简易三维雕刻机电控系统设计与分析.docx

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简易三维雕刻机电控系统设计与分析

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；MACH3

ABSTRACT

ThispaperintroducesCNCengravingmachineindustrydevelopmentsituationandthefuturetrendofdevelopmentfirstly.Gantrycarvingmachinewasself-designedaccordingtothemechanicalandelectricalintegrationdesignprinciple,methodsandprinciples.Then,mechanismdesignwasexecutedincarvingmachineseparatelyinaccordancewiththetimelogic.Includecontrolcircuitprincipledesign,manualcontrolcircuitprincipledesign,PCBdesign.ParallellinesdefineanduseandCNCcontrolprinciplewereAnalysedandverifiedindetail.Thesuitabletwophasehybridstepmotorwasselectedcombineditsinstitutionspartwithstepmotortorquefrequencycurve.StepmotordrivercircuitdiagramandPCBaredesignedbasedonthecommondrivechipTB6560AHQandA3977SEDonmarket.ThecarvingmachinemanualcontrollogicboardrealizedthemanualcontrolofInstitutionspart.Itisconvenientfortoolsettingandtestingadjustment,etc.TheMACH3softwareofcarvingmachinerealizedthecomputerdirectmotioncontrol.AccordingtotheinterfacecircuitandsteppingdrivingcircuitcontrolledsignalthroughthemotionCNCengravingmachinedirectnumericalcontrolandtheactualprototypeintravelrange（350mm*300mm*150mm）isachieved.Positionaccuracyof0.1mmandrepeatprecisioncanachievebythiskindofgantrycarvingmachine.Severalcomplexanaglyphsandletteringactualtestsarecompleted.Processingobjectcanbefornylon,hardwood,plastic,etc.

Keywords：

Engravingmachine；Hybridstepmotor；TB6560AHQ；PCB；MACH3

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

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、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

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X300；Y350；Z150。

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）反应式步进电机（VariableReluctance，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（PermanentMagnet，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。

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。

两相混合式步进电机的气隙磁动势有两种：

一种是由永磁体产生的磁动势；另一种是由定子绕组产生的磁动势。

在每一个具体的磁极下，这两种磁动势有时相加，有时相减，随交流绕组中通入的电流方向变化而变化。

[6]按照特定的时序激励，电机就可以沿顺时针或逆时针连续转动。

图2-3两相式混合步进电机轴向结构

2.2.3两相混合式步进电机的控制原理

步进电机控制按供电方式的不同可分为两种：

零电流和两项绕组供电方式。

零电流方式，电机各相绕组中没有电流是的情况。

这是气隙的磁动势仅由转子上永磁体的磁动势决定。

由于电机的轴向结构完全是对称的，所以各个定子磁极下的气隙磁动势将完全相等。

若将每个磁极看成一个独立的定位电磁铁，则其定位转矩的幅值和气隙磁动势的平方成正比，其定位转矩的相位取决于该磁极中心线在空间的位置。

[7]由于电机的径向对称性，电机零电流时的合成转矩为零。

两相绕组供电方式，有单四拍、双四拍、单双四拍等控制方式，图2-4、2-5、2-6分别表示单四拍、双四拍和单双四拍控制方式的转矩图。

图2-4单四拍控制方式转矩图

图2-5双四拍控制方式转矩图

图2-6单双四拍控制方式转矩图

单四拍控制方式下给两相混合式步进电机通电，则转子每拍进1/4个转子齿距，转矩恒定；双四拍控制方式，转子没拍也是进1/4个转子齿距，转矩也恒定，只是每一拍为两相绕组同时通电，产生合力矩，所以转矩的大小为单四拍时的倍；单双四拍控制方式包括了单四拍和双四拍两种控制方式，交互通电，8拍为一个循环，转子每拍进1/8个转子齿距，步距角减小为单四拍和双四拍的1/2，每拍产生的转矩大小也不等，双拍为单拍的倍。

[8]

2.2.4步进电机驱动技术概述

步进电机的工作必须使用专用设备—步进电机驱动器。

驱动器对应每一个步进脉冲，按一定的规律向电机各相绕组通电（励磁），以产生必要的转矩，驱动转子运动。

步进电机、驱动器和控制器构成了不可分割的三大部分。

[9]步进电机驱动系统的性能除与电机自身的性能有关外，在很大程度上取决于驱动器的优劣。

当电机和负载已经确定之后，整个驱动系统的性能就完全取决于驱动控制方法。

步进电机驱动方式的发展先后有单电压驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、调频调压驱动和细分驱动等。

（l）单电压驱动:

主要特点是结构简单、成本低，通常在绕组回路中串接电阻，以改善电路的时间常数来提高电机的高频特性。

缺点是串接电阻将产生大量的热，对驱动器的正常工作极其不利，尤其是在高频工作时更加严重，因而它只适用于小功率或对性能指标要求不高的步进电机驱动。

（2）高低压驱动:

电机每相绕组导通时，首先施加高电压，使电流快速上升，当电流上升到额定值时，将高电压切断，回路电流以低电压电源维持。

这种方式由于电流波形得到了很大改善，电机的矩频特性较好，起动和运行频率得到了较大提高。

但由于电机旋转反电势、相间互感等因素的影响易使电流波形

的顶部呈凹形，致使电机的输出转矩有所下降且需要双电源供电。

（3）斩波恒流驱动:

为了弥补高低压驱动电路中电流波形的下凹，提高输出转矩，人们研制出斩波电路，采用斩波技术使绕组电流在额定值上下成锯齿形波动，流过绕组的有效电流相应增加，故电机的输出转矩增大，而且不需外接电阻，整个系统的功耗下降，效率较高，因而斩波恒流驱动应用相当广泛。

（4）调频调压驱动:

特点是施加在电机绕组的电压随工作频率的变化作相应的改变，步进电机在低频时工作在低压状态，减少能量的注入，从而抑制振荡;在高频时工作在高压状态，使电机有足够的驱动力矩。

因而系统效率、运行特性等都有了明显改善。

（5）细分驱动:

它是将电机绕组中的电流细分，由常规的矩形波供电改为阶梯波供电。

这样，绕组中的电流经过若干个阶梯上升到额定值，或以同样的方式从额定值下降。

[9]

2.3控制原理

针对三维雕刻机的加工特点，经过市场调研，提出一些雕刻机数控系统的性能要求。

在充分论证的基础上，对雕刻机数控系统的硬件和软件进行总体的设计、规划，为后续的硬件和软件开发奠定基础。

[10]

2.3.1控制系统

控制系统是指由控制主体、控制客体和控制媒体组成的具有自身目标和功能的管理系统。

控制系统意味着通过它可以按照所希望的方式保持和改变机器、机构或其他设备内任何感兴趣或可变化的量。

[11]控制系统同时为了使控制对象达到预定的理想状态而实施的。

控制系统使被控制对象趋于某种需要的稳定状态。

控制系统有几种分类方法

（1）按控制原理的不同，自动控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统。

a、开环控制系统

在开环控制系统中，系统输出只受输入的控制，控制精度和抑制干扰的特性都比较差。

开环控制系统中，基于按时序进行逻辑控制的称为顺序控制系统；由顺序控制装置、检测元件、执行机构和被控工业对象所组成。

主要应用于机械、化工、物料装卸运输等过程的控制以及机械手和生产自动线。

b、闭环控制系统

闭环控制系统是建立在反馈原理基础之上的，利用输出量同期望值的偏差对系统进行控制，可获得比较好的控制性能。

闭环控制系统又称反馈控制系统。

（2）按给定信号分类，自动控制系统可分为恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。

a、恒值控制系统

给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。

如生产过程中的温度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。

b、随动控制系统

给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化。

如跟随卫星的雷达天线系统。

a、程序控制系统

给定值按一定时间函数变化。

如程控机床。

为了实现自动控制的基本任务，必须对系统在控制过程中表现出来的行为提出要求。

对控制系统的基本要求，通常是通过系统对特定输入信号的响应来满足的。

例如，用单位阶跃信号的过渡过程及稳态的一些特征值来表示。

在确保稳定性的前提下，要求系统的动态性能和稳态性能好，即：

动态过程平稳（稳定性）；

响应动作要快（快速性）；

跟踪值要准确（准确性）。

2.3.2简易型三维雕刻机控制系统选择

根据我们的机构设计部分，结合实际情况我们选择控制系统为：

步进式开环控制系统。

步进式开环控制系统是以步进电机为驱动元件的，其结构和控制原理简单，而且控制呈现全数字化。

图2-7为数控雕刻机步进式开环控制系统的工作原理图。

驱动器接收来自控制器发出的进给脉冲信号，并把此信号转化为控制步进电机各定子绕组依次通、断电的信号，从而使步进电机运转。

步进电机将进给脉冲转换成一个具有一定方向、大小和速度的机械角位移，从而带动雕刻机的移动。

[12]

图2-7步进式开环控制系统原理图

在雕刻加工的时候，控制器读取雕刻加工文件，用加减速控制算法和插补算法等特定的算法，将其中的路径信息转化为一系列驱动步进电机的进给脉冲信号，这些脉冲经过步进电机驱动器放大和细分后，分别控制X、Y、Z三轴的步进电机，从而控制雕刻机X、Y、Z三轴的走刀轨迹。

与此同时，通过雕刻机上高速旋转的主轴带动按加工材料配置的刀具高速旋转，对固定在工作台上的工件进行铣削，雕刻出相应的图案。

其中，插补算法决定了雕刻加工的走刀路径，加减速控制算法决定了步进电机的运行速度，它们与雕刻加工的精度、表面质量和效率等有着密切的联系。

[13]对于步进电机，必须有两个驱动信号来实现，一个是脉冲信号，一个是方向信号，控制步进电机的驱动就是要控制这两个信号的时间序列。

发送脉冲的数量决定了刀具的移动距离，而发出脉冲的频率则决定了刀具的移动速度。

3简易型三维雕刻机控制系统设计

3.1简易型三维雕刻机步进电机选择和分析

根据机构设计和市场分析，我们采用的步进电机为：

（1）Y轴采用57BYGH112型步进电机，该电机为两相4线式，相电压为4.8V，相电流为3A，最大静转矩为2.8N·M，重量1.8Kg。

由机构设计得出Y轴的启动扭矩为2.0748N·M，结合图3-157BYGH112型步进电机的矩频特性曲线，该电机的最大转矩为2.8N·M，此时的脉冲发射频率为0.01KHz，电机转速为1.5rpm；一般工作状态下该电机转矩为2.0N·M至2.3N·M之间，对应的脉冲频率为0.1-0.85KHz，转速为15rpm左右。

该电机满足我们的Y轴机构设计要求。

图3-1Y轴57BYGH112型步进电机矩频特性曲线

（2）X轴采用57BYGHH93型步进电机，该电机为两相四线式，相电压为3.36V，相电流为2.8A，最大静扭矩为2.2N·M，重量为1.3Kg。

由机构设计得出的X轴启动扭矩为1.648N·M，结合图3-257BYGHH93型步进电机的矩频特性曲线，该电机的最大转矩为1.72N·M，此时的脉冲发射频率为0.01KHz，电机转速为1.5rpm；一般工作状态下该电机转矩为1.5N·M至1.7N·M之间，对应的脉冲频率为0.1-0.85KHz，转速为15rpm左右。

该电机满足我们的X轴机构设计要求。

图3-2X轴57BYGHH93型步进电机矩频特性曲线

（3）Z轴采用57BYGH78-401A型步进电机，改电机为两相四线式，想电压为3.36V，相电流为2.0A，最大静扭矩为1.35N·M，重量为1.0Kg。

由机构设计得出的Z轴启动扭矩为1.3492N·M，结合图3-357BYGH78-401A型步进电机的矩频特性曲线，该电机的最大转矩为1.35N·M，此时的脉冲发射频率为0.01KHz，电机转速为1.5rpm；一般工作状态下该电机转矩为0.8N·M至1.0N·M之间，对应的脉冲频率为0.1-0.85KHz，转速为15rpm左右。

该电机满足我们的Z轴机构设计要求。

图3-3Z轴57BYGH78-401A型步进电机矩频特性曲线

3.2简易型三维雕刻机伺服系统方案设计分析

3.2.1基于A3997SED芯片的雕刻机控制系统

大多数微型步进电机驱动器都需要一些额外的控制线，通过D/A转换器为PWM电流调节器设置参考值意见通过输入完成电流极性控制等。

许多改进型驱动器仍然需要一些输入来调整PWM电流控制模式使其工作在慢、快或混合衰减模式。

这就需要系统的为处理器额外的负担8至12个需要依靠D/A变换处理的输入端，如果一个系统需要如此多的控制输入，而且其微处理器还要存储其需要实现控制的时序表，这就增加了系统的成本和复杂程度。

[14]

A3997可以通过其特有的译码器来使这些功能实现简单化，如图3-4A3997内部结构图所示，其最简单的步进输入只需STEP（步进）与DIR（方向）2条输入线，输出由DMOS的双H桥完成。

通过STEP简单的输入1个脉冲信号就可以使电机完成1次步进，省去了相序表、高频控制线及复杂的编程接口。

这使其更适于应用在没有复杂的微处理器或微处理器负担过重的场合。

同时A3977的内部电路可以自动地控制其PWM操作工作在快、慢及混合衰减模式。

这不但降低了电机工作时产生的噪声，也同时省去了一些额外的控制线。

另外，其内部低输出阻抗的N沟道功率DMOS输出结构，可以使其输出达到2.5A，35V。

这一结构的另一优点是，使它能完成同步整流功能。

由于有同步整流功能，既降低了系统的功耗，又可以在应用时省去外加的SBD（肖特基二极管）。

A3977的休眠功能可以使系统在不工作时的功耗达到最低。

休眠时芯片的大部分内部电路，如输出DMOS、比较器及电荷泵等都将停止工作。

[15]从而在休眠模式时，包括电机驱动电流在内的总电流消耗在40μA以内。

此外，内部保护电路还有利用磁滞实现热停车、低压关断及换流保护等功能。

图3-4A3997SED内部结构图

图3-5A3997SED外形结构图

（1）芯片特点

额定输出为：

±2．5A，35V。

低输出阻抗，电源端0．45Ω，接收端0．36Ω。

自动电流衰减检测，并选择混合、快和慢等电流衰减模式。

逻辑电平范围为：

3．0～5．5V。

HOME输出。

降低功耗的同步整流功能。

内部低压关断、热停车电路及环流保护。

（2）引脚定义及说明

A3977有两种封装：

一种是44引脚铜标塑封（后缀为ED，A3977SED），另一种是28引脚带散热衬垫的塑封（后缀为LP，A3977SLP）。

[16]

表3-1A3977SED引脚图

电荷泵CP1、CP2可以产生一个高于VBB的门电平，用来驱动DMOS源端的门。

其实现方法是在CP1和CP2之间接一个0.22μF的陶瓷电容。

同时VCP和VBB间也需要一个0.22μF的陶瓷电容作为一个蓄能器，用来操作DMOS的高端设备。

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