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1、1 引言11 雕刻机的起源雕刻技术起源于艺术品的加工，是一种很传统的手工工艺，由于深厚的文化内涵和精湛的成品效果是雕刻走入工业生产的初期，雕刻的主要工作是产品形态的精细休整和产品的文字图案雕刻。在我国北宋时期发明了活字印刷，那时用的模版便属于雕刻的范畴。随着时代的发展，我国的雕刻艺术也日益精湛，玉雕、象牙雕、红木雕、篆刻泥人雕等雕刻技术都堪称一绝。上世纪90年代至今，机械雕刻获得了前所未有的发展。从最初的刻字机、刻章机再到三位雕刻机，制作工艺也日渐成熟，应用范围也日渐广泛。1938年世界第一台手动雕刻机在法国“嘉宝”问世，1950年“嘉宝”生产出世界第一台真正意义的电动、可缩放比例的手动雕刻机
2、。随后美国、日本等国家也开始研制。目前雕刻机主要有仿形雕刻机和计算机数控（CNC）雕刻机两大类，以完成有互换性要求的雕刻加工和模具雕刻加工。随着工业产品开发速度的加快，尤其是计算机辅组设计的广泛的应用，工业产品的形态更加丰富，变化更加迅速，对制造设备提出了新的要求。这就使以计算机辅组设计和制造（CAD/CAM）技术、计算机数控技术（CNC）为核心的数控雕刻技术成了雕刻加工发展的主流。12 雕刻机的特征数控雕刻机它体现的是一种自动化以及机械化的生产模式。从加工原理讲是一种钻铣组合加工，通过CAM软件中设计好的任意图案、字体、三位路径进行电脑式计算加工路径。由于CNC雕刻对象的特点为图案复杂、造型
3、奇特、成品精细，而CNC雕刻机以轻型结构为主，这实际上限定了CNC雕刻的工作方式为：“小刀具的快速铣削”，事实上这也正是CNC雕刻的“专业优势”，原因就是CNC雕刻是在干“常规大刀具无法加工的业务”。另外它的操作也是非常简单，涉及的行业也是相当的广泛，有广告业、印章业、木器加工业、建筑业、艺术模型业等等。可加工的材料也是非常广泛，包括金属、石材、PVC板、铝塑板等等。随着人们对雕刻机的认识逐步加深，应用范围会得到不断扩大，应用水平也会逐步提高，雕刻加工必定会有更广阔的前景。13 发展现状及其研究意义1.3.1 我国雕刻机的发展现状伴随着人类社会的发展，雕刻行业发生着巨大的变化。现如今人们对雕刻
4、机有了全新的认识，数控木工雕刻机、模具雕刻机、激光雕刻机等电脑雕刻加工的兴起与发展是时代发展的需要，电脑雕刻代替机械已是大势所趋。以广告业为例，许多广告业的客户都经历过从手工刻字到使用电脑刻字机，广告雕刻机的使用实现了机械代替手工，电脑代替人脑的飞跃，字体规范的同时又大大提高了生产效率。随着近年来我国制造业的迅速发展，数控雕刻机产业也获得了良好的发展机遇，有效地促进了我国数控雕刻机的生产、推广和应用。我国数控雕刻机起步于经济型数控机床，随着数控技术的进步，经过十多年的发展，已成为了多个国产品牌的雕刻机，如上海洛克公司生产的啄木鸟数控雕刻机、北京精雕公司生产的精雕数控雕刻机和南京科能公司生产的威
5、克数控雕刻机等。上述各类雕刻机的机床本体结构较为简单，控制器大多借鉴国外新技术，采用基于高档的微控制器或PC的数控系统，伺服部分以步进电机细分驱动为主，可获得中等控制精度，但价格比较便宜，因此整机的性价比不是太高，适用于精度要求不太高的普及应用场合。至于高精度的雕刻加工，目前我国尚以进口数控雕刻机为主，如意大利的佐拉、日本的全量等品牌的数控雕刻机。这类数控雕刻机机床本体设计刚度好、精度高，采用伺服电机驱动，加工精度高，控制系统功能全、可靠性高，但价格昂贵，往往数倍于国产产品，因此主要应用于模具等高精度加工场合。1.3.2 雕刻机的市场发展趋势雕刻机市场紧跟雕刻制作行业的走向。随着雕刻行业的发展
6、，市场对雕刻机生产厂商提出了更高的要求。雕刻制作行业的市场细分已经日益成熟，但雕刻设备只有零星的专业系列雕刻机推出，推出专业系列雕刻机是雕刻设备研制厂商的当务之急。操作人性化、简洁化是CNC雕刻机的一大发展趋势。为了满足规模化生产的需要，简洁的操作系统就成了目前雕刻机生产厂商急需研发的项目。简洁的操作系统使一人操作数台CNC雕刻设备成为现实。完善的服务体系是雕刻机生产厂商发展、壮大的根基。建立完善的服务体系也是目前许多雕刻机生产厂商迫切需要解决的问题。 不仅仅如此，随着机构设计、高速电机、控制芯片、软件平台和程序设计等领域的发展，雕刻机的性能将得到改进和提高。而今后计算机网络技术的迅猛发展，也
7、将给雕刻机带来一场革命。最终雕刻机将改变不了走向高速高精度化、高效率可靠性、多轴联动技术的命运。 1.3.3 研究的目的与意义建国以来，我国的机械工业虽然已经有了较大的发展，具备了一定的基础和规模，初步满足国民经济和人民生活的需要。但随着世界科学技术的迅速发展，我国机械工业的技术水平和生产能力与工业发达国家相比还存在相当大的差距。因此，在我国以新技术改造传统产业和开发高技术含量的新产品已成为当前机械工业以至各传统产业密切关注和改革的焦点。因此，在雕刻行业也同样随着市场的变化需求需要做出突破与创新。而雕刻机的数控系统是数控雕刻机的控制核心，其控制功能的强弱、控制性能的优劣直接关系着数控雕刻机的加
8、工质量与加工效率，对整个雕刻机的性价比和市场竞争力都至关重要。但目前国产雕刻机使用的数控系统在性能和价格上不能很好的统一，成为影响国产数控雕刻机市场竞争力的制约因素之一。为此，研究开发具有良好性价比的雕刻机数控系统很有意义。这样的研究将能节约资源，进一步提高雕刻机数控系统的性价比，以优良的控制性能和较低的价格进一步增强国产雕刻机的市场竞争力，并为雕刻机最终用户改善产品质量、提高生产效率、节约生产成本提供有效手段。14 本文的研究内容本文研究的主要内容是掌握步进电机驱动器与其相连的各部件之间的连线方式并通过计算机中的EMC2软件输出信号给驱动器，然后利用驱动器控制五轴雕刻机的运动。在雕刻机运动的
9、基础上，再通过EMC2软件对雕刻机的运动进行优化，使其能够正常顺畅的运行并能够对实物进行雕刻。2 雕刻机的驱动原理雕刻机的传统的工作原理：通过计算机内部配置的专用雕刻软件进行设计和排版，并由计算机把设计与排版的信息自动传送至雕刻机控制器中，再由控制器把这些信息转化为能驱动步进电机或伺服电机的带有功率的信号（脉冲串），控制雕刻机主机生成各轴的雕刻走刀路径。同时，雕刻机上的高速旋转雕刻头通过按加工材质配置的刀具对固定于主机工作台上的加工材料进行切削，这样即可雕刻出在计算机中设计的各种平面或立体的浮雕图形及文字，实现雕刻自动化作业。而本课题的原理是将预先设定好的G代码转化为EMC2软件能读懂的信号，
10、然后EMC2软件通过计算机并口到驱动板将信号放大给驱动器脉冲信号，驱动器带动步进电机然后就是雕刻机正常运行如下图所示。 G代码驱动板驱动器步进电机雕刻机EMC2输出脉冲与方向21 软件EMC2 EMC的特点EMC（增强机器控制）是一款用来控制机床（铣床、车床等）的计算机软件系统，也是一款开源的自由软件。当前软件只许可GPL和LGPL的版本。软件具有以下几个特点：（1） 它提供了几种不同的用户界面可供使用，是一种G代码翻译器；（2） 是一种带预处理功能的实时运动规划系统；（3） 可直接操作底层的机床电器如传感器、电机驱动器等；（4） 它独有的“面包板层”可以使用户像使用“面包板”做电路实验一样很
11、容易的创建适合自己机器的独有配置文件；（5） 是可用梯形图编程操作的PLC软件；（6） 以上所有这些都集成到一张Live-CD上面，易于安装。但是这个软件不提供CAD和CAM功能，不能画图，也不能从图直接导出G代码。它可以支持9轴联动并且还可以支持不同的接口。既能够实现开环和闭环的运动控制，又能控制模拟PWM接口的伺服电机。在运动控制方面还具有很多优点：刀具半径和长度补偿、路径偏差可限制在给定的误差范围内、车床车螺纹、多轴联动、自动适应进给速度、手动进给覆盖、恒速控制等。通过调整运动学模块的参数还可以支持非笛卡尔运动系统。下面是EMC的部分图。 EMC2的配置向导本课题中涉及到EMC2软件部分
12、的其实只有配置向导部分而已。配置向导只是EMC2的一个比较基本的配置功能。EMC2可以通过许多不同的硬件接口控制不同类型的机器设备。当机器设备使用并口与PC机连接而且可以用“脉冲信号+方向信号”控制时，使用Stepconf Wizard生成配置文件是最好的选择。Stepconf Wizard在安装EMC2时就已经自动安装了。如图，下面是对图中的选项的解释。Create New：创建一个新的配置。Modify：修改一个旧的配置。选择此项后，接下来的页面就是一个文件选择界面，在此页面里你可以选择要修改的配置文件。Create Desktop Shortcut：为my-mill文件夹创建一个桌面快捷
13、方式。Create Desktop Launcher：为启动包含my-mill相关配置的EMC2应用程序创建一个快捷方式。 下面几图是一些常用到选项。Axis Configuration：轴配置，只能选用XYZ、XYZA或XZ中的一种。Machine Units：机床尺寸单位，英制或公制。本课题用到的只要是公制的。Driver Type：电机驱动器型号，软件自带的有很多种驱动器型号，但是本课题中涉及到的是其他两种型号的驱动器，所以应选其他这个选项。Step Time：指的是步进脉冲信号的宽度。Step Space：指的是步进脉冲之间的宽度。Direction Hold：电机方向切换后保持的时间
14、，这个时间过后才能发步进脉冲。Direction Setup：这个指的是步进脉冲发完后需保持一段时间然后才能切换方向。22 驱动板与驱动器 驱动板驱动板的工作原理就是将EMC2软件给的信号进行放大，然后将该信号以脉冲和方向两个信号形式连接到驱动器上。同时还可以降低电流，将高电压和大电流与控制板隔离，起到一个保护电器的作用。 驱动器步进电机是一种作为控制用的特种电机，它的旋转是以固定的角度（称为“步距角”）一步一步运行的，其特点是没有积累误差，所以广泛应用于各种开环控制。步进电机的运行是要有一个电子装置进行驱动的，这种装置就是步进电机驱动器。它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或
15、者说：控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进电机的转速与脉冲的频率成正比。因此，只要控制步进电机脉冲信号的频率就可以对电机精确调速，而控制步进电机脉冲的个数就可以对电机精确定位。步进电机驱动器还可以对电机的步距角进行细分。步进电机通过细分驱动器的驱动，其步距角变小了。如驱动器工作在10细分状态时，其步距角只为“电机固有步距角”，这就是细分的基本概念。细分功能完全是由驱动器靠精确控制电机的相电流所产生的，与电机无关。驱动器细分的优点主要有：完全消除了电机的低频振荡。低频振荡是步进电机（尤其是反应式电机）的固有特性，而细分是消除它的唯一途径。如果步进电机有时要在共振区工作（如走圆弧），选择细分驱动器是唯一的选择。不仅如此，细分还可以提高电机的输出转矩。尤其是对三相反应式电机，其力矩比不细分时提高了约30-40%。还能提高电机的分辨率，由于减小了步距角、提高了步距的均匀度，提高电机的分辨率也是不言而喻的。23 雕刻机的结构因为我课题的主要任务不是做结构而做驱动，所以在这里就结合一下图稍微简单点给大家介绍一下雕刻机的结构。X轴步进电机：驱动电机左右工作Z轴步进电机：驱动电机绕X轴旋转工作Y轴步进电机：驱动电机上下工作3 雕刻机的整体接线整体的接线就是纵观所有仪器设备的接线方式与原理。本章首先主要讲的是整体的各部分直接的接线方式，然后再介绍每个部
