小型雕刻機(jī)研制-方案設(shè)計(jì)與控制設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

小型雕刻機(jī)研制-方案設(shè)計(jì)與控制設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū),小型,雕刻,研制,方案設(shè)計(jì),控制,節(jié)制,設(shè)計(jì),說(shuō)明書(shū),仿單  本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 題 目: 小型雕刻機(jī)研制—方案設(shè)計(jì)與控制設(shè)計(jì) 姓 名: 黃攀 學(xué) 院: 工學(xué)院 專(zhuān) 業(yè): 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí): 機(jī)制86 學(xué) 號(hào): 3318629 指導(dǎo)教師: 仲高艷 職稱(chēng):教授 2012年05月15日 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)教務(wù)處制 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）誠(chéng)信聲明書(shū) 本人鄭重聲明：本人所提交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），包括論文、圖紙、軟件、翻譯、制作的產(chǎn)品等成果，均是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成。凡他人完成的部分或引用的他人已發(fā)表的成果均在文中以明確方式標(biāo)出。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 論 文 作 者： （簽字）時(shí)間：2012年 月 日 指導(dǎo)教師已閱： （簽字）時(shí)間：2012年 月 日 目錄 目錄 3 摘要 1 Abstract 1 1. 緒論 2 1.1 課題背景 2 1.2 課題意義 2 1.3 研究目標(biāo) 2 2. 總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)與分析 3 2.1 運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì) 3 2.2 運(yùn)動(dòng)功能的分配 4 2.3 結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì) 5 2.4 總體結(jié)構(gòu)的概略形狀與尺寸設(shè)計(jì) 5 2.4.1 總體布局方案的細(xì)化 5 2.4.2 總體結(jié)構(gòu)的有限元分析 7 有限元分析技術(shù)簡(jiǎn)介 7 Ansys Workbench有限元分析平臺(tái)簡(jiǎn)介 7 Ansys Workbench與其他CAD軟件的接口技術(shù) 8 兩種結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性分析 9 2.4.3 總體結(jié)構(gòu)概略方案綜合評(píng)價(jià) 14 3. 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 3.1 基于HY-TB3DV-M三軸驅(qū)動(dòng)板的控制系統(tǒng)集成 15 3.1.1 HY-TB3DV-M三軸驅(qū)動(dòng)板介紹 15 信息接收模塊 16 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊 17 3.1.2 Mach數(shù)控軟件介紹 19 3.1.3 HY-TB3DV-M驅(qū)動(dòng)板與Mach3軟件的通訊 20 3.2 步進(jìn)電機(jī)調(diào)試 23 3.3 接口板的設(shè)計(jì)與制作 25 3.3.1 Proteus簡(jiǎn)介 25 3.3.2 原理圖與PCB的設(shè)計(jì)及接口板制作 27 接口板原理圖設(shè)計(jì) 27 PCB圖的生成 28 接口板的制作 29 3.4 基于L297+L298N芯片的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與制作 31 3.4.1 L298N介紹[10] 31 3.4.2 L297介紹[11] 32 3.4.3 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路原理圖設(shè)計(jì) 34 3.4.4 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路仿真測(cè)試 36 3.4.5 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的制作 37 3.5 接口板和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器測(cè)試 40 3.5.1 接口板測(cè)試 40 3.5.2 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的測(cè)試 42 4. 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)與分析 43 4.1 樣機(jī)展示 43 4.2 樣機(jī)運(yùn)動(dòng)測(cè)試 43 4.3 樣機(jī)加工測(cè)試 45 5. 總結(jié) 47 致謝 48 參考文獻(xiàn) 49 小型雕刻機(jī)研制-方案設(shè)計(jì)與控制設(shè)計(jì) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè) 黃攀 指導(dǎo)老師 仲高艷 摘要 本文主要包括兩個(gè)內(nèi)容。一是雕刻的總體方案的設(shè)計(jì)；二是雕刻機(jī)電氣控制設(shè)計(jì)。首先采用機(jī)床設(shè)計(jì)方法完成了總體方案的設(shè)計(jì)，包括運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)功能分配設(shè)計(jì)與分析、結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)布局的細(xì)化。然后在Ansys Workbench平臺(tái)下分析了兩種方案的變形；依據(jù)有限元分析結(jié)果、加工與裝配的難易程度以及經(jīng)濟(jì)性等因素對(duì)細(xì)化的兩種方案做了簡(jiǎn)要的分析比較。分析得出龍門(mén)移動(dòng)式的方案比較適合，并把這一結(jié)果提供給同組其他同學(xué)，進(jìn)一步做結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)與計(jì)算。控制設(shè)計(jì)模塊首先介紹了Mach3數(shù)控軟件和HY-TB3DV-M三軸驅(qū)動(dòng)板以及它們的設(shè)置，然后介紹它們?nèi)绾渭刹Ⅱ?qū)動(dòng)雕刻機(jī)機(jī)械本體運(yùn)動(dòng)。接著介紹了運(yùn)用Proteus軟件設(shè)計(jì)、采用感光藍(lán)油方法制作的接口板和基于L297與L298N的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器。最后展示了接口板、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器和雕刻機(jī)樣機(jī)的測(cè)試結(jié)果和簡(jiǎn)要的分析。 關(guān)鍵詞：方案設(shè)計(jì)、控制設(shè)計(jì)、有限元分析、Mach3、HY-TB3DV-M、接口板、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、Proteus、L297、L298N、Ansys Workbench The Development of small Engraving Machine ——Design and Control Design Student majoring in The Mechanical Design & Manufacturing &Automation panhuang Tutor gaoyanZhong Abstract This 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 1. 緒論 1.1 課題背景 1938年世界上第一臺(tái)手動(dòng)雕刻機(jī)在法國(guó)“嘉寶”問(wèn)世，1950年“嘉寶”生產(chǎn)出第一臺(tái)電動(dòng)雕刻機(jī)。20世紀(jì)90年代，微電子技術(shù)大爆發(fā)，帶動(dòng)了一大批高新技術(shù)企業(yè)的發(fā)展，也助雕刻機(jī)完成了2Dà2.5Dà3D的變革[[]周偉安.基于DSP的小型雕刻機(jī)全閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].廣州.華南理工大學(xué)，2011：1-4. ]。經(jīng)過(guò)近80年的發(fā)展，目前雕刻機(jī)技術(shù)已經(jīng)非常成熟。21世紀(jì)初期，小型雕刻機(jī)技術(shù)的普及，使得小型雕刻機(jī)成為DIY愛(ài)好者的另一個(gè)熱衷項(xiàng)目。 經(jīng)過(guò)10多年的發(fā)展，我國(guó)小型雕刻機(jī)DIY雖已形成一定的規(guī)模，算得上一個(gè)小行業(yè)，但DIY的模式大多還為“復(fù)制式”。大伙不斷地重復(fù)DIY同一個(gè)方案。 高校學(xué)生有較好的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)和研發(fā)條件，是最有可能引導(dǎo)小型雕刻機(jī)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(jī)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(shù)的發(fā)展，機(jī)電一體化產(chǎn)品在我們生活中占的比例越來(lái)越高，機(jī)電一體化技術(shù)對(duì)于我們的生產(chǎn)和制造發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。小型雕刻機(jī)屬于典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。它的設(shè)計(jì)和制造包含著豐富的機(jī)電一體化技術(shù)?？芍^麻雀雖小，五臟俱全。數(shù)控雕刻機(jī)從上世紀(jì)70年代[[]王志英.電子雕刻技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)[J].印刷技術(shù)，1999，12：29-30. ]出現(xiàn)以來(lái)，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展、改進(jìn)，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(jī)技術(shù)不斷成熟的同時(shí)也在不斷地普及，尤其是小型雕刻機(jī)。 作為一名本科生，研制小型雕刻機(jī)最直接的目的在于實(shí)踐機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、機(jī)電一體化技術(shù)等專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)。其重大意義在于為下一步研制難度更高的機(jī)電一體化產(chǎn)品奠定厚實(shí)的基礎(chǔ)。 就小型雕刻機(jī)的整個(gè)研制過(guò)程，從設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試到總結(jié)，每一個(gè)環(huán)節(jié)都是對(duì)大學(xué)四年來(lái)所學(xué)知識(shí)的鞏固和應(yīng)用。通過(guò)這個(gè)項(xiàng)目的鍛煉，個(gè)人的能力能得到很大的提高。從培養(yǎng)人才、檢驗(yàn)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(jī)DIY在高校中缺乏推廣。以該課題作為試驗(yàn)項(xiàng)目，期望小型雕刻機(jī)DIY能在高校得到更多的關(guān)注。從而逐步引導(dǎo)小型雕刻機(jī)DIY行業(yè)往“研發(fā)式”方向發(fā)展。 1.3 研究目標(biāo) 總體目標(biāo)為完成小型雕刻機(jī)的方案設(shè)計(jì)和控制設(shè)計(jì)。結(jié)合同組同學(xué)的設(shè)計(jì)計(jì)算資料，與同學(xué)一起完成樣機(jī)的制造和裝配。繪制圖形并編寫(xiě)G代碼，用樣機(jī)完成圖形的加工。 為了便于研究，在開(kāi)始研制小型雕刻機(jī)之前，我們對(duì)將要研制的小型雕刻機(jī)提出必要的幾點(diǎn)要求，即技術(shù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)。包括聯(lián)動(dòng)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(dòng)速度、重復(fù)定位精度及可達(dá)到的最高加工精度幾個(gè)方面。 a) 聯(lián)動(dòng)軸數(shù)：三軸 b) 可加工的材料：HBS<=70N/mm2 c) 各軸最大行程：X—200mm；Y—200mm；Z—40mm。 d) 最高工作精度：0.1mm。 e) 重復(fù)定位精度：0.01mm。 f) 加工效率：X、Y軸最大運(yùn)動(dòng)速度—1000mm/min；Z軸最大運(yùn)動(dòng)速度—500mm/min； 最大切削深度：3mm。 2. 總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)與分析 小型雕刻機(jī)為典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，其基本工作原理與一般的數(shù)控銑床類(lèi)似，因此可參考機(jī)床技術(shù)設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)。 圖2.1.1機(jī)床技術(shù)設(shè)計(jì)步驟 機(jī)床技術(shù)設(shè)計(jì)步驟[[]馮辛安.機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009:57-59. ]如圖2.1.1所示。因本文設(shè)計(jì)研究的小型雕刻機(jī)不投入生產(chǎn)，只用于學(xué)習(xí)和研究，所以技術(shù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)和確定結(jié)構(gòu)原理方案這兩個(gè)步驟做得很簡(jiǎn)單。在第一章中已經(jīng)完成。 在機(jī)床的整個(gè)設(shè)計(jì)流程中，本文只具體研究“機(jī)床總體設(shè)計(jì)”和“機(jī)床整機(jī)綜合評(píng)價(jià)”。其他的幾項(xiàng)內(nèi)容將由同組的其他同學(xué)完成。 2.1 運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì) 運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì)是指確定機(jī)床所需運(yùn)動(dòng)的個(gè)數(shù)、形式（直線運(yùn)動(dòng)、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）、功能（主運(yùn)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、其他運(yùn)動(dòng)）及排列順序。用運(yùn)動(dòng)功能式表示，并繪制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)功能圖。 運(yùn)動(dòng)功能式是描述機(jī)床運(yùn)動(dòng)的一種方法。用簡(jiǎn)單的字母組合成運(yùn)動(dòng)式來(lái)表示機(jī)床的運(yùn)動(dòng)個(gè)數(shù)、形式、功能及排列順序。左邊寫(xiě)工件，用W表示；右邊寫(xiě)刀具，用T表示；中間寫(xiě)運(yùn)動(dòng)，主運(yùn)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、其他運(yùn)動(dòng)分別用下標(biāo)p、f、a表示；工件、運(yùn)動(dòng)、刀具之間用符合“/”分開(kāi)。 根據(jù)技術(shù)任務(wù)書(shū)的要求，該小型雕刻機(jī)總共需要四個(gè)運(yùn)動(dòng)。包括X、Y、Z三個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)和主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。其中三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)均為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、主軸轉(zhuǎn)動(dòng)為主運(yùn)動(dòng)。因此其運(yùn)動(dòng)功能式為：W/Xf，Yf，Zf，Cp/T。 依據(jù)運(yùn)動(dòng)功能式，可繪制出小型雕刻機(jī)的運(yùn)動(dòng)功能圖。如圖2.1.2所示。 圖2.1.2 小型雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)功能圖 2.2 運(yùn)動(dòng)功能的分配 上一小節(jié)確定了雕刻機(jī)所需的運(yùn)動(dòng)功能。本節(jié)將以上節(jié)的運(yùn)動(dòng)功能圖為母版，根據(jù)基礎(chǔ)支撐件的不同進(jìn)行運(yùn)動(dòng)功能分配設(shè)計(jì)。運(yùn)動(dòng)功能分配設(shè)計(jì)將確定運(yùn)動(dòng)功能式中“接地”的位置，用符號(hào)“·”表示。“·”左側(cè)的運(yùn)動(dòng)由工件完成，“·”右側(cè)的運(yùn)動(dòng)由刀具完成。運(yùn)動(dòng)功能式中添加上接地符號(hào)“·”后，稱(chēng)之為運(yùn)動(dòng)分配式。上一節(jié)確定的運(yùn)動(dòng)功能式，根據(jù)接地的不同，將由如下幾種運(yùn)動(dòng)分配式。不同的運(yùn)動(dòng)分配式有不同的方案圖。 a) W/·Xf，Yf，Zf，Cp/T；方案如圖2.2. 1，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)完全由刀具完成。 b) W/Xf·Yf，Zf，Cp/T；方案如圖2.2. 2，X向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由工件完成，Y、Z向進(jìn)給動(dòng)由刀具完成。 c) W/Xf，Yf，Zf·Cp/T；方案如圖2.2. 3，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)完全由工件完成。 d) W/Xf，Yf·Zf，Cp/T；方案如圖2.2. 4，X、Y進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由工件完成，Z向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由刀具完成。 圖2.2. 1 A方案 圖2.2. 2 B方案 圖2.2. 3 C方案 圖2.2. 4 D方案 2.3 結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì) 初步選定結(jié)構(gòu)布局形式采用立式，基礎(chǔ)支撐件的形式采用龍門(mén)式，基礎(chǔ)支撐件的結(jié)構(gòu)采用分離式。 由于雕刻機(jī)較小，雖然用于加工小東西，但為了保證整個(gè)機(jī)器的穩(wěn)定性，基礎(chǔ)支撐件需做得厚實(shí)。上一節(jié)中圖2.2. 3 C方案和圖2.2. 4 D方案主要的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)都由工件完成，工件的運(yùn)動(dòng)需要靠基礎(chǔ)支撐件和工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)來(lái)完成。把很多的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)疊加在基礎(chǔ)支撐件上會(huì)使結(jié)構(gòu)變復(fù)雜，加之基礎(chǔ)支撐件厚重，傳動(dòng)困難，需要較大的驅(qū)動(dòng)力。先排除這兩個(gè)方案。 圖2.3. 1 龍門(mén)移動(dòng)式布局圖 圖2.3. 2 工作臺(tái)移動(dòng)式布局圖 根據(jù)A方案和B方案的運(yùn)動(dòng)功能分配方案圖設(shè)計(jì)他們各自的結(jié)構(gòu)布局形態(tài)。A方案的布局圖如圖2.3. 1所示；B方案的布局圖如圖2.3. 2所示。 2.4 總體結(jié)構(gòu)的概略形狀與尺寸設(shè)計(jì) 圖2.4. 1 電主軸 該階段主要任務(wù)是功能部件的概略形狀和尺寸設(shè)計(jì)。其實(shí)就是要完善布局圖中的細(xì)節(jié)。為進(jìn)一步做結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。這里要確定的都是“大概”的尺寸，起示意作用。具體的參數(shù)將在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算中獲得和完善。 2.4.1 總體布局方案的細(xì)化 具體的設(shè)計(jì)步驟如下： 1) 根據(jù)主軸需要的功率確定了主軸的形式為電主軸，接著根據(jù)功率大小初步圈定了電主軸的范圍，初步繪制電主軸的三維模型（如圖2.4. 1）。 2) 由電主軸的幾何參數(shù)確定了主軸電機(jī)座的概略尺寸，初步設(shè)計(jì)三維模型。主軸電機(jī)座通過(guò)滑動(dòng)軸承與導(dǎo)軌連接，初步選定導(dǎo)軌后即可確定電機(jī)座上的連接孔的尺寸。最終的三維模型如圖2.4. 2。 圖2.4. 2 電機(jī)座 3) 上一步中已經(jīng)初選了導(dǎo)軌的直徑，依據(jù)Z軸的最大行程即可確定導(dǎo)軌的長(zhǎng)度。其三維模型如圖2.4. 3。 圖2.4. 3 導(dǎo)軌 4) 導(dǎo)軌通過(guò)螺栓固定在Z軸上下兩塊板上。由電機(jī)座上的孔距可確定兩塊板上的安裝尺寸。上下板還需通過(guò)螺栓與X軸滑塊固定，其安裝尺寸概略選取。此時(shí)設(shè)計(jì)出來(lái)的上下板一模一樣，三維模型如圖2.4. 4。 圖2.4. 4 Z軸上下板 5) X滑塊與Z軸上下板的安裝尺寸已確定。X滑塊也通過(guò)滑動(dòng)軸承與導(dǎo)軌連接。因都是初選，參數(shù)與Z軸導(dǎo)軌一至。設(shè)計(jì)好的三維模型如圖2.4. 5。 6) X導(dǎo)軌的長(zhǎng)度由X向的最大行程決定。 圖2.4. 5 X滑塊 7) X導(dǎo)軌與左右立柱通過(guò)螺栓連接。從而確定立柱上導(dǎo)軌的安裝尺寸。立柱通過(guò)螺栓與Y滑塊連接，安裝尺寸概略選取。左右立柱一模一樣，三維模型如圖2.4. 6。 8) Y滑塊的設(shè)計(jì)與X滑塊一樣。其三維模型如圖2.4. 7。 9) Y軸導(dǎo)軌與X、Z導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)方法完全一樣，這里不再敘述。 10) 底座前板、后板與Y軸導(dǎo)軌連接；前板、后板均與底板和工作臺(tái)連接，安裝尺寸圈定后，其三維模型如圖2.4. 8。 圖2.4. 6 左右立柱 11) 底板與前板、后板連接的尺寸已確定；底板上安裝橡膠腳墊的尺寸概略確定。底板三維模型如圖2.4. 9。 12) 工作臺(tái)安裝在前板、后板上。其上還需要有便于安裝工件的結(jié)構(gòu)。初步設(shè)計(jì)后的工作臺(tái)模型如圖2.4. 10。 至此每個(gè)功能部件的概略形狀和尺寸設(shè)計(jì)完畢。其最終的整體模型如圖2.4. 11。 圖2.4. 7 Y滑塊 工作臺(tái)移動(dòng)式總體布局方案的細(xì)化方法完全相同。不再贅述，僅展示最后的細(xì)化結(jié)果。如圖2.4. 12。 圖2.4. 8 前后板 圖2.4. 9 底板 圖2.4. 10 工作臺(tái) 圖2.4. 11 龍門(mén)移動(dòng)式細(xì)化后模型 圖2.4. 12 工作臺(tái)移動(dòng)式細(xì)化后模型 圖2.4. 13 2.4.2 總體結(jié)構(gòu)的有限元分析 本節(jié)首先簡(jiǎn)單介紹了有限元分析技術(shù)、基于Ansys Workbench平臺(tái)的有限元分析方法及Ansys Workbench與其他CAD軟件的接口技術(shù)。然后針對(duì)上節(jié)中細(xì)化后的兩個(gè)方案、運(yùn)用Ansys做整體結(jié)構(gòu)的靜態(tài)剛度分析和一階模態(tài)分析。為下一節(jié)整體方案評(píng)價(jià)做準(zhǔn)備。 有限元分析技術(shù)簡(jiǎn)介 有限元分析技術(shù)是應(yīng)用有限元方法分析計(jì)算工程問(wèn)題的一門(mén)技術(shù)。其鼻祖是矩陣力學(xué)分析方法。最初應(yīng)用在飛機(jī)結(jié)構(gòu)分析中，目前在工程分析中廣泛應(yīng)用。有限元分析的基本思想是把任意復(fù)雜的結(jié)構(gòu)離散為有限數(shù)量的單元模型，然后采用矩陣力學(xué)分析原理進(jìn)行計(jì)算。這樣的一個(gè)思想就很方便地應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)。 據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)機(jī)械制造業(yè)中，有70%以上的新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)用到了有限元方法，90%的論文采用有限元方法作為分析工具。有限元分析技術(shù)在工程分析中實(shí)際充當(dāng)了數(shù)值化虛擬實(shí)驗(yàn)的角色。 在本文的分析中，有限元技術(shù)為方案的評(píng)價(jià)提供了有效的虛擬實(shí)驗(yàn)，并獲得必要的虛擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為方案評(píng)價(jià)提供了重要的依據(jù)。 Ansys Workbench有限元分析平臺(tái)簡(jiǎn)介 Ansys是國(guó)際著名的大型通用有限元分析軟件，在工程分析領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。Ansys Workbench是Ansys公司推出的下一代工程仿真技術(shù)集成平臺(tái)。相比于Ansys Classic來(lái)說(shuō)，Ansys Workbench有了很大的改進(jìn)。采用全新的項(xiàng)目視圖功能，在一個(gè)類(lèi)似流程圖的圖表中，仿真項(xiàng)目中的各項(xiàng)任務(wù)以互相連接的圖形化方式清晰表達(dá)出來(lái)，可以非常容易地理解項(xiàng)目的工程意圖、數(shù)據(jù)關(guān)系、分析工程的狀態(tài)等[[]凌桂龍.丁金濱.溫正.Ansys Workbench 13.0從入門(mén)到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012. ]。具有智能化程度高、操作簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)交換簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。其很強(qiáng)大的是提高了接觸設(shè)置的智能程度，從而使組件分析變得簡(jiǎn)單。在本文的分析應(yīng)用中這一點(diǎn)優(yōu)勢(shì)很明顯。Ansys Workbench的主界面如圖2.4. 14所示。 圖2.4. 14 Ansys Workbench主界面 Ansys Workbench與其他CAD軟件的接口技術(shù) Workbench定位為“工程仿真技術(shù)集成平臺(tái)”，大大提高了對(duì)其他CAD三維建模軟件的兼容性。這為分析一些較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)提供了很大的便利。使工程師在Workbench中把主要問(wèn)題集中在模型的分析上，而不是模型的簡(jiǎn)歷上。另外Workbench平臺(tái)的DesignXplorer為Ansys的參數(shù)化建模模塊，有很強(qiáng)大的建模功能，很方便就能對(duì)模型完成修改。 安裝好Ansys Workbench后，軟件將會(huì)自動(dòng)與其他CAD軟件完成集成工作。使得在其他CAD軟件中能直接啟動(dòng)Ansys Workbench并導(dǎo)入其中的三維模型。PRO/E、Solidworks軟件集成Workbench后的界面分別如圖2.4. 15和圖2.4. 16。 圖2.4. 15 集成了Workbench后的PRO/E界面 圖2.4. 16 集成了Workbench后的Solidworks界面 兩種結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性分析 靜態(tài)特性分析主要用于求解結(jié)構(gòu)僅受固定不變載荷作用時(shí)的變形。在此是為了簡(jiǎn)單比較兩種雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性，為方案評(píng)價(jià)提供參考。 因所有的結(jié)構(gòu)、工作等參數(shù)都未確定，分析的目的只是為了做一個(gè)簡(jiǎn)單的比較，所以只分析一種相對(duì)極限的狀態(tài)。給結(jié)構(gòu)施加比實(shí)際工作稍大的力，盡可能事部件處在最?lèi)毫拥奈恢谩? 三維模型的導(dǎo)入 圖2.4. 17 由Solidworks導(dǎo)入的三維模型 Workbench與Solidworks有非常好的接口，直接從Solidworks中啟動(dòng)并導(dǎo)入創(chuàng)建好的三維模型。結(jié)果如圖2.4. 17所示。左邊紅色框中顯示了導(dǎo)入的所有零件的名稱(chēng)。 材料的設(shè)置 預(yù)設(shè)計(jì)導(dǎo)軌、滑動(dòng)軸承、內(nèi)六角螺栓使用鋼，其余所有零件使用6061鋁合金。返回主界面，進(jìn)入“Engineering Data”中定義材料屬性。系統(tǒng)材料庫(kù)自帶“Structural Steel”，需要新建一個(gè)6061鋁合金材料。兩種材料的屬性值如表所示。 表2- 1 材料屬性 Destiny Young`s Modulus Poisson`s Ratio Structural Steel 7850kg/m2 2×1011Pa 0.3 6061鋁合金 2700 kg/m2 6.9×1010Pa 0.33 設(shè)置好材料后，進(jìn)入Mechanical模塊就可以把剛剛設(shè)置的材料分配給不同的零件。 接觸設(shè)置 因分析的是一個(gè)組件，在Mechanical模塊完成材料分配后，需要對(duì)接觸面進(jìn)行設(shè)置。所有的接觸面均采用“Bonded”，使相互接觸的兩個(gè)零件完全綁定在一起，不能相對(duì)移動(dòng)；所有的接觸面均采用“MPC法（多點(diǎn)接觸法）”求解。其余使用默認(rèn)設(shè)置。設(shè)置好后的接觸設(shè)置界面如圖2.4. 18。 圖2.4. 18 接觸設(shè)置界面 網(wǎng)格劃分 圖2.4. 19 網(wǎng)格劃分設(shè)置與結(jié)果 對(duì)Z軸方向的組件、各個(gè)導(dǎo)軌和直線軸承、左右立柱的弧形處做了加密處理；主軸電機(jī)座的最大網(wǎng)格尺寸設(shè)置為5mm；底部八個(gè)支撐螺栓的最大網(wǎng)格尺寸設(shè)置為1mm。其余采用默認(rèn)設(shè)置劃分。劃分結(jié)果與默認(rèn)設(shè)置如圖2.4. 19所示。 網(wǎng)格的劃分質(zhì)量對(duì)計(jì)算結(jié)果有很重要的影響。Ansys Workbench自帶網(wǎng)格分析功能。Skewnees（扭曲度）是最基本的網(wǎng)格質(zhì)量檢查項(xiàng)。可統(tǒng)計(jì)出節(jié)點(diǎn)數(shù)、單元數(shù)、扭曲度區(qū)間、平均值以及標(biāo)準(zhǔn)方差，最終能把這些數(shù)據(jù)以網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量直方圖的形式展示。其值位于0到1之間，0最好、1最差。分析結(jié)果如圖2.4. 20所示。結(jié)果表明一共有三種網(wǎng)格類(lèi)型。大部分網(wǎng)格質(zhì)量的系數(shù)處在0.25左右；小部分為1，處于極差區(qū)。整體網(wǎng)格質(zhì)量中等，考慮到電腦硬件的限制，不再進(jìn)行優(yōu)化。 圖2.4. 20 Skewness分析直方圖 載荷與約束的施加 分析結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)。雕刻機(jī)的刀具會(huì)受到X、Y、Z方向的作用力，而工作臺(tái)將受三個(gè)相對(duì)應(yīng)的反作用力。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)要求，大概確定這三個(gè)力的大小為100N。在八個(gè)螺栓的底面添加固定約束。載荷與約束的添加請(qǐng)參考圖2.4. 21。紅色面表示施加力的面，紅色箭頭表示力的方向，箭頭尾部的標(biāo)簽與圖片左側(cè)的標(biāo)簽相對(duì)應(yīng)。 分析結(jié)果展示與說(shuō)明 圖2.4. 21 載荷與約束的施加 因只是做簡(jiǎn)單的分析，結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)還沒(méi)有設(shè)計(jì)和處理，所以不分析應(yīng)力集中和應(yīng)變，只分析整體變形。最終的分析結(jié)果如圖2.4. 23所示，圖中的變形經(jīng)過(guò)450倍放大處理。結(jié)果表明底部支架變形很小，幾乎不變形。主要的變形區(qū)在主軸電機(jī)座的最外端。最大變形為0.083844mm，變形能滿(mǎn)足精度要求。另外考慮實(shí)際受力時(shí)，受力點(diǎn)不會(huì)那么靠近端部，受力也會(huì)更均勻一些，因此實(shí)際變形會(huì)更小一些。 圖2.4. 22 從正面和側(cè)面觀察變形圖 圖2.4. 23 龍門(mén)移動(dòng)式變形云圖 圖2.4. 22為從側(cè)面和正面觀察的變形圖。能更清楚的觀察變形的情況。 工作臺(tái)移動(dòng)式的方案分析方法、過(guò)程與龍門(mén)移動(dòng)式的完全一致。條件也完全一樣。因此只展示其最后的分析結(jié)果。如圖2.4. 24和所示 圖2.4. 24 工作臺(tái)移動(dòng)式方案變形云圖 圖2.4. 25 從正面和側(cè)面觀察變形圖 2.4.3 總體結(jié)構(gòu)概略方案綜合評(píng)價(jià) 以上工作完成了小型雕刻機(jī)總體結(jié)構(gòu)概略設(shè)計(jì)與變形分析。在進(jìn)一步做詳細(xì)計(jì)算分析之前，先對(duì)兩個(gè)概略方案做簡(jiǎn)單的綜合評(píng)價(jià)。 分析結(jié)果表明兩種方案的最大變形都不超過(guò)0.1，龍門(mén)移動(dòng)式變形稍微小一點(diǎn)。另外龍門(mén)移動(dòng)式工作臺(tái)的剛性要好很多，最大變形量只有0.0038562mm，而且呈對(duì)稱(chēng)分布。 結(jié)構(gòu)的變形對(duì)于加工精度有很大的影響，但對(duì)于整個(gè)機(jī)器來(lái)說(shuō)，換需要考慮很多其他的因素。下面以表格的形式簡(jiǎn)單分析比較這兩個(gè)方案的各個(gè)因素。詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)表2- 2。 表2- 2 方案綜合評(píng)價(jià)表 考慮因素 龍門(mén)移動(dòng)式 工作臺(tái)移動(dòng)式 剛度 強(qiáng) 強(qiáng) 精度 中 中 零部件加工難易程度 中 易 零部件的經(jīng)濟(jì)性 中 好 裝配難易程度 中 難 可維護(hù)性 好 中 所需工作空間 小 大 制造周期 5天 8天 綜合以上簡(jiǎn)要的分析。兩種方案的剛度和精度差不多；龍門(mén)移動(dòng)式方案的零部件加工難度和經(jīng)濟(jì)性較差，裝配難易程度和可維護(hù)性較好。考慮零部件主要發(fā)外加工而且為單件生產(chǎn)；而裝配需要自己完成，在測(cè)試過(guò)程中可能要經(jīng)常調(diào)整零部件。另外龍門(mén)移動(dòng)式的工作臺(tái)要穩(wěn)定得多，工作空間也要比工作臺(tái)移動(dòng)式方案小1/2。因此選擇龍門(mén)移動(dòng)式方案進(jìn)一步研究和設(shè)計(jì)計(jì)算。 3. 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)床控制系統(tǒng)可分為時(shí)間控制、程序控制、數(shù)字控制、誤差補(bǔ)償控制和自適應(yīng)控制。數(shù)字控制系統(tǒng)即目前廣泛使用的數(shù)控系統(tǒng)。分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。本文只研究開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。首先作為系統(tǒng)研究的入門(mén)，研究了基于“Mach3+HY-TB3DV-M三軸驅(qū)動(dòng)板”控制系統(tǒng)的搭建。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)熟悉后，自己嘗試開(kāi)發(fā)了基于Mach3和KCam數(shù)控軟件的接口板和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。 3.1 基于HY-TB3DV-M三軸驅(qū)動(dòng)板的控制系統(tǒng)集成 HY-TB3DV-M三軸驅(qū)動(dòng)板是東莞航宇公司的一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品，配合Mach3數(shù)控軟件使用。此節(jié)將詳細(xì)介紹HY-TB3DV-M三軸驅(qū)動(dòng)板和Mach3軟件，及它們之間如何集成，組成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)。 3.1.1 HY-TB3DV-M三軸驅(qū)動(dòng)板介紹 首先看一下驅(qū)動(dòng)板的圖片，對(duì)其有一個(gè)感性的認(rèn)識(shí)。如圖3.1. 1圖3.1. 1 HY-TB3DV-M三軸驅(qū)動(dòng)板 。 在這個(gè)圖片上，從它的簡(jiǎn)單說(shuō)明中我們對(duì)驅(qū)動(dòng)板的資源有一定的了解。后續(xù)的介紹內(nèi)容很大部分需要參考這個(gè)圖片，屆時(shí)將不再貼圖。 該驅(qū)動(dòng)板有1個(gè)25針并口、1個(gè)15針串口、1個(gè)12針針座、1個(gè)5針針座、1個(gè)兩針接頭輸入資源；3個(gè)步進(jìn)電機(jī)接口、1個(gè)主軸接口輸出資源；3個(gè)TB6560AHQ芯片。各個(gè)接口中每個(gè)引腳功能的定義分列一下各表。 25針并口與電腦打印機(jī)并口連接，用于驅(qū)動(dòng)板和Mach3軟件的通訊。其定義如表3- 1。 表3- 1 驅(qū)動(dòng)板25針并口各引腳功能 PIN9 PIN14 PIN7 PIN1 PIN2 PIN3 PIN8 PIN6 PIN4 PIN5 PIN16 PIN17 主軸電機(jī) X 允許 X 方向 X 脈沖 Y 允許 Y 方向 Y 脈沖 Z 允許 Z 方向 Z 脈沖 輸出1 輸出2 15針串口與外部手控設(shè)備連接，用于手動(dòng)控制雕刻機(jī)各軸的運(yùn)動(dòng)。其定義如表3- 2。 表3- 2 15針串口各引腳定義（按圖片右上為P1左上P15） P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14 P15 X脈沖 X使能 主軸 X方向 Y使能 Z方向 Z脈沖 Z使能 Y限位 Z 限位 Y 方向 Y 脈沖 急停 GND 5V/VDD 5針針座與急停開(kāi)關(guān)和限位開(kāi)關(guān)連接。每個(gè)針腳與并口都有對(duì)應(yīng)關(guān)系。其定義如表3- 3。 表3- 3 5針針座各引腳定義（按圖片上為P1下為P5） 針腳號(hào) P1 P2 P3 P4 P5 對(duì)應(yīng)并口 Pin10 Pin11 Pin12 Pin13 GND 功能 急停開(kāi)關(guān) X軸限位 Y軸限位 Z軸限位 接地 輸出接口與步進(jìn)電機(jī)、主軸電機(jī)、電源連接。其各引腳功能定義如表3- 4。在驅(qū)動(dòng)板上各個(gè)引腳有相關(guān)的標(biāo)記。 表3- 4 輸出接口各引腳定義（圖片上為1下為17） P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 正 地 XA+ XA- XB+ XB- YA+ YA- YB+ YB- ZA+ ZA- ZB+ ZB- V+ GND V- 以上是各個(gè)輸入輸出引腳的詳細(xì)功能說(shuō)明。接下來(lái)我們?cè)敿?xì)討論這塊驅(qū)動(dòng)板的主要功能。大方向可以分為兩塊。一是信息接收模塊，接收電腦并口或外部輸入設(shè)備的信息；二是步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊，用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。 信息接收模塊 圖3.1. 2 光電耦合器工作示意圖 信息接收模塊的原理很簡(jiǎn)單。首先Mach3軟件把加工零部件的G代碼翻譯成二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)，然后把這些信號(hào)轉(zhuǎn)化為高、低電平，發(fā)送到電腦的25針并口。25針并口中的輸出針腳與光耦的V[in](如圖3.1. 2)端連接，與光耦的發(fā)光部分構(gòu)成一個(gè)開(kāi)關(guān)電路。當(dāng)輸出高電平時(shí)V[in]為高電平，光耦接通，二極管發(fā)光，從而使V[cc]端的電路接通，外部電路工作。對(duì)于輸入信號(hào)工作原理類(lèi)似。不過(guò)25針的輸入針腳與受光端電路連接，發(fā)光端電路與外部開(kāi)關(guān)串聯(lián)，當(dāng)V[in]為高電平時(shí)，受光端電路工作，使25針并口的輸入端針腳為高電平或低電平。以上即Mach3軟件依靠并口通過(guò)光耦與外部電路通訊的簡(jiǎn)單原理。 光耦的信號(hào)傳遞采取電—光—電形式，發(fā)光部分和受光部分不接觸，有很好的絕緣特性[[]朱思洪.機(jī)電一體化技術(shù)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2011:80-81. ]。被耦合的兩個(gè)部分自成系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)板的強(qiáng)電電路和計(jì)算機(jī)的弱電電路完全隔離，能可靠保護(hù)電腦的同時(shí)，還能有效避免強(qiáng)電對(duì)計(jì)算機(jī)的干擾。這是驅(qū)動(dòng)板中應(yīng)用光耦的重要原因。 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊稍微復(fù)雜一點(diǎn)，但其原理也不難。主要是TB6560AQH步進(jìn)驅(qū)動(dòng)集成電路IC芯片的應(yīng)用。驅(qū)動(dòng)板的性能很大程度上由TB6560AQH決定。因此有必要簡(jiǎn)單介紹一下TB6560AQH芯片。 TB6560AQH是東芝公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片。其主要特點(diǎn)有： a) 采用雙極性PWM恒流斬波驅(qū)動(dòng)。 b) 最高支持1/16細(xì)分。 c) 可設(shè)置4級(jí)電流衰減模式。 d) 可設(shè)置4級(jí)輸出電流比率。 e) 高耐壓輸出，最高可達(dá)40V。 f) 高電流輸出，最高可達(dá)3.5A(峰值)。 g) 輸入針腳內(nèi)置100kΩ的下拉電阻。 h) 配備輸出監(jiān)視器、復(fù)位、使能針腳。 i) 內(nèi)置過(guò)熱保護(hù)電路。 驅(qū)動(dòng)板的驅(qū)動(dòng)性能完全由以上特性決定。就使用這塊驅(qū)動(dòng)板而言，沒(méi)有必要過(guò)于詳細(xì)地進(jìn)一步了解這個(gè)芯片各個(gè)引腳的功能及其內(nèi)部原理。下面就幾個(gè)比較重要的關(guān)于工作參數(shù)設(shè)置的引腳做一些說(shuō)明。這些引腳與圖中撥碼開(kāi)關(guān)的設(shè)置息息相關(guān)。對(duì)調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的工作性能也很重要。 M1、M2引腳：步進(jìn)脈沖細(xì)分設(shè)置 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制技術(shù)其本質(zhì)是一種電子阻尼技術(shù)，可以減弱或消除步進(jìn)電機(jī)低頻振動(dòng)的弱點(diǎn)，提高步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度。下面以步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)為例做一個(gè)直觀的說(shuō)明。沒(méi)有細(xì)分控制的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)1.8°；步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要200個(gè)脈沖。如果設(shè)置步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分為1/2，那么步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送一個(gè)脈沖，理論上步進(jìn)電機(jī)只轉(zhuǎn)動(dòng)0.9°，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要400個(gè)脈沖。 M1、M2這兩個(gè)引腳分別有高電平和低電平兩種狀態(tài)。一共有四種組合，可設(shè)置四種細(xì)分模式，分別為1/2、1/4、1/8、1/16細(xì)分。其設(shè)置及所對(duì)應(yīng)的細(xì)分模式如表3- 5，其中“L”代表低電平，“H”代表高電平。 表3- 5 細(xì)分設(shè)置表 輸入 細(xì)分模式 M1 M2 L L 1/2 H L 1/4 L H 1/8 H H 1/16 Dcy1、Dcy2引腳：電流衰減速率設(shè)置 配合細(xì)分功能的一項(xiàng)設(shè)置。TB6560采用的是電流細(xì)分法，將相電流按正弦波相切得到的電流點(diǎn)作為細(xì)分點(diǎn)。在相電流達(dá)到細(xì)分點(diǎn)時(shí)就要控制電流進(jìn)行控制衰減，否則就會(huì)出現(xiàn)角度過(guò)沖，從而無(wú)法準(zhǔn)確地停留在細(xì)分角度上。選擇衰減模式的基本原則是高速時(shí)快衰減、低速時(shí)慢衰減。高速時(shí)慢衰減就會(huì)出現(xiàn)震動(dòng)大、噪音高等問(wèn)題。低速時(shí)選擇快衰減就會(huì)導(dǎo)致電機(jī)無(wú)力嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)定位不準(zhǔn)。 這兩個(gè)引腳的設(shè)置方式與M1、M2完全相同。其設(shè)置及所對(duì)應(yīng)的衰減模式如表3- 6。 表3- 6 電流衰減 輸入 衰減模式 Dcy1 Dcy2 L L 快衰減 H L 25% L H 50% H H 慢衰減 TQ1、TQ2引腳：電流比率設(shè)置 芯片這兩個(gè)引腳的功能比較強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)半流控制。但這塊驅(qū)動(dòng)板并沒(méi)有開(kāi)發(fā)出此功能，僅把這兩個(gè)引腳作為電流大小調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)的輸入端。使用時(shí)可根據(jù)步進(jìn)電機(jī)來(lái)選擇合適的芯片輸出電流。電流太小步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩小，電流太大步進(jìn)電機(jī)容易發(fā)燙。這兩個(gè)引腳是通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電流的比率來(lái)實(shí)現(xiàn)電流大小控制的。其設(shè)置如表3- 7。 表3- 7 電流大小設(shè)置 輸入 電流比率 TQ1 TQ2 L L 100% H L 75% L H 50% H H 25% 圖3.1. 3 撥碼開(kāi)關(guān)與設(shè)置 以上三個(gè)設(shè)置由一個(gè)6位撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了在使用過(guò)程中更方便的設(shè)置，現(xiàn)把撥碼開(kāi)關(guān)與設(shè)置的對(duì)應(yīng)關(guān)系用一個(gè)圖來(lái)表示。如圖3.1. 3。 關(guān)于HY-TB3DV-M三軸驅(qū)動(dòng)板就介紹這么多。驅(qū)動(dòng)板與步進(jìn)電機(jī)、電腦的集成待介紹完Mach3軟件后說(shuō)明。 3.1.2 Mach數(shù)控軟件介紹 Mach是美國(guó)Artsoft公司（http://www.machsupport.com/）開(kāi)發(fā)的一款基于Windows系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控軟件[[]Mach3銑床使用說(shuō)明書(shū)[R].科玲科技股份有限公司，2005 ]。Mach的應(yīng)用有很詳細(xì)的使用手冊(cè)，在這里僅簡(jiǎn)單介紹Mac h需要的系統(tǒng)配置及其與外部設(shè)備通訊的實(shí)現(xiàn)。 目前Mach的最新版本是Mach3，這里的介紹全是基于Mach3的。Mach3軟件的操作完全符合Windows的風(fēng)格，有非常友好的操作界面，如圖3.1. 4。整個(gè)界面包括G代碼顯示、刀具軌跡顯示、主軸狀態(tài)顯示、進(jìn)給狀態(tài)顯示、刀具信息顯示、主要的控制按鈕這幾塊。值得一提的是，Mach軟件的界面允許用戶(hù)根據(jù)自己的需要自定義。 圖3.1. 4 Mach3軟件主界面 Mach3對(duì)電腦軟硬件的要求： a) 1GHZ以上的處理器。 b) 1024×768像素顯示器。 c) Windows XP或Windows 2000操作系統(tǒng)。 Mach3通過(guò)25針打印機(jī)并口與外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)通訊。打印機(jī)并口有12位的數(shù)據(jù)輸出通路；引腳分別為1~ 9、14、16、17；有5位的數(shù)據(jù)輸入通路；引腳分別為：10~ 13、14；引腳18~ 25定義接地。MACH3軟件對(duì)雕刻機(jī)的控制信號(hào)全部是通過(guò)這12個(gè)輸出引腳和5個(gè)輸入引腳控制。MACH3軟件沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的控制接口定義，可過(guò)Mach3的軟硬件接口界面設(shè)置[[]王黨利.祁立軍.寧生科.基于MACH軟件三維雕刻機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)科技核心期刊，2010，29(1)：77-80. ]。 3.1.3 HY-TB3DV-M驅(qū)動(dòng)板與Mach3軟件的通訊 我們已經(jīng)知道驅(qū)動(dòng)板各個(gè)引腳的功能了，要實(shí)現(xiàn)與Mach3的通訊還要對(duì)Mach3做相關(guān)的設(shè)置，必須把Mach3各并口引腳的功能與驅(qū)動(dòng)板各并口引腳的功能對(duì)應(yīng)起來(lái)。 根據(jù)表3- 1我們下面對(duì)Mach3軟件的并口各個(gè)針腳的功能進(jìn)行定義。 打開(kāi)Mach3軟件，依次單擊菜單欄設(shè)置—>端口/針腳—>電機(jī)輸出，將會(huì)出現(xiàn)如界面。Enabled—是否使用使能針腳控制；Step Pin#—步進(jìn)脈沖輸出針腳；Dir Pin#—步進(jìn)方向控制針腳。根據(jù)表3- 1的定義，把X、Y、Z軸各自電機(jī)的控制針腳設(shè)置成如圖3.1. 5。 圖3.1. 5 電機(jī)輸出針腳設(shè)置 因在圖3.1. 5中設(shè)置了使能控制，我們還需要設(shè)置各個(gè)軸的使能控制引腳。在剛才設(shè)置的窗口上單擊“輸出信號(hào)”標(biāo)簽。按圖3.1. 6設(shè)置使能和輸出控制針腳。其中output #1設(shè)置的是主軸啟?？刂贫丝冢糜诳刂平涌诎迳系囊粋€(gè)繼電器。 這里補(bǔ)充一下主軸控制的一點(diǎn)知識(shí)。Mach3能夠通過(guò)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(jī)的啟停。 2) 通過(guò)分步或直接脈沖控制電機(jī)（電機(jī)必須為伺服電機(jī)）。 3) 通過(guò)PWM脈沖可調(diào)信號(hào)控制直流電機(jī)。 HY-TB3DV-M驅(qū)動(dòng)板采用的是最簡(jiǎn)單的繼電器控制。所以在設(shè)置的時(shí)候只用了一個(gè)針腳，通過(guò)設(shè)置該針腳的電平來(lái)控制繼電器的開(kāi)關(guān)。圖3.1. 6 輸出信號(hào)針腳設(shè)置 以上設(shè)置僅玩成了驅(qū)動(dòng)板與Mach3軟件并口針腳的對(duì)應(yīng)關(guān)系。要實(shí)現(xiàn)通訊還必須設(shè)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(shè)置和軸向選擇”標(biāo)簽。如圖3.1. 7中“端口 #1”和“端口 #2”前面有一個(gè)小方框，要使用哪一個(gè)端口就勾選哪一個(gè)。注意到有一個(gè)端口地址輸入框，這個(gè)需要根據(jù)自己電腦的定義設(shè)置。 并口地址查詢(xún)方法比較簡(jiǎn)單。進(jìn)入電腦的設(shè)備管理器，找到打印機(jī)并口，右鍵單擊查看屬性，在“資源”標(biāo)簽下就可查看到。這里不再詳細(xì)敘述。 圖3.1. 7 并口地址設(shè)置 完成設(shè)置后，用并口線把電腦的并口和驅(qū)動(dòng)板的并口連接起來(lái)就完成了Mach3與驅(qū)動(dòng)板的通訊。 接下來(lái)要做的是把驅(qū)動(dòng)板和步進(jìn)電機(jī)聯(lián)系起來(lái)。步進(jìn)電機(jī)的接線比較簡(jiǎn)單，只要知道步進(jìn)電機(jī)每根線的定義即可。拿四線電機(jī)來(lái)說(shuō)，把A+、A-、B+、B-與四根線分別對(duì)應(yīng)起來(lái)就好了，然后根據(jù)表3- 4的定義正確連線就完成連接。對(duì)于六線、八線的步進(jìn)電機(jī)可以按照?qǐng)D3.1. 8的方法把他們轉(zhuǎn)變?yōu)樗木€電機(jī)，然后按四線電機(jī)的接法連接。五線電機(jī)跟六線電機(jī)的原理可以看成是一樣的，只是五線電機(jī)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(jìn)電機(jī)的連線 由于驅(qū)動(dòng)板無(wú)法對(duì)主軸電機(jī)調(diào)速，而驅(qū)動(dòng)板本身供應(yīng)的電壓過(guò)低（12V），無(wú)法滿(mǎn)足電主軸的轉(zhuǎn)速要求。為此單獨(dú)購(gòu)買(mǎi)了電主軸的控制電源。連線很簡(jiǎn)單，分清+、-、GND就ok。 圖3.1. 9 急停開(kāi)關(guān)針腳設(shè)置 剩下的工作還有急停開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)和外部手控設(shè)備的接線。因雕刻機(jī)機(jī)械本體自帶機(jī)械手輪，可自由控制各軸的移動(dòng)。為了節(jié)約成本我們不使用手控設(shè)備。其他兩個(gè)開(kāi)關(guān)也對(duì)整個(gè)機(jī)器的運(yùn)作沒(méi)有太大影響?？紤]到雕刻機(jī)各軸移動(dòng)速度不快，限位開(kāi)關(guān)的安裝還比較麻煩，在樣機(jī)試制時(shí)放棄使用限位開(kāi)關(guān)。急停開(kāi)關(guān)對(duì)于意外事故很重要，必須安裝。連線很簡(jiǎn)單，請(qǐng)參考圖3.1. 10。連好線后還得在Mach3軟件中進(jìn)行設(shè)置。進(jìn)入“端口/針腳”設(shè)置窗口，在輸入信號(hào)標(biāo)簽下，按圖3.1. 9設(shè)置。 至此整個(gè)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(jìn)電機(jī)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(gòu)買(mǎi)的步進(jìn)電機(jī)及在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中選用的滾珠絲杠，進(jìn)行Mach3軟件的設(shè)置工作。包括計(jì)算步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量、調(diào)節(jié)移動(dòng)部件的最高移動(dòng)速度和加速度，并通過(guò)調(diào)試選擇最合適的細(xì)分設(shè)置。 調(diào)試之前先明確已知的一些參數(shù)。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的結(jié)果，我們?cè)谔詫毶腺I(mǎi)了3個(gè)二手的42步進(jìn)電機(jī)（型號(hào)：17PM-M007-02）。因?yàn)槭嵌值?，沒(méi)有說(shuō)明書(shū)。主要的參數(shù)如下：步距角θ=1.8°；靜轉(zhuǎn)矩Fj=0.34N·m。另外滾珠絲杠的導(dǎo)程為P=5mm。 步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲杠直接用彈性聯(lián)軸器連接，所以傳動(dòng)比為i=1。 我們先看看電機(jī)調(diào)試的界面，了解需要設(shè)置的幾個(gè)參數(shù)。圖3.1. 11的紅色方框部分為我們需要設(shè)置的項(xiàng)目。下面對(duì)每個(gè)參數(shù)做簡(jiǎn)要的解釋。 1) Steps Per：絲桿螺母移動(dòng)1mm、需要向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送的脈沖數(shù)。與脈沖當(dāng)量有關(guān)。 2) 速度（mm/min）：絲桿螺母每分鐘最高的移動(dòng)速度。速度越高，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，電機(jī)的扭矩越小。 3) 加速度（mm/s2）：電機(jī)由靜止到達(dá)到最高速度，由最高速度到靜止下來(lái)的加速度，決定電機(jī)勻速運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。也決定了移動(dòng)部件對(duì)絲杠的沖擊力。 4) 步進(jìn)脈沖：用于設(shè)置最小脈寬，一般不需要設(shè)置。如果外部設(shè)備無(wú)法識(shí)別脈寬太小的脈沖時(shí)，才需要設(shè)置。 5) 方向脈沖：用于設(shè)置方向脈沖的換向時(shí)間。一般也不設(shè)置。 圖3.1. 11 電機(jī)調(diào)試界面 經(jīng)過(guò)一番解釋?zhuān)l(fā)現(xiàn)電機(jī)調(diào)試需要計(jì)算的參數(shù)只有“Steps Per”。速度和加速度是直接設(shè)定的，需要通過(guò)調(diào)試選擇合適的數(shù)值。下面先計(jì)算“Steps Per”，其本質(zhì)就是步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量γ。步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量： 速度和加速度這兩個(gè)參數(shù)我們是通過(guò)調(diào)試、試驗(yàn)獲得的。因工具有限，試驗(yàn)條件差，下面簡(jiǎn)單介紹調(diào)試的思想。加速度的確定是這樣的，首先憑感覺(jué)給定了一個(gè)加速度值，觀察部件的加減速情況。然后根據(jù)運(yùn)動(dòng)情況調(diào)整。直至加減速的時(shí)候沒(méi)有明顯的延時(shí)也不會(huì)過(guò)沖就ok。速度的調(diào)整主要考慮了電機(jī)轉(zhuǎn)速與扭矩的關(guān)系。首先給定一個(gè)初速度，然后按一常量增速，直至電機(jī)無(wú)法驅(qū)動(dòng)部件為止。接著調(diào)整細(xì)分和衰減設(shè)置，調(diào)整后若能移動(dòng)部件，則繼續(xù)增速，否則不做調(diào)整。最后獲得一個(gè)細(xì)分和衰減設(shè)置，并把電機(jī)速度調(diào)低，使電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力有一定的剩余，用于切削加工。 3.3 接口板的設(shè)計(jì)與制作 本節(jié)將簡(jiǎn)單介紹Proteus電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，并詳細(xì)展示用Proteus設(shè)計(jì)接口板的過(guò)程。接著介紹如何使用用感光藍(lán)油自制接口板。 3.3.1 Proteus簡(jiǎn)介 Proteus是英國(guó)Labcenter Electronic公司研發(fā)的包含單片機(jī)/嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)仿真獨(dú)特功能的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化系統(tǒng)。主要由ISIS電路設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)、ProSPICE模數(shù)混合仿真器、VSM單片機(jī)/嵌入式系統(tǒng)協(xié)同仿真和ARES PCB設(shè)計(jì)構(gòu)成。它真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整的工程設(shè)計(jì)過(guò)程[[]周靈彬.任開(kāi)杰.基于Proteus的電路與PCB設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010. ]。 本文主要應(yīng)用了ISIS、VSM和ARES PCB模塊。Proteus有非常豐富的元件庫(kù)和封裝庫(kù)，目前元件模型超過(guò)5萬(wàn)，元件封裝接近5千。為ISIS電路設(shè)計(jì)和ARES PCB設(shè)計(jì)提供了很大的便利，同時(shí)也大大提高設(shè)計(jì)的效率。 ISIS功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)單。只要把元器件擺放好后點(diǎn)擊接頭連線即可完成電路原理圖的設(shè)計(jì)。ISIS設(shè)計(jì)界面如圖3.3. 1所示。 圖3.3. 1 ISIS電路設(shè)計(jì)界面 這個(gè)看似簡(jiǎn)單的界面還支持VSM電路仿真。在設(shè)計(jì)初期，選用具有仿真功能的元器件，在完成所有連線，確認(rèn)無(wú)誤后，直接運(yùn)行仿真按鈕，即可實(shí)現(xiàn)聲、光、動(dòng)等逼真的效果。非常直觀地檢驗(yàn)電路硬件和軟件設(shè)計(jì)的對(duì)錯(cuò)。 VSM的整個(gè)電路分析模塊是ISIS模塊延續(xù)下來(lái)的，原理圖中可以包含很多的實(shí)用的仿真工具： a) 探針：用于采集電路中的電壓/電流信號(hào)。 b) 電路激勵(lì)：系統(tǒng)的多種激勵(lì)信號(hào)。包括正弦、鋸齒波、脈沖等。 c) 虛擬儀器：用于觀測(cè)電路的運(yùn)行狀況，以波形的方式顯示電壓/電流信號(hào)。 d) 曲線圖表：用于分析電路的參數(shù)指標(biāo)。 這些工具大大擴(kuò)展了電路仿真的功能，增強(qiáng)了仿真的真實(shí)性和意義。ARES PCB模塊的功能同樣非常強(qiáng)大，是基于高性能網(wǎng)表的設(shè)計(jì)系統(tǒng)。其特點(diǎn)是： a) 基于“形狀”的自動(dòng)布線，有效提高布線效率和布通率。 b) 采用沖突減少運(yùn)算法則，提供多路徑基于成本沖突減少運(yùn)算法則的，適應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)自然流的布線方案。 c) 擁有高級(jí)自動(dòng)布線系統(tǒng)，包括全自動(dòng)布線、腳本化布線、交互式布線等模式。同時(shí)支持手工布線。 d) 自動(dòng)生成飛線和力向量，為元件布局提供指導(dǎo)。允許自由拖放飛線實(shí)現(xiàn)引腳交換、門(mén)交換。 e) 有連通檢查CRC和實(shí)時(shí)的設(shè)計(jì)規(guī)則檢查DRC系統(tǒng)。減少布線錯(cuò)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(shè)計(jì)界面 3.3.2 原理圖與PCB的設(shè)計(jì)及接口板制作 接口板原理圖設(shè)計(jì) 前面的章節(jié)中，已經(jīng)介紹了打印機(jī)并口的特性。這節(jié)將根據(jù)這些特性來(lái)設(shè)計(jì)接口板。接口板在整個(gè)系統(tǒng)中的主要作用是允許電腦給驅(qū)動(dòng)器等外部設(shè)備發(fā)送或接收信號(hào)。板子比較簡(jiǎn)單，本質(zhì)就是把打印機(jī)并口的每個(gè)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(qiáng)輸入輸出引腳的驅(qū)動(dòng)能力，每個(gè)引腳都配備了一個(gè)4.7k歐的電阻[[]何立民.單片機(jī)高級(jí)教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)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 Category Quantity Reference Value Resistors 17 R1-R17 4.7k Miscellaneous 1 J1 CONN-D25M Miscellaneous 1 J2 CONN-SIL18 Miscellaneous 5 J3-J7 CONN-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(jiǎn)單介紹這個(gè)接口板。4.7k歐的電阻與5V電源串聯(lián)，能增強(qiáng)各個(gè)輸出輸入引腳的驅(qū)動(dòng)能力。另外還能在一定范圍內(nèi)保護(hù)接口板電路和并口。J2排針的1~17號(hào)引腳分別與并口的1~17號(hào)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10~13引腳連接。之所以把這10~13引腳單獨(dú)連接出來(lái)，是為了方便連接限位和急停開(kāi)關(guān)。 PCB圖的生成 PCB圖的生成要求每個(gè)元件都需要有PCB封裝。在原理圖設(shè)計(jì)的時(shí)候就注意了這一點(diǎn)，都選擇了有合適封裝的元件。這樣在制作PCB圖的時(shí)候就很方便了，可直接把原理圖中的網(wǎng)表導(dǎo)入到ARES中。使用快捷鍵“Alt+A”即可導(dǎo)入網(wǎng)表，并打開(kāi)ARES平臺(tái)。 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(tái)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(shí)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(huì)自動(dòng)完成布線。第一次自動(dòng)布線出來(lái)的效果可能不好，多自動(dòng)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(cuò)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