经济型三维雕刻机的研究与设计

韩文凯，陈海达，吴志刚，杨 超，张木凯

（哈尔滨理工大学 荣成学院，山东 荣成 264300）

0 引言

随着雕刻市场需求及数控相关技术的发展，数控雕刻机产业获得前所未有的发展，在广告、木材加工、模具加工等领域得到广泛的应用。但是，现有的雕刻机如美国的“雕霸”、法国的“嘉宝”虽然性能很好，但其昂贵的价格令一些小单位及个人用户望而却步。本文介绍的雕刻机是一种经济型产品，其机械结构简单、传动链短，采用开环系统，易于控制和调试。

1 雕刻机总体方案的设计

本设计的目的是为广大中小客户及学校提供一种价廉、实用的数控雕刻系统，完成文字、图案的雕刻以及课堂演示。控制系统采用“PC＋运动控制卡”的模式，即利用CNC USB Controller软件进行绘图或读取其他相关加工图形信息并进行解释，调用直线或圆弧插补运算，并将各种插补转换为一系列的信号，并通过串口传输给运动控制卡，然后驱动X，Y，Z方向电机的运动，完成对工件的加工。雕刻机系统工作流程如图1所示。

图1 雕刻机系统工作流程图

2 雕刻机机械结构的设计

为了提高雕刻机的工作范围以及降低成本，本雕刻机采用刚性较好的移动式龙门结构，主要由工作台、主轴、龙门架、X轴部件、Y轴部件和Z轴部件等组成，具体结构如图2所示。

在该机械结构中，工作台主要用来装夹工件；X轴部件在步进电机的驱动下，通过丝杠螺母机构带动龙门架及其上的主轴刀具运动，实现刀具相对工件的X向进给；Y轴部件和Z轴部件分别实现刀具相对于工件的Y向进给和Z向进给。当雕刻机进行加工时，刀具在主轴电机的驱动下做旋转运动，并通过X轴、Y轴和Z轴部件，实现刀具相对于工件的复杂曲线运动，从而完成对工件轮廓的雕刻加工。

图2 雕刻机三维结构模型

3 系统的软件结构

3.1 DXF文件

DXF是AutoCAD图形文件的ASCII或二进制文件格式，由于其具有较好的兼容性，已经成为一种国际数据接口标准文件，它具有ASCII或二进制两种文件格式形式。在实际应用过程中，通常情况下所指的DXF文件为ASCII格式文件。

一个DXF文件包含标题段、类段、段块、表段、对象段和实体段。在设计文件中仅有实体段包含所涉及的几何信息，所以零件的特征信息从实体段部分提取。

3.2 转换

简单实体主要包括点、线、圆、文本等，转换主要是对实体位置数据的提取和对所提取数据的处理。实体段包含图形中出现的上述所有的图形对象，也包括对块的引用。

如果将DXF文件转换成数控代码，只需对图形文件中图形实体元素的几何信息和数据进行提取和处理，并可忽略存放在文件头段、类段、表段和对象段中的信息。由于几何图形元素的图元信息主要保存在实体段，因此分析实体段才是生成数控代码的关键。实体段的作用是记录每个几何元索的名称、所在图层名、线型名、颜色号、基面高度、厚度以及有关的几何数据。图元实体信息存放着相应图元实体所必须含有的各种信息。在Visual C＋＋6.0环境下定义的读取DXF文件的函数如下：

3.3 G-code在上位机中的翻译

对于G-code的翻译即为VC对G-code文件的编译。VC中的编译程序要有语法检测（检测与规定的G代码语法差异）、数据格式转换（将程序转为运动坐标信息）、处理变量表达式（支持变量表达式输入）、控制结构处理、处理固定循环、处理子程序和宏程序调用等功能。利用PC机庞大的内存空间（外加虚拟内存）足已处理一般情况。DXF转G-code的具体解释流程如图3所示。

4 系统硬件设计

本雕刻机是利用PC机的串口与运动控制板相连，然后分别将信号传输给主轴驱动电路和步进电机的驱动电路，实现雕刻机的主运动以及X，Y，Z方向的进给运动。

4.1 运动控制板的搭建

PIC单片机具有运行速度快、工作电压低、电耗低、输入输出驱动能力、价格低、抗干扰性强、体积小等特点，为下位机核心控制器件。下位机系统控制部分主要由单片机最小系统及外围电路实现，以单片机最小系统作为核心，外加通信模块、反馈模块、控制模块、指示模块等外围设备。其中，通信模块负责与PC部分进行串口通信，反馈模块负责接收机床部分反馈信号，控制模块负责控制机床部分，指示模块负责显示控制系统目前工作状态。运动控制卡电路图如图4所示。

图3 DXF转G-code流程图

4.2 驱动电路的构成

本文采用由东芝TB6560芯片构成的高细分驱动器来实现X，Y，Z轴方向上步进电机的驱动。该驱动器具有如下优点：①自带16细分功能，能够满足每分钟从几到近千转的应用要求，且电机振动小、噪声低；②大电流驱动时，芯片的散热面便于外连散热器，也可以直接连接在用户原有控制器金属壳体上，嵌入式驱动器体积小巧、易于散热。

TB6560步进电机驱动电路主要包括3部分：控制信号隔离电路、主电路和自动半流电路。因篇幅所限，此处未给出其具体的电路图。

5 结论

本文设计的经济型雕刻机属于典型的机电一体化产品，通过上位机对图形进行解释并发出指令给运动控制卡，实现雕刻机X，Y，Z方向电机的联动，从而完成对工件的雕刻加工。该雕刻机具有结构简单、易于控制、调试方便等特点，适合于中小型企业的雕刻加工以及学校进行相关课堂演示。

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