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小型雕刻机的总体设计


小型雕刻机的总体设计
一.项目背景与问题描述
1.雕刻机现状 . 1938 年世界第一台手动雕刻机在法国“嘉宝”问世,1950 年“嘉宝”生产出世界第一 台真正意义的电动、可缩放比例的手动雕刻机。随后美国、日本和法国等国也开始研制。20 世纪 90 年代,随着微电子技术的突飞猛进,直接推动微型计算机的急剧发展。微电子技术 和微型计算机技术带动整个高技术群体飞速

发展, 从而使雕刻机产生了质的飞跃。 雕刻机完 成了从 2D——2.5D——3D 加工的变革,功能完善、性能稳定、造型美观和价格合理成为雕 刻机研制的基本要求。 国外的雕刻机,如美国“雕霸” 、法国“嘉宝”和日本“御牧”是此行业的佼佼者,但 价格非常昂贵。不管大小都在 10 万元各人民币以上。近几年国内的雕刻机,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。 2.问题描述 . 雕刻机的应用在各行各业中的应用已日益广泛,然而国内市面上出现的雕刻机,虽然 性能较好,但价格也非常昂贵。普通的雕刻机都是万元以上,令一些小单位及个人用户望而 却步。 针对不同的应用领域,所要求的雕刻机的性能亦不相同。本项目的目的就是利用 PC 机 的并口等现有资源,提供一种低价,高效,简便的数控雕刻系统的解决方案。通过本项目的 研究, 可以为中小用户, 尤其是个人用户提供低价的雕刻机, 从而拓宽现有雕刻机的用户群, 普及国内雕刻机。

二.功能需求分析
本项目是为个人及小团体用户提供的一种价格低廉,性能适中的雕刻机。因此,它应 具有个人及小团体用户所需要的大部分功能。具体如下: (1) 能够制作线路间距在 3mm 以上,长宽在 25×20cm 内的电路板。 (2) 能够制作空间在 25×20×10cm 内的软材料模型及模具。 (3) 能够进行广告刻字。 (4) 提供简易的操作界面。 (5) 有安全保护措施。 (6) 精度在 0.1mm 以内。

三.概念设计与模块功能定义
1.设计思想 小型雕刻机的基本设计思想主要有以下几点: (1)应用 PC 机的强大计算功能,将译码、刀补、插补、加减速控制等放在 PC 上解决。 最后 PC 上形成的是各向步进电机的控制脉冲。 (2)应用 PC 机的并口直接输出各向步进电机的控制脉冲,以控制工作台的移动。 (3)步进电机的驱动采用集成的驱动芯片。 (4)通过限位开关以及各运动方向的使能开关来保证雕刻机的安全工作。 2.设计原则 小型雕刻机的基本设计原则主要有以下几点: (1) 在要求的性能指标下,对于各应用部件尽量选择成品以降低成本。

(2) 产品设计得尽量的轻而小,电源符号市电要求。 总体方案选择 3.总体方案选择 (1)雕刻机工作方式的选择 运动方式一般有两种形式:一种是刀具既转动又进行三个方向的运动,另外一种方式是 刀具只进行转动和垂直方向的上下运动, 而工作台进行水平两个方向上的移动。 在这次设计 中,选择了第二种方式来进行雕刻。若采用第一种方式,则会因为三个方向的运动部件都集 中在垂直升降机构上, 容易造成整个机构重心过高, 如果机构底座质量不足以承受雕刻过程 中产生的振动,那就会影响雕刻的效果。而且这样会造成整个机构体积过于庞大,不利于安 装、搬运和维护。 (2)主要直线传动元件的选择 直线传动元件一般有两种:同步带和丝杠。因为同步带传动平稳,传动精度较高,目前 的针式打印机和部分机械雕刻系统均采用同步带作为直线运动原件。 对于数控机床而言, 直 线传动机构都采用丝杠,因为丝杠传动精度高。因此,在本项目中,采用丝杠为直线运动元 件, 可达到预期的目的。 而且丝杠作为标准件, 只需按标准型号及尺寸进行设计和选用即可。 (3)PC 机与机械传动机构的信号通讯方式的选择 要开发通讯部分,就要进行硬件的开发,就是要在计算机与外设之间架设一座桥,进行 物理连接。要开发硬件,总的来说有两种途径:一条是自己动手开发标准的计算机接口卡, 另一条途径是在现有的计算机硬件设备的基础上, 稍加改进而利用已有的标准接口卡进行通 讯。在第一种方法中,需要自己设计接口电路,劳动量大,且在使用时要占用 PC 机的一个 扩展槽;若使用第二种方法,不但设计简单、危险性小,而且节省计算机插槽空间。因此本 设计采用 PC 机的并口进行上下位机的通讯。 (4)总体方案的说明 综合上面对各种方案的讨论,我们确定的雕刻机的总体方案可简述如: 用户采用我们研制的软件导入在CAD软件中产生的G代码后, 该软件将对G代码进行译码、 刀补处理、速度预处理、插补运算,获得包含X-Y-Z三个方向配合运动需控制字节的数据文 件,即为雕刻数据,然后将控制字节逐个向打印口输出,这样与打印口相连的X-Y-Z三个方 向的步进电机就分别可以得到动作信号,从而带动各自的执行机构产生动作。 我们设计采用的雕刻方式是:雕刻刀具只做高速旋转和Z方向的进刀、退刀运动,而X-Y 工作台带动工件作X, Y方向的进给运动。刀具与工件的运动合成就可以得到所需图案的轮 廓。(工作原理图见图3-1) 本机的主要组成部分是:专用软件,X-Y 二维工作台及其驱动放大电路、雕刻刀升降机 构(Z向)及其驱动放大电路,以及雕刻刀。 各 轴 控 制 信 号 步 进 电 机 驱 动 电 路 X 向步进电机 X 向执行机构

专 用 软 件

Y 向步进电机

Y 向执行机构

Z 向步进电机

Z 向执行机构

图 3-1
(5)设计参数的确定 根据各类个人用户对雕刻机的需求, 以及参考一些现有商品, 初步确定了以下一些设计

参数: 项目 主轴最高转速 最大雕刻尺寸 分辨率 精度 参数 20000 250*200*100 0.02 0.1 单位 r/min mm mm/step mm

4.功能模块的划分和定义 雕刻机的功能模块包括软件模块、机械模块和电气模块。 (1)软件模块 主要是在Windows操作系统环境下研制一软件,具有读入g代码、译码、刀补预处理、速 度预处理、插补等功能,并最终通过PC机的并行口(即打印口)向步进电机输出控制信号,这 是整个系统的关键部分,软件好坏直接影响着最终的雕刻效果。 (2)机械模块 主要是执行机构的设计,它是接收放大后的控制信号,实现具体的雕刻动作的机构,它 的设计必须考虑到既要实现功能,又要尽可能地小巧轻便。 (3)电气模块 连接PC机输出和机械执行机构的必要通道,它的主要作用是放大PC机产生的控制信号, 使其能驱动机械执行机构实现雕刻动作, 这对于能否将控制信号及时、 准确地放大并发送至 步进电机至关重要。电路的可靠性、稳定性与可持续性是在设计中必须注意的三项指标。 主要内容是步进电机驱动设计、主轴电机的控制、限位开关的反馈、电源的设计等。

四.小结
以上我们对小型雕刻机的设计背景、功能需求进行了详细地分析,提出了本次设计的 基本思想和基本原则,对雕刻方式、传动元件等方案的选择进行了简要的讨论,并且按照小 型雕刻机的总体工作流程进行了功能模块的划分。 后面我们将对各个功能模块进行具体的讨 论。


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