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 小型雕刻機研制-方案設計與控制設計摘要本文主要包括兩個內(nèi)容。一是雕刻的總體方案的設計；二是雕刻機電氣控制設計。首先采用機床設計方法完成了總體方案的設計，包括運動功能設計、運動功能分配設計與分析、結構布局設計以及結構布局的細化。然后在Ansys Workbench平臺下分析了兩種方案的變形；依據(jù)有限元分析結果、加工與裝配的難易程度以及經(jīng)濟性等因素對細化的兩種方案做了簡要的分析比較。分析得出龍門移動式的方案比較適合，并把這一結果提供給同組其他同學，進一步做結構細節(jié)設計與計算?？刂圃O計模塊首先介紹了Mach3數(shù)控軟件和HY-TB3DV-M三軸驅動板以及它們的設置，然后介紹它們?nèi)绾渭刹Ⅱ寗拥窨虣C機械本體運動。接著介紹了運用Proteus軟件設計、采用感光藍油方法制作的接口板和基于L297與L298N的步進驅動器。最后展示了接口板、步進驅動器和雕刻機樣機的測試結果和簡要的分析。關鍵詞：方案設計、控制設計、有限元分析、Mach3、HY-TB3DV-M、接口板、步進驅動器、Proteus、L297、L298N、Ansys WorkbenchThe Development of small Engraving MachineDesign and Control DesignAbstractThis paper includes two main parts, overall design planning of engraving and the electric control design of engraving machine. First, it completes the design of overall planning by introducing machine tool design, involving motor function design, motor function allocation design, structural design and structural and layout details. Then, based on the platform of Ansys Workbench, two modified plans being analyzed. Also, with consideration of the result of finite elements analysis, difficulties level of processing and assembling and economical factors, a briefly comparison within two refinement plans could be explored. According to the analysis, it is found that Gantry style is appropriate for implementing the plan. Therefore, the author offers the result to team members for a further calculation and detailed refinement. The control of design module explains Mach3 numerical control software, HY-TB3DV-M three axis driving board and methods of installation finally, following by illustration of how to be assembled and drive engraving machine to function.Keywords：Design、Control Design、Finite Element Analysis、Mach3、HY-TB3DV-M、The Interface Board、Stepper drives、Proteus、L297、L298N、Ansys Workbench目錄目錄III摘要IAbstractII1.緒論11.1課題背景11.2課題意義11.3研究目標12.總體結構布局設計與分析22.1運動功能設計22.2運動功能的分配32.3結構布局設計42.4總體結構的概略形狀與尺寸設計42.4.1總體布局方案的細化42.4.2總體結構的有限元分析6有限元分析技術簡介6Ansys Workbench有限元分析平臺簡介6Ansys Workbench與其他CAD軟件的接口技術7兩種結構的靜態(tài)特性分析82.4.3總體結構概略方案綜合評價123.控制系統(tǒng)設計133.1基于HY-TB3DV-M三軸驅動板的控制系統(tǒng)集成133.1.1HY-TB3DV-M三軸驅動板介紹14信息接收模塊15步進驅動模塊153.1.2Mach數(shù)控軟件介紹183.1.3HY-TB3DV-M驅動板與Mach3軟件的通訊193.2步進電機調(diào)試223.3接口板的設計與制作243.3.1Proteus簡介243.3.2原理圖與PCB的設計及接口板制作25接口板原理圖設計25PCB圖的生成27接口板的制作283.4基于L297+L298N芯片的步進電機驅動器的設計與制作303.4.1L298N介紹303.4.2L297介紹313.4.3步進驅動電路原理圖設計333.4.4步進驅動電路仿真測試353.4.5步進驅動器的制作363.5接口板和步進驅動器測試393.5.1接口板測試393.5.2步進驅動器的測試414.樣機實驗與分析424.1樣機展示424.2樣機運動測試424.3樣機加工測試44致謝46參考文獻47IV1. 緒論1.1 課題背景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(chǎn)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2D2.5D3D的變革周偉安.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.。經(jīng)過近80年的發(fā)展，目前雕刻機技術已經(jīng)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。經(jīng)過10多年的發(fā)展，我國小型雕刻機DIY雖已形成一定的規(guī)模，算得上一個小行業(yè)，但DIY的模式大多還為“復制式”。大伙不斷地重復DIY同一個方案。高校學生有較好的專業(yè)基礎和研發(fā)條件，是最有可能引導小型雕刻機DIY行業(yè)往“研發(fā)式”發(fā)展的群體之一，但目前小型雕刻機DIY在高校中還未有太多的推廣。1.2 課題意義隨著電子技術的發(fā)展，機電一體化產(chǎn)品在我們生活中占的比例越來越高，機電一體化技術對于我們的生產(chǎn)和制造發(fā)揮著越來越重要的作用。小型雕刻機屬于典型的機電一體化產(chǎn)品。它的設計和制造包含著豐富的機電一體化技術?？芍^麻雀雖小，五臟俱全。數(shù)控雕刻機從上世紀70年代王志英.電子雕刻技術未來發(fā)展趨勢J.印刷技術，1999，12：29-30.出現(xiàn)以來，經(jīng)過幾十年的發(fā)展、改進，不管是在硬件還是在軟件上都已經(jīng)發(fā)展到一定的高度。雕刻機技術不斷成熟的同時也在不斷地普及，尤其是小型雕刻機。作為一名本科生，研制小型雕刻機最直接的目的在于實踐機械設計、機械制造、機電一體化技術等專業(yè)理論知識。其重大意義在于為下一步研制難度更高的機電一體化產(chǎn)品奠定厚實的基礎。就小型雕刻機的整個研制過程，從設計、制造、調(diào)試到總結，每一個環(huán)節(jié)都是對大學四年來所學知識的鞏固和應用。通過這個項目的鍛煉，個人的能力能得到很大的提高。從培養(yǎng)人才、檢驗畢業(yè)生的角度，這一課題是非常有意義的。此外目前小型雕刻機DIY在高校中缺乏推廣。以該課題作為試驗項目，期望小型雕刻機DIY能在高校得到更多的關注。從而逐步引導小型雕刻機DIY行業(yè)往“研發(fā)式”方向發(fā)展。1.3 研究目標總體目標為完成小型雕刻機的方案設計和控制設計。結合同組同學的設計計算資料，與同學一起完成樣機的制造和裝配。繪制圖形并編寫G代碼，用樣機完成圖形的加工。為了便于研究，在開始研制小型雕刻機之前，我們對將要研制的小型雕刻機提出必要的幾點要求，即技術設計任務書。包括聯(lián)動軸數(shù)、可加工材料的范圍、可加工工件的最大尺寸、各軸最大的移動速度、重復定位精度及可達到的最高加工精度幾個方面。a) 聯(lián)動軸數(shù)：三軸b) 可加工的材料：HBS端口/針腳電機輸出，將會出現(xiàn)如界面。Enabled是否使用使能針腳控制；Step Pin#步進脈沖輸出針腳；Dir Pin#步進方向控制針腳。根據(jù)表3- 1的定義，把X、Y、Z軸各自電機的控制針腳設置成如圖3.1. 5。圖3.1. 5 電機輸出針腳設置因在圖3.1. 5中設置了使能控制，我們還需要設置各個軸的使能控制引腳。在剛才設置的窗口上單擊“輸出信號”標簽。按圖3.1. 6設置使能和輸出控制針腳。其中output #1設置的是主軸啟?？刂贫丝?，用于控制接口板上的一個繼電器。這里補充一下主軸控制的一點知識。Mach3能夠通過三種不同的方式控制主軸。1) 用繼電器或電流接觸器控制電機的啟停。2) 通過分步或直接脈沖控制電機（電機必須為伺服電機）。3) 通過PWM脈沖可調(diào)信號控制直流電機。HY-TB3DV-M驅動板采用的是最簡單的繼電器控制。所以在設置的時候只用了一個針腳，通過設置該針腳的電平來控制繼電器的開關。圖3.1. 6 輸出信號針腳設置以上設置僅玩成了驅動板與Mach3軟件并口針腳的對應關系。要實現(xiàn)通訊還必須設置Mach3軟件與外部通訊用的并口的地址。在剛剛的窗口中單擊“端口設置和軸向選擇”標簽。如圖3.1. 7中“端口 #1”和“端口 #2”前面有一個小方框，要使用哪一個端口就勾選哪一個。注意到有一個端口地址輸入框，這個需要根據(jù)自己電腦的定義設置。并口地址查詢方法比較簡單。進入電腦的設備管理器，找到打印機并口，右鍵單擊查看屬性，在“資源”標簽下就可查看到。這里不再詳細敘述。圖3.1. 7 并口地址設置完成設置后，用并口線把電腦的并口和驅動板的并口連接起來就完成了Mach3與驅動板的通訊。接下來要做的是把驅動板和步進電機聯(lián)系起來。步進電機的接線比較簡單，只要知道步進電機每根線的定義即可。拿四線電機來說，把A+、A-、B+、B-與四根線分別對應起來就好了，然后根據(jù)表3- 4的定義正確連線就完成連接。對于六線、八線的步進電機可以按照圖3.1. 8的方法把他們轉變?yōu)樗木€電機，然后按四線電機的接法連接。五線電機跟六線電機的原理可以看成是一樣的，只是五線電機把圖中的公共端NC連在了一起。圖3.1. 8 四線、六線、八線步進電機的連線由于驅動板無法對主軸電機調(diào)速，而驅動板本身供應的電壓過低（12V），無法滿足電主軸的轉速要求。為此單獨購買了電主軸的控制電源。連線很簡單，分清+、-、GND就ok。圖3.1. 9 急停開關針腳設置剩下的工作還有急停開關、限位開關和外部手控設備的接線。因雕刻機機械本體自帶機械手輪，可自由控制各軸的移動。為了節(jié)約成本我們不使用手控設備。其他兩個開關也對整個機器的運作沒有太大影響?？紤]到雕刻機各軸移動速度不快，限位開關的安裝還比較麻煩，在樣機試制時放棄使用限位開關。急停開關對于意外事故很重要，必須安裝。連線很簡單，請參考圖3.1. 10。連好線后還得在Mach3軟件中進行設置。進入“端口/針腳”設置窗口，在輸入信號標簽下，按圖3.1. 9設置。至此整個系統(tǒng)的連線工作完成，連線示意如圖3.1. 10。圖3.1. 10 系統(tǒng)接線示意圖3.2 步進電機調(diào)試上一節(jié)我們完成了系統(tǒng)的集成。在這一節(jié)我們需要根據(jù)購買的步進電機及在結構設計中選用的滾珠絲杠，進行Mach3軟件的設置工作。包括計算步進電機的脈沖當量、調(diào)節(jié)移動部件的最高移動速度和加速度，并通過調(diào)試選擇最合適的細分設置。調(diào)試之前先明確已知的一些參數(shù)。根據(jù)結構設計計算的結果，我們在淘寶上買了3個二手的42步進電機（型號：17PM-M007-02）。因為是二手的，沒有說明書。主要的參數(shù)如下：步距角=1.8；靜轉矩Fj=0.34Nm。另外滾珠絲杠的導程為P=5mm。步進電機與滾珠絲杠直接用彈性聯(lián)軸器連接，所以傳動比為i=1。我們先看看電機調(diào)試的界面，了解需要設置的幾個參數(shù)。圖3.1. 11的紅色方框部分為我們需要設置的項目。下面對每個參數(shù)做簡要的解釋。1) Steps Per：絲桿螺母移動1mm、需要向步進電機發(fā)送的脈沖數(shù)。與脈沖當量有關。2) 速度（mm/min）：絲桿螺母每分鐘最高的移動速度。速度越高，電機轉速越高，電機的扭矩越小。3) 加速度（mm/s2）：電機由靜止到達到最高速度，由最高速度到靜止下來的加速度，決定電機勻速運動的時間。也決定了移動部件對絲杠的沖擊力。4) 步進脈沖：用于設置最小脈寬，一般不需要設置。如果外部設備無法識別脈寬太小的脈沖時，才需要設置。5) 方向脈沖：用于設置方向脈沖的換向時間。一般也不設置。圖3.1. 11 電機調(diào)試界面經(jīng)過一番解釋，發(fā)現(xiàn)電機調(diào)試需要計算的參數(shù)只有“Steps Per”。速度和加速度是直接設定的，需要通過調(diào)試選擇合適的數(shù)值。下面先計算“Steps Per”，其本質(zhì)就是步進電機的脈沖當量。步進電機的脈沖當量：速度和加速度這兩個參數(shù)我們是通過調(diào)試、試驗獲得的。因工具有限，試驗條件差，下面簡單介紹調(diào)試的思想。加速度的確定是這樣的，首先憑感覺給定了一個加速度值，觀察部件的加減速情況。然后根據(jù)運動情況調(diào)整。直至加減速的時候沒有明顯的延時也不會過沖就ok。速度的調(diào)整主要考慮了電機轉速與扭矩的關系。首先給定一個初速度，然后按一常量增速，直至電機無法驅動部件為止。接著調(diào)整細分和衰減設置，調(diào)整后若能移動部件，則繼續(xù)增速，否則不做調(diào)整。最后獲得一個細分和衰減設置，并把電機速度調(diào)低，使電機的驅動力有一定的剩余，用于切削加工。3.3 接口板的設計與制作本節(jié)將簡單介紹Proteus電子設計自動化軟件，并詳細展示用Proteus設計接口板的過程。接著介紹如何使用用感光藍油自制接口板。3.3.1 Proteus簡介Proteus是英國Labcenter Electronic公司研發(fā)的包含單片機/嵌入式應用系統(tǒng)仿真獨特功能的電子設計自動化系統(tǒng)。主要由ISIS電路設計與仿真平臺、ProSPICE模數(shù)混合仿真器、VSM單片機/嵌入式系統(tǒng)協(xié)同仿真和ARES PCB設計構成。它真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整的工程設計過程周靈彬.任開杰.基于Proteus的電路與PCB設計M.北京：電子工業(yè)出版社，2010.。本文主要應用了ISIS、VSM和ARES PCB模塊。Proteus有非常豐富的元件庫和封裝庫，目前元件模型超過5萬，元件封裝接近5千。為ISIS電路設計和ARES PCB設計提供了很大的便利，同時也大大提高設計的效率。ISIS功能強大、操作簡單。只要把元器件擺放好后點擊接頭連線即可完成電路原理圖的設計。ISIS設計界面如圖3.3. 1所示。圖3.3. 1 ISIS電路設計界面這個看似簡單的界面還支持VSM電路仿真。在設計初期，選用具有仿真功能的元器件，在完成所有連線，確認無誤后，直接運行仿真按鈕，即可實現(xiàn)聲、光、動等逼真的效果。非常直觀地檢驗電路硬件和軟件設計的對錯。 VSM的整個電路分析模塊是ISIS模塊延續(xù)下來的，原理圖中可以包含很多的實用的仿真工具：a) 探針：用于采集電路中的電壓/電流信號。b) 電路激勵：系統(tǒng)的多種激勵信號。包括正弦、鋸齒波、脈沖等。c) 虛擬儀器：用于觀測電路的運行狀況，以波形的方式顯示電壓/電流信號。d) 曲線圖表：用于分析電路的參數(shù)指標。這些工具大大擴展了電路仿真的功能，增強了仿真的真實性和意義。ARES PCB模塊的功能同樣非常強大，是基于高性能網(wǎng)表的設計系統(tǒng)。其特點是：a) 基于“形狀”的自動布線，有效提高布線效率和布通率。b) 采用沖突減少運算法則，提供多路徑基于成本沖突減少運算法則的，適應于網(wǎng)絡自然流的布線方案。c) 擁有高級自動布線系統(tǒng)，包括全自動布線、腳本化布線、交互式布線等模式。同時支持手工布線。d) 自動生成飛線和力向量，為元件布局提供指導。允許自由拖放飛線實現(xiàn)引腳交換、門交換。e) 有連通檢查CRC和實時的設計規(guī)則檢查DRC系統(tǒng)。減少布線錯誤率。f) 支持多種PCB輸出格式，方便生產(chǎn)制作。ARES PCB的界面如圖3.3. 2所示。圖3.3. 2 ARES PCB設計界面3.3.2 原理圖與PCB的設計及接口板制作接口板原理圖設計前面的章節(jié)中，已經(jīng)介紹了打印機并口的特性。這節(jié)將根據(jù)這些特性來設計接口板。接口板在整個系統(tǒng)中的主要作用是允許電腦給驅動器等外部設備發(fā)送或接收信號。板子比較簡單，本質(zhì)就是把打印機并口的每個引腳根據(jù)外部接線的便利性分配到不同的排針上。為了增強輸入輸出引腳的驅動能力，每個引腳都配備了一個4.7k歐的電阻何立民.單片機高級教程M.北京：北京航空航天大學出版社，2000.。接口板的元器件清單如表3- 8。表3- 8 接口板原理圖元器件清單CategoryQuantityReferenceValueResistors17R1-R174.7kMiscellaneous1J1CONN-D25MMiscellaneous1J2CONN-SIL18Miscellaneous5J3-J7CONN-SIL2繪制完成的原理圖如圖3.3. 3所示。圖3.3. 3 接口板原理圖簡單介紹這個接口板。4.7k歐的電阻與5V電源串聯(lián)，能增強各個輸出輸入引腳的驅動能力。另外還能在一定范圍內(nèi)保護接口板電路和并口。J2排針的117號引腳分別與并口的117號引腳連接；J7的Pin1接5V電源，Pin2接地；J3、J4、J5、J6的Pin2都接地，Pin1分別與并口的1013引腳連接。之所以把這1013引腳單獨連接出來，是為了方便連接限位和急停開關。PCB圖的生成PCB圖的生成要求每個元件都需要有PCB封裝。在原理圖設計的時候就注意了這一點，都選擇了有合適封裝的元件。這樣在制作PCB圖的時候就很方便了，可直接把原理圖中的網(wǎng)表導入到ARES中。使用快捷鍵“Alt+A”即可導入網(wǎng)表，并打開ARES平臺。圖3.3. 4 手工布置元器件后的效果圖圖3.3. 5 完成布線的PCB圖在ARES平臺首先在“Board Edge”層繪制電路板的概略大小，然后在“Keep out”層繪制布線區(qū)域，接著手工布置元器件。元器件布置完成后的PCB如圖3.3. 4所示。此時圖中還有很多的飛線。元件布置完畢，單擊“Tools”菜單下的“Auto Router”，軟件將會自動完成布線。第一次自動布線出來的效果可能不好，多自動布置幾次，如果還不行可嘗試調(diào)整元件的位置。布線完成后必須檢查是否有DRC或CRC錯誤，軟件自帶檢查功能，。最終布完線的效果如圖3.3. 5。為了確保每個元器件都能焊在板子上，空間上不會相互干涉。在打印PCB圖前有必要看看其三維效果圖。如圖3.3. 6所示。圖3.3. 6 接口板三維圖一切都檢查完畢、無誤，根據(jù)感光藍油制作PCB的要求打印PCB圖。首先把PCB圖以負片的樣式打印為PDF文件。因Proteus7.10不支持負片打印，所以在打印前需要做簡單的設置。把布線層和焊盤層改為白色。然后單擊“Output”“Print”，彈出打印窗口，按圖3.3. 7設置。圖3.3. 7 打印設置窗口圖3.3. 8 PCB負片單擊“ok”完成打印，效果如圖3.3. 8。接口板的制作為了方便制作，我們事先把所需要的工具和材料都準備好。制作PCB板的材料清單如下：激光打印機：1臺。PCB菲林膠片：1張。畫筆：1支。感光藍油：100ml。感光油墨稀釋劑：50ml。覆銅板：701001.6mm 一塊。取暖器：1個。亞克力板：1001003mm一塊。顯影劑：20g。過硫酸銨：1kg。脫模劑：20g。小型鉆床：1臺。鉆頭：0.6、3.0各一支。下面一步步介紹我們制作的過程。圖3.3. 91) 打印負片：把PCB負片按1:1的比例用激光打印機打印到菲林膠片上。2) 涂感光藍油：用畫筆在覆銅板上涂覆均勻的感光藍油，然后使用取暖器烘干表面的藍油。此步驟在紫外線很弱的室內(nèi)完成。晾干后的覆銅板如圖3.3. 9。圖3.3. 103) 曝光：把PCB負片剪成覆銅板大小，放在晾干的藍油上；再用亞克力板壓緊，確保膠片與藍油貼緊；最后在陽光下照射30s。4) 顯影：把曝光后的覆銅板放入到配置好的顯影劑中，用畫筆輕刷，一會就得到印制了電路圖的覆銅板。