新型数控雕刻机运动控制系统设计

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； MACH 3ABSTRACTThis paper introduces CNC engraving machine industry development situation and the future trend of development firstly. Gantry carving machine was self-designed according to the mechanical and electrical integration design principle, methods and principles. Then,mechanism design was executed in carving machine separately in accordance with the time logic. Include control circuit principle design, manual control circuit principle design, PCB design. Parallel lines define and use and CNC control principle were Analysed and verified in detail. The suitable two phase hybrid step motor was selected combined its institutions part with step motor torque frequency curve. Step motor driver circuit diagram and PCB are designed based on the common drive chip TB6560AHQ and A3977SED on market. The carving machine manual control logic board realized the manual control of Institutions part. It is convenient for tool setting and testing adjustment, etc. The MACH3 software of carving machine realized the computer direct motion control. According to the interface circuit and stepping driving circuit controlled signal through the motion CNC engraving machine direct numerical control and the actual prototype in travel range(350mm*300mm*150mm)is achieved. Position accuracy of 0.1 mm and repeat precision can achieve by this kind of gantry carving machine. Several complex anaglyphs and lettering actual tests are completed. Processing object can be for nylon, hardwood, plastic, etc.Keywords：Engraving machine；Hybrid step motor；TB6560AHQ；PCB；MACH3目录1 绪论 (1)1.1 雕刻机行业发展概况 (1)1.2 雕刻机行业的特点 (1)1.3 数控雕刻机的未来发展趋势 (1)2 简易型三维雕刻机控制原理分析及方案提出 (2)2.1 简易型三维雕刻机机构部分简介 (2)2.2 两相混合式步进电机的结构和控制原理 (4)2.2.1 步进电机的分类 (4)2.2.2 两相混合式步进电机的结构特点 (4)2.2.3 两相混合式步进电机的控制原理 (5)2.2.4 步进电机驱动技术概述 (6)2.3 控制原理 (7)2.3.1 控制系统 (8)2.3.2 简易型三维雕刻机控制系统选择 (9)3 简易型三维雕刻机控制系统设计 (10)3.1 简易型三维雕刻机步进电机选择和分析 (10)3.2 简易型三维雕刻机伺服系统方案设计分析 (11)3.2.1 基于A3997SED芯片的雕刻机控制系统 (12)3.2.2 基于TB6560芯片的雕刻机控制系统 (17)3.2.3 简易型三维雕刻机伺服系统最终方案 (22)4 简易型三维雕刻机手控逻辑电路设计 (24)4.1 逻辑电路的构成原理 (24)4.2. 手控逻辑电路设计 (25)4.2.1 手控逻辑电路设计图 (25)4.2.2 手控逻辑电路分析与操作 (28)4.3 手控逻辑面板实物图 (29)5 简易型三维雕刻机控制电路PCB板设计 (30)5.1 PCB板的发展和介绍 (30)5.2 PCB设计原则与注意事项 (31)5.2.1 一般遵循规则 (32)5.2.2 布线的规则 (33)5.2.3 焊盘 (34)5.2.4 大面积填充 (34)5.2.5 跨接线 (35)5.2.6 接地 (35)5.2.7 抗干扰 (36)5.3 PCB板图设计 (38)6 并口线的定义和使用 (40)6.1 并口的定义 (40)6.2 并口的分类 (40)6.3 25针并口线的定义 (41)6.4 并口在三维雕刻机轨迹控制系统中的应用 (41)6.4.1 系统的组成 (41)6.4.2 并口驱动程序的设计 (42)6.4.3 系统应用程序开发 (44)7 简易型三维雕刻机控制电路与计算机数据接口交换 (44)7.1 数据交换 (44)7.2 电脑接口板的设计 (46)7.3 接口电路的逻辑输出和接线方式 (49)7.3.1 电流的衰减调节、细分调节、电流的输出调节 (49)7.3.2 驱动板额定工作时的数据输出 (50)8 论文总结与展望 (51)参考文献 (53)附录 (54)致谢 (54)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。

雕刻机总体及电气控制部分设计一、引言雕刻机是一种常见的数控设备，在工业制造、艺术创作等领域有着广泛的应用。

本文主要介绍雕刻机的总体设计和电气控制部分的设计。

二、总体设计雕刻机总体设计主要包括机架结构设计、传动系统设计和控制系统设计。

2.1 机架结构设计机架结构是雕刻机的主要支撑部分，需要具有足够的刚性和稳定性，以确保雕刻过程中的准确性和稳定性。

通常采用铝合金材料制作机架，具有重量轻、刚性好的特点。

机架采用模块化设计，便于安装和维修。

2.2 传动系统设计雕刻机的传动系统主要包括导轨、滑块和驱动装置。

导轨一般采用直线导轨，具有高准确性和高刚度。

滑块用于连接工作台和导轨，能够实现平滑的滑动。

驱动装置通常采用步进电机或伺服电机，能够根据程序要求进行精确的定位。

2.3 控制系统设计控制系统是雕刻机的关键部分，能够实现对雕刻机各部件的控制和协调。

常见的控制系统有PC控制、DSP控制和PLC控制。

PC控制方式是最常见的方式，通过PC上的软件控制雕刻机的运动。

DSP控制方式是一种嵌入式控制方式，具有实时性好、稳定性高的特点。

PLC控制方式适用于一些简单的控制任务。

三、电气控制部分设计电气控制部分是控制系统的核心，主要包括电气元件的选型和电路设计。

3.1 电气元件的选型常见的电气元件包括电机、电源、驱动器、传感器等。

在选择电气元件时需要考虑其适应雕刻机的需求，如电机要具有足够的功率和转速；电源要稳定可靠；驱动器要能够提供足够的电流和精确的控制信号。

传感器的选择需要考虑其测量精度和信号输出方式。

3.2 电路设计电路设计主要包括电气控制系统的硬件电路设计和控制信号的电路设计。

硬件电路设计包括电机驱动电路、传感器接口电路、电源电路等。

控制信号的电路设计包括控制信号的输入和输出电路设计，其目的是确保控制信号的稳定性和准确性。

四、结论本文介绍了雕刻机的总体设计和电气控制部分的设计。

机架结构设计、传动系统设计和控制系统设计是雕刻机总体设计的主要内容，其中电气控制部分设计包括电气元件的选型和电路设计。

摘要雕刻机制作工艺日渐成熟，应用范围也日渐广泛。

大到楼房建筑的装饰，小到商店门前的招牌，乃至很多产品的标识铭牌，可谓雕刻的使用范围无处不在。

但雕刻机的价格均比较高,为了提高其普及率,设计开发一个经济、简练的机械运动系统是很具有重要的理论意义和实用价值的。

本文简要地介绍了雕刻机的起源和发展现状，分析了国内外同类雕刻机的特点，说明了雕刻机的功能和使用范围。

综合运用机械设计制造和加工工艺等知识，提出了简化雕刻机运动系统的设计思路。

其次，讨论和确定了本雕刻机的总体结构布局。

本雕刻的运动系统包括了主运动系统和进给运动系统。

其主运动系统采用电机直接接刀具，省去中间传动，而进给运动系统是采用步进电机带动滚珠丝杠使部件在导轨上平移来实现三轴联动。

再次，对主电机的选用、滚珠丝杠、步进电机以及导轨等主要零部件进行了详细的设计与计算。

本雕刻机有着安装方便，结构简单、新颖，制造成本低等优点，可用于中小型雕刻机，对雕刻机价格具有一点的影响。

雕刻机，运动系统，三维关键词：ABSTRACTProduction technology of engraving machine has become mature and widely been used in many fields. The sculpture technology is used in the construction of the building decoration, small signs in front of the store, many products and logo nameplate. But the price of engraving machine is high; to be able to increase its penetration rate, design a mechanical system which is cheaper and brevity has a very important theoretical and practical value.This article briefly introduced the origin and the state-of-the –art of the engraving machine, analysed the similar characteristics of sculpture both at home and abroad, explained the functions and scope of use of the engraving machine. Firstly,a motion system design ideas was got by comprehensive using the knowledge such as mechanical design and manufacturing and processing technology.Secondly, the carving of the layout of the engraving machine are discussed and identified. The movement system of the sculpture, including the main movement system and feed movement.The main campaign directly to the electrical system used knives, eliminating the middle transmission, and the Progressive Movement system is used to the stepper motor driven ball screws so that components in the rails On the pan to achieve three-axis linkage.Finally,Selection of the main motor, ball screw, the stepper motor and rails, and other major components of a detailed are designed and calculationed.The engraving machine is easy to install, simple structure, new, and low cost manufacturing, can be used for small and medium-sized carving machine, the engraving machine with little impact on prices.Key words: engraving machines, motor system, 3D目录第1章绪论 (1)1.1 雕刻机的概述 (1)1.2 设计研制的雕刻机特点 (1)1.3 研制的雕刻机的功能及使用范围 (2)第2章系统分析与方案的订制 (5)2.1 三维雕刻机的设计参数 (5)2.2 雕刻机总体方案选择 (5)2.2.1 总体布局要求 (5)2.2.2 总体方案确定 (6)2.3 雕刻机运动系统方案设计 (7)2.3.1 坐标系统的确定 (7)2.3.2 总体结构 (8)2.3.3 进给运动方案 (9)第3章主运动系统的设计及校核 (10)3.1 铣削力、扭矩和功率的计算 (10)3.2 钻削力、扭矩和功率的计算 (11)3.3 主运动系统的设计...................... . (13)3.3.1 主运动系统的方案 (13)3.3.2主轴电机的设计计算 (13)第4章进给运动系统设计计算 (15)4.1 Z方向进给运动系统设计...................... .. (15)4.1.1 Z方向进给运动系统组成 (15)4.1.2 滚珠丝杠副的设计计算 (15)4.1.3 滚珠丝杠的校核 (20)4.1.4 Z方向进给电机的设计计算 (23)4.1.5 联轴器的选择 (25)4.1.6 Z方向直线导轨副的设计计算 (25)4.2 X方向进给运动系统设计 (27)4.2.1 X方向进给运动系统组成 (27)4.2.2 滚珠丝杠副的设计计算 (27)4.2.3 滚珠丝杠的校核 (31)4.2.4 X方向进给电机的设计计算 (33)4.2.5 联轴器的选择 (35)4.2.6 X方向直线导轨副的设计计算 (35)4.3 Y方向进给运动系统设计 (36)4.3.1 Y方向进给运动系统组成 (36)4.3.2 滚珠丝杠副的设计计算 (36)4.3.3 滚珠丝杠的校核 (40)4.3.4 Y方向进给电机的设计计算 (42)4.3.5 联轴器的选择 (43)4.3.6 Y方向直线导轨副的设计计算 (43)4.4 雕刻机设计参数的确定 (44)结论 (45)参考文献 (46)致谢 (47)附录 1 设计图纸 (48)第一章绪论1.1 雕刻机的概述雕刻可以追溯到远古时期，母系氏族时期的半坡氏族的“人面网纹盆”便是雕刻的雏形。