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山西工程技術(shù)學(xué)院——畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
山西工程技術(shù)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
學(xué)生姓名
：
馮濤
學(xué)號(hào)
：
180533028
專業(yè)
：
機(jī)械電子工程
指導(dǎo)教師
：
張海
所屬系（部）
：
機(jī)械電子工程系
二〇二〇年五月
基于Arduino的激光雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)
摘 要
數(shù)控雕刻機(jī)是一種可以雕刻加工的機(jī)電一體化機(jī)床，它可加工的材料的范圍很廣，既可以加工鋁、銅等金屬材料，也可以加工塑料、石材、陶瓷等非金屬材料，所以被很廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，具有很廣闊的市場(chǎng)前景。數(shù)控雕刻機(jī)的使用大大提高了雕刻加工的效率，同時(shí)制造業(yè)的發(fā)展提供了動(dòng)力。
激光技術(shù)作為一種新型技術(shù)，將其與傳統(tǒng)的雕刻機(jī)行業(yè)有機(jī)結(jié)合，激光雕刻機(jī)對(duì)于雕刻精度雕刻效率的提高具有很高的利用價(jià)值。激光數(shù)控雕刻機(jī)通過其控制系統(tǒng)去控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和激光頭的灼燒，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)再通過聯(lián)軸器帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠再帶動(dòng)絲杠螺母以及與其固定的各個(gè)部件做直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)雕刻機(jī)在X、Y平面方向上的雕刻加工，通過激光功率調(diào)節(jié)雕刻力度，取代傳統(tǒng)的直流電機(jī)和電主軸。
本設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為各向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，與伺服電機(jī)相比其控制更為簡(jiǎn)單，成本更低。采用絲杠螺母副及彈性聯(lián)軸器作為主傳動(dòng)部件，與齒輪傳動(dòng)相比結(jié)構(gòu)更緊湊、其平穩(wěn)性更好，加工精度更容易保證。采用導(dǎo)向光桿作為導(dǎo)向部件，摩擦系數(shù)更小、壽命更長(zhǎng)、定位精度更高、且可以減少爬行現(xiàn)象的發(fā)生。
本設(shè)計(jì)的預(yù)期目的是通過該設(shè)計(jì)去實(shí)現(xiàn)對(duì)基于Arduino單片機(jī)控制的數(shù)控激光雕刻機(jī)進(jìn)行兩軸聯(lián)動(dòng)控制，通過對(duì)激光雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)、機(jī)械部分主要零部件的設(shè)計(jì)選取和控制系統(tǒng)及程序的設(shè)計(jì)，最終使所設(shè)計(jì)的激光雕刻機(jī)能夠完成在X、Y平面方向上的激光雕刻加工，達(dá)到預(yù)期目的。
關(guān)鍵詞： 激光雕刻；數(shù)控機(jī)床；Arduino；
1
Design of laser engraving machine based on Arduino
Abstract
CNC engraving machine is a kind of machine tool which can be engraved and processed. It has a wide range of materials. It can process not only metal materials such as aluminum and copper, but also non-metallic materials such as plastics, stone and ceramics. So it is widely used in various industries and has a broad market prospect. The use of CNC engraving machine greatly improves the efficiency of engraving processing, while the development of manufacturing industry provides power.
Laser technology, as a new technology, combines it with traditional engraving machine industry organically. Laser engraving machine is of great value in improving engraving accuracy and efficiency. Laser numerical control engraving machine controls the burning of stepping motor and laser head through its control system. Stepping motor drives the screw to rotate through coupling, and the screw drives the screw nut and its fixed parts to move in a straight line, thus realizing the engraving process of the engraving machine in the direction of X and Y planes. Laser power is used to adjust the engraving strength, replacing the traditional straight line. Current motor and spindle.
In this design, stepping motor is used as the driving motor for all directions of feed motion. Compared with servo motor, the control of stepping motor is simpler and the cost is lower. The screw nut pair and elastic coupling are used as the main transmission components. Compared with gear transmission, the structure is more compact, the stability is better, and the processing accuracy is easier to guarantee. With the guide rod as the guide component, the friction coefficient is smaller, the service life is longer, the positioning accuracy is higher, and the crawling phenomenon can be reduced.
The anticipated purpose of this design is to realize the two-axis linkage control of CNC laser engraving machine based on Arduino MCU. Through the overall design of the mechanical structure of the laser engraving machine, the selection of the main parts of the machine and the design of the control system and program, the laser engraving machine designed can finally complete the laser in the X and Y plane direction. Sculpture processing, to achieve the desired purpose.
Key words: laser engraving; numerical control machine tool; Arduino;
I
目 錄
摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
1 引言 1
1.1 課題背景及意義 1
1.2 國(guó)內(nèi)外研究概況 1
1.3 激光雕刻方法簡(jiǎn)述 2
2 激光雕刻機(jī)工作原理及設(shè)計(jì)思路 3
2.1 激光雕刻機(jī)的工作原理 3
2.2 方案設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)思路 3
3 系統(tǒng)總體方案的分析 5
3.1 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)分析 5
3.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析 5
3.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分析 6
3.4 工作環(huán)境分析 6
4 機(jī)械傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì) 8
4.1 X軸和Y軸絲杠的選取計(jì)算 8
4.1.1 X軸絲杠的選取計(jì)算 8
4.1.2 Y軸絲杠的選取計(jì)算 10
4.1.3 絲杠校核計(jì)算 13
4.2 導(dǎo)向光桿的選取計(jì)算 16
4.3 X軸和Y軸的電機(jī)選取計(jì)算 17
4.4 聯(lián)軸器的選擇 21
5 硬件電路的設(shè)計(jì) 23
5.1 主控模塊的選擇 23
5.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的選擇 25
5.3 激光功率調(diào)節(jié)模塊的說明 28
5.4 脫機(jī)模塊的設(shè)計(jì) 29
5.5 DC降壓電路的設(shè)計(jì) 33
5.6 電源適配器的選擇 35
6 CNC軟件及程序設(shè)計(jì)說明 36
6.1 CNC裝置軟件概述 36
6.2 GRBL框架 37
6.3 GRBL算法說明 37
6.4 源程序參數(shù)設(shè)置說明 41
7 上位機(jī)軟件說明 43
7.1 參數(shù)配置 43
7.2 軟件操作 45
結(jié)束語(yǔ) 49
附錄：激光雕刻機(jī)物料表 50
參考文獻(xiàn) 54
外文資料 55
外文資料翻譯 64
致謝 71
山西工程技術(shù)學(xué)院——畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
1 引言
1.1 課題背景及意義
激光雕刻機(jī)是以數(shù)控技術(shù)為基礎(chǔ)，以激光為加工工具，將傳統(tǒng)的主軸電機(jī)用激光頭代替，加工物體在激光的照射下瞬間受到灼燒而融化或氣化，從而達(dá)到激光雕刻的目的。激光加工與材料表面沒有直接接觸，不受機(jī)械運(yùn)動(dòng)影響而發(fā)生形變，而且激光加工精度高，加工速度快。加工平臺(tái)由計(jì)算機(jī)控制，電機(jī)傳動(dòng)，絲桿滑塊或皮帶滑輪帶動(dòng)，采用逐點(diǎn)標(biāo)記方法使用激光雕刻出各種文字，符號(hào)和圖案等。激光加工技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用范圍很廣，激光切割是利用高功率密度激光束照射被切割材料，使材料很快被加熱至汽化溫度，蒸發(fā)形成孔洞，隨著光束對(duì)材料的移動(dòng)，孔洞連續(xù)形成寬度很窄的（如0．1mm左右）切縫，完成對(duì)材料的切割，與激光雕刻只是激光功率上的區(qū)別。用激光切割或雕刻物體具有過程簡(jiǎn)單，且與傳統(tǒng)的雕刻機(jī)和線切割相比材料損耗低，如同打印。上位機(jī)軟件Grbl?Controller可以在Windows和linux等多系統(tǒng)環(huán)境下使用。
本課題研究具有較高的實(shí)際意義和經(jīng)濟(jì)意義。本課題涉及機(jī)械制圖、計(jì)算機(jī)應(yīng)用等眾多知識(shí)，將這些理論與實(shí)際制圖、程序編輯結(jié)合起來對(duì)于個(gè)人思維的開拓和工程經(jīng)驗(yàn)的積累都有重要作用，對(duì)于個(gè)人能力培養(yǎng)和綜合素質(zhì)的訓(xùn)練都起到了十分重要的作用。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究概況
激光自1960年問世后,很快在生產(chǎn)中得到應(yīng)用。其后,隨著對(duì)有關(guān)基本理論研究的不斷深化。各類激光器件不斷地發(fā)展,使其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷拓寬，應(yīng)用規(guī)模逐漸擴(kuò)大，所獲得的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益更加顯著。作為高科技之一的激光技術(shù),是 20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志和現(xiàn)代信息社會(huì)光電子技術(shù)重要支柱之一。激光技術(shù)不僅受到技術(shù)先進(jìn)國(guó)家的高度重視，而且也受到許多發(fā)展中國(guó)家的高度重視，并給與大量的投入。20世紀(jì)80年代以來，在很多國(guó)家，政府都把激光技術(shù)列為國(guó)家級(jí)發(fā)展計(jì)劃。例如，英國(guó)的“阿維爾幾乎阿”,美國(guó)的“激光核聚變計(jì)劃”,日本的“激光研究五年計(jì)劃”等。這些計(jì)劃的實(shí)施使激光技術(shù)得到迅速發(fā)展,且已經(jīng)形成了一個(gè)生機(jī)勃勃的新興產(chǎn)業(yè)。與此同時(shí),激光技術(shù)的發(fā)展大大促進(jìn)了多種技術(shù)、學(xué)科、多種生產(chǎn)水平的進(jìn)步和提高,影響之大,舉世矚目。在激光技術(shù)中激光雕刻技術(shù)是較常見的。激光雕刻有三種方式:CO2激光雕刻,Nd:YAG激光雕刻,準(zhǔn)分子激光雕刻。這三種激光雕刻技術(shù)都在某些方面體現(xiàn)了它們各自的特性和優(yōu)點(diǎn),所以有不同的應(yīng)用領(lǐng)域。
激光雕刻機(jī)在我國(guó)的應(yīng)用已非常廣泛，如廣告、服裝、工藝禮品、木制品的雕刻等。激光雕刻機(jī)已經(jīng)被應(yīng)用到各行各業(yè)。因此，激光雕刻機(jī)的發(fā)展前景非常廣闊，這是一種清潔無污染的環(huán)保技術(shù)，激光雕刻機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展導(dǎo)致激光雕刻機(jī)小型化、效率化、集成化也隨之提高，必將帶動(dòng)激光雕刻機(jī)的飛速發(fā)展。而本文設(shè)計(jì)的智能化激光雕刻機(jī)作為一個(gè)整體的系統(tǒng)，成本控制較為合理，是能夠?qū)嶋H生產(chǎn)并投入市場(chǎng)的。
1.3 激光雕刻方法簡(jiǎn)述
激光雕刻原理是由于原子遷躍產(chǎn)生的，而且是由自發(fā)的輻射引起，激光雖然是光，但是它與普通光明顯不同的是只在最初極短時(shí)間內(nèi)依賴于自發(fā)的輻射，此后的過程完全是由激光輻射決定的，因此激光本身具有十分純正的顏色，幾乎是無發(fā)散的方向性，激光雕刻機(jī)具有極高的發(fā)光強(qiáng)度。激光經(jīng)激光器產(chǎn)生后由反射鏡反射并通過透鏡聚焦后照射到待加工物體表面，使其表面受到十分強(qiáng)大的熱能而溫度瞬間急劇增加，使得該點(diǎn)因高溫而迅速汽化或者融化，同時(shí)配合激光頭運(yùn)行軌跡達(dá)到加工的目的。激光雕刻分為位圖雕刻和矢量雕刻兩種。
矢量雕刻是使用矢量軟件如AutoCAD等進(jìn)行排版設(shè)計(jì)，將圖形導(dǎo)出為PLT、DXF以及AI格式，然后用再用激光切割雕刻軟件打開所需要加工工件的圖形文件，將圖像信息傳送至激光雕刻機(jī)中完成工件的加工。位圖雕刻是將所需要雕刻的圖形文件用圖片處理軟件轉(zhuǎn)換成單色BMP的位圖格式，然后再在專業(yè)的激光雕刻切割軟件中打開加工工件圖形文件。根據(jù)加工材料進(jìn)行合適的參數(shù)設(shè)置，然后點(diǎn)擊軟件運(yùn)行，激光雕刻機(jī)就能根據(jù)圖形文件產(chǎn)生的點(diǎn)陣效果進(jìn)行雕刻。
2 激光雕刻機(jī)工作原理及設(shè)計(jì)思路
2.1 激光雕刻機(jī)的工作原理
在緒論中已經(jīng)介紹過激光雕刻的方法和原理，就是利用激光高能量的特性使被加工的材料受到灼燒從而發(fā)生物理化學(xué)變化，從而達(dá)到燒刻的效果，得到加工的圖案。激光雕刻機(jī)有X軸和Y軸兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)臺(tái)。通過主控制器控制這兩個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)激光的移動(dòng)或者激光和工件的移動(dòng)。與傳統(tǒng)雕刻機(jī)相比，只需要兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)就可以對(duì)整個(gè)機(jī)器很好地進(jìn)行控制?？刂破鬟€根據(jù)目標(biāo)圖像控制激光的開光。比如控制器通過產(chǎn)生0和1兩種數(shù)字信號(hào)來控制激光對(duì)加工物體的照射，0為低電平激光關(guān)閉物體不受照射，1為高電平激光打開照射物體，加工完一點(diǎn)后激光通過控制移動(dòng)到下一點(diǎn)繼續(xù)進(jìn)行加工，按此原理最通過控制激光路徑和激光的通斷，從而激光在工件表面有規(guī)律地雕刻形成目標(biāo)加工圖案。雕刻深度還可以通過控制器產(chǎn)生PWM信號(hào)，調(diào)制解調(diào)后控制激光功率，功率越小雕刻深度越淺，所以不論圖像復(fù)雜程度如何，或者要求有層次感和過渡顏色的效果，激光雕刻都可以實(shí)現(xiàn)。
2.2 方案設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)思路
目前，激光雕刻機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括激光發(fā)射系統(tǒng)、主控單元、驅(qū)動(dòng)單元、機(jī)械框架、控制軟件以及人機(jī)交互系統(tǒng)等模塊。
圖2-2-1
因?yàn)榧す馐堑窨痰墓ぞ?，所以激光發(fā)射裝置在整個(gè)雕刻機(jī)系統(tǒng)中都處于比較重要的地位。在整個(gè)系統(tǒng)中處于核心位置，對(duì)其可靠性要求很高。激光雕刻機(jī)因?yàn)槠涞窨滩牧系牟煌约凹庸し绞缴系膮^(qū)別，所以激光功率范圍從幾百毫瓦到幾百瓦不等。所以要求其輸出功率和脈寬參數(shù)可調(diào)，本方案設(shè)計(jì)要求選用500mW的激光，用于雕刻木材、塑料、皮革等材料，考慮到發(fā)揮激光雕刻的優(yōu)勢(shì)，選用可進(jìn)行PWM調(diào)光的激光發(fā)射裝置。
機(jī)械框架是支撐整體系統(tǒng)的部件，激光雕刻機(jī)的機(jī)械框架結(jié)構(gòu)多種多樣，最常用的是龍門式結(jié)構(gòu)和平面式結(jié)構(gòu)。龍門框架結(jié)構(gòu)工作原理是一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)激光頭向一個(gè)直線方向運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)面向另一個(gè)垂直的直線方向運(yùn)動(dòng)，激光頭和工作臺(tái)面形成一個(gè)YOX坐標(biāo)的加工平面。平面框架是以絲杠及同步帶傳動(dòng)，帶動(dòng)激光頭進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，而加工工件不需要移動(dòng)。相比之下龍門式結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更強(qiáng)，加工空間大而，當(dāng)完全采用絲杠螺母副傳動(dòng)時(shí)加工更為精密，可以突出激光加工的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。本方案要求采用4mm導(dǎo)程絲杠傳動(dòng)，所以本方案機(jī)械框架選擇龍門式結(jié)構(gòu)。
雕刻機(jī)進(jìn)行平面雕刻，共有兩個(gè)自由度，即X方向和Y方向。激光頭的運(yùn)動(dòng)通過步進(jìn)電機(jī)和光杠絲杠構(gòu)成的進(jìn)給系統(tǒng)控制，由控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)指令，根據(jù)該指令的加工軌跡完成加工。
控制系統(tǒng)也是激光雕刻機(jī)最重要組成的部分，包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)主要工作是各模塊的驅(qū)動(dòng)，加工軌跡的處理，加工信息的傳輸?shù)取＼浖譃樯衔粰C(jī)軟件和下位機(jī)軟件，上位機(jī)軟件進(jìn)行圖像處理，轉(zhuǎn)換成刀路代碼后傳輸至下位機(jī)軟件負(fù)責(zé)對(duì)各模塊進(jìn)行控制。
激光雕刻機(jī)主控板一般通過USB線與個(gè)人電腦相連，此時(shí)上位機(jī)是PC，下位機(jī)是主控單元。當(dāng)某些特殊情況PC機(jī)不能與雕刻機(jī)進(jìn)行連接時(shí)，此時(shí)可以使用人機(jī)交互模塊完成脫機(jī)控制。
3 系統(tǒng)總體方案的分析
3.1 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)分析
該方案機(jī)械框架選擇龍門銑床結(jié)構(gòu)，具有原理簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)給系統(tǒng)采用絲杠螺母副傳動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制可滿足定位精度的要求，易于維護(hù)。電機(jī)通過支架固定在機(jī)械框架上，通過聯(lián)軸器與絲杠相連。滾珠絲杠與圓柱直線導(dǎo)軌（光杠）平行安裝，通過直線軸承滑塊和絲杠螺母的固定，將電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)。兩根絲杠在空間垂直，一根帶動(dòng)激光頭向Y方向運(yùn)動(dòng)，另一根帶動(dòng)工作面板向X方向運(yùn)動(dòng)，加工工件固定在工作面板上，這樣通過X-Y軸的運(yùn)動(dòng)可以控制激光束在加工工件表面的位置。工作行程要求X=180mm,Y=300mm，工作行程并不是很大，屬于桌面級(jí)小型雕刻機(jī)，所以工作臺(tái)面規(guī)格應(yīng)為300*180。機(jī)械框架的底部面積應(yīng)大于300*180，絲杠光杠的長(zhǎng)度應(yīng)與機(jī)械框架的長(zhǎng)寬一致或略長(zhǎng)于機(jī)械框架以便留出余量。
3.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和激光驅(qū)動(dòng)。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的作用是帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)使工作臺(tái)面和激光頭進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。為盡量減少成本和空間占用，本方案選擇常用的42步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蛘呔€位移，在不過載的情況下電機(jī)的停止位置和轉(zhuǎn)速只取決于脈沖信號(hào)的脈沖數(shù)和頻率，通過步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器將電機(jī)和微機(jī)聯(lián)系起來，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到來自MCU的一個(gè)數(shù)字脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)向正或反方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度稱之為“步距角”，步進(jìn)電機(jī)的正反方向也是由微機(jī)設(shè)定。步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)是以步距角累積一步一步進(jìn)行的，通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制步進(jìn)電機(jī)的角位移量，以此來達(dá)到精確控制的目的。并通過控制脈沖的頻率控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以此調(diào)速。通過調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的位置和轉(zhuǎn)速達(dá)到控制激光頭和工作面板位置的目的。另外，為提高工作精度要求，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器要求具有細(xì)分功能
激光驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的目的是驅(qū)動(dòng)激光管發(fā)射激光。由于激光雕刻要達(dá)到雕刻深不同及顏色過渡的效果，所以需要在激光驅(qū)動(dòng)電路中加入數(shù)字信號(hào)來控制激光的頻率，所以本方案的激光驅(qū)動(dòng)其實(shí)更偏向于激光調(diào)制。一般對(duì)雕刻深度無要求或者雕刻深度相同的工作，只需要用MOS管或者繼電器控制激光管的通斷電就可以，而本方案對(duì)于激光的控制添加了PWM/TTL調(diào)制，所以需要另外設(shè)計(jì)激光驅(qū)動(dòng)電路。
3.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分析
激光雕刻機(jī)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的作用是控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度，控制激光頭的通斷和激光功率。該控制系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分。上位機(jī)是個(gè)人計(jì)算機(jī)，下位機(jī)是微型計(jì)算機(jī)也稱作單片機(jī)，下位機(jī)及外圍電路組成微機(jī)控制體系，對(duì)電機(jī)和激光頭進(jìn)行控制。微機(jī)控制體系的組成中除了作為控制核心的微機(jī)芯片外，還有接口電路、信號(hào)采集機(jī)構(gòu)、操作機(jī)構(gòu)、輸出設(shè)備、軟件及控制對(duì)象組成。信號(hào)采集機(jī)構(gòu)就是傳感器，本方案中的傳感器較少，只有觸碰開關(guān)作為限位裝置可能會(huì)在設(shè)計(jì)中運(yùn)用到彌補(bǔ)軟件控制的不足。操作機(jī)構(gòu)是上位機(jī)和脫機(jī)模塊，控制對(duì)象是步進(jìn)電機(jī)和激光頭，通過I/O接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。
上位機(jī)重點(diǎn)是生成位圖和位圖代碼轉(zhuǎn)換，位圖可以通過Photoshop或者windows系統(tǒng)自帶的畫圖軟件轉(zhuǎn)換，位圖是由像素（圖片元素）的單個(gè)點(diǎn)組成的，保存后為PMB格式。將BMP文件導(dǎo)入到專業(yè)的激光雕刻軟件中，激光雕刻軟件會(huì)自動(dòng)生成雕刻刀路也就是G代碼。上位機(jī)和下位機(jī)通過通信傳輸協(xié)議進(jìn)行通信，上位機(jī)G代碼傳輸至下位機(jī)中去控制電機(jī)位置及轉(zhuǎn)速和激光頭的通斷電，下位機(jī)可通過讀取程序執(zhí)行進(jìn)度再傳輸至上位機(jī)中，由計(jì)算機(jī)軟件直觀地顯示工作進(jìn)度。
將由上位機(jī)傳輸來的G代碼并不能直接被下位機(jī)識(shí)別，需要程序算法對(duì)G代碼進(jìn)行解碼后才能變?yōu)榭晒﹩纹瑱C(jī)識(shí)別的二進(jìn)制代碼，這個(gè)解碼程序這就是下位機(jī)的軟件系統(tǒng)。針對(duì)Arduino單片機(jī)的G代碼編譯和運(yùn)動(dòng)控制的程序常用的是由國(guó)外開發(fā)GRBL。GRBL性能高，成本低，所以經(jīng)常被用于制作小型CNC雕刻機(jī)或者是寫字機(jī)。而且GRBI的代碼在GitHub上是開源的，其源程序（ArduinoIDE）和HEX文件都是可以從網(wǎng)絡(luò)上下載的，可以通過更改源程序來改變引腳定義、影響精度的參數(shù)等二次開發(fā)的數(shù)據(jù)。
3.4 工作環(huán)境分析
由于本課題設(shè)計(jì)屬于桌面級(jí)小型激光雕刻機(jī)，所以工作環(huán)境并不是很惡劣，相對(duì)于工廠中的大型激光雕刻切割設(shè)備，從成本考慮并不需要做防塵和防油處理。小型激光雕刻機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是輕便，可以隨時(shí)移動(dòng)。激光雕刻機(jī)的控制電路和電機(jī)都是安裝在外的，所以在使用時(shí)應(yīng)盡量避免潮濕和強(qiáng)電磁環(huán)境，與雕刻機(jī)連接的PC機(jī)在使用時(shí)同樣要注意避免這些問題。雕刻機(jī)的傳動(dòng)構(gòu)建和機(jī)架都是金屬材質(zhì)，盡量不要在強(qiáng)酸強(qiáng)堿的環(huán)境中使用，以免損傷機(jī)架及精密部件，縮短其使用壽命。由于其是使用激光頭灼燒工件進(jìn)行雕刻加工可以減少粉塵的產(chǎn)生，但是灼燒工件材料時(shí)會(huì)產(chǎn)生煙霧甚至有毒有害氣體，所以機(jī)器應(yīng)當(dāng)在通風(fēng)條件好的環(huán)境下工作，或者工作環(huán)境應(yīng)當(dāng)配備有通風(fēng)設(shè)備。
4 機(jī)械傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)
4.1 X軸和Y軸絲杠的選取計(jì)算
4.1.1 X軸絲杠的選取計(jì)算
首先需要分析一下雕刻機(jī)的X軸方向的絲杠的受力情況，到X軸絲杠的當(dāng)量軸向載荷，再分別計(jì)算得到絲杠的預(yù)期額定動(dòng)載荷和允許的最小螺紋底徑，然后根據(jù)預(yù)期額定動(dòng)載荷和允許的最小螺紋底徑確定各絲杠的型號(hào)及尺寸，最后根據(jù)所選的滾珠絲杠螺母副選擇合適的支承方式以及支承所用的滾動(dòng)軸承。
（1） 確定絲杠的當(dāng)量載荷?
當(dāng)?shù)窨虣C(jī)空載時(shí)，X軸絲杠所受到的軸向載荷來自于導(dǎo)軌的摩擦力。當(dāng)?shù)窨虣C(jī)以刀具的最大轉(zhuǎn)速加載時(shí)，因機(jī)器采用激光灼燒和燒刻材料質(zhì)量較輕?X軸絲杠所受到的軸向載荷還是只有來自于導(dǎo)軌的摩擦力。
計(jì)算X軸導(dǎo)軌的摩擦力?
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》知：X軸方向的導(dǎo)軌的受力情況如圖所示
對(duì)X軸導(dǎo)軌有：
雕刻機(jī)空載和工作時(shí)都是以下公式：
（4.1.1-1）
計(jì)算絲杠的軸向載荷
雕刻機(jī)不管是空載還是負(fù)載情況下，都有以下公式：
（4.1.1-2）
代入相關(guān)數(shù)據(jù)到式中，經(jīng)計(jì)算可得
計(jì)算X軸滾珠絲杠螺母副的當(dāng)量載荷：
當(dāng)絲杠所受載荷的大小與其轉(zhuǎn)速的變化接近正比時(shí)，其轉(zhuǎn)速為各值的可能性相同，這時(shí)可以利用下面的公式進(jìn)行計(jì)算：
（4.1.1-3）
確定滾珠絲杠螺母副的預(yù)期額定動(dòng)載荷
（4.1.1-4）
按照其預(yù)期需要達(dá)到的運(yùn)行距離Ls來求，其計(jì)算公式如下：
（4.1.1-5）
如果該絲杠加載了預(yù)加負(fù)荷，這時(shí)其的計(jì)算公式如下：
（4.1.1-6）
其中：
精度等級(jí)，按7級(jí)精度來取值，其應(yīng)取0.8；
可靠系數(shù)，按95%，取0.62；
負(fù)荷系數(shù)，輕微沖擊，取1.2；
把的值代入到公式（4.1.1-3）、（4.1.1-5）中，比較兩式的計(jì)算結(jié)果，取較大值作為預(yù)期額定動(dòng)載荷，所以= 1662.3N 。
確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑
1.估算滾珠絲杠的最大允許軸向變形量
查閱相關(guān)資料可知：在一般情況下定位精度，且有定位精度 脈沖當(dāng)量。已知脈沖當(dāng)量為0.01，所以此處定位精度可取0.02，則有≤0.004～0.005mm，這里取δm=0.002mm。
2.計(jì)算滾珠絲杠的最小螺紋底徑
絲杠采用兩端固定的安裝方式，因此其計(jì)算公式如下：
（4.1.1-7）
式中：
-導(dǎo)軌的靜摩力
-最大允許的軸向變形量
-兩個(gè)固定支承之間的距離（mm）
≈（1.1～1.2）行程+（10～14）Ph
對(duì)X軸絲杠有：L≈452mm， F0=34.4N，δm=2μm，將這些數(shù)據(jù)代入到求最小螺紋底徑的計(jì)算公式中，經(jīng)計(jì)算得：=3.44mm。
（4）確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號(hào)及尺寸
所選絲杠應(yīng)滿足：，，但不宜過大。
對(duì)X軸絲杠有：=3.44mm，=1662.3N
根據(jù)以上條件，初選X軸的滾珠絲杠螺母副的型號(hào)為G2505—3
絲杠螺紋長(zhǎng)度滿足以下公式：
（4.1.1-8）
該式中Lu是絲杠的行程，Le是余程，查閱相關(guān)資料得：當(dāng)Ph=4mm時(shí)其余程Le=20mm。
所以對(duì)X軸絲杠有：
4.1.2 Y軸絲杠的選取計(jì)算
首先需要分析一下雕刻機(jī)的Y軸方向的絲杠的受力情況，得到Y(jié)軸絲杠的當(dāng)量軸向載荷，再分別計(jì)算得到絲杠的預(yù)期額定動(dòng)載荷和允許的最小螺紋底徑，然后根據(jù)預(yù)期額定動(dòng)載荷和允許的最小螺紋底徑確定各絲杠的型號(hào)及尺寸，最后根據(jù)所選的滾珠絲杠螺母副選擇合適的支承方式以及支承所用的滾動(dòng)軸承。
（1）確定絲杠的當(dāng)量載荷
Y軸絲杠所受到的軸向載荷來自于導(dǎo)軌的摩擦力。
1. 計(jì)算Y軸導(dǎo)軌的摩擦力
查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知對(duì)Y軸導(dǎo)軌有：
雕刻機(jī)有以下公式：
（4.1.2-1）
2. 計(jì)算絲杠的軸向載荷
對(duì)Y軸絲杠有：
雕刻機(jī)空載時(shí)有以下公式：
（4.1.2-2）
將相關(guān)數(shù)據(jù)代入到式中經(jīng)計(jì)算得：60N
3. 計(jì)算絲杠的當(dāng)量載何
當(dāng)絲杠所受載荷的大小與其轉(zhuǎn)速的變化接近正比時(shí)，其轉(zhuǎn)速為各值的可能性相同
這時(shí)可以利用以下公式進(jìn)行計(jì)算：
（4.1.2-3）
將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式3-21中計(jì)算得：對(duì)Y軸絲杠有：
=231.7N。 （4.1.2-4）
（2）確定滾珠絲杠螺母副的預(yù)期額定動(dòng)載荷
按照其預(yù)期需要達(dá)到的運(yùn)行距離Ls來求，其計(jì)算公式如下：
（4.1.2-5）
如果該絲杠加載了預(yù)加負(fù)荷，這時(shí)其的計(jì)算公式如下：
（4.1.2-6）
其中：
精度等級(jí)，按7級(jí)精度來取值，其應(yīng)取0.8；
可靠系數(shù)，按95%，取0.62；
負(fù)荷系數(shù)，輕微沖擊，取1.2；
把的值代入到公式3-22、3-23中，比較兩式的計(jì)算結(jié)果，取較大值作為預(yù)期額定動(dòng)載荷，所以=2065.1N
（3）確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑
1. 估算滾珠絲杠的最大允許軸向變形量
查閱相關(guān)資料可知：在一般情況下定位精度，且有定位精度 脈沖當(dāng)量。已知脈沖當(dāng)量為0.01，所以此處定位精度可取0.02，則有≤0.004～0.005mm，這里取δm=0.002mm。
2. 計(jì)算滾珠絲杠的最小螺紋底徑
絲杠采用兩端固定的安裝方式，因此其計(jì)算公式如下：
（4.1.2-7）
式中：
-導(dǎo)軌的靜摩力
-最大允許的軸向變形量
-兩個(gè)固定支承之間的距離（mm）
≈（1.1～1.2）行程+（10～14）Ph
對(duì)Y軸絲杠有：L≈490mm，F(xiàn)0=120N，δm=2μm，將這些數(shù)據(jù)代入到式3-24中，經(jīng)計(jì)算得：=6.69mm。
（4）確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號(hào)及尺寸
所選絲杠應(yīng)滿足：，，但不宜過大。
對(duì)Y軸絲杠有：=6.69mm，=2065.1N
根據(jù)以上條件，初選Y軸的滾珠絲杠螺母副的型號(hào)與X軸的滾珠絲杠相同，均為G2505—3，其參數(shù)如表。
滾珠絲杠的螺紋長(zhǎng)度滿足以下公式：
（4.1.2-8）
其中Lu為絲杠的行程，Le為余程，查閱相關(guān)資料得：當(dāng)絲杠導(dǎo)程Ph=4mm時(shí)其余程為L(zhǎng)e=20mm。
所以對(duì)Y軸絲杠有：
（4.1.2-9）
4.1.3 絲杠校核計(jì)算
各軸滾珠絲杠采用兩端固定的支承方式
（1）傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度計(jì)算
傳動(dòng)系統(tǒng)剛度校核可采用下列公式：
（4.1.3-1）
其中為滾珠絲杠螺母副的抗壓剛度，為支承滾珠絲杠的軸承的軸向剛度，為滾珠絲杠的滾珠與滾道的接觸剛度
滾珠絲杠螺母副的抗壓剛度
對(duì)于絲杠支撐形式為兩端固定，抗壓剛度Ks計(jì)算公式如下：
（4.1.3-2）
最大抗壓剛度的計(jì)算公式如下：
（4.1.3-3）
最小抗壓剛度計(jì)算公式如下：
（4.1.3-4）
其中L為兩個(gè)固定支承之間的距離，L0為固定支承與行程起點(diǎn)之間的距離。
對(duì)于X軸絲杠有：L=452mm，L0=26mm，3026.3 656.3
對(duì)于Y軸絲杠有：L=490mm，L0=70mm，1236 605.4
（2）剛度驗(yàn)算及精度選擇
1.確定的值
把、、的值代入到式3-42中，經(jīng)計(jì)算得：
對(duì)于X軸傳動(dòng)系統(tǒng)剛度有：
對(duì)于Y軸傳動(dòng)系統(tǒng)剛度有：
2.驗(yàn)算傳動(dòng)系統(tǒng)剛度
各軸向?qū)к壍撵o摩擦力為：=34.4N =120N =75N。
根據(jù)要求系統(tǒng)剛度應(yīng)滿足=重復(fù)定位精度＜
其中重復(fù)定位精度為20μm，分別把各靜摩擦力F0的值代入到上式中，
對(duì)于X軸傳動(dòng)系統(tǒng)有：=2.752＜=51.8，滿足要求。
對(duì)于Y軸傳動(dòng)系統(tǒng)有：=9.6＜=52.9，滿足要求。
3.精度選擇
查閱相關(guān)資料知，有定位精度的數(shù)控機(jī)械和精密機(jī)械可選用3～4級(jí)精度。
驗(yàn)算臨界壓縮載荷
臨界壓縮載荷的計(jì)算公式如下：
（4.1.3-5）
其中為安全系數(shù)（絲杠垂直安裝時(shí)：=1/2；絲杠水平安裝時(shí)：=1/3），為兩端固定的支承安全系數(shù)，=4，L為絲杠兩支承之間的距離。
對(duì)于X軸絲杠有：=1/3，L=452mm，=21.2mm，將這些數(shù)據(jù)代入式3-48中得：Fc=131827N， 其值遠(yuǎn)大于絲杠所受的最大負(fù)載，X軸絲杠滿足要求。
對(duì)于Y軸絲杠有：=1/3，L=490mm，=21.2mm，將這些數(shù)據(jù)代入式3-48中得：Fc=112173N，其值遠(yuǎn)大于絲杠所受的最大負(fù)載，Y軸絲杠滿足要求。
4.驗(yàn)算許用轉(zhuǎn)速
絲杠的許用轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式如下：
（4.1.3-6）
其中f為安裝系數(shù)，查閱相關(guān)資料知：當(dāng)絲杠兩端固定時(shí)，取f=21.9，Lc為固定端到絲杠螺母的最遠(yuǎn)距離。
對(duì)X軸絲杠有：Lc=426mm，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式3-49中得：25584r/min>2000r/min， X軸絲杠滿足轉(zhuǎn)速要求。
對(duì)Y軸絲杠有：Lc=420mm，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式3-49中得：26320r/min>2000r/min， Y軸絲杠滿足轉(zhuǎn)速要求。
5.軸向額定載荷的驗(yàn)算
各軸絲杠應(yīng)滿足下式：
（4.1.3-7）
其中靜態(tài)安全系數(shù)Ss=2，分別把各軸絲杠所受到的最大軸向載荷代入式子
經(jīng)計(jì)算得：
對(duì)于X軸絲杠有：=2×271.1=542.2N<=21569N，X軸絲杠滿足要求。
對(duì)于Y軸絲杠有：=2×317.5=635N<=21569N，Y軸絲杠滿足要求。
4.2 導(dǎo)向光桿的選取計(jì)算
（1）校核額定動(dòng)載荷
各軸導(dǎo)軌應(yīng)滿足：額定動(dòng)載荷>
對(duì)于X軸導(dǎo)軌有：
= =111.75N<=12010N （4.2-1）
滿足要求。
對(duì)于Y軸導(dǎo)軌有：
==227.8N<=12010N （4.2-2）
滿足要求。
（2）校核額定靜載荷
各軸導(dǎo)軌應(yīng)滿足：額定動(dòng)載荷>
對(duì)于X軸導(dǎo)軌有：
==43N<=22190N （4.2-3）
滿足要求。
對(duì)于Y軸導(dǎo)軌有：
==150N<=22190N （4.2-4）
滿足要求。
（3）額定行程長(zhǎng)度壽命
導(dǎo)軌的額定行程長(zhǎng)度壽命的計(jì)算公式如下：
= （4.2-5）
其中K為壽命系數(shù)，一般取K=50km；F為滑座工作載荷（N）；為硬度系數(shù)，可按表3-7選取；為溫度系數(shù)，按表3-8選取；為接觸系數(shù)，按表3-9選??；為負(fù)荷系數(shù)，按表3-10選取；為額定動(dòng)載荷，取硬度系數(shù)=1，溫度系數(shù)=1，接觸系數(shù)=0.81，負(fù)荷系數(shù)=1.5，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式3-40中經(jīng)計(jì)算得：
對(duì)于X軸導(dǎo)軌有：=12010N，F(xiàn)=111.75N，代入Ts的計(jì)算公式中得：
Ts=9773220Km
對(duì)于Y軸導(dǎo)軌有：=12010N，F(xiàn)=227.8N，代入Ts的計(jì)算公式中得：Ts=1153770Km
導(dǎo)軌的額定工作時(shí)間壽命的公式如下：
= （4.2-6）
其中工作單行程長(zhǎng)度=0.6m，每秒往復(fù)次數(shù)=4。分別把各軸導(dǎo)軌的Ts值代入到式，經(jīng)計(jì)算得：
對(duì)于X軸導(dǎo)軌有：Th=2036087500h>15000h，滿足壽命要求。
對(duì)于Y軸導(dǎo)軌有：Th=240368750h>15000h，滿足壽命要求。
4.3 X軸和Y軸的電機(jī)選取計(jì)算
電機(jī)的種類繁多，根據(jù)雕刻機(jī)加工對(duì)象的不同要求，選擇合理的電機(jī)是非常重要的。由于本方案激光頭功率不大，雕刻材料較輕，而且X軸和Y軸移動(dòng)結(jié)構(gòu)相同，所以X軸和Y軸選擇相同的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
（1）負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算
PMSM定子轉(zhuǎn)組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的原理和感應(yīng)電機(jī)是相同的。其不同的是轉(zhuǎn)子是永磁體并且n和ns相同（同步）。兩個(gè)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可以看作一對(duì)旋轉(zhuǎn)磁極通過磁場(chǎng)間的作用力吸引轉(zhuǎn)子磁極隨其一起旋轉(zhuǎn)。其中θ作為功率角；K與定子端電壓和轉(zhuǎn)子磁密度（磁勢(shì)）的乘積成正比。FY和FS分別是轉(zhuǎn)子和定子的磁勢(shì)或者磁密；p為磁極對(duì)數(shù)。當(dāng)θ角為90°時(shí)，對(duì)應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩，稱為最大同步轉(zhuǎn)矩。對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行慣量匹配。根據(jù)牛頓第二定律：進(jìn)給系統(tǒng)所需力矩T=系統(tǒng)傳動(dòng)慣量J * 角加速度角。加速度α影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，α越小則從控制器發(fā)出命令到系統(tǒng)執(zhí)行完畢所需的時(shí)間越長(zhǎng)，系統(tǒng)的反應(yīng)越慢。若果α變化則系統(tǒng)的反應(yīng)會(huì)忽快忽慢，會(huì)影響加工的精度。由于電機(jī)選定后的最大輸出T值不發(fā)生變，如希望α的變化小，那么J應(yīng)該盡量小。
傳動(dòng)慣量對(duì)于伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)都有影響，慣量變大，系統(tǒng)的機(jī)械常數(shù)變大，響應(yīng)慢，使得系統(tǒng)固有頻率下降，很容易產(chǎn)生諧振，因此限制了伺服帶寬，會(huì)影響伺服精度和響應(yīng)速度，慣量的適當(dāng)增大只有在改善低速爬行時(shí)才有利，因而機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，在不影響系統(tǒng)剛度的情況下，應(yīng)當(dāng)盡量減少慣量。通常情況下負(fù)載慣量不大于電機(jī)慣量的5倍，最大不超過10倍。對(duì)于功率對(duì)于旋轉(zhuǎn)的物體來說，轉(zhuǎn)矩與慣量的關(guān)系有如直線運(yùn)動(dòng)物體和受力的關(guān)系。
（2）雕刻速度的初步估計(jì)：
雕刻一個(gè)方向上的線，最長(zhǎng)取工作最大工作行程，，方向電機(jī)一轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)絲杠一轉(zhuǎn)，絲杠導(dǎo)程4mm，最大工作行程為400mm，則電機(jī)需要轉(zhuǎn)動(dòng)100r。激光灼燒時(shí)間越小，則電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，假設(shè)激光灼燒時(shí)間每毫米最少灼燒0.05s，則最快走完400mm對(duì)應(yīng)時(shí)間為20s，電機(jī)設(shè)定最高速度為5r/s。則電機(jī)最高轉(zhuǎn)速求電機(jī)勻加速需要時(shí)間。電機(jī)300ms，表示靜止加速到額定轉(zhuǎn)速的時(shí)間，角加速度為：
（4.3-1）
（4.3-2）
（4.3-3）
（4.3-4）
滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)的傳動(dòng)效率取0.95，滾動(dòng)球軸承的傳動(dòng)效率為0.99。絲杠支架共有兩個(gè)滾動(dòng)球軸承，所以總傳動(dòng)效率為
導(dǎo)軌摩擦折算至電機(jī)側(cè)的轉(zhuǎn)矩
（4.3-5）
所需的輸出力矩為：
（4.3-6）
出力力矩，小于最大出力力矩，滿足要求。
（3）步進(jìn)電機(jī)與交流伺服電機(jī)性能比較
步進(jìn)電機(jī)是一種離散運(yùn)動(dòng)的裝置，它與現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著極為緊密的聯(lián)系。在目前的國(guó)內(nèi)的數(shù)控系統(tǒng)當(dāng)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛，伴隨全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服系統(tǒng)也廣泛地被應(yīng)用到數(shù)字控制系統(tǒng)中，為適應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)大多數(shù)采用步進(jìn)電機(jī)或數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為機(jī)執(zhí)行電機(jī)。兩者雖然在控制方式都是脈沖串和方向信號(hào)控制，但是在使用場(chǎng)合和性能上卻存在著比較大的差異?，F(xiàn)在對(duì)二者的使用性能進(jìn)行比較。
過載能力不同
步進(jìn)電機(jī)一般是不具有過載能力的，而交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的的過載能力，以松下伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過載與轉(zhuǎn)矩過載能力，其最大轉(zhuǎn)矩是額定轉(zhuǎn)矩速度三倍，能夠用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間較大的慣性力矩。步進(jìn)電機(jī)由于不具備這種過載能力，因此在選型時(shí)往往會(huì)選取較大轉(zhuǎn)矩的電動(dòng)機(jī)，但機(jī)器在正常工作期間又不需要如此大的力矩，就出現(xiàn)力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。
控制精度的不同：
兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角一般為1.8°、3.6°，五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角一般是0.36°、0.72°。當(dāng)然也有一些高性能的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角更小。比如四通公司生產(chǎn)的一款用于慢走絲機(jī)床的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其步距角是0.09°；德國(guó)BERGER LAHR生產(chǎn)的三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其步距角可以通過撥碼開關(guān)設(shè)置，最大1.8°，最小0.036°，有八個(gè)檔位，兼容了五相混合式和兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角。交流伺服電機(jī)的精度控制通過電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證，以松下伺服電機(jī)為例，對(duì)帶標(biāo)準(zhǔn)2500線編碼器的電動(dòng)機(jī)而言，因其驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用四倍頻技術(shù)，它的脈沖當(dāng)量是360°/10000即0.036°。對(duì)帶17位編碼器的電動(dòng)機(jī)而言，驅(qū)動(dòng)器每接收217=131072個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈即其脈沖當(dāng)量為360°/131072=9.89S。是混合式兩相步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的1/665。
頻矩特性的不同：
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出力矩伴隨著轉(zhuǎn)速的升高而下降，而且在高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降。因此其最高的工作轉(zhuǎn)速一般是300~600RPM。而交流伺服電機(jī)是恒力矩輸出，就是在其額定轉(zhuǎn)速內(nèi)都能輸出一個(gè)穩(wěn)定的力矩，其轉(zhuǎn)速一般為2000或3000，超出額定轉(zhuǎn)速則為恒功率輸出。
低頻特性的不同：
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)容易出現(xiàn)低頻震動(dòng)的現(xiàn)象。震動(dòng)頻率和負(fù)載情況及驅(qū)動(dòng)器的性能有關(guān)，一般認(rèn)為震動(dòng)頻率是電機(jī)空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)機(jī)器的正常使用很不利，當(dāng)電機(jī)在低速運(yùn)行狀態(tài)下一般采用阻尼技術(shù)來克服這種現(xiàn)象，比如加上阻尼器，或者采用驅(qū)動(dòng)細(xì)分技術(shù)等。而交流伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)，即使低速狀態(tài)下也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象，因交流伺服系統(tǒng)具共振抑制功能，可以涵蓋機(jī)械的剛性不足，而且系統(tǒng)的內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能，能夠檢測(cè)出機(jī)械共振點(diǎn)，以便于系統(tǒng)調(diào)整。
速度響應(yīng)性能不同
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)從靜止加速到工作速度需要200~400ms，而交流伺服電機(jī)以松下MSMA400W電機(jī)為例，從靜止加速到額定轉(zhuǎn)速僅需幾毫秒?？梢杂糜谝罂焖偻⒌目刂茍?chǎng)合。步進(jìn)電機(jī)是將脈沖串信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蛘呔€位移的開環(huán)控制執(zhí)行元件，在非超載情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置只取決于脈沖信號(hào)和頻率，不受負(fù)載變化的影響。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖串信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按照設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，稱之為步距角。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，利用電子電路將直流電變?yōu)榉謺r(shí)供電，多項(xiàng)時(shí)序控制電流，使用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)才能正常工作，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器就是起到這個(gè)分時(shí)供電的作用，是多項(xiàng)時(shí)序控制器。
綜上所述，交流伺服系統(tǒng)雖然在很多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)，但是在一些要求不高的場(chǎng)合，選擇步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行電機(jī)是一種性價(jià)比最高的方案，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中要綜合考慮成本、控制要求及多方面的因素。我選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。輕便的桌面級(jí)激光雕刻機(jī)，一般用42部件電機(jī)就夠了，電流1A就的電機(jī)足夠。最終選擇17HS3401-1704A作為本方案的執(zhí)行電機(jī)
表4-3-1 電機(jī)參數(shù)
17HS3401-1704A
高度
重量
扭矩
電流
軸徑
軸長(zhǎng)
34mm
420g
0.3N*m
0.3A
5mm
23mm
通過查閱電機(jī)選取手冊(cè)可知，該電機(jī)符合設(shè)計(jì)要求
4.4 聯(lián)軸器的選擇
聯(lián)軸器屬機(jī)械通用零部件范疇，用以連接不同機(jī)構(gòu)中的兩根軸，是使之共同旋轉(zhuǎn)以此傳遞扭矩的機(jī)械零部件。在高速重載的傳動(dòng)中，有些聯(lián)軸器還具有減震、緩沖的作用和提高軸系動(dòng)態(tài)性能的作用。聯(lián)軸器是兩半部分組成，分別和主動(dòng)軸、從動(dòng)軸聯(lián)結(jié)，一般的動(dòng)力機(jī)大多數(shù)都借助聯(lián)軸器和工作機(jī)進(jìn)行聯(lián)接，是機(jī)械產(chǎn)品的軸系當(dāng)中最常用的一種連接部件。常用常見的聯(lián)軸器有：齒式聯(lián)軸器，滑塊聯(lián)軸器，萬向聯(lián)軸器，梅花聯(lián)軸器，安全聯(lián)軸器，膜片聯(lián)軸器，彈性聯(lián)軸器，鼓形齒式聯(lián)軸器及彈簧蛇形聯(lián)軸器。其中常用的精密聯(lián)軸器有：剛性聯(lián)軸器，彈性聯(lián)軸器，梅花聯(lián)軸器，膜片聯(lián)軸器，滑塊聯(lián)軸器及波紋管聯(lián)軸器。在各種各樣的聯(lián)軸器中選取滿足機(jī)器性能的聯(lián)軸器，對(duì)大多數(shù)設(shè)計(jì)人員來說，一直是一個(gè)困擾的問，常用的幾種聯(lián)軸器各自的特點(diǎn)如下：
彈性聯(lián)軸器
一體成型的金屬?gòu)椥泽w，零回轉(zhuǎn)間隙，可以同步運(yùn)轉(zhuǎn)，彈性作用可補(bǔ)償徑向、角向和軸向的偏差，具有高扭矩剛性和卓越的靈敏度，順時(shí)針和逆時(shí)針的回轉(zhuǎn)特性完全相同，有鋁合金和不銹鋼材料供以選擇，免維護(hù)，具有抗油和耐腐蝕性，固定方式主要是頂絲和夾緊兩種。一般該聯(lián)軸器用于旋轉(zhuǎn)編碼器，步進(jìn)電機(jī)。
膜片聯(lián)軸器
高剛性、高轉(zhuǎn)矩、低慣性，大扭矩承載，高扭矩剛性和卓越的靈敏度。采用方形或環(huán)形不銹鋼片變形，零回轉(zhuǎn)間隙，逆時(shí)針與順時(shí)針的回轉(zhuǎn)特性相同，雙不銹鋼膜片可以補(bǔ)償軸向、徑向、角向的偏差，而單膜片不能補(bǔ)償徑向偏差。也具有抗油、耐腐蝕、免維護(hù)的優(yōu)良材料特性。一般該聯(lián)軸器用于伺服電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)。
梅花聯(lián)軸器
梅花聯(lián)軸器屬于緊湊型聯(lián)軸器，無齒隙，提供三種不同硬度彈性體，梅花彈性體常有四瓣、六瓣、八瓣和十瓣。聯(lián)軸器可以吸收振動(dòng)，補(bǔ)償角向和徑向偏差，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于檢查，方便維修?？褂图半姎饨^緣特性，工作溫度在20℃-60℃。固定方式主要有頂絲、夾緊、鍵槽固定三種。一般該聯(lián)軸器用于伺服電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)。
剛性聯(lián)軸器
剛性聯(lián)軸器重量輕，高靈敏度和超低慣性，主體材質(zhì)多為鋁合金和不銹鋼，因無法容許偏心，所以使用時(shí)應(yīng)盡量使軸外露，固定方式有夾緊和頂絲固定。免維護(hù)，超強(qiáng)抗油和耐腐蝕性。一般該聯(lián)軸器用于伺服電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)。
滑塊聯(lián)軸器
滑塊聯(lián)軸器無齒隙的連接，用于小扭矩的測(cè)量，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軸套和中間件之間的滑動(dòng)能容許大徑向和角向的偏差，中間件的特殊凸點(diǎn)設(shè)計(jì)產(chǎn)生支撐作用，容許較大的角度偏差，不會(huì)產(chǎn)生彎曲力矩，可將軸心負(fù)荷降到最低。使用方便，易于安裝，節(jié)省安裝時(shí)間，尺寸范圍廣，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，方便目測(cè)檢查。適用于普通微型電機(jī)。
聯(lián)軸器的型號(hào)是由組別代號(hào)、品種代號(hào)、規(guī)格代號(hào)、型式代號(hào)組成。主要參數(shù)為公稱轉(zhuǎn)矩。根據(jù)選擇的電機(jī)軸徑和絲桿軸徑可知，D1軸徑為5mm，D2軸徑為8mm，額定扭矩應(yīng)大于電機(jī)輸出扭矩0.3N*m，通過查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中聯(lián)軸器選取的相關(guān)表格可知，選擇彈性聯(lián)軸器較為合適，具體型號(hào)為L(zhǎng)R-D-19*25作為此雕刻機(jī)的傳動(dòng)連軸器合適。
5 硬件電路的設(shè)計(jì)
5.1 主控模塊的選擇
主控單元負(fù)責(zé)與計(jì)算通信和發(fā)出數(shù)據(jù)指令。一般的工業(yè)控制器常用的有單片機(jī)、PLC、FPGA等。PLC一般用于大型設(shè)備的控制，F(xiàn)PGA的各項(xiàng)性能突出，小巧靈活但是成本較高，從成本和空間大小考慮主控單元選擇以單片機(jī)為核心的嵌入式方案。
單片機(jī)全稱為單片微型計(jì)算機(jī)，單片微機(jī)的最大特點(diǎn)是集成度高、功能強(qiáng)、指令豐富、可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)、開發(fā)，并且成本低。近年來微機(jī)的發(fā)展速度驚人，8位機(jī)、16位機(jī)、32位機(jī)、64位機(jī)的發(fā)展層出不窮，特別是在人工智能和物聯(lián)網(wǎng)趨勢(shì)的影響下，從最初的51單片機(jī)的簡(jiǎn)單功能已經(jīng)發(fā)展到如ARM單片機(jī)可以進(jìn)行操作系統(tǒng)開發(fā)。單片機(jī)用得最多的一般是51單片機(jī)、AVR單片機(jī)和ARM單片機(jī)，開發(fā)語(yǔ)言一般采用C語(yǔ)言或者匯編語(yǔ)言。51單片機(jī)因其功能單一，運(yùn)行速度較慢已經(jīng)逐漸退出市場(chǎng)。在51基礎(chǔ)上發(fā)展的AVR單片機(jī)增加了引腳功能，且取消分頻并采用精簡(jiǎn)指令集，使得單片機(jī)的運(yùn)行速率提高數(shù)倍，而以ARM為構(gòu)架為核心的單片機(jī)，工業(yè)常見的STM32為例，I/O口的功能更為豐富，運(yùn)算速率更快，但是其寄存器也更多，且開發(fā)工作量大，對(duì)于功能不簡(jiǎn)單的機(jī)器進(jìn)行控制，采用ARM無疑是一種資源的浪費(fèi)。AVR單片機(jī)的開發(fā)雖然較51復(fù)雜，但是目前較為流行的開源硬件開發(fā)平臺(tái)Arduino能很最大限度地減輕開發(fā)人員的工作量。
Arduino開發(fā)平臺(tái)具有非常多的優(yōu)點(diǎn)：
（1） 開放原始碼的電路圖設(shè)計(jì)，程序開發(fā)界面免費(fèi)下載，也可以根據(jù)自己的要求修改；Arduino可以使用ISCP線上燒錄器，將Bootloader燒錄到新的IC芯片中；可根據(jù)官方的電路圖，簡(jiǎn)化Arduino模組，完成獨(dú)立運(yùn)作的微處理器控制。
（2） 可以非常簡(jiǎn)便地與傳感器、各式各樣的電子元件連接（如紅外線、超聲波、伺服電機(jī)、熱敏電阻、光敏電阻等）；支持多樣的互動(dòng)程序；使用低價(jià)格的微處理控制器；USB接口無需外接電源；可提供9VDC電源輸入以及多樣化的拓展模塊。
（3） 對(duì)芯片寄存器及單片機(jī)常用功能進(jìn)行函數(shù)封裝，使用時(shí)可以直接調(diào)用Arduino庫(kù)函數(shù)，減少程序開發(fā)量，減輕工作量，提高工作效率。
Arduino的開源硬件的開發(fā)板種類很多，典型常見的有Arduino UNO、Arduino Yun、
Arduino Due、Arduino Mega2560、Arduino Leonardo、Arduino Nano等。是基于開放原始代碼的Simple I/O平臺(tái)，并且具有使用類似Java、c/c++語(yǔ)言的開發(fā)環(huán)境，可以快速使用Arduino語(yǔ)言與Flash或Processing軟件，實(shí)現(xiàn)各種創(chuàng)新的作品。本方案從成本、體積、資源利用等角度考慮，決定選用Arduino Nano開發(fā)板作為主控單元。
圖5-1-1 Arduino Nano實(shí)物圖
Arduino Nano是一款小巧、全面、基于ATmega328（PQFP封裝）的開發(fā)板，沒有DC電源插座，采用Mini-B USB電纜。NANO上的14個(gè)數(shù)字引腳都可以用作輸入或者輸出，利用pinMode（）、digitalWrite（）、digitalRead（）函數(shù)可以對(duì)它們進(jìn)行操作。工作電壓為5V，每個(gè)引腳都可以接受或者提供最高40mA的電流，每個(gè)模擬輸入都有一個(gè)20~50KΩ的內(nèi)部上拉電阻（默認(rèn)情況下斷開）。NANO有8個(gè)模擬輸入口，每個(gè)模擬輸入都提供10位的分辨率（既1024個(gè)不同的數(shù)值）。默認(rèn)情況下它們的電壓為0~5V，可以利用analogReference（）函數(shù)改變其范圍的上限值，模擬引腳6和7不能用作數(shù)字引腳。
表5-1-1 Arduino NANO技術(shù)參數(shù)
微控制器
ATmega328P
工作電壓
5V
Flash Memory（閃存）
32KB（其中0.5KB用于系統(tǒng)引導(dǎo)）
SRAM
2KB（ATmega328P）
EEPROM
1KB（ATmega328P）
輸入/輸出引腳直流電流
40mA
輸入電壓
7—12V
模擬輸入引腳個(gè)數(shù)
8個(gè)
數(shù)字輸出引腳個(gè)數(shù)
22個(gè)（其中6個(gè)可做PWM引腳）
PWM引腳個(gè)數(shù)
6個(gè)
3.3V引腳電流
50mA
長(zhǎng)
45mm
寬
18mm
重量
7g
時(shí)鐘頻率
16MHz
5.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的選擇
選定的42步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓是12V,定電流為1.3A，電機(jī)才能正常工作，而控制器輸出信號(hào)電壓為5V，輸出電流最大40mA，很明顯單片機(jī)控制器不可能直接接在電機(jī)上進(jìn)行控制，這時(shí)就需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)對(duì)電壓電流進(jìn)行放大。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器本質(zhì)是一個(gè)功率放大器，其常用的驅(qū)動(dòng)方式有恒流驅(qū)動(dòng)、單極性驅(qū)動(dòng)、雙極性驅(qū)動(dòng)和微步驅(qū)動(dòng)四種。因?yàn)槠潆娐穲D像字母H所以經(jīng)常又被稱作“H橋”。
常用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊有ULN2003、TB67S109、MTC2130、A4988、DRV8825、TB6612等。參考選擇的步進(jìn)電機(jī)額定電壓12V和額定電流1.3A，選擇A4988作為步進(jìn)電機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。
圖5-2-1 A4988驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)物圖
A4988模塊體積小，價(jià)格低，是一款微步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，有內(nèi)置轉(zhuǎn)換器，操作簡(jiǎn)便。由于設(shè)計(jì)要求電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶有細(xì)分功能，而A4988可以設(shè)計(jì)控制在全步進(jìn)、半步進(jìn)、1/4步進(jìn)、1/8步進(jìn)、1/16步進(jìn)操作模式下的雙極性步進(jìn)電機(jī)，其負(fù)載電源電壓為最高可達(dá)35V，最大輸出電流為±2A，可以滿足已選電機(jī)的驅(qū)動(dòng)條件。
圖5-2-2 A4988典型電路應(yīng)用
A4988芯片有一個(gè)固定的關(guān)斷時(shí)間電流調(diào)節(jié)器，能夠在慢速或混合衰減模式下工作。