随着雕刻机技术的不断发展，其应用范围在不断扩大，可以加工的材料也越来越广泛，具有很好的发展前景。目前，我国雕刻机市场上云集了国内外多个着名雕刻机品牌的产品，其设计及制造技术、雕刻品质都已相当成熟和稳定，但其不菲的价格也在一定程度上阻碍了雕刻机技术的推广。本设计的目的就是在保证定的雕刻精度、速度、稳定性的前提下，开发种价格低廉、结构简单、易于上手的三维机械式雕刻机，以弥补市场产品线的空缺，满足市场需求。
1机械本体设计在保证整个系统机械刚性以及经济性的前提下，本设计采用龙门式结构，运动方式采用龙门架移动、工作台固定的运动方式。该布局，龙门及其上的X，z轴机构都要运动，因此运动惯性较大，要求Y轴步进电机的功率要大，但是工作台稳定，可以装夹质量较大的金属工件。如所示，由主轴组件在龙门架上进行左右移动（X向），实现雕刻宽度；由龙门架与Y轴滑块固定，在工作台上进行前后移动（Y向），实现雕刻长度；由主轴组件在龙门架上进行上下移动（Z向），实现雕刻深度。主轴部分采用直流电机链接钻夹头夹持刀具直接进行切削。在系统各个方向的传动件上我们均采用滚珠丝杠配合圆柱导轨的方式，保证了系统的精度。
2控制系统设计2.1系统控制方式分析雕刻机的控制系统主要由两部分组成：主轴系统和究方向：机电系统设计。
进给系统。根据被调量有无反馈可将控制系统分为闭环控制、半闭环控制、开环控制三种。闭环控制系统即一个输出经过反馈回路形成由输入和输出共同来控制的系统，其特点为控制精度高，通过将输出执行机构检测到得值与输入值比较来消除误差加工精度的影响，但它结构复杂、技术难度大、调试和维修困难、造价高。半闭环控制系统与闭环控制系统的区别就在于其反馈信号不是由最终执行机构测得，而是由最终执行机构的驱动系统测得。其控制性能介于闭环和开环之间，优于开环控制。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，稳定性较易保证，实现也较为容易。但是，采用半闭环控制，调试比开环复杂，造价也较开环高很多。开环控制系统既控制量与被控制量之间只有前向通路而没有反向通路，控制作用的传递路线不是闭合的。
其特点是结构简单、易于实现、控制精度较好、调试及维修方便、价格便宜。符合本设计任务精度不很高、负载变化也不大的控制要求，所以选用开环控制系统。
2.2控制系统整体设计目前，雕刻机的控制方式主要有两类：类是控制器只做驱动，而其它所有运算工作由计算机完成；另类是控制器采用单板机或单片机控制，这类控制器实际上就是一台电脑，所有控制及运算工作均有控制器完成。采用单板机或单片机作运动控制器，优势在于其控制精度及速度较高、扩展能力强，并且当雕刻机工作时电脑可以进行其他工作提高了工作效率，但是采用这种I方式的控制器其成本较高、技术难度较大、不易于维护。第一类控制方式的优点在于，易于实现、技术要求不高、便于维护、成本较低。虽然其控制精度及速度较第二类控制方式有所下降，但考虑到本设计对控制性能要求不高、更强调经济型、易于上手的要求，故本设计采用第一类控制方式。
在本设计中采用PC机加MACH3软件软模拟运动控制卡构成控制核心；步进电机及其驱动器构成进给系统；直流电机及PWM调速电路构成主轴运动系统；电源、接口板、各轴限位开关、原电开关及对刀器构成辅助系统。
在加工过程中，由PC机加MACH3软件构成的运动控制核心负责对载入的刀路文件进行处理，并将处理后的数据通过接口板发送到各轴向驱动器上控制各轴步进电机运动；由电源模块提供整个控制系统所需要的电力；由各轴限位开关、原电开关及对刀器来确定雕刻机各轴向的绝对零点坐标，并保证系统在安全的范围内进行工作；由直流电机及PWM调速电路构成主轴运动系统负责控制主轴的转速。控制系统工作原理如所示。
Mach3是一款对运行环境要求不高，一般的PC机就可以满足软件运行要求，在具有一般数控设备所需要的功能外，更具有很强的扩展能力。可根据用户需要外加诸如触摸屏、手动控制手柄等多种外围设备。软件界面显示信息丰富，形象便于上手，并且可由用户自行定制软件界面。目前，该软件以成功的运用于铣床、等离子电弧切割机、激光加工、雕刻机、切齿机等设备的数控系统中。Mach3软件界面如所示。
2.4部分硬件电路设计主轴直流电动机调速电路。其调速控制采用PWM脉宽调速电路来完成的。PWM调速具有系统的响应速度和稳定精度等指标比较好；电枢电流的脉动量小，容易连续，而且可以不必外加滤波电抗也可以平稳工作；系统的调速范围宽；使用元件少、线路简单等优点，同时又具有较高的性价比，是本雕刻机的首选。PWM的意思是脉宽调节，也就是调节方波高电平和低电平的时间比，占空比越大，高电平时间越长，则输出的脉冲幅度越高，即电压越高。反之，占空比为零则没有电压输出。所以通过调节占空比，可以实现调节输出电压的目的，从而实现了对电机转速的控制。
步进电机驱动电路。其功能为将接收到的频率、定子绕组通电状态变化次数以及控制方向的进给脉冲，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。本雕刻机的步进驱动系统在X、Y、Z三个方向上均采用TB6560AH步进电动机专用驱动器芯片作为驱动部件；并采用74CH123芯片构建自动半流电路，即在步进电机驱动器没有输入信号时自动将其电路中的电流值减半以降低功耗；并各向均采用微步细分方法实现对三坐标的驱动控制。从而在保证了系统速度与精度的同时，提高了雕刻机整体的稳定性降低了功耗。
接口板电路是整个雕刻机系统的神经中枢，其作用就是建立起PC与雕刻机间的通讯。在本设计中采用并行接口进行通讯。接口板中搭建了系统中所使用的传感器接口电路，并由74HC244芯片构成的两种电路分别实现了与四个轴向（其中一个轴向为预留）步进电机驱动器的通讯；以及手动控制模块，实现了雕刻机的点动控制，丰富了本雕刻机的功能。
电源部分电路。在其它同类型的雕刻机系统中，电源部分多采用开关电源供电。它具有效率高、电压范围宽、重量轻、体积小等特点，且市场上开关电源种类较多可选用现成的产品，但同时它的缺点也较为明显，过载能力差、电路结构复杂，故障率高，维修麻烦，价格较高。考虑到本设计中经济型和可靠性的要求，故采用变压器加稳压滤波电路（下转第187页）孔过程中送板方式落后，还有就是原来冲孔后靠人工码垛，工作效率低。针对以上这些问题，我们将原来的人工送板改造成靠伺服电机送板方式，在原冲孔出板辊道I后增加了3台设备，以实现自动码垛功能。在设备改造过程中，对控制系统进行了更新。操作界面采用了施耐德XBTGT2220触摸屏，可编程逻辑控制器选用了施耐德TWIDO系列PLC，通过CANOPEN总线控制伺服系统。整套系统使用CANOPEN实施通信。该设备改造费用总计为7万元左右。通过这些改造，减少了岗位工人数量（原来每班需要5个岗位工，改造后只需要2个岗：位工），降低了工人劳动强度，提高了工作效率，提高了成品率。
3结束语：通过以上两项技术改造的实施过程，我们深深的体会到技术改造对企业发展的重要性。“没有夕阳产业，只有夕阳技术”这句话应时刻鞭策着每个企业技术人员。
技术改造是企业发展永恒的主题！
境便于项目管理。该设备改造完成后，达到了对锯片运动坐标控制的数字化、程序化管理的要求。在维修方面由于具备了自身保护功能，如过流、过载、过压等都能及时报警及停止，减少了设备维修和故障诊断时间，提：高了生产效率。整个设备改造投入18万左右，取得了良好的经济效益。
2冲孔设备改造：公司有台为板材冲孔的设备，该设备与上面的锯床都是同一时期从国外引进的。原设备冲孔时板材运动是靠人员手动完成。即：通过转动转盘带动齿轮、齿轮：带动齿条、齿条上有气动夹子，夹子夹住板材带动板材运动来完成送板过程。这种送板方式很原始，工人劳动强度高，板定位精度差，工人在送板时就坐在压机旁边，噪音大，工作条件艰苦。这种类似于手工作坊的设：备很难适应现代化的生产模式。但该生产线上的其它相关配套的设备都还不错。上板设备为真空吸盘，通过送板辊道到达冲孔原始位置，冲孔用的四柱压机保养的也不错，冲切后的出板辊道也能达到使用要求，只是在冲（上接第185页）构成直流稳压电源供电。其具有的过载能力强、可靠性高、可做多路输出、价格较低等特点，在降低本设计成本的同时提高了系统的可靠性。
3结束语经实际雕刻验证，本雕刻机基本达到总体设计的要求，机械本体简洁，紧凑便于安装；本机控制系统稳定可靠、操作简单、易学易用、功耗较低；雕刻速度、精度都有较为满意的表现（为本雕刻雕刻样品：机雕刻样品）。同市场上现有三维Fig4Engravingsample123 1雕刻机相比，在同等精度要求下由于采用了PC加MACH3软件软模拟运动控制核心，整个雕刻机系统多采用现有部件组合而成，故在价格上具有明显优势；对使用者的技术要求很低，具有很好的推广普及优势；采用PC加MACH3软件模拟运动控制核心，对刀路文件处理，各轴向运动控制都有很直观的表现，适用于初级教学使学生对数控技术有更直观的理解和认识。
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