小型雕刻機研制-方案設計與控制設計說明書

小型雕刻機研制-方案設計與控制設計說明書,小型,雕刻,研制,方案設計,控制,節(jié)制,設計,說明書,仿單 小型雕刻機DIY現狀綜述 作者：XX 指導老師：XX 摘要：簡單敘述了雕刻機的發(fā)展和分類。總結了小型雕刻機機械部分的總體結構、傳動方式、導軌的現狀。以系統(tǒng)的分類方法，詳細地講述了目前常用的基于Windows、DOS、Linux系統(tǒng)的用于小型雕刻機的CNC軟件，并簡單敘述了不同軟件的優(yōu)缺點。簡單介紹了下位機的工作原理、DIY難點以及目前主要的一些開發(fā)商。最后分析了現在的幾個雕刻機DIY網站，包括他們的優(yōu)勢和劣勢。 關鍵詞：雕刻機、DIY、機械、CNC控制系統(tǒng) Summarization of Small?engraving machine?DIY Name：XX Teacher：XX Abstract：A brief description of the development and classification of the engraving machine.The status summary of the overall structure of the mechanical parts of the small engraving machine,transmission, rail. The classification of the system in detail about the advantages and disadvantages ofcurrently used for small engraving machine, CNC Software for Windows, DOS,Linux-based system, and a brief description of the different software.Brief bit machine works, theDIY difficulty some of the major developers.Finally, several engraving machine DIY website, including their advantages and disadvantages. Key words: engraving machine、DIY、Mechanical、CNC control system 前言 1938年世界上第一臺手動雕刻機在法國“嘉寶”問世，1950年“嘉寶”生產出第一臺電動雕刻機。20世紀90年代，微電子技術大爆發(fā)，帶動了一大批高新技術企業(yè)的發(fā)展，也助雕刻機完成了2Dà2.5Dà3D的變革[1]。經過近80年的發(fā)展，目前雕刻機技術已經非常成熟。21世紀初期，小型雕刻機技術的普及，使得小型雕刻機成為DIY愛好者的另一個熱衷項目。 1 雕刻機的分類 經過幾十年的發(fā)展，雕刻機的產品已非常豐富，種類繁多。根據不同的標準，我們可以把現有的雕刻機按如下方式分類。 按聯動軸數不同：兩軸、三軸、四軸、五軸、六軸雕刻機。三軸、四軸雕刻機最為常見也最為實用，性價比也最高；兩軸的雕刻機現在基本上沒有再使用和生產；五軸、六軸的雕刻機適應性最強，但價格特別高，通常用于特殊加工行業(yè)，加工自由曲面類零部件[2]。 按加工材料不同分為木材、石材、黑色金屬、非黑色金屬、塑料、玻璃、陶瓷加工雕刻機[3]。加工的材料不同，需要的切削力大小不同、可能達到的最高切削速度也不一樣，將會對雕刻機的控制系統(tǒng)和機械結構的設計有很大的影響。 按機械結構不同分為串聯和并聯雕刻機。串聯結構又分為龍門移動式和工作臺移動式兩種。串聯結構就是傳統(tǒng)機床的結構。拿三軸的雕刻機舉例來說，Z軸的所有部件是跟著X軸的移動而移動的，Z軸在X方向上的位置是受X軸移動部件限制的。并聯機構是一種新型機構，其顯著特點是一個機構產生若干個分支后續(xù)機構，或者若干個分支機構匯合于一個后續(xù)機構、各個機構的誤差不會累積[4]。圖1為典型串聯機床和并聯機床的示意圖： (a)串聯機床 (b)并聯機床 圖1 串聯機床與并聯機床的區(qū)別 按加工范圍的大小分為大型雕刻機、普通雕刻機、小型雕刻機。大型雕刻機通常用于大件產品的制作；小型雕刻機往往只在家庭或個人使用，普通雕刻機則用于一般的產品加工。 按主軸不同分為電主軸和非電主軸式雕刻機。 按驅動電機不同分為步進電機驅動和伺服電機驅動式雕刻機。 按傳動機構的不同分為滾珠絲杠傳動和梯形絲桿傳動式雕刻機。 2 小型雕刻機DIY機械部分現狀 關于小型雕刻機的機械部分，其總體結構目前主要有兩種形式。一種是工作臺移動式，即加工過程中，工件和刀具同時移動，完成零部件的切削。此種結構主要在早期的時候使用，現在用這一結構的很少。另一種是龍門移動式，加工過程中僅靠刀具運動就完成零部件的切削。例如羅奇亮和馬保吉在《基于Mach3軟件的經濟型機械式雕刻機開發(fā)》中研究的結構就為龍門移動式[5]。龍門移動式是現在的主流設計，國內幾家有名的小型雕刻機公司目前的產品均為龍門移動式，例如廣州鹿原、東莞航宇、景德鎮(zhèn)英菲賽、阿莫雕刻、雷珀科技公司都為這種結構。 圖2 新型導軌 機械傳動目前有三種形式。第一種是普通絲杠傳動。成本低，有自鎖功能。例如阿莫雕刻的AMCNC-01[6]機型采用的就是這種方式。第二種是滾珠絲杠傳動。傳動精度高，阻力小。例如雷珀科技的6040Z+D[7]機型采用的就是這種方式。第三種是同步帶傳動。隨著同步帶的強度、精度的提升而出現的一種傳動方式。目前使用的較少。軸心自控的B200桌面機器人[8]為這種方式。 機械部分的導軌主要有2種形式。一種是采用直線軸承+圓柱導軌式。是目前小型雕刻機的主流導軌，大部分產品均采用這種形式。另一種是阿莫雕刻最近開發(fā)的一種新型高速、重負荷導軌[9]。巧妙地使用類深溝球軸承與圓柱導軌配合。未進行市場推廣，用的較少。如圖2。 3 小型雕刻機DIY控制部分現狀 控制部分通常包括上位機和下位機。在這里，上位機就是PC機，負責人機交互界面的管理和控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控等任務，如鍵盤和鼠標的管理、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、控制指令的發(fā)送、外部信號的監(jiān)控、直線圓弧的插補、脈沖和方向信號的產生、原點和限位信號的檢測。而下位機是指接口板，主要負責脈沖信號的接收、放大和輸出、開關信號的檢測及反饋[10]。目前可用于小型雕刻機控制的CNC系統(tǒng)很多，基本上是由正規(guī)公司編寫的。它們中有些本身就是開源免費的，有些則是由網友破解的。我國有小部分愛好者嘗試編寫過CNC系統(tǒng)，也有一定的成果，但最終真正共享出來大家共同開發(fā)的目前還沒有。下面就國內常用的，用于小型雕刻機DIY的CNC系統(tǒng)做綜合的敘述。 基于Windows系統(tǒng)的有Mach[11]、NCStudio[12]、KCam[13]、DeskCNC[14]、AVR-CNC[15]、USBCNC[16]軟件。其中Mach軟件最受歡迎，很多的下位機都基于這個系統(tǒng)開發(fā)。Mach最高支持六軸聯動，控制精度能達到0.01mm，擁有良好的控制性能及友好的人機界面。NCStudio是一個國產控制系統(tǒng)，由上海維宏電子科技有限公司設計，經網友破解后也很受歡迎，是唯一的一個可用于DIY的國產控制軟件，很多的控制卡也基于這個軟件開發(fā)。KCAM是一個可以自由編輯打印機端口輸出的軟件，這對于開發(fā)下位機非常方便，當自己開發(fā)下位機的時候往往用這個系統(tǒng)。DeskCNC有很強的兼容性，能工作在各種Windows系統(tǒng)下，基于９針的串口輸出。AVR-CNC基于ＡTMega8芯片設計的一個系統(tǒng)，具有構建簡單、擴展容易的優(yōu)勢；而且Mega8直接控制電機，因此有更好的實時性。USBCNC是因現在的電腦都配USB接口，取消打印機并口而專門開發(fā)的。目前破解、漢化并不完全，技術還不成熟，使用得較少。 基于DOS系統(tǒng)的有TurboCNC[17]、CStep[18]。由于DOS系統(tǒng)是單一任務的操作系統(tǒng)，每個軟件的運行都是獨占CPU，因此有更高的實時性，在硬件跟不上的年代這點非常重要，對CNC系統(tǒng)的影響很大。現在硬件的能力都很強，計算速度飛快，通常就忽略了這一點。TurboCNC的性能介于KCam和Mach之間，對硬件的要求低，最多支持８軸，完全免費，不支持鼠標操作，DOS界面一般，操作不方便。CStep軟件既可運行于DOS，也可以在Windows下工作，在DOS下運行比在Windows下運行會更順暢，獲得更好的實時性。此軟件無需安裝，絕對綠色。不想用的時候只要把解壓出來的文件夾刪除即可，不會在其他地方殘留垃圾文件[7]。不過這個軟件從2004年以后就不再更新了。 基于Linux系統(tǒng)的有EMC2[19]。EMC（Enhanced Machine Controller，增強型機器控制器）是來源于NIST （National Institute of Standards and Technology，美國標準與技術研究院）90 年代早期開始的一個項目。其目的是提供一個有效的途徑來驗證用 PC 代替專用的 CNC控制器的可行性, 并最早在 Bridgeport 系列三軸機床上實現了其大部分控制功能。EMC充分發(fā)揮了 PC的硬實時特性和計算能力，在開放的 PC 上實現了封閉昂貴的專用 CNC 控制器的功能，對現代開放數控系統(tǒng)的設計有著重要的影響[8]。要在Linux系統(tǒng)上用好EMC還應具備一定的Linux知識。國內Linux的普及還不夠，所以使用EMC的人比較少。不過EMC在學術研究中很受歡迎，有很多相關的論文。 上位機是整個系統(tǒng)的大腦。下位機則是連接控制系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的橋梁，在整個系統(tǒng)中具有非常重要的作用。 相對于上位機只是破解、安裝一些CNC軟件來說，下位機的制作難度還是比較大的，需要具備一定的知識基礎。但下位機的原理比上位機簡單得多。其基本原理是接口板通過打印機并口接收上位機的信息，并把這些信息傳送給各個驅動器，驅動器再把這些信息放大，用于驅動電機。需要DIY的是接口板和驅動器，比較困難的是接口板，它需要你清楚知道打印機并口的每一個針腳的功能。對于一般的CNC軟件，這些信息是在軟件內部保密的，獲取需要一定的技巧?？梢宰约涸O置各個針腳的功能的控制軟件很少，目前知道的只有KCam一個，很多下位機DIY均基于這個軟件。驅動器這一塊目前有很多的步進電機專用控制芯片，功能很強大，外圍電路也比較簡單，所以相對容易。下位機制作的另一個瓶頸在于PCB板的制作，包括電氣原理圖的繪制、PCB布線、蝕刻法制作PCB。目前接口板和驅動器的原理圖都有開源的，但真正能根據這些資料自己制作的還是很少，也就是因為被這個瓶頸卡住。 基于以上原因，目前下位機的制作還主要靠一些專業(yè)人士或公司制作。DIY愛好者直接購買他們的產品，調試使用即可。目前市場上的產品主要分為以下兩種，一種是接口板和驅動器是分開的，另一種則是兩者一體的。目前淘寶上賣下位機的商家很多，但品種不多，性能也大同小異。主要區(qū)別有以下幾點：控制軸數、驅動的最高細分、輸出的控制電流、與電腦主板是否隔離。目前做下位機比較專業(yè)、產品較全，性價比較高的有以下幾家：東莞航宇、江西英菲賽、極平驅動、寧波歌林、斯達普斯、深圳展翔、溫州通卡、珩源電子。 4 小型雕刻機DIY學術氛圍 國內小型雕刻機的研究及發(fā)展主要靠幾個論壇。它們調動了DIY愛好者的興趣和激情的同時，給他們提供積極的幫助和指導，對小型雕刻機DIY行業(yè)的發(fā)展起到至關重要的作用。目前比較活躍的論壇有以下幾家： 廣州鹿原電控器材廠論壇（www.luyuandk.com/bbs）：國內最早做小型雕刻機的公司[9]。最早的小型雕刻機都是山寨鹿原的，鹿原在某種意義上來說算是中國小型雕刻機DIY行業(yè)的發(fā)源地。不過鹿原的商業(yè)模式更趨于傳統(tǒng)，其公司的DIY論壇也是后來才建立的。其中對于DIY真正有用的資料很少 。 阿莫雕刻（www.ourdev.cn）：靠“阿莫”的團隊支撐，商業(yè)氣氛比較濃。這個論壇的優(yōu)勢在于阿莫團隊設計的機子都為了賣，技術較完善，而其中很多的技術資料阿莫都敢于開源。認真去看能學很多。 世紀模具論壇（www.21mould.net）：看站名就知道這個論壇的重點在于模具，其實這個論壇主要是關于雕刻機應用方面的，例如雕刻程序的生成和編寫。雕刻機DIY是2007年才開的一個小版塊。總得來講這里DIY的氛圍不濃，但有很多有用的學習資料。 大海作坊（www.xyzdiy.com）：一個草根DIY社區(qū)，但卻是小型雕刻機DIY的天堂。里面有足夠的關于機械部分和控制部分的DIY資料。最新的基于USB接口的數控系統(tǒng)接口板的開發(fā)就開始于這里。 磁動力論壇（www.cdle.net）：目前國內最大的雕刻機DIY論壇，有很豐富的DIY資料和良好的DIY氛圍。 5 結論 從雕刻機DIY現狀來看，雖有10多年的歷史，但這個行業(yè)還未有太大的發(fā)展。目前的DIY主要為“復制式”，大家不斷地重復DIY同一個東西?！把邪l(fā)式”的DIY很缺乏，是今后的發(fā)展方向。 參考文獻： [1]周偉安.基于DSP的小型雕刻機全閉環(huán)控制系統(tǒng)設計[D].廣州.華南理工大學，2011:1-4 [2]李榮泳，陳勇志，孫振忠. 基于Mach3軟件的經濟型五軸雕刻機開發(fā)[J].裝備制造技術，2011，1：77-85 [3]雕刻機. http://baike.baidu.com/view/777785.htm [4]朱建國.并聯機構的研究[J].科協(xié)論壇，2010，9：94-95 [5]羅奇亮，馬保吉. 基于Mach3軟件的經濟型機械式雕刻機開發(fā)[J].機電產品開發(fā)與創(chuàng)新，2009，6：184-187 [6] AMCNC-01機型發(fā)布http://www.ourdev.cn/thread-3355500-1-1.html [7]6040Z+D高性能雕刻機http://item.taobao.com/item.htm?scm=1007.77.0.0&id=15393332489&ad_id=&am_id=&cm_id=&pm_id= [8]B200桌面機器人http://www.axxonauto.com/Pro_details.asp?ClassID=9&ID=45 [9] http://www.ourdev.cn/thread-3960214-1-1.html [10]桂紹勇，彭同明，何新洲.基于MEGA103單片機的數控系統(tǒng)研制[J].機械設計與制造.2005，9:36-37 [11] http://www.artsoftcontrols.com [12] http://www.weihong.com.cn [13] Geoff Williams.CNC Robotics,Build Your Own Workshop Bot[M].US:McGraw-Hill,2003:13-76 [14] http://www.deskcnc.com [15] http://sorcefoge.net/project/avrcnc/?_test=b [16] 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