雕刻头作横向和上下移动，工作台作纵向移动。

　　该布局的最大优势在于雕刻头运动精度较易保证，而缺点则是由于工作台移动，承载能力较差。

　　2数控系统设计数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统和轮廓控制系统。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，即在平面上不管加工零件的轮廓是由何种线段组成，加工时通常用小段直线来逼近曲线轮廓。而”雕“则是加工空间轮廓，则需要三坐标联动控制，根据轮廓形状和加工刀具形状的不同，”雕“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。因此，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。

　　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动机驱动的闭环控制方案的优点是可以达到很好的精度，能补偿机械传动系统中的各种误差，消除间隙干扰等对加工精度的影响。但它结构复杂、技术难度大、调试和维修困难、造价高。采用直流或交流伺服电动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动机驱动的开环控制。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、负载变化也不大，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、价格便宜和使用维修方便等优点，所以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动机驱动的开环控制；进给运动系统采用以步进电动机驱动的开环控制。

　　3机械本体设计机械本体部分是雕刻机的骨架，由底座、立柱、工作台、机头和主轴组件等部分组成。在保证整个系统的机械刚性的前提下，为了简化设计的结构，减轻整机质量，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乳制铝板制造，防护件用塑料件和钣金件制造，用标准的紧固件和定位销连接。

　　雕刻机主运动结构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动机带动主轴机构。由于采用专用的雕刻头必须配以与之配套的变频调速装置，价格相对昂贵，因此，经济型的雕刻机则不宜采用。由于直流电动机具有调速范围宽、特性呈线性、快速反应等特点，故优先选用直流电动机带动主轴机构的方案。直流电动机和主轴组件之间采用平皮带升速传动，可选择合适的传动比（=2）刀具的回转精度和轴向窜动的控制由主轴组件保证，降低了直流电动机转速和精度等性能的要求，同时也可隔断电动机振动的传递并起过载保护作用。

　　雕刻机的进给运动结构方案采用横梁固定、工作台移动实现相对运动的方式，机头在横梁上移动（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。各运动链中传动件均采用滚珠丝杠副。步进电动机通过同步带和滚珠丝杠副连接，可选择合适的传动比和隔断电动机振动，保证运动的传递平稳，结构较为紧凑。各运动链中支承件均采用滚动直线导轨副。

　　4控制系统设计41硬件设计雕刻机的硬件设计主要包括主控芯片选择、主轴电动机控制方案设计、进给驱动控制方案设计、传感器选择和通讯接口方案设计。

　　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E-PROM，用于存放液晶显示的字库；扩展256B的E2PROM用来存放雕刻机的一些主要工作参数，如主轴转速、雕刻速度等；扩展128IKB的SRAM用于存放计算机发送来的雕刻图形数据。CPU通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。CPU也通过扩展I/O端口完成控制功能，如控制液晶模块实时显示机器当前的工作状态，向三方向的步进电动机驱动器发送脉冲信号等。工作原理如所示。

　　主电动机的调速控制是通过PWM驱动装置来完成的。PWM驱动装置具有可控器件少，线路简单；调速范围宽快速性好；电流波形系数好；功率因素高和效率高；体积小，质量轻，寿命长；频带宽，滞后小，非线性小；对环境敏感度低等优点，同时又具有较高的性价比，是经济型雕刻机的首选。PWM驱动装置是利用功率晶体管的开关特性来步进式伺服系统主要由步进电动机和步进电动机驱动控制电路两部分组成，其结构如所示。其功能为将具有一定频率/、定子绕组通电状态变化次数N和方向的进给脉冲，转换成控制步进电动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/和方向送给步进电动机，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。步进驱动系统在X、Y两方向上主要采用高性能步进电动机专用驱动器，Z向采用步进电动机专用驱动器芯片A3955作为驱动部件，各向均采用微步细分方法实现对三坐标的驱动控制。这样既兼顾了雕刻速度和雕刻精度，同时也提高了雕刻机整体的平稳性和使用寿命。

　　正向迸给脉冲电混路脉冲反向进给1加分减配脉屯减速电分配率放进电动移部件脉冲路器机雕刻机中的传感器主要是用来确定雕刻机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。因此，可选用二值型无接点型传感器，二值就是1（开）和（关），当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。

　　要将计算机中的需要雕刻的图形数据传到雕刻机中，就需要进行计算机与雕刻机之间的通讯。目前雕刻机中常用的通讯接口主要有并行接口和串行接口。同并行接口相比，串行接口虽然传输的数据量较小，但可靠性更高，且在接收数据的过程中，数据传输和雕刻是同时进行的。在本系统中，由于雕刻机是按照矢量图形轨迹进行雕刻加工的，数据量不是很大，同时选用的单片机AT89C52内部己经集成了一个全双工的串行接口模块，只要外扩一片MAX232就能和PC机进行数据通讯，硬件电路很容易实现。因此，采用串行接口进行数据通讯，不仅能提高系统的可靠性，还能降低成本。

　　42插补算法设计插补有直线插补、圆弧插补、抛物线插补和螺旋线插补等多种方式。直线插补算法简单比较适合应用于单片机系统。传统的几种直线脉冲量插补算法每次定时中断只对一个或最多两个坐标进行插补，不仅效率低下，精度也不高，三维雕刻机上运用效果不太理想。因此，要实现三坐标控制三坐标联动，使之能够兼顾雕刻的速度和精度，就需要一种新的插补算法。

　　本设计中，采用的是基于Bresenham算法的直线脉冲量插补方法，在三维情况下生成空间直线。同传统的几种直线脉冲量差补算法相比，基于Biesenham算法的直线脉冲量插补方法具有以下优点：1）插补效率高。由于该算法可以在一次定时中断中同时对三个坐标进行计算处理，因此效率大大提高了；2）插补误差小。对于二维直线，最大理论误差为0.5；对于三维直线，最大理论误差为2/2经过编程应用，用该算法对空间曲线的直线插补取得了良好的效果。无论是在插补速度上，还是在插补精度上都具有明显的优势。它在确保加工精度的前提下，提高了运算的效率和雕刻机雕刻的效率，从而大大地提升了雕刻机的使用性能。

　　5结语经雕刻实验验证，本雕刻机基本上达到了总体设计的要求，机械本体部分简洁美观、结构紧凑、安装方便、质量较轻；智能电子控制部分安全可靠、操作简单、层次分明、易学易用。同市场上现有的三维雕刻机相比，由于优化了配置并采用新的高效率、高精度插补算法，在性能相仿的情况下具有较大的价格优势。即为用本雕刻机雕刻出来的样品。

　　当然，本雕刻机设计也存在一些不足之处，有待完善和改进，如驱动电路部分还有待改进，以便使恒转矩直流电动机的特性得以真正体现；电路板布线需进一步改进，使得板与板之间通讯连线短而少，同时使各插座的型式尽可能不同，避免错插现象的发生。