五軸雕刻機(jī)機(jī)電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【含CAD圖紙+三維建模+文檔】

五軸雕刻機(jī)機(jī)電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【含CAD圖紙+三維建模+文檔】,含CAD圖紙+三維建模+文檔,雕刻,機(jī)電,電機(jī),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),cad,圖紙,三維,建模,文檔 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 42 頁 共 42 頁 1 引言 1．1 課題的提出和研究意義 目前，制造業(yè)面臨市場的全球化和需求的多樣化，以及技術(shù)創(chuàng)新的加快，產(chǎn)品更新?lián)Q代快、周期短，生產(chǎn)多品種、中小批量的生產(chǎn)比重明顯增加。同時(shí)隨著航空業(yè)、汽車市場和輕工業(yè)的快速發(fā)展，復(fù)雜形狀的零件越來越多，精度要求也不斷增加。此外，激烈的市場競爭要求產(chǎn)品的周期零件的更高要求越來越短，多樣化、柔性化與復(fù)雜形狀零件的高效、高質(zhì)量加工要求，使得傳統(tǒng)的加工設(shè)備和手段難以適應(yīng)。 五軸數(shù)控機(jī)床集計(jì)算機(jī)控制、高性能伺服驅(qū)動和精密加工于一體，可高效、準(zhǔn)確完成復(fù)雜曲面的加工，特別是在加工葉輪、葉片、船用螺旋槳及大型柴油機(jī)曲軸等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。五軸聯(lián)動數(shù)控技術(shù)，是數(shù)控技術(shù)難度最大 適用范圍最廣的技術(shù)，但高精度的機(jī)床配合高價(jià)出售，其不菲的價(jià)格也是大多加工企業(yè)難以承受，也讓推廣五軸加工技術(shù)受到一定程度的阻礙。 本課題基于五軸加工原理，開發(fā)一種經(jīng)濟(jì)、適應(yīng)性強(qiáng)的五軸雕刻機(jī)，可應(yīng)用于加工材質(zhì)較軟 精度要求不高的零件，如木材 塑料及鋁合金等材質(zhì)零件。能適應(yīng)一些球類，曲線類的復(fù)雜零件加工，另外可以更換刀頭，在條件允許的情況下，可以完成鉆、銑、切割等。同時(shí)還可以通過軟件系統(tǒng)的控制和G代碼控制配合制作出一些實(shí)體零件等。 1．2 五軸雕刻機(jī)的發(fā)展歷程 可以追溯到遠(yuǎn)古時(shí)期，母系氏族時(shí)期的半坡氏族文化的“人面網(wǎng)紋盆”便是雕刻的雛形。在我國北宋時(shí)期便發(fā)明了活字印刷，這里刻的字應(yīng)屬于雕刻的范疇。隨著時(shí)代的發(fā)展，我國的雕刻藝術(shù)日益精湛，玉雕、象牙雕、紅木雕、篆刻泥人雕等手工雕刻技術(shù)都可以堪稱一絕。 傳統(tǒng)雕刻加工業(yè)是一門技術(shù)性要求很高的手工技藝， 雕刻品的質(zhì)量完全取決于雕刻師的技藝水平， 所以生產(chǎn)的效率低、成本高， 制品的隨意性強(qiáng)、一致性差，嚴(yán)重制約了雕刻行業(yè)的發(fā)展。這使得雕刻機(jī)的產(chǎn)生成為必然。 上世紀(jì)90年代至今，機(jī)械雕刻獲得了前所未有的發(fā)展。從最初的刻字機(jī)、刻章機(jī)再到三維雕刻機(jī)，制作工藝也日漸成熟，應(yīng)用范圍也日漸廣泛。大到樓房建筑的裝飾，小到商店門前的招牌，乃至很多產(chǎn)品的標(biāo)識銘牌，可謂雕刻的使用無處不在。 1938年世界第一臺手動雕刻機(jī)在法國“嘉寶”問世，1950“嘉寶”生產(chǎn)出世界第一臺真正意義的電動、可縮放比例的手動雕刻機(jī)。隨后一些歐美國家也開始研制。20世紀(jì)90年代，隨著電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)，直接推動微型計(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)帶動整個高技術(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加工逐漸擴(kuò)展到5D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。 雕刻機(jī)主要有仿形雕刻機(jī)和計(jì)算機(jī)數(shù)控雕刻兩大類，以完成有互換性要求的雕刻加工和模具雕刻加工。仿形雕刻的出現(xiàn)為雕刻的工業(yè)應(yīng)用起到了巨大的推動作用，尤其是圖案和文字的雕刻加速了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為雕刻在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。但是機(jī)械仿形雕刻仍是一種手動雕刻，它在加工效、加工能力、計(jì)算機(jī)接口等方面存在明顯的缺陷，阻礙了雕刻技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)中的廣泛應(yīng)用。 隨著工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)速度的加快，尤其是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的廣泛應(yīng)用，工業(yè)產(chǎn)品的形態(tài)更加豐富，變化更加迅速，對制造設(shè)備提出了新的要求。這就使以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造（CAD/CAM）技術(shù)、技術(shù)及數(shù)控技術(shù)（CNC）為核心的數(shù)控雕刻技術(shù)成了雕刻加工發(fā)展的主流。如圖1-1為雕刻機(jī)的發(fā)展歷程。 雕刻機(jī) 手動雕刻機(jī) 自動雕刻機(jī) 復(fù)雜曲面 傳統(tǒng)工藝 球類零件 激光雕刻系統(tǒng) 機(jī)械雕刻系統(tǒng) 仿形雕刻系統(tǒng) 數(shù)控雕刻系統(tǒng) 圖1-1為雕刻機(jī)的發(fā)展歷程 現(xiàn)在雕刻機(jī)以其低的價(jià)格和較高的生產(chǎn)加工效率，被廣泛運(yùn)用在木工業(yè)、石材業(yè)、廣告業(yè)、飾品業(yè)、家具裝潢業(yè)等行業(yè)領(lǐng)域。 我國近年來制造業(yè)的迅速發(fā)展，數(shù)控雕刻機(jī)產(chǎn)業(yè)也獲得了良好的發(fā)展機(jī)遇，有效地促進(jìn)了我國數(shù)控雕刻機(jī)的生產(chǎn)、推廣和應(yīng)用。我國的數(shù)控雕刻機(jī)起步于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，隨著數(shù)控技術(shù)的進(jìn)步，經(jīng)過十年的發(fā)展，已形成了多個國產(chǎn)牌的雕刻機(jī)，如上海洛克公司生產(chǎn)的“啄木鳥”數(shù)控雕刻機(jī)、北京精雕公司生產(chǎn)的“精雕”數(shù)控雕刻機(jī)和南京科能公司生產(chǎn)的“威克”數(shù)控雕刻機(jī)等。上述各類雕刻機(jī)的機(jī)床本體機(jī)構(gòu)簡單，控制器大多借鑒國外新技術(shù)，采用基于高檔的微控制器或PC的數(shù)控系統(tǒng)，伺服部分多以步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動為主，可獲得中等控制精度，但價(jià)格比較便宜，因此整機(jī)的性價(jià)比不是太高，適用于精度不太高的普及應(yīng)用場合。至于高精度的加工，目前國內(nèi)進(jìn)口的數(shù)控雕刻機(jī)以一些國際知名品牌為主，如美國“雕霸”、法國“嘉寶”和日本“御牧”都是此行也得佼佼者，但價(jià)格十分昂貴。這類數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)床本體設(shè)計(jì)剛度好、精度高，采用伺服電機(jī)驅(qū)動，加工精度高，控制系統(tǒng)功能全、可靠性高，但價(jià)格昂貴，往往數(shù)倍于國產(chǎn)產(chǎn)品。因此這類產(chǎn)品主要運(yùn)用于制造高精度模具等場合。 1．3 雕刻機(jī)的發(fā)展趨勢 隨著時(shí)代的快速發(fā)展，普通的三軸數(shù)控機(jī)床已滿足不了人們對加工在 20世紀(jì)60年代，一些發(fā)達(dá)國家開始研制五軸數(shù)控機(jī)床。五軸雕刻機(jī)相對三軸雕刻機(jī)有著一次裝夾可以完成全部或大部分加工任務(wù)的優(yōu)勢。由于能夠?qū)崿F(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動軸與直線運(yùn)動軸聯(lián)動，五軸雕刻機(jī)還可以在回轉(zhuǎn)體毛坯上進(jìn)行雕刻加工，這是三軸雕刻機(jī)無法做到的。此外，五軸雕刻機(jī)還能夠提高空間自由曲面的加工精度、質(zhì)量和效率。但是五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)、昂貴的硬件成本以及復(fù)雜的機(jī)床結(jié)構(gòu)一直是困擾五軸雕刻機(jī)迅速發(fā)展的瓶頸。而數(shù)控系統(tǒng)的迅速發(fā)展，已經(jīng)能滿足多軸聯(lián)動技術(shù)的要求，必將推動五軸雕刻機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展。 未來五軸雕刻機(jī)方向概括如下： （1）高速高精度化：現(xiàn)在國內(nèi)雕刻機(jī)大多數(shù)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的開環(huán)系統(tǒng)，位置控制和加工精度不高。今后，雕刻機(jī)硬件控制部分將向半閉環(huán)、全閉環(huán)方向發(fā)展，使用伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，通過檢測回饋信號對誤差進(jìn)行補(bǔ)償，從而提高加工精度和加工速度。 （2）人性化界面：隨著規(guī)?；a(chǎn)的需求，更加簡潔，人性化的操作界面將成為今后雕刻機(jī)的一個發(fā)展趨勢。企業(yè)能更好運(yùn)用與實(shí)際生產(chǎn)中，使員工能一人控制多臺雕刻機(jī)成為可能，便于提高企業(yè)生產(chǎn)效率。 （3）多軸聯(lián)動技術(shù)：目前雕刻機(jī)主要以三軸雕刻機(jī)為主，未來將以五軸雕刻機(jī)為代表多軸聯(lián)動的數(shù)控雕刻機(jī)也是一個主要發(fā)展方向。 1．4 五軸雕刻機(jī)的特點(diǎn) 五軸雕刻機(jī)是采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動機(jī)，多數(shù)采用開環(huán)控制的簡易數(shù)控系統(tǒng)。它具有價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、性價(jià)比高等特點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，PC機(jī)的性能不斷提高，硬件配置更加靈活并且軟件資源的日益豐富，價(jià)格卻不斷下降。目前經(jīng)濟(jì)型數(shù)控雕刻機(jī)的系統(tǒng)正逐漸過渡到以PC機(jī)為控制核心的發(fā)展方向。由于這種系統(tǒng)性價(jià)比高，因而被廣泛地應(yīng)用于機(jī)床產(chǎn)品升級換代和普通機(jī)床的技術(shù)改造上。 基本特點(diǎn)如下： （1）適用性廣：它能適應(yīng)各種復(fù)雜加工，尤其是復(fù)雜曲面的加工，特別是在加工葉輪、葉片、船用螺旋槳及大型柴油機(jī)曲軸等。因此，它被廣泛運(yùn)用在汽車工業(yè)、航天工業(yè)、制船業(yè)，此外還有浮雕、根雕、家具市場等。 （2）功能實(shí)用：采用五軸聯(lián)動機(jī)床加工模具可以很快的完成模具加工，交貨快，更好的保證模具的加工質(zhì)量，使模具加工變得更加容易，并且使模具修改變得容易。在傳統(tǒng)的模具加工中，一般用立式加工中心來完成工件的銑削加工。隨著模具制造技術(shù)的不斷發(fā)展，立式加工中心本身的一些弱點(diǎn)表現(xiàn)得越來越明顯?，F(xiàn)代模具加工普遍使用球頭銑刀來加工，球頭銑刀在模具加工中帶來好處非常明顯，但是如果用立式加工中心的話，其底面的線速度為零，這樣底面的光潔度就很差，但使用、五軸聯(lián)動機(jī)床加工技術(shù)加工模具，可以克服上述不足。 （3）性價(jià)比高：由于是五軸聯(lián)動，讓工件的裝夾變得容易。加工時(shí)無需特殊夾具，降低了夾具的成本，避免了多次裝夾，提高模具加工精度。采用五軸技術(shù)加工模具可以減少夾具的使用數(shù)量。另外，由于五軸聯(lián)動機(jī)床可在加工中省去許多特殊刀具，所以降低了刀具成本。五軸聯(lián)動機(jī)床在加工中能增加刀具的有效切削刃長度，減小切削力，提高刀具使用壽命，降低成本。 （4）操作簡單：由于通過數(shù)控系統(tǒng)軟件進(jìn)行控制驅(qū)動，使得它比手動或一般的機(jī)床生產(chǎn)簡單，在一些功能參數(shù)的設(shè)置上也變得簡單易用。通過培訓(xùn)學(xué)習(xí)，能適合不同層次的用戶的實(shí)用，對它的推廣與運(yùn)用提供了良好的平臺。 1．5 本課題的研究內(nèi)容 本課題的主要內(nèi)容是經(jīng)濟(jì)型五軸雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)、制作以及驅(qū)動。雕刻機(jī)由自己三維建模制作出來，然后采取合理的驅(qū)動方案以及一些設(shè)備軟件的選取來完成雕刻機(jī)最終的運(yùn)動、調(diào)試、優(yōu)化、雕刻等等。 2 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 制作一個五軸的雕刻機(jī)首先要提出一個合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方案包括一些設(shè)計(jì)要求，然后通過三維建模的方式將結(jié)構(gòu)畫出來，最后加工裝配起來。接下來的設(shè)計(jì)主要是為了能夠驅(qū)動雕刻機(jī)，這個又需要設(shè)計(jì)一個合理而且經(jīng)濟(jì)的方案。 2．1 五軸雕刻機(jī)基本原理 五軸雕刻機(jī)加工中心大多是3 + 2的結(jié)構(gòu), 即 x, y, z三個直線運(yùn)動軸加上分別圍繞 x, y, z軸旋轉(zhuǎn)的 a, b , c三個旋轉(zhuǎn)軸中的兩個旋轉(zhuǎn)軸組成。這樣,從大的方面分類, 就有x, y, z , a , b ; x, y, z , a , c ; x, y, z , b, c三種形式;由二個旋轉(zhuǎn)軸的組合形式來分,大體上有雙轉(zhuǎn)臺式、 轉(zhuǎn)臺加上擺頭式和雙擺頭式三種形式。這三種結(jié)構(gòu)形式由于物理上的原因,分別決定了機(jī)床的規(guī)格大小和加工對象的范圍。其中,雙轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動機(jī)床由于在加工工件時(shí)工件需要在兩個旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動,所以只適合加工小型零件,如小型整體渦輪、 葉輪、 小型精密模具等,由于結(jié)構(gòu)最為簡單,所以相對價(jià)格較為低廉,就應(yīng)用來講,這是數(shù)量最多的一類五軸數(shù)控機(jī)床。 雕刻機(jī)一般由機(jī)架、工作臺、刀頭、運(yùn)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。雕刻作業(yè)時(shí)刀頭相對工作臺沿X、Y、Z 軸進(jìn)給。五軸雕刻機(jī)的工作原理圖如圖2-1所示 PC機(jī) 運(yùn)動控制卡 接口 X軸伺服電機(jī) Y軸伺服電機(jī) Z軸伺服電機(jī) A軸伺服電機(jī) B軸伺服電機(jī) X軸絲杠 Y軸絲杠 Z軸絲杠 A軸電機(jī) B軸電機(jī) 完成雕刻 圖2-1為五軸雕刻機(jī)的工作原理圖 電腦通過接口，直接將步進(jìn)電機(jī)的控制信號輸出給雕刻機(jī)控制器。而目前經(jīng)濟(jì)型控制電腦可以通過軟件（如mach2)等，從并口分別送出以下的信號給雕刻機(jī)控制箱： X軸的步進(jìn)脈沖（脈沖頻率越高，速度越快） X軸的方向信號（正向或反向） Y軸的步進(jìn)脈沖（脈沖頻率越高，速度越快） Y軸的方向信號（正向或反向） Z軸的步進(jìn)脈沖（脈沖頻率越高，速度越快） Z軸的方向信號（正向或反向） A軸的步進(jìn)脈沖（脈沖頻率越高，旋轉(zhuǎn)速度越快） A軸的方向信號（正向或反向） B軸的步進(jìn)脈沖（脈沖頻率越高，旋轉(zhuǎn)速度越快） B軸的方向信號（正向或反向） 進(jìn)步電機(jī)的使能信號（電機(jī)是啟用，或是停用，如果是停用，電機(jī)會完全松下來不會鎖死。連接電腦工作時(shí)會啟用電機(jī)）?？刂葡鋵⑦@些信號處理后，輸出驅(qū)動信號直接給X，Y，Z ，A，B五只步進(jìn)電機(jī)。 2．2 五軸雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)要求 本次課題提出對五軸雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即使五軸雕刻機(jī)實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動，能又使得五軸雕刻機(jī)在驅(qū)動軟件的驅(qū)動條件下進(jìn)行小型零件的加工，機(jī)械結(jié)構(gòu)作為雕刻機(jī)的硬件部分，對雕刻機(jī)的加工過程、刻字效果等有著重要的影響。 因此需要滿足一下幾點(diǎn)： （1）五軸雕刻機(jī)能通過數(shù)控代碼，實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動，確保實(shí)現(xiàn)既定工藝方法所要求的工件和刀具的相對位置與相對運(yùn)動。在經(jīng)濟(jì)合理的條件下，盡量采用較短的傳動鏈，以簡化機(jī)構(gòu)，提高傳動精度和傳動效率； （2）機(jī)床具有一定的剛性、抗振性、熱變形及噪音水平，能夠滿足加工塑料、木料等零件的要求； （3）機(jī)床首先必須滿足如加工范圍、工作精度、生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)性等各種要求； （4）機(jī)床結(jié)構(gòu)簡單經(jīng)濟(jì)，便于觀察加工過程，能便于操作、調(diào)整、校正、維護(hù)和維修。 2．3 五軸雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)方案分析 通過以上五軸雕刻機(jī)工作原理的分析，以及已給的設(shè)備，對五軸雕刻機(jī)進(jìn)行的一下兩種方案，如下圖（圖2-2是傳統(tǒng)五軸雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)方案，圖2-3是根據(jù)傳統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的新的方案） 圖2-2傳統(tǒng)五軸雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)方案 圖2-3是新型五軸雕刻機(jī)方案 兩種方案相比較來說，傳統(tǒng)方案對工作臺的要求較高，它的工作臺需要兼顧三種運(yùn)動，這樣對加工零件的約束性不較大，因此通用性不太好，適用性不強(qiáng)，適合固定零件的生產(chǎn)。但它的結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性強(qiáng)。而新型方案中，對傳統(tǒng)方案的一種改進(jìn)，它主要針對工作臺進(jìn)行調(diào)整，使得工作臺兼顧兩種運(yùn)動，將擺動運(yùn)用到擺臂上，這樣能減小對加工零件的約束性，擴(kuò)大了加工范圍，通用性更強(qiáng)，比較符合現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)需要，但這樣結(jié)構(gòu)相對來說比較復(fù)雜，對擺臂的受力要求提高。 本次課題中的五軸雕刻機(jī)運(yùn)用新型結(jié)構(gòu)，它的主要幾何結(jié)構(gòu)由以下幾部分組： （1）底座部分 作為雕刻機(jī)整機(jī)的基礎(chǔ)，承擔(dān)整個機(jī)體的重量，要求穩(wěn)定堅(jiān)固，底座由底下的四只腳與地面接觸； （2）工作臺部分 工作臺部分由工作臺、Y方向的絲杠和導(dǎo)軌以及支架組成。工作臺作為雕刻工作時(shí)承載雕刻物體的部件，表面有T型溝槽，由絲杠驅(qū)動，導(dǎo)軌導(dǎo)向，還可以旋轉(zhuǎn)； （3）橫梁部分 橫梁由X方向的絲杠和導(dǎo)軌以及支架組成。橫梁承載機(jī)頭的重量，驅(qū)動機(jī)頭動，容易彎曲變形，在結(jié)構(gòu)仿真和運(yùn)動仿真中是重要的分析對象； （4）機(jī)頭部分 機(jī)頭部分由主軸組件、Z方向的絲杠和導(dǎo)軌以及支架組成。絲杠驅(qū)動主軸組的上下運(yùn)動，主軸組件在加工過程中直接帶動雕刻機(jī)頭的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動； （5）擺臂部分 擺臂部分由兩塊擺臂架組成。它與橫向運(yùn)動的Y軸以及法蘭盤相連接，而法蘭盤和軸承配合與支架進(jìn)行組合運(yùn)動，同時(shí)法蘭盤與旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過剛性聯(lián)軸器進(jìn)行配合連接，從而使得旋轉(zhuǎn)電機(jī)可以控制擺臂部分。 2．4 建模設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)中主要運(yùn)用了平面機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)是一個構(gòu)建系統(tǒng)，為了傳遞運(yùn)動和動力，機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件之間應(yīng)具有確定的相對運(yùn)動。但任意拼湊的構(gòu)件系統(tǒng)不一定能發(fā)生相對運(yùn)動，即使能夠運(yùn)動，也使能夠運(yùn)動，也不一定具有確定的性對運(yùn)動。討論機(jī)構(gòu)滿足什么條件，構(gòu)件間才具有確定的相對運(yùn)動，對于分析現(xiàn)有機(jī)構(gòu)或設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)都是很重要的。機(jī)構(gòu)是由許多構(gòu)件組成的，機(jī)構(gòu)中的每個構(gòu)架都以一定的方式與另一些構(gòu)件相連。這種連接不是固定連接，而是具有一定相對運(yùn)動的連接。因此需要考慮選擇怎樣的機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。 通過對機(jī)構(gòu)的分析和對比，我們選用絲杠，平面機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn)動這種機(jī)構(gòu)。建模步驟如下（以下零件詳圖見最后附圖）： （1）根據(jù)旋轉(zhuǎn)電機(jī)設(shè)備的的要求，考慮到連接問題，我們選用聯(lián)軸器將法蘭盤與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相連。 （2）根據(jù)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的配合要求、實(shí)際市場的聯(lián)軸器型號以及軸承型號，將法蘭盤尺寸進(jìn)行定位。如下圖2-4、2-5所示（圖2.4為法蘭盤CAD尺寸圖 、圖2-5為實(shí)體圖）。 圖2-4 法拉盤CAD尺寸圖 圖2-5 法蘭盤實(shí)體圖 （3）根據(jù)旋轉(zhuǎn)電機(jī)中打孔的位置要求右圖，以及軸承、法蘭盤的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行支架的建模設(shè)定（如圖2-7），這樣可以將旋轉(zhuǎn)電機(jī)與支架進(jìn)行固定，對將設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)起到基礎(chǔ)定位作用和支撐作用。 圖2-6 旋轉(zhuǎn)電機(jī) 圖2-7 支架CAD尺寸圖 支架實(shí)體圖 （4）在根據(jù)法蘭盤，支架和旋轉(zhuǎn)電機(jī)的配合要求，以及支架的剛性要求，將支架的厚度進(jìn)行確定。 （5）在根據(jù)支架高度和法蘭盤尺寸要求，再考慮到橫向軸在實(shí)際中的加工，以及實(shí)際加工中的加工范圍，將擺臂進(jìn)行設(shè)定。如圖2-8（a）、（b）所示。 擺臂CAD尺寸圖（a） 擺臂實(shí)體圖（b） 圖2-8 擺臂 （6）然后根據(jù)橫向軸的距離，Y軸的距離，和實(shí)際加工的工作臺，再加上支架的厚度，進(jìn)行底板的設(shè)定。如圖2-9所示（a）圖為底板的尺寸圖，（b）圖為底板的實(shí)體圖。 （a）底板CAD尺寸圖 （b） 底板實(shí)體圖 圖2-9 底板 （7）接著對底板的工作臺進(jìn)行設(shè)定，根據(jù)底板的尺寸使用T形槽進(jìn)行加工裝配，如圖2-10為T形槽實(shí) 體圖。 圖2-10 T形槽實(shí)體圖 （8）已有的零件進(jìn)行實(shí)際測繪，并一起繪制三維實(shí)體圖。如下圖2-11分別是：（a）旋轉(zhuǎn)電機(jī)，（b）橫向X軸，（c）縱向Z軸。 （a）旋轉(zhuǎn)電機(jī)實(shí)體圖 （b） 橫向X軸實(shí)體圖 （c）縱向Z軸實(shí)體圖 圖2-11實(shí)體測繪實(shí)體圖 （9）為了加強(qiáng)擺臂部分的穩(wěn)定性，在兩個擺臂部分使用了加強(qiáng)板，如圖2-12所示分別為（a）加強(qiáng)板的尺寸圖，（b）加強(qiáng)板的實(shí)體圖。 （a）加強(qiáng)板的CAD尺寸圖 （b） 加強(qiáng)板實(shí)體圖 圖2-12 加強(qiáng)板 （10）模零件進(jìn)行裝配，如圖2-13。 圖2-13 五軸雕刻機(jī)裝配實(shí)體圖 2．5 加工各個零件以及通用件選擇 2.5.1 零件的材料分析 工程結(jié)構(gòu)或機(jī)械的各組成部分，如建筑物的梁和柱、機(jī)床的軸等，統(tǒng)稱為構(gòu)件。當(dāng)工程結(jié)構(gòu)或機(jī)械工作是，構(gòu)件將受到載荷的作用。在外力作用下，固體有抵抗破壞的能力，但這種能力優(yōu)勢有限度的。而且，在外力的作用下，固體的尺寸和形狀還將發(fā)生變化，成為變形。 為保證工程結(jié)構(gòu)或機(jī)械的正常工作，構(gòu)件應(yīng)有足夠的能力負(fù)擔(dān)起應(yīng)當(dāng)承受的載荷。因此，它應(yīng)當(dāng)滿足以下要求： （1）強(qiáng)度要求：在規(guī)定載荷作用下的構(gòu)件當(dāng)然不應(yīng)破壞。例如：沖床曲軸不可折斷，儲氣罐不應(yīng)爆炸。強(qiáng)度要求就是指構(gòu)件應(yīng)有足夠的抵抗破壞的能力。 （2）剛度要求：在載荷作用下，構(gòu)件即使有足夠的強(qiáng)度，但若變形過大，仍不能正常工作。例如：若齒輪軸變形過大，將造成齒輪和軸承的不均勻磨損，引起噪聲。機(jī)床主軸變形過大，將影響加工精度。剛度要求就是指構(gòu)件應(yīng)有足夠的抵抗變形的能力。 （3）穩(wěn)定性要求：有些受壓力作用的細(xì)長桿，如千斤頂?shù)穆輻U，內(nèi)燃機(jī)的挺桿，應(yīng)始終維持原有的直線平衡形態(tài)，保證不被壓彎。穩(wěn)定性要求就是指構(gòu)件應(yīng)有足夠的保持原有平衡形態(tài)的能力。 若構(gòu)件橫截面尺寸不足或形狀不合理，或材料選用不當(dāng)，將不能滿足上述要求，從而不能保證工程結(jié)構(gòu)或機(jī)械的安全工作。相反，也不該不恰當(dāng)?shù)丶哟髾M截面尺寸或選用優(yōu)質(zhì)材料，這雖然滿足了上述要求，卻多使用了材料和增加的成本，造成浪費(fèi)。材料的分析可以在滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求下，為設(shè)計(jì)既經(jīng)濟(jì)又安全的構(gòu)件，同時(shí)又減成本將提供理論基礎(chǔ)。 2.5.2 材料的選擇 在材料的選擇中，考慮到材料強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求，同時(shí)又考慮到材料的難易加工程度，還有價(jià)格合適的情況下，本次加工選用PVC板材和45號鋼。 在所加工的零件中，法蘭盤使用的是45號鋼，主要因?yàn)榉ㄌm盤與旋轉(zhuǎn)電機(jī)是通過剛性聯(lián)軸器進(jìn)行固定連接的，在強(qiáng)度和剛性滿足的條件下，比較合適。另外45號鋼也比較好加工。 而其他支架、擺臂、墊塊，底板則選用了PCV板，這次選擇了硬質(zhì)的PVC板，主要是因?yàn)橐准庸?，想改造也比較容易，同時(shí)這種材料的質(zhì)量比較輕，有利于減輕機(jī)床的整體重量，可以使整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性更好。 同時(shí)，在性能方面還具有表面硬度高抗刮傷性優(yōu)良；表面電阻值為10的6～10的8次方歐姆，具有優(yōu)秀的防靜電功能， 抗沖擊及耐化學(xué)溶劑性能突出；外觀靚麗，非常平整光滑；透光率達(dá)73%以上等特點(diǎn)。 根據(jù)用擺臂以及機(jī)床的整體重量的載荷要求，軸承則選用了常用滾動軸承6000和6001，如下圖2-14所示 圖2-14 軸承參數(shù) 軸承代號 基本尺寸/mm 基本額定動載荷Cr/KN 基本額定靜載荷Cor/KN d D B 6000 10 26 8 4.58 1.98 6001 12 28 8 5.10 2.38 工作臺則用T形槽，他的材料是鋁材板，主要考慮到T槽容易安裝，對物品的裝卸帶來方便。 2.5.3 連接件的選擇 根據(jù)零件的配合要求，選用的主要連接件有平頭螺栓，內(nèi)六角螺栓，聯(lián)軸器等，如下圖2-15、2-16所示 圖2-15 是所使用螺栓的基本情況 螺栓種類 尺寸型號 數(shù)量 用途 平頭螺栓 M3X15 3 縱軸與平臺的連接 內(nèi)六角螺栓 M5X30 8 擺臂與橫軸之間的連接 平頭螺栓 M4X30 8 支架與法蘭盤的連接 平頭螺栓 M6X30 4 底板與支架的鏈接 平頭螺栓 M6X15 8 縱軸平臺與刀頭部分的連接、加強(qiáng)板和擺臂連接 平頭螺栓 M4X15 4 橫軸與縱軸的連接 平頭螺栓 M4X55 4 旋轉(zhuǎn)電機(jī)與支架的部分的連接 平頭螺栓 M5X40 8 鋁板材與底板之間的連接 平頭螺栓 M5X50 4 底板、鋁板材與防震塊直接的連接 圖2-16 聯(lián)軸器的基本情況 類型 尺寸要求 用途 剛性聯(lián)軸器 D26L30 10*12 旋轉(zhuǎn)電機(jī)與法蘭盤之間的固定 2．6 五軸雕刻機(jī)的裝配 本章主要任務(wù)是對上述的零件進(jìn)行裝配，同時(shí)需求考慮在裝配過程中出現(xiàn)的問題，還需要考慮到整個機(jī)床結(jié)構(gòu)的工作性能。 2.6.1 裝配的概念 裝配是按規(guī)定的技術(shù)要求，將零件或部件進(jìn)行配合和聯(lián)系，使之成為半成品或成品的工藝過程。整機(jī)裝配是生產(chǎn)過程中的最后一個階段，它包括裝配、調(diào)整、檢驗(yàn)和試驗(yàn)等工作，且產(chǎn)品的最終質(zhì)量由裝配保證。 產(chǎn)品的質(zhì)量是以產(chǎn)品的工作性能，使用效果和壽命等綜合指標(biāo)來評定的。為保證產(chǎn)品的質(zhì)量，對產(chǎn)品提出了若干項(xiàng)裝配要求，這些裝配要求應(yīng)當(dāng)在裝配過程中予以保證。所謂裝配精度，就是產(chǎn)品裝配后的實(shí)際幾何參數(shù)、工作性能等參數(shù)與理想幾何參數(shù)、工作性能等參數(shù)的符合程度，即主要指各個相關(guān)零件配合面之間的位置精度，包括配合面之間為間隙或過盈的相對位置，以及由于裝配中零件配合面形狀的改變而需計(jì)及的形狀精度和微觀幾何精度(如接觸面的大小和接觸點(diǎn)的分布)。 2.6.2 裝配的基本工藝要求 對裝配的總要求是牢固可靠，不損傷元器件，不損傷涂覆層，不破壞元器件的絕緣性能。安裝件的位置、方向正確。具體要求如下： （1）應(yīng)保證實(shí)物與裝配圖一致。 （2）提交裝配的所有材料和零、部件(包括外構(gòu)件)均應(yīng)符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)文件要求，經(jīng)檢驗(yàn)合格后方可安裝。 （3）一般不允許對外購件進(jìn)行補(bǔ)充加工(圖紙有規(guī)定時(shí)例外)。 （4）裝配前應(yīng)對機(jī)械零、部件進(jìn)行清潔處理，消除附著的雜物，以防止先期磨損和造成額外偏差。 （5）機(jī)械零、部件在裝配過程中不允許產(chǎn)生裂紋、凹陷、壓傷和可能影響設(shè)備性能的其它損傷。 （6）相同的機(jī)械零、部件應(yīng)具有互換性。必要時(shí)可按工藝文件的規(guī)定進(jìn)行修配調(diào)整。 （7）固定連接的零、部件不允許有間隙和松動?；顒舆B接的零、部件應(yīng)能在正常間隙下，在規(guī)定方向靈活均勻地運(yùn)動。 （8） 必須仔細(xì)檢查裝配好的產(chǎn)品并保持清潔，否則使用時(shí)會造成機(jī)械和電氣故障。 2.6.3 裝配步驟 裝配步驟如下： （1）考慮到裝配的先后安裝順序和安裝的難易程度，首先將法蘭盤與6001軸承進(jìn)行裝配，首先將法蘭盤固定，然后進(jìn)行裝配，得到裝配體【1】。裝配過程如圖2-17所示。 圖2-17 裝配體【1】 （2）再將剛性聯(lián)軸器與裝配體【1】進(jìn)行裝配，并將聯(lián)軸器進(jìn)行鎖緊，使之與聯(lián)軸器進(jìn)行固定，等到裝配體【2】，裝配過程如圖2-18所示。 圖2-18 裝配體【2】 (3)為了便于安裝，將裝配體，先于螺栓相連接，為于擺臂連接打下基礎(chǔ)，形成裝配體【3】，裝配過程如圖2-19所示。 圖2-19 裝配體【3】 （4）將旋轉(zhuǎn)電機(jī)、墊塊與支架進(jìn)行裝配，首先將支架進(jìn)行固定，再將與之相連，得到裝配體【4】，裝配過程如下如圖2-20所示。 圖2-20 裝配體【4】 （5）將裝配體【3】與裝配體【4】進(jìn)行裝配，先將裝配體【3】進(jìn)行支撐固體，在進(jìn)行裝配，得到裝配體【5】，裝配過程如圖2-21所示。 圖2-21 裝配體【5】 （6）在進(jìn)行橫軸與擺臂的裝配，通過連接件將之連接，考慮到要與橫軸的螺栓的一致性和美觀的效果，選用內(nèi)六角螺栓，裝配得到【6】，裝配過程如圖2-22所示 圖2-22 裝配體【6】 （7）將另一個法蘭盤與軸承6001進(jìn)行裝配，得到裝配體，同裝配體【1】圖所示。 （8）將第7步中的裝配體與螺栓，支架進(jìn)行裝配，得到裝配體【7】，裝配過程如圖2-23所示。 圖2-23 裝配體【7】 （9）因?yàn)檠b配體的支架與比擺臂配合機(jī)床的擺動，因此為了減小阻力，增加穩(wěn)定性，將與第二個支架連接的法蘭盤的另一端加上軸承6000。裝配過程如圖2-24所示 圖2-24 裝配體【8】 （10）先將兩個支架放在同一水平面上，為了方便安裝，選用側(cè)向平放，然后在將裝配體【5】、【6】、【8】進(jìn)行順序裝配，得到裝配體【9】裝配過程如圖2-25所示 圖2-25 裝配體【9】 （11）根據(jù)尺寸要求，安裝底板，將底板先打4個M6的螺紋孔，然后在支架上對應(yīng)的位置打上同樣的孔，空的深度10mm左右。同時(shí)在側(cè)壁上也打上M6的螺紋孔，留著安放加強(qiáng)板。接著將裝配體【9】與加強(qiáng)板進(jìn)行連接，得到裝配體【10】，整個裝配過程如圖2-26所示。 圖2-26 裝配體【10】 （12）先將底板打M5的孔，安裝上T形槽的工作臺，得到的裝配體【11】如下圖2-27所示。 圖2-27裝配體【11】 （13）將底板裝配體【11】與裝配體【10】進(jìn)行裝配得到最后的機(jī)床的裝配體【12】，然后將旋轉(zhuǎn)電機(jī)部分的聯(lián)軸器鎖緊，結(jié)束裝配。裝配的最終成果如圖2-28所示。 圖2-28 五軸雕刻機(jī)的裝配實(shí)體【12】 （14）最后加上底板上的移動副和轉(zhuǎn)動副，這樣整個裝配過程到這里結(jié)束，得到裝配實(shí)體圖，如圖2-29(a)為建模裝配圖，（b）為實(shí)際裝配圖。 圖2-29 （a） （b） 縱觀整個裝配工藝過程，從熟悉產(chǎn)品的用途、性能、要求入手，到裝配系統(tǒng)圖的設(shè)計(jì)，然后根據(jù)裝配系統(tǒng)圖描述各裝配單元的組成和相互之間的關(guān)系，確定裝配方法、劃分裝配工序、規(guī)定工序計(jì)劃、設(shè)計(jì)工藝過程文件。整個過程不突出重點(diǎn)，而是從小處著手，消除積累誤差，這樣可以保證裝配精度，保證加工產(chǎn)品質(zhì)量，突出整體裝配工藝技術(shù)的重點(diǎn)及其重要性。 2.6.3 本次裝配中的注意要點(diǎn) 在本次裝配中應(yīng)該要注意一下幾點(diǎn)： （1）要注意剛性聯(lián)軸器的鎖緊順序，先于法蘭盤進(jìn)行鎖緊，裝配的最后一步再將剛性聯(lián)軸器的另一端與旋轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行鎖緊。 （2）在安裝軸承時(shí)，由于是過盈配合，注意不要直接敲擊軸承，應(yīng)使用套筒固定軸承外圈后進(jìn)行輕擊安裝。 （3）在手鉆進(jìn)行打孔時(shí)，應(yīng)首先確定孔的位置，然后手動點(diǎn)鉆，最后在點(diǎn)鉆的位置進(jìn)行打孔，注意手鉆的鉆頭位置要與打孔平面保持垂直。攻螺紋同樣也是需要螺紋刀頭與孔的平面垂直。 （4）在加工法蘭盤時(shí)，注意要與軸承配合的部分的精度要求，在上軸承時(shí)要保持接觸部分光潔。 （5）最后要注意裝配中位置固定，最好在水平度比較好的位置進(jìn)行安裝，這樣可以提高精度，避免裝配中出現(xiàn)比較大誤差。 2．7 對五軸雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)的調(diào)整 通過伺服電機(jī)的實(shí)際驅(qū)動，發(fā)現(xiàn)機(jī)床有明顯的震動，左端法蘭盤沒有完全固定，因此對上述問題做出以下改進(jìn)。 （1）在底板下加上防震的橡膠塊，有利于減少加工中震動，同時(shí)也有利于保護(hù)整體結(jié)構(gòu)。 （2）有于左端沒有軸肩，使法蘭盤完全不能固定，因此在法蘭盤的左側(cè)一端加上加上螺栓和墊片，使之與軸承相互固定。 3 驅(qū)動設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)要求 本課題的大體的驅(qū)動設(shè)計(jì)的方向就是選取一個合理的驅(qū)動方式來驅(qū)動雕刻機(jī)。而雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)里面又包括了各個部件的設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)都是根據(jù)具體的雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)來的。 3．1 驅(qū)動方式的選擇 一般對于雕刻機(jī)的驅(qū)動方式有兩種可供選擇：伺服-運(yùn)動控制卡，PC并口控制。具體選擇哪一種就要具體分析后才能知道。 運(yùn)動控制卡通常是采用專業(yè)的運(yùn)動控制芯片或DSP來滿足一系列運(yùn)動控制要求的控制單元，其可通過PCI、PC104等總線接口安裝到PC和工業(yè)PC上，可與步進(jìn)和伺服驅(qū)動器連接，驅(qū)動步進(jìn)和伺服電機(jī)完成各種運(yùn)動（單軸運(yùn)動、多軸運(yùn)動、多軸插補(bǔ)等），接收各種輸入信號（限位原點(diǎn)信號，sensor），可輸出控制繼電器、電磁閥、氣缸等元件。用戶可使用VC、VB等開發(fā)工具，調(diào)用運(yùn)動控制卡函數(shù)庫，快速開發(fā)出軟件。 運(yùn)動控制卡也因其功能強(qiáng)大、開發(fā)便利等優(yōu)勢已被廣泛運(yùn)用于切割機(jī)、點(diǎn)膠機(jī)、激光打標(biāo)機(jī)、電路板鉆/銑機(jī)、超聲波焊機(jī)、絲印機(jī)、AOI檢測機(jī)、飛針測試機(jī)、激光焊接機(jī)、雕刻機(jī)、噴繪機(jī)、快速成型機(jī)等測量與自動化設(shè)備領(lǐng)域。 針對我國主要存在的中低檔機(jī)床，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)仍具有相當(dāng)大的市場潛力。所以在研制經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)過程中，考慮提高系統(tǒng)性能的同時(shí)，如何盡可能多地減少硬件設(shè)計(jì)，降低成本，提高可靠性已經(jīng)成為大多人追求的目標(biāo)。而在PC并口的驅(qū)動方式下，系統(tǒng)中常規(guī)的位置控制模塊由主CPU依靠軟件完成，降低了硬件成本，提高了可靠性。況且運(yùn)動控制卡的成本比較昂貴，受到實(shí)驗(yàn)室的限制所以就選擇了PC并口來控制雕刻機(jī)。 PC并口控制采用并口輸出的方法來實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備的接口。標(biāo)準(zhǔn)并口具有12個輸出位（D0-D7、C0-C3），5個輸入位（S3-S7）。由于每路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器需要2個數(shù)字位（脈沖、方向）控制，五軸系統(tǒng)共占用10個數(shù)字輸出位。通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器放大并口輸出的脈沖和方向信號，使之驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。并口的輸入位用來檢測回零開關(guān)信號、限位開關(guān)信號以及急停輸入信號。但是由于輸入資源有限，采用將各個軸電機(jī)的正負(fù)限位和回零信號分別并聯(lián)的方法，每個并聯(lián)位各占用一個并口輸入位。具體結(jié)構(gòu)圖如圖3-1： 圖3-1.并口結(jié)構(gòu)圖 3．2 驅(qū)動器的設(shè)計(jì)方案 由該結(jié)構(gòu)圖可以看出需要三個步進(jìn)電機(jī)，所以先要選取步進(jìn)電機(jī)的型號。根據(jù)雕刻的加工范圍、加工精度和經(jīng)濟(jì)性等要求選擇了42BYGH121型號的步進(jìn)電機(jī)。具體參數(shù)如下： 額定電流：1A；額定電壓：12V-24V；導(dǎo)程：8mm；步距角：1.8°；脈沖當(dāng)量：0.04mm；行程：20cm；扭矩：3kg/cm。步進(jìn)電機(jī)的最大速度與最大加速度是通過測試得出的，測試的方式與結(jié)果見第五章的詳細(xì)介紹。 另外旋轉(zhuǎn)電機(jī)的減速比是42：1。所以每個脈沖就會使電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度為360/42=8.5714°。旋轉(zhuǎn)電機(jī)的加工范圍45°-135°。以上所有電機(jī)參數(shù)見附件A。 步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)有了還需驅(qū)動器和驅(qū)動板，三個步進(jìn)電機(jī)對應(yīng)的就是三個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的要求來選擇驅(qū)動器。在本課題中選用了兩種不同的驅(qū)動器共三個：SH-20403兩個和SM-202A一個。具體參數(shù)和接線方式見第三章驅(qū)動器介紹部分。驅(qū)動板則主要是用來與PC連接的（通過并口）。 以上這些都是雕刻機(jī)的硬件部分，若要能夠使雕刻機(jī)成功運(yùn)動起來就必須還要有一個軟件來給步進(jìn)電機(jī)發(fā)送脈沖和方向信號。本課題主要是運(yùn)用EMC2軟件來發(fā)送信號驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。 方案的設(shè)計(jì)與一些設(shè)備儀器的選取差不多已經(jīng)完成了，接下來的主要任務(wù)便是搞清楚驅(qū)動的原理及相關(guān)設(shè)備之間的連線方式。 3．3 雕刻機(jī)的驅(qū)動原理 雕刻機(jī)的傳統(tǒng)的工作原理：通過計(jì)算機(jī)內(nèi)部配置的專用雕刻軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和排版，并由計(jì)算機(jī)把設(shè)計(jì)與排版的信息自動傳送至雕刻機(jī)控制器中，再由控制器把這些信息轉(zhuǎn)化為能驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的帶有功率的信號（脈沖串），控制雕刻機(jī)主機(jī)生成各軸的雕刻走刀路徑。同時(shí)，雕刻機(jī)上的高速旋轉(zhuǎn)雕刻頭通過按加工材質(zhì)配置的刀具對固定于主機(jī)工作臺上的加工材料進(jìn)行切削，這樣即可雕刻出在計(jì)算機(jī)中設(shè)計(jì)的各種平面或立體的浮雕圖形及文字，實(shí)現(xiàn)雕刻自動化作業(yè)。 而本課題的原理是將預(yù)先設(shè)定好的G代碼轉(zhuǎn)化為EMC2軟件能讀懂的信號，然后EMC2軟件通過計(jì)算機(jī)并口到驅(qū)動板將信號放大給驅(qū)動器脈沖信號，驅(qū)動器帶動步進(jìn)電機(jī)然后就是雕刻機(jī)正常運(yùn)行如圖3-2所示。 G代碼 驅(qū)動板 驅(qū)動器 步進(jìn)電機(jī) 雕刻機(jī) EMC2 輸出脈沖與方向 圖3-2.驅(qū)動原理圖 3．4 驅(qū)動板與驅(qū)動器 3.4.1 驅(qū)動板 驅(qū)動板的工作原理就是將EMC2軟件給的信號進(jìn)行放大，然后將該信號以脈沖和方向兩個信號形式連接到驅(qū)動器上。同時(shí)還可以降低電流，將高電壓和大電流與控制板隔離，起到一個保護(hù)電器的作用。 3.4.2 驅(qū)動器 步進(jìn)電機(jī)是一種作為控制用的特種電機(jī)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度（稱為“步距角”）一步一步運(yùn)行的，其特點(diǎn)是沒有積累誤差，所以廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行是要有一個電子裝置進(jìn)行驅(qū)動的，這種裝置就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移，或者說：控制系統(tǒng)每發(fā)一個脈沖信號，通過驅(qū)動器就使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一步距角。所以步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖的頻率成正比。因此，只要控制步進(jìn)電機(jī)脈沖信號的頻率就可以對電機(jī)精確調(diào)速，而控制步進(jìn)電機(jī)脈沖的個數(shù)就可以對電機(jī)精確定位。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器還可以對電機(jī)的步距角進(jìn)行細(xì)分。步進(jìn)電機(jī)通過細(xì)分驅(qū)動器的驅(qū)動，其步距角變小了。如驅(qū)動器工作在10細(xì)分狀態(tài)時(shí)，其步距角只為“電機(jī)固有步距角”的十分之一，也就是說：當(dāng)驅(qū)動器工作在不細(xì)分的整步狀態(tài)時(shí)，控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進(jìn)脈沖，電機(jī)就轉(zhuǎn)動1.8°；而用細(xì)分驅(qū)動器工作在10細(xì)分狀態(tài)時(shí)，電機(jī)只轉(zhuǎn)動了0.18°，這就是細(xì)分的基本概念。細(xì)分功能完全是由驅(qū)動器靠精確控制電機(jī)的相電流所產(chǎn)生的，與電機(jī)無關(guān)。 驅(qū)動器細(xì)分的優(yōu)點(diǎn)主要有：完全消除了電機(jī)的低頻振蕩。低頻振蕩是步進(jìn)電機(jī)（尤其是反應(yīng)式電機(jī)）的固有特性，而細(xì)分是消除它的唯一途徑。如果步進(jìn)電機(jī)有時(shí)要在共振區(qū)工作（如走圓?。?，選擇細(xì)分驅(qū)動器是唯一的選擇。不僅如此，細(xì)分還可以提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。尤其是對三相反應(yīng)式電機(jī)，其力矩比不細(xì)分時(shí)提高了約30-40%。還能提高電機(jī)的分辨率，由于減小了步距角、提高了步距的均勻度，提高電機(jī)的分辨率也是不言而喻的。 3．5 雕刻機(jī)的整體接線 整體的接線就是縱觀所有儀器設(shè)備的接線方式與原理。本章首先主要講的是整體的各部分直接的接線方式，然后再介紹每個部件各自的接線方式。等線全部接完之后，再試著用計(jì)算機(jī)中的EMC2軟件來驅(qū)動雕刻機(jī)運(yùn)動看看。 圖3-3.整體接線圖 如圖9所示，計(jì)算機(jī)與驅(qū)動板之間通過計(jì)算機(jī)并口連接，并由計(jì)算機(jī)控制板給驅(qū)動板提供一個5V的電源。然后驅(qū)動板通過四根信號線與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器連接在一起，一個24V的電源給驅(qū)動器提供電流。最后就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器與雕刻機(jī)上的各個軸的步進(jìn)電機(jī)相連以至驅(qū)動雕刻機(jī)。 3．6 雕刻機(jī)的驅(qū)動 據(jù)前面接線的鋪墊，本個章節(jié)主要介紹的就是雕刻機(jī)的驅(qū)動與運(yùn)動方面的優(yōu)化。本課題雕刻機(jī)的驅(qū)動與優(yōu)化都是依賴于EMC2軟件，而在前面就已經(jīng)介紹過了這個軟件的一些選項(xiàng)、控件的含義與用途。接下來就是主要介紹如何利用該軟件驅(qū)動雕刻機(jī)以及運(yùn)動優(yōu)化。 （1）EMC2中的引腳介紹 EMC2的并口有17個引腳可以用。對Stepconf Wizard來說，是12個輸出引腳外加5個輸入引腳。圖3-4這個界面主要是為了給每個引腳選擇不同的功能（輸出引腳有23種功能可選，輸入引腳有40種功能可選，具體選哪個就要參考要和并口連接的硬件了）。 圖3-4 如果電平信號是相反的就需要把引腳的“invert”選項(xiàng)勾上。在本課題中電平是相反的，所以要驅(qū)動就必須要把該選項(xiàng)給勾上。 Output pinout presets：Sherline機(jī)床和Xylotex驅(qū)動的并口順序都是固定的，所以EMC2在這個頁面就有兩個快捷鍵，這兩個快捷鍵主要是自動設(shè)置第2-9引腳的。 Outputs：左邊這12個引腳就是EMC2的輸出引腳，引腳2-9每兩個就分別對應(yīng)著步進(jìn)電機(jī)的脈沖和運(yùn)動方向。 Inputs：這五個主要是輸入引腳，基本上是作為接收反饋信號用的。比如接個限位開關(guān)，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動碰到限位開關(guān)時(shí)，限位開關(guān)就會將信號通過驅(qū)動板反饋到計(jì)算機(jī)中，然后EMC2就會自動將雕刻機(jī)停下。 圖中引腳1對應(yīng)的ESTOP Out主要接的是外部急停開關(guān)。典型的急停開關(guān)回路應(yīng)該使用常閉觸點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。另外，在Outputs和Inputs中一些不用的輸入或輸出引腳全部都要設(shè)成“Unused”的狀態(tài)。 （2）進(jìn)給軸的配置 驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)就需要給它脈沖和方向兩種信號，圖3-5就是對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給軸參數(shù)的一些設(shè)定。 圖3-5 Motor Steps Per Revolution：這個指的是電機(jī)轉(zhuǎn)一圈所需要的脈沖數(shù)。如果是步進(jìn)電機(jī)并且該電機(jī)的步距角也知道就能夠算出所需的脈沖數(shù)，用360除以步距角就可以得到脈沖數(shù)。我們用的步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.8°，所以脈沖數(shù)就是200。 Driver Microstepping：驅(qū)動器細(xì)分?jǐn)?shù)，如果是2細(xì)分，此處就應(yīng)該是2。本課題中用到的驅(qū)動器都是采用整步的，所以填1。 Pulley teeth：傳動比。主要是電機(jī)和絲杠之間的傳動比。如果用皮帶輪連接電機(jī)和絲杠，就應(yīng)該將傳動比給寫上。如果是電機(jī)直接驅(qū)動絲杠，此處就寫1：1。 Leadscrew Pitch：絲杠與工作臺之間的傳動比。在這里有兩個選項(xiàng)，一個是英寸，一個是毫米。我們用的是毫米，所以在此處就應(yīng)該填絲杠每轉(zhuǎn)一圈工作臺走的毫米數(shù)（比如填2就表示2mm/rev，單頭絲杠就是螺距，多頭絲杠就是導(dǎo)程）。在測試該軸的時(shí)候，如果發(fā)現(xiàn)工作臺的方向走反了，可以通過在此處輸入一個負(fù)數(shù)來調(diào)整方向或者就是修改一下“invert”選項(xiàng)。 Maximum Velocity：電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速。 Maximum Acceleration：電機(jī)的最大加速度。 Home Location：原點(diǎn)的位置，就是在該軸上執(zhí)行回歸原點(diǎn)操作后在該軸所處的位置。沒有原點(diǎn)開關(guān)時(shí)，需要機(jī)床操作員手動把工作臺移到某個位置，然后按“Home”按鈕確定原點(diǎn)。如果共同使用原點(diǎn)和限位開關(guān)功能就必須讓原點(diǎn)位置和原點(diǎn)開關(guān)位置不同，否則就會出現(xiàn)“joint limit”錯誤。 Table Travel：工作臺的行程。指的是不允許G代碼超過該行程，而且原點(diǎn)位置也必須在這個行程范圍之內(nèi)。尤其要注意的是，把原點(diǎn)位置剛好設(shè)在工作臺行程的某一端也是不允許的。 Home Switch Location：原點(diǎn)開關(guān)位置。在執(zhí)行原點(diǎn)復(fù)位時(shí)，經(jīng)過這個位置時(shí)將會產(chǎn)生壓下、釋放原點(diǎn)開關(guān)的動作。只有在并口頁面里面選擇了相應(yīng)軸的原點(diǎn)開關(guān)選項(xiàng)時(shí)該參數(shù)和下面兩個參數(shù)才會出現(xiàn)，否則都是不可用的狀態(tài)。 Home Search Velocity：原點(diǎn)回復(fù)速度。在操作原點(diǎn)回復(fù)操作時(shí)，工作臺向原點(diǎn)開關(guān)運(yùn)行時(shí)的速度。如果原點(diǎn)開關(guān)距離行程終點(diǎn)很近，就應(yīng)該設(shè)定一個適當(dāng)?shù)幕貜?fù)速度，使工作臺可以減速停止，以免超出行程。即使原點(diǎn)開關(guān)距離行程終點(diǎn)有一段距離，但如果不能保證原點(diǎn)開關(guān)從被壓下時(shí)到行程終點(diǎn)一直都處于壓下的狀態(tài)，也應(yīng)該設(shè)定一個適當(dāng)?shù)幕貜?fù)速度，這樣工作臺才能減速停止。而且要確保原點(diǎn)開關(guān)不在工作臺方向上被釋放，還要確保每一次原點(diǎn)回復(fù)操作都是從原點(diǎn)開關(guān)的同一側(cè)開始的。如果原點(diǎn)回復(fù)操作時(shí)，工作臺的運(yùn)行方向反了，把這個原點(diǎn)恢復(fù)速度設(shè)成一個負(fù)值就可以解決問題了。 Home Latch Direction：最終確定原點(diǎn)的方式。工作臺壓下原點(diǎn)開關(guān)以后，如果選“Same”，則工作臺會退回一點(diǎn)，重新以一個非常慢的速度再次接近原點(diǎn)開關(guān)，原點(diǎn)開關(guān)再次閉合時(shí)，工作臺停止，原點(diǎn)確定；如果選“Opposite”，則工作臺非常慢的退回，原點(diǎn)開關(guān)釋放時(shí)，工作臺停止，原點(diǎn)確定。 Test this axis：測試軸。這個按鈕是專門用來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)用的，也是用來調(diào)試步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動的?？梢酝ㄟ^這個按鈕調(diào)試步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的速度、加速度、方向等等。如下圖所示，圖中Velocity就是用來調(diào)節(jié)改變速度的。 Acceleration：是用來調(diào)節(jié)加速度的。 Jog：指的是點(diǎn)動，左右方向分別指的是按一個方向運(yùn)動。 Test Area：如果你保證電機(jī)在一個安全的范圍內(nèi)運(yùn)行就可以使用這個選項(xiàng)。它的意思你可以在自己設(shè)定的一個范圍之內(nèi)來回往返的運(yùn)動。如果想朝一個方向移動固定的一段距離也同樣可以使用這個選項(xiàng)，只需要把“+、-”改成單個的“+”或者是“-”，它就會朝一個固定的方向移動一段固定的距離，如圖3-6所示。 圖3-6.測試圖 3．7 三軸運(yùn)動控制總體接線圖及其工作過程 如下圖3-7所示即為三軸運(yùn)動控制器的接線圖： 工作過程：首先EMC2已經(jīng)配置完成，將編輯好的G代碼輸入到EMC2中，然后點(diǎn)擊運(yùn)行，此時(shí)EMC2會根據(jù)G代碼經(jīng)過主軸控制端進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號由發(fā)送的脈沖信號和方向信號會由圖18中的驅(qū)動器中的DIR和STPE分別輸出到PARPDRT的PIN-01與PIM-2引腳中，經(jīng)驅(qū)動板將信號放大后再由驅(qū)動器的輸出端輸出到步進(jìn)電機(jī)中，然后雕刻器會隨著G代碼的要求進(jìn)行雕刻。 圖3-7 三軸運(yùn)動控制器的接線圖 如圖3-8主軸控制會將雕刻起的運(yùn)動狀態(tài)通過NEG-LIM-SW-IN和POS-LIM-SW-IN把信號傳給并口，由并口將反饋傳到EMC2的窗口中。讓操作人員即使看到雕刻機(jī)的狀態(tài)以便調(diào)整。 圖3-8控制器的接線圖 利用python語言編寫圖形化模塊的好處：首先可以模擬實(shí)際的運(yùn)動控制器，圖形化后每個接口可以自由連接， 3．8 雕刻機(jī)的驅(qū)動與優(yōu)化 3.8.1 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制 對雕刻機(jī)的運(yùn)動優(yōu)化，無非就是對步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動進(jìn)行改善，使它的誤差變得更小一點(diǎn)，運(yùn)行的時(shí)候能夠更加平穩(wěn)流暢。以及在這個基礎(chǔ)上能夠使雕刻機(jī)的工作效率提高，比如在保證精度要求的前提下提高步進(jìn)電機(jī)的速度和加速度已到達(dá)縮短工件的加工時(shí)間。另外就是選用一些適合的參數(shù)以及對一些不足之處提出一些可供參考解決方案。 首先我們來了解一下步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式：（只適用于兩相步進(jìn)電機(jī)）步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速=頻率*60/200*n。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速單位是：分/轉(zhuǎn)，頻率單位是：赫茲，n是指步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的細(xì)分倍數(shù)。 從公式中我們可以知道，步進(jìn)電機(jī)的速度與控制器所發(fā)的頻率成正比。發(fā)出的頻率越高，步進(jìn)電機(jī)的速度越快。步進(jìn)電機(jī)的速度越快，輸出軸的力矩就越小。所以步進(jìn)電機(jī)的速度并不能設(shè)定的太高。記得以前有一個概念：600轉(zhuǎn)是正常轉(zhuǎn)速，當(dāng)然這個不是絕對的，要看電機(jī)軸具體的負(fù)載情況。但是不管這個概念是否正確，都說明了：步進(jìn)電機(jī)不可能做到很高的轉(zhuǎn)速！ 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器一般情況下都有兩組設(shè)置開關(guān)： 1、 電流設(shè)定：根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的額定電流設(shè)置。 2、 細(xì)分設(shè)置：兩相步進(jìn)電機(jī)是接收到200個脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)一圈（整步）。細(xì)分的作用就是改變轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)。半步就是接收到400個脈沖轉(zhuǎn)一圈?？傊弘姍C(jī)轉(zhuǎn)一圈所需要的脈沖數(shù)=驅(qū)動器細(xì)分?jǐn)?shù)*200 3.8.2 步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)步距誤差 每輸入一個電脈沖信號轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角。步距角大小會直接影響步進(jìn)電機(jī)的起動和運(yùn)行頻率。外型尺寸相同的電機(jī)，步距角小的往往起動和運(yùn)行的頻率高，但轉(zhuǎn)速和輸出功率不一定高。使用時(shí)，可根據(jù)需要的脈沖當(dāng)量（每一脈沖步進(jìn)電機(jī)帶動負(fù)載所轉(zhuǎn)過的轉(zhuǎn)角或是移動的直線位移）和可能選擇的傳動比來選擇步進(jìn)電機(jī)的步距角。 有了步距角才會有靜態(tài)步距角誤差。先來假設(shè)一個工況：步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈帶動機(jī)械行步40mm，我們要求步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈機(jī)械行走誤差為0.1mm。從0.1個精度的要求考慮，在電機(jī)軸帶額定負(fù)載情況下，驅(qū)動器設(shè)為4細(xì)分或是8細(xì)分基本可以滿足要求了。步進(jìn)電機(jī)是一種精密的執(zhí)行電機(jī)，但是再精密的東西也是有誤差存在的，步進(jìn)電機(jī)也不例外。步進(jìn)電機(jī)實(shí)際步距角與理論的步距角之間的誤差稱為靜態(tài)步距角誤差。 我們在不考慮機(jī)械誤差和丟脈沖的情況下，把驅(qū)動器細(xì)分設(shè)為整步（200個脈沖轉(zhuǎn)一圈），一個脈沖行走的長度就是0.2mm，如果步距誤差是5%（當(dāng)然實(shí)際誤差是不可能這么大的），每走一個脈沖就產(chǎn)生誤差0.01mm。如果200個脈沖里有10個脈沖產(chǎn)生誤差，就是0.1mm的誤差。把驅(qū)動器細(xì)分設(shè)為4細(xì)分（800個脈沖每轉(zhuǎn)），一個脈沖行走的長度就是0.05mm，步距誤差還是5%，每走一個脈沖就產(chǎn)生誤差0.0025mm。如果800個脈沖里有10個脈沖產(chǎn)生誤差，0.025mm的誤差。 再考慮丟（增）脈沖現(xiàn)象，細(xì)分設(shè)為整步，丟（增）一個脈沖就是0.2mm誤差，細(xì)分設(shè)為4細(xì)分，丟（增）一個脈沖是0.05mm的誤差。 如上，細(xì)分?jǐn)?shù)越大精度越高，那么設(shè)為128細(xì)分。128*200=25600個脈沖轉(zhuǎn)一圈。算下來差不多一秒鐘轉(zhuǎn)四圈，也就是每分鐘240轉(zhuǎn)，速度很慢。所以增加太多的細(xì)分?jǐn)?shù)也不是一個可以選擇的方案，而且基本細(xì)分?jǐn)?shù)超過16以后對于精度的要求而言就已經(jīng)沒有什么意義了。所以綜上，只有經(jīng)過實(shí)際調(diào)試之后選擇一個適合自己用的細(xì)分?jǐn)?shù)。 3.8.3 步進(jìn)電機(jī)的失步 什么是步進(jìn)電機(jī)的失步或丟步呢？通俗的講就是發(fā)的脈沖數(shù)本應(yīng)讓步進(jìn)電機(jī)走100步，但實(shí)際卻走了95步，丟失了5步即失步或丟步。 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，即脈沖頻率越高步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也越高，但提高了脈沖頻率雖然達(dá)到了提速的作用，卻損失了力矩。 步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生失步的兩個原因就是： 一、 控制脈沖頻率高，此時(shí)轉(zhuǎn)子的加速度小于步進(jìn)電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度。 在步進(jìn)電機(jī)供電電源設(shè)計(jì)好后，定子線圈沖電時(shí)間常數(shù)基本是固定的，假設(shè)時(shí)間常數(shù)是0.02s（0.02s充電到最大值的63%），如果步進(jìn)電機(jī)接受的脈沖周期大于0.04s（占空比為50%，頻率小于25Hz），定子線圈即可以獲得足夠的能量產(chǎn)生足夠帶動轉(zhuǎn)子的力矩。如果脈沖頻率過高，比如50Hz（占空比為50%，脈沖周期大于0.02s），定子線圈獲得的充電時(shí)間才0.01s，少了一半的充電時(shí)間，產(chǎn)生的力矩就減少了很多，致使轉(zhuǎn)子跟不上定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度，每一步都落后于應(yīng)該達(dá)到的平衡位置，并且距離平衡位置越來越遠(yuǎn)。積累下來的結(jié)果就造成了失步。 解決方法： 1、 降低脈沖頻率，調(diào)試步進(jìn)電機(jī)大部分是調(diào)節(jié)脈沖頻率的過程。 2、 如果不想因降低頻率而造成速度太低，那么加大步進(jìn)電機(jī)供電電流。 3、 減輕電機(jī)的負(fù)載。 二、控制脈沖頻率低，此時(shí)轉(zhuǎn)子的速度高于步進(jìn)電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度。 還以上面的0.02s充電時(shí)間常數(shù)為例，脈沖頻率低，定子圈數(shù)充電充分，其產(chǎn)生的力矩越大。此時(shí)電機(jī)的負(fù)載如果較輕，轉(zhuǎn)子就會超過應(yīng)該達(dá)到的平衡位置，定子磁場又要拉轉(zhuǎn)子回到平衡位置，同樣其在回平衡位置