機(jī)械雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)

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摘 要傳統(tǒng)的雕刻加工是一門技術(shù)性要求很高的手工技藝，在藝術(shù)品、標(biāo)牌、首飾等行業(yè)具有悠久的歷史，產(chǎn)品的質(zhì)量主要取決與雕刻師傅的技藝水平，而且勞動(dòng)生產(chǎn)率低、成本高、可重復(fù)性差。隨著時(shí)代的進(jìn)步，科技的發(fā)展，雕刻機(jī)成為我們現(xiàn)代人與時(shí)俱進(jìn)的先進(jìn)工具,它省時(shí)省力又環(huán)保，應(yīng)用也越來越廣泛。近幾年來中國的雕刻機(jī)迅速地發(fā)展著，從以前的手工雕刻轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的機(jī)器雕刻。雕刻機(jī)給人們帶來了巨大的方便，不僅節(jié)省了雕刻時(shí)間，還提高了雕刻的工藝，雕刻機(jī)的出現(xiàn)也帶動(dòng)了許多行業(yè)的發(fā)展，像木工雕刻機(jī)、石材雕刻機(jī)、數(shù)控雕刻機(jī)等等。本文簡要的介紹了雕刻機(jī)的起源和發(fā)展現(xiàn)狀，分析了國內(nèi)外雕刻機(jī)的特點(diǎn)，說明雕刻機(jī)的功能和使用范圍，詳細(xì)的分析了雕刻機(jī)的總體布局和結(jié)構(gòu)方案，并詳細(xì)介紹雕刻機(jī)手控邏輯板的設(shè)計(jì)和制作過程。本課題是在參考現(xiàn)有雕刻機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)的一種小型雕刻機(jī)，適合一般的塑料板、鋁板等普通材料的機(jī)械加工。關(guān)鍵字：傳統(tǒng)雕刻； 機(jī)械雕刻； 提高； 雕刻機(jī)； LED 鍵盤板；AbstractThe traditional carving processing is a craftsmanship that demands high technology, it has a long history in art, signage, jewelry and other industry, the quality of the products mainly depends on the skill level of the carved teacher, and it has low labour productivity, high cost and the repeatability poor. With the progress of The Times, the development of science and technology, engraving machine become a tool ,with that we modern people can keep up with the advanced , it saves time and effort and protects environmental ,so it is applied more and more widely. In recent years,Chinese engraving machine, a rapid development from the previous manual sculpture into today's machines sculpture. Engraving machine has brought people great convenience, not only saves carving time, but also improves the sculpture craft, engraving machine presence also spurred many industry development, like wooden engraving machine, stone carving machines, CNC engraving machine, etc.This paper introduces the origin and engraving machine's present situation of development ,it has analyzed the characteristics of domestic and international engraving machine that engraving machine function and use scope, detailed analysing of the general layout and carving machine structure scheme, and detailed introduction control logic board carved the design and manufacture process.This topic has designed a small engraving machine in reference on the basis of existing engraving machine, it is suitable for general plastic board, aluminum etc ordinary material mechanical processing.Keywords: the traditional carving; mechanical sculpture; improve; engraving machine; led clavier board;目 錄摘要.1Abstract2目錄.4 1. 引言.61.1 雕刻機(jī)的起源.61.2 雕刻機(jī)及其發(fā)展現(xiàn)狀61.2.1 雕刻機(jī)的特點(diǎn)1.2.2 研究雕刻機(jī)的目的和意義1.2.3 雕刻機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域1.2.4 我國雕刻機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀1.2.5 雕刻機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)2. 雕刻機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)2.1 雕刻機(jī)的工作原理2.2 雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)2.2.1 雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分2.2.2 雕刻機(jī)的電路及電氣部分2.3 雕刻機(jī)的總體布局的基本要求3. 直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 平面連桿機(jī)構(gòu)3.2 凸輪機(jī)構(gòu)3.3 滾珠絲杠4. 執(zhí)行器——電機(jī)的選擇4.1 直流電機(jī)4.2 交流電機(jī)4.3 伺服電機(jī)5. 手控邏輯板的設(shè)計(jì)5.1 LED 鍵盤板的技術(shù)要求5.2 LED 鍵盤板零件的選擇5.3 LED 鍵盤板電路圖的設(shè)計(jì)及其原理6、總結(jié)及前景展望參考文獻(xiàn)附錄外文資料中文翻譯致謝1 引言1.1 雕刻機(jī)的起源雕刻可以追溯到遠(yuǎn)古時(shí)期，母系氏族時(shí)期的半坡氏族文化的“人面網(wǎng)紋盆”便是雕刻的雛形。在我國北宋時(shí)期便發(fā)明了活字印刷，這里刻的字應(yīng)屬于雕刻的范疇。隨著時(shí)代的發(fā)展，我國的雕刻藝術(shù)日益精湛，玉雕、象牙雕、紅木雕、篆刻泥人雕等手工雕刻技術(shù)都可以堪稱一絕。傳統(tǒng)雕刻加工業(yè)是一門技術(shù)性要求很高的手工技藝， 雕刻品的質(zhì)量完全取決于雕刻師的技藝水平， 所以生產(chǎn)的效率低、成本高， 制品的隨意性強(qiáng)、一致性差，嚴(yán)重制約了雕刻行業(yè)的發(fā)展。這使得雕刻機(jī)的產(chǎn)生成為必然。上世紀(jì) 90 年代至今，機(jī)械雕刻獲得了前所未有的發(fā)展。從最初的刻字機(jī)、刻章機(jī)再到三維雕刻機(jī)，制作工藝也日漸成熟，應(yīng)用范圍也日漸廣泛。大到樓房建筑的裝飾，小到商店門前的招牌，乃至很多產(chǎn)品的標(biāo)識(shí)銘牌，可謂雕刻的使用無處不在。雕刻機(jī)，顧名思義就是用機(jī)械代替人工進(jìn)行雕刻的設(shè)備。1938 年世界第一臺(tái)手動(dòng)雕刻機(jī)在法國“嘉寶”問世，1950 年“嘉寶”生產(chǎn)出世界第一臺(tái)真正意義的電動(dòng)、可縮放比例的手動(dòng)雕刻機(jī)。隨后美國、日本等國也開始研制。20 世紀(jì) 90 年代，隨著微電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)，直接推動(dòng)微型計(jì)算機(jī)的急劇發(fā)展。微電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)帶動(dòng)整個(gè)高科技群體飛速發(fā)展，從而使雕刻機(jī)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。雕刻機(jī)完成了從 2D-2.5D-3D 加工的變革，功能完善、性格穩(wěn)定、造型美觀和價(jià)格合理成為雕刻機(jī)研制的基本要求。1.2 雕刻機(jī)及其發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 雕刻機(jī)的特點(diǎn)雕刻機(jī)的主要特點(diǎn)如下：（1）產(chǎn)品的尺度高，一致性好。雕刻機(jī)雕刻過程是由計(jì)算機(jī)控制完成的，可以達(dá)到很高的精度要求和表面質(zhì)量。 （2）雕刻機(jī)投資少，見效快。以國產(chǎn)品牌為例，一臺(tái)小型號(hào)的雕刻機(jī)價(jià)格在兩萬左右，大型號(hào)的也不過三四萬。（3）雕刻機(jī)簡單易學(xué)，操作簡單。以一個(gè)電腦初級(jí)水平的人為例，如果接受公司培訓(xùn)的話用不了一個(gè)星期就能全部掌握?，F(xiàn)在市場(chǎng)上都有很多相關(guān)的雕刻軟件，簡單易學(xué)。（4）雕刻機(jī)加工范圍廣，前景廣闊。雕刻加工涉及各行各業(yè)、分布很廣，有禮品業(yè)、廣告業(yè)、印章業(yè)、木器加工業(yè)、建筑業(yè)、藝術(shù)模型業(yè)、機(jī)械加工、工裝模具等等?？杉庸さ牟牧弦彩欠浅V泛，包括金屬、石材、PVC 板、ABS 板、亞克力、仿石材、橡皮、雙色板、鋁塑板等等各種材料。隨著人們對(duì)雕刻機(jī)的認(rèn)識(shí)和掌握逐步加深，應(yīng)用范圍會(huì)得到不斷擴(kuò)大，應(yīng)用水平也會(huì)逐步提高，雕刻加工必定會(huì)有更廣闊的前景。1.2.2 研究雕刻機(jī)的目的和意義建國六十年來，我國的機(jī)械工業(yè)雖然已經(jīng)有了較大的發(fā)展，具備了一定的基礎(chǔ)和規(guī)模，初步滿足國民經(jīng)濟(jì)和人民生活的需要。但隨著世界科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，我國機(jī)械工業(yè)的技術(shù)水平和生產(chǎn)能力與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比還存在相當(dāng)大的差距。因此，在我國以新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和開發(fā)高技術(shù)含量的新產(chǎn)品，已成為當(dāng)前機(jī)械工業(yè)以至各傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)密切關(guān)注和改革的焦點(diǎn)。機(jī)電一體化技術(shù)是機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，它包括機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)。它從系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)出發(fā)，使產(chǎn)品或系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整體優(yōu)化。近年來，世界上各發(fā)達(dá)國家競(jìng)相發(fā)展機(jī)電一體化技術(shù)，以提高制造技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)向柔性化、智能化發(fā)展。機(jī)電一體化技術(shù)給傳統(tǒng)的機(jī)械工業(yè)帶來了革命性的變革和驚人的效益，使產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)方式和管理體制發(fā)生深刻的變化。機(jī)電一體化是當(dāng)今世界機(jī)械工業(yè)技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展的主要趨勢(shì)，也是我國機(jī)械工業(yè)發(fā)展的必由之路。1.2.3 雕刻機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域雕刻機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，舉例如下：1、廣告及禮品制作業(yè)，用于雕刻各類雙色板標(biāo)牌、有機(jī)玻璃、三維廣告牌、雙色人物雕像、浮雕獎(jiǎng)?wù)隆⒂袡C(jī)板浮雕、立體門頭字等。2、模型行業(yè)，房地產(chǎn)的發(fā)展，對(duì)建筑模型的需求不斷增加。售樓處的售樓模型、廣場(chǎng)模型、建筑設(shè)計(jì)方案的展現(xiàn)和展示，車輛模型市場(chǎng)的擴(kuò)大，一些艦船模型、工業(yè)模型也有紀(jì)念和收藏的意義。雕刻機(jī)已成為制作模型的最佳助手。3、木器工藝，用于浮雕圖案設(shè)計(jì)及制作。雕刻機(jī)可以打孔、鏤邊等，特別是新型裝飾材料、波浪板的廣泛應(yīng)用，也給了雕刻機(jī)更大的成長空間，在提高了產(chǎn)品的重復(fù)性、標(biāo)準(zhǔn)化的同時(shí)，使成品的生產(chǎn)效益得到顯著的提高。4、標(biāo)志行業(yè)，伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，日新月異的城市公共基礎(chǔ)建設(shè)，街路的翻新改造，現(xiàn)代化住宅小區(qū)、星級(jí)酒店、寫字樓的不斷建設(shè)，對(duì)一些符合潮流和標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)識(shí)和導(dǎo)向系統(tǒng)產(chǎn)生了大量的需求，其中雕刻機(jī)制作的牌匾標(biāo)志、標(biāo)牌，占據(jù)了相當(dāng)大的部分。從外部標(biāo)志上對(duì)公司的形象起到了良好的作用，以雕刻的形式制作員工佩帶的胸牌、科室牌、樓層牌已成為一種趨勢(shì)。5、印章業(yè)，各類字體各類材料的印章雕刻。6、汽車工業(yè)、輪胎模具，車燈模具及飾品模具加工。7、印刷電路板（PCB）新產(chǎn)品開發(fā)中的電路制作，鉆孔、銑槽等。8、藝品行業(yè)，旅游市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，旅客對(duì)具有當(dāng)?shù)仫L(fēng)情的禮物情有獨(dú)鐘，雕刻機(jī)在這方面也大有用武之地。而且，現(xiàn)在的會(huì)議越開越多，對(duì)一些紀(jì)念品和廣告宣傳品，流行采用雕刻制作。在戒指、鑰匙鏈、獎(jiǎng)杯、仿水晶擺件、打火機(jī)、皮具、手表等等都可以進(jìn)行雕刻，可以體現(xiàn)一個(gè)人的個(gè)性與品位，對(duì)一些比較有想法的人來說，也是獨(dú)特之處，對(duì)這些物品施以情趣的雕刻，迎合了人們對(duì)情感交流的需要。9、機(jī)械加工業(yè)，刻度盤字輪及標(biāo)尺刻度。而且，隨著各種新型裝飾材料的不斷出現(xiàn)，能用于雕刻的材料越來越多，使得計(jì)算機(jī)雕刻機(jī)有了更大的用武之地。因此，雕刻機(jī)的應(yīng)用范圍還將不斷擴(kuò)大。1.2.4 我國雕刻機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀伴隨著人類社會(huì)的發(fā)展，雕刻行業(yè)發(fā)生著巨大的變化，現(xiàn)如今人們對(duì)雕刻機(jī)有了全新的認(rèn)識(shí)，數(shù)控木工雕刻機(jī)、模具雕刻機(jī)、激光雕刻機(jī)等電腦雕刻加工的興起與發(fā)展是時(shí)代發(fā)展的需要，電腦雕刻代替機(jī)械已是大勢(shì)所趨。以廣告業(yè)為例，許多廣告行業(yè)的客戶都經(jīng)歷過從手工刻字到使用電腦刻字機(jī)，廣告雕刻機(jī)的使用實(shí)現(xiàn)了機(jī)械代替手工的飛躍，電腦代替了人腦，字體標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范同時(shí)又大大提高了生產(chǎn)效率。隨著近年來我國制造業(yè)的迅速發(fā)展，我國的雕刻機(jī)產(chǎn)業(yè)也獲得了良好的發(fā)展機(jī)遇，有效地促進(jìn)了我國雕刻機(jī)的生產(chǎn)和推廣應(yīng)用。我國的雕刻機(jī)起步于經(jīng)濟(jì)型機(jī)床，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，經(jīng)過十多年的發(fā)展，已形成了多個(gè)國產(chǎn)品牌的雕刻機(jī)，如上海洛克公司生產(chǎn)的啄木鳥數(shù)控雕刻機(jī)、北京精雕公司生產(chǎn)的精雕數(shù)控雕刻機(jī)和南京科能公司生產(chǎn)的威克數(shù)控雕刻機(jī)等。上述各類型雕刻機(jī)的機(jī)床本體結(jié)構(gòu)較為簡單，控制器大多借鑒國外新技術(shù)，采用基于高檔的微控制器或PC 的數(shù)控系統(tǒng)，伺服部分以步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)為主，可獲得中等控制精度，但價(jià)格比較便宜，因此整機(jī)的性價(jià)比較高，適用于精度要求不太高的普及應(yīng)用場(chǎng)合。對(duì)高精度的雕刻加工，目前我國尚以進(jìn)口數(shù)控雕刻機(jī)為主，如意大利的左拉、日本的全量等品牌的數(shù)控雕刻機(jī)。這類數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)床本體設(shè)計(jì)剛度好、精度高，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，加工精度高，控制系統(tǒng)功能全、可靠性高， 但價(jià)格昂貴，往往數(shù)倍于國產(chǎn)產(chǎn)品， 因此主要應(yīng)用于模具等高精度加工場(chǎng)合。1.2.5 雕刻機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)雕刻機(jī)作為制造業(yè)一個(gè)有力的工具，有著非常廣闊的發(fā)展前景，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電機(jī)技術(shù)、機(jī)械技術(shù)等各個(gè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，雕刻機(jī)的功能將日益強(qiáng)大，性能將更趨穩(wěn)定。雕刻機(jī)發(fā)展趨勢(shì)總結(jié)如下：1、更加精密控制部分和機(jī)械部分精度的提高將極大地提高雕刻系統(tǒng)的精度，控制部分將向閉環(huán)伺服方向發(fā)展，通過反饋調(diào)整做到誤差補(bǔ)償，從而可以大幅度提高精度，機(jī)械部分將采用更高的滾珠絲杠和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，同時(shí)裝配工藝的提高也將進(jìn)一步提高系統(tǒng)的精度。2、更加高效高性能運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)如 DSP 技術(shù)、32 位單片機(jī)等的發(fā)展，驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能的提高，刀具性能的提高，采用規(guī)范的軟件開發(fā)技術(shù)等等，都將會(huì)推動(dòng)雕刻機(jī)系統(tǒng)向著高速、高效、高可能性的方向發(fā)展。3、利用移動(dòng)通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速的發(fā)展，雕刻機(jī)將朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。2 雕刻機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)2.1 雕刻機(jī)的工作原理雕刻機(jī)一般由機(jī)架、工作臺(tái)、刀頭、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。雕刻作業(yè)時(shí)刀頭相對(duì)工作臺(tái)沿X、Y、Z 軸進(jìn)給。雕刻機(jī)的工作原理圖如下圖所示：電腦通過并口，直接將步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)輸出給雕刻機(jī)控制器。即電腦通過軟件（如 mach2)等，從并口分別送出以下的信號(hào)給雕刻機(jī)控制箱：X 軸的步進(jìn)脈沖（脈沖頻率越高，速度越快）X 軸的方向信號(hào)（正向或反向）Y 軸的步進(jìn)脈沖（脈沖頻率越高，速度越快）Y 軸的方向信號(hào)（正向或反向）Z 軸的步進(jìn)脈沖（脈沖頻率越高，速度越快）Z 軸的方向信號(hào)（正向或反向）進(jìn)步電機(jī)的使能信號(hào)（電機(jī)是啟用，或是停用？如果是停用，電機(jī)會(huì)完全松下來不會(huì)鎖死。注：一個(gè)信號(hào)控制三只電機(jī)。連接電腦工作時(shí)會(huì)啟用電機(jī)） 。控制箱將這些信號(hào)處理后，輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)直接給 X，Y，Z 三只步進(jìn)電機(jī)。2.2 雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)2.2.1 雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分機(jī)械結(jié)構(gòu)作為雕刻機(jī)的硬件部分，對(duì)雕刻機(jī)的加工過程、刻字效果等有著重要的影響。雕刻機(jī)的機(jī)械幾何結(jié)構(gòu)由以下幾部分組成：1、底座部分作為雕刻機(jī)整機(jī)的基礎(chǔ)，承擔(dān)整個(gè)機(jī)體的重量，要求穩(wěn)定堅(jiān)固。底座由底下的四只腳與地面接觸；2、工作臺(tái)部分工作臺(tái)部分由工作臺(tái)、Y 方向的絲杠和導(dǎo)軌以及支架組成。工作臺(tái)作為雕刻工作時(shí)承載雕刻物體的部件，表面有 T 型溝槽，由絲杠驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)軌導(dǎo)向；3、橫梁部分橫梁由 X 方向的絲杠和導(dǎo)軌以及支架組成。橫梁承載機(jī)頭的重量，驅(qū)動(dòng)機(jī)頭動(dòng)，容易彎曲變形，在結(jié)構(gòu)仿真和運(yùn)動(dòng)仿真中是重要的分析對(duì)象；4、機(jī)頭部分機(jī)頭部分由主軸組件、Z 方向的絲杠和導(dǎo)軌以及支架組成。絲杠驅(qū)動(dòng)主軸組的上下運(yùn)動(dòng)，主軸組件在加工過程中直接帶動(dòng)雕刻機(jī)頭的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。2.2.2 雕刻機(jī)的電路及電氣部分雕刻機(jī)的電路及電氣部分有：1、電源板：電源板的作用是提供功放和前級(jí)所需要的電源，一般要考慮電流是否足夠、電壓是否穩(wěn)定與對(duì)稱（一般大功率功放均用正負(fù)電對(duì)稱供電） 、紋波（濾波電容的大小） 、反應(yīng)速率（在大電容上并接高速率小電容）等因素。 2、電腦接口板：起鏈接器的作用，把機(jī)構(gòu)和電路連起來。3、鍵盤 LED 面板：①當(dāng)鍵盤板與電腦主機(jī)連接時(shí)，手控板會(huì)自動(dòng)鎖死，按鍵不會(huì)有動(dòng)作，此時(shí)鍵盤板上手控板使能燈自動(dòng)熄滅。②當(dāng)其與電腦斷開連接時(shí)，手控板使能指示燈亮，表示手控板可以操作。 ③X，Y，Z 三軸可以同時(shí)動(dòng)作。④碰到 6 只限位開關(guān)中的任何一只，在鍵盤板上對(duì)應(yīng)的限位開關(guān)指示燈點(diǎn)亮，手控板會(huì)鎖定，不允許繼續(xù)移動(dòng)。 ⑤鍵盤板上有詳細(xì)的指示 LED，內(nèi)容豐富，包括三軸的使能、方向、脈沖及六只限位開關(guān)的狀態(tài) LED 顯示。4、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板是用來放大信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的。5、LED 照明燈盤板：主要用起照明的作用。6、雕刻機(jī)內(nèi)部接線板7、手動(dòng)控制邏輯板2.3 雕刻機(jī)的總體布局的基本要求雕刻機(jī)總體布局的基本要求有以下幾點(diǎn)：1、首先必須滿足如加工范圍、工作精度、生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)性等各種要求；2、確保實(shí)現(xiàn)既定工藝方法所要求的工件和刀具的相對(duì)位置與相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在經(jīng)濟(jì)合理的條件下，盡量采用較短的傳動(dòng)鏈，以簡化機(jī)構(gòu)，提高傳動(dòng)精度和傳動(dòng)效率；3、確保雕刻機(jī)具有與所要求的加工精度相適應(yīng)的剛度、抗振性、熱變形及噪音水平；4、應(yīng)便于觀察加工過程，便于操作、調(diào)整和維修，便于輸送、裝卸工件和清理。注意防護(hù)，確保安全；5、結(jié)構(gòu)簡單，合理可靠，便于加工和裝配。3 直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 平面連桿機(jī)構(gòu)平面連桿機(jī)構(gòu)中構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)形式多種多樣，可以實(shí)現(xiàn)給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律或運(yùn)動(dòng)軌跡；低副以圓柱面或平面相接觸，承載能力高，制造簡便，易于獲得較高的制造精度。因此，平面連桿機(jī)構(gòu)在各種機(jī)械、儀器中獲得了廣泛應(yīng)用。平面四桿機(jī)構(gòu)可按照連桿是曲柄還是搖桿，將其分為三種基本形式：曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)和搖桿機(jī)構(gòu)。還有就是含有移動(dòng)副的四桿機(jī)構(gòu)有曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和要快機(jī)構(gòu)等。但是連桿機(jī)構(gòu)不易精確實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而且設(shè)計(jì)較為復(fù)雜；當(dāng)構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動(dòng)副較多的情況下，效率較低，因此我們不采用這種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。3.2 凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)是一種常用的機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)化和半自動(dòng)化機(jī)械中應(yīng)用廣泛。凸輪機(jī)構(gòu)主要是有凸輪、從動(dòng)件和機(jī)架三個(gè)基本構(gòu)件組成。根據(jù)凸輪和從動(dòng)件的不同形狀和型式，凸輪機(jī)構(gòu)可分為兩類。一個(gè)是按凸輪形狀分為盤形凸輪、移動(dòng)凸輪和圓柱凸輪。其中盤形凸輪是一個(gè)繞固定軸線運(yùn)動(dòng)并具有變化半徑的盤形零件。移動(dòng)凸輪是當(dāng)盤形凸輪的回轉(zhuǎn)中心趨于無窮遠(yuǎn)時(shí)，凸輪相對(duì)機(jī)架做直線運(yùn)動(dòng)。圓柱凸輪是將移動(dòng)凸輪卷成圓柱體。按從動(dòng)件型式可分為尖頂從動(dòng)件、滾子從動(dòng)件和平地從動(dòng)件。其中尖頂能與復(fù)雜的凸輪輪廓保持接觸，因而能實(shí)現(xiàn)任意語氣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。但尖頂與凸輪是點(diǎn)接觸，磨損快，只宜用于受力不大的低速凸輪機(jī)構(gòu)。而滾子從動(dòng)件為了克服尖頂從動(dòng)件的缺點(diǎn)，在從動(dòng)件的尖頂安裝了一個(gè)滾子，從而達(dá)到耐磨損，可承受較大載荷的需求。平底從動(dòng)件是從動(dòng)件與凸輪輪廓表面接觸的端面為一平面，它不能與從動(dòng)件的平底相垂直，傳動(dòng)效率高，且接觸面間易形成油膜，利于潤滑，可用于高速凸輪機(jī)構(gòu)。雖然凸輪機(jī)構(gòu)可以通過設(shè)計(jì)凸輪輪廓，就可以是從動(dòng)件達(dá)到所需的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，但凸輪輪廓與從動(dòng)件間為點(diǎn)接觸或線接觸，易磨損，因此我們也不采用這種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。3.3 滾珠絲杠滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，這是滾珠螺絲的進(jìn)一步延伸和發(fā)展，這項(xiàng)發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動(dòng)動(dòng)作變成滑動(dòng)動(dòng)作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器。是工具機(jī)和精密機(jī)械上最常使用的傳動(dòng)元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反復(fù)作用力，同時(shí)兼具高精度、可逆轉(zhuǎn)性和高效率的特點(diǎn)。由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，所以能得到較高的運(yùn)動(dòng)效率。與過去的滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩達(dá)到 1/3 以下，即達(dá)到同樣運(yùn)動(dòng)結(jié)果所需的動(dòng)力為使用滾動(dòng)絲杠副的 1/3。在省電方面很有幫助。滾珠絲杠副是用世界最高水平的機(jī)械設(shè)備連貫生產(chǎn)出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面，對(duì)溫度、濕度進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，由于完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。滾珠絲杠副由于是利用滾珠運(yùn)動(dòng)，所以啟動(dòng)力矩極小，不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)那樣的爬行現(xiàn)象，能保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給。滾珠絲杠副可以加予，由于予壓力可使軸向間隙達(dá)到負(fù)值，進(jìn)而得到較高的剛性（滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加予壓力，在實(shí)際用于機(jī)械裝置等時(shí)，由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強(qiáng)） 。滾珠絲杠由于運(yùn)動(dòng)效率高、發(fā)熱小，所以可以實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。因此，我們選用這種結(jié)構(gòu)。通過上述三種機(jī)構(gòu)的對(duì)比，我們選用滾珠絲杠這種機(jī)構(gòu)。4 執(zhí)行器——電機(jī)的選擇4.1 直流電機(jī)定義輸出或輸入為直流電能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)稱為直流電機(jī)，它是能實(shí)現(xiàn)直流電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的電機(jī)。當(dāng)它作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流電動(dòng)機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動(dòng)的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)，由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等組成。直流電機(jī)的勵(lì)磁方式是指對(duì)勵(lì)磁繞組如何供電、產(chǎn)生勵(lì)磁磁通勢(shì)而建立主磁場(chǎng)的問題。根據(jù)勵(lì)磁方式的不同，直流電機(jī)可分為下列幾種類型：1、他勵(lì)直流電機(jī)勵(lì)磁繞組與電樞繞組無聯(lián)接關(guān)系，而由其他直流電源對(duì)勵(lì)磁繞組供電的直流電機(jī)稱為他勵(lì)直流電機(jī)，永磁直流電機(jī)也可看作他勵(lì)直流電機(jī)。2、串勵(lì)直流電機(jī)串勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞串聯(lián)后，再接于直流電源，這種直流電機(jī)的勵(lì)磁電流就是電樞電流。3、并勵(lì)直流電機(jī)并勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組相互并聯(lián)，作為并勵(lì)發(fā)電機(jī)來說，是電機(jī)本身出來的端電壓為勵(lì)磁繞組供電；作為并勵(lì)電動(dòng)機(jī)來說，勵(lì)磁繞組與電樞共用同一電源，從性能上講與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)相同。4、復(fù)勵(lì)直流電機(jī)復(fù)勵(lì)直流電機(jī)有并勵(lì)和串勵(lì)兩個(gè)勵(lì)磁繞組，若串勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁通勢(shì)與并勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁通勢(shì)方向相同稱為積復(fù)勵(lì)。若兩個(gè)磁通勢(shì)方向相反，則稱為差復(fù)勵(lì)。不同勵(lì)磁方式的直流電機(jī)有著不同的特性。一般情況直流電動(dòng)機(jī)的主要?jiǎng)?lì)磁方式是并勵(lì)式、串勵(lì)式和復(fù)勵(lì)式，直流發(fā)電機(jī)的主要?jiǎng)?lì)磁方式是他勵(lì)式、并勵(lì)式和復(fù)勵(lì)式。直流電機(jī)的工作原理：要使電樞受到一個(gè)方向不變的電磁轉(zhuǎn)矩，關(guān)鍵在于當(dāng)線圈邊在不同極性的磁極下，如何將流過線圈中的電流方向及時(shí)地加以變換，即進(jìn)行所謂“換向” 。為此必須增添一個(gè)叫做換向器的裝置，換向器配合電刷可保證每個(gè)極下線圈邊中電流始終是一個(gè)方向，就可以使電動(dòng)機(jī)能連續(xù)的旋轉(zhuǎn)，這就是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。4.2 交流電機(jī)交流電機(jī)是用于實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和交流電能相互轉(zhuǎn)換的機(jī)械。由于交流電力系統(tǒng)的巨大發(fā)展，交流電機(jī)已成為最常用的電機(jī)。交流電機(jī)與直流電機(jī)相比，由于沒有換向器，因此結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，比較牢固，容易做成高轉(zhuǎn)速、高電壓、大電流、大容量的電機(jī)。交流電機(jī)按其功能通常分為交流發(fā)電機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)和同步調(diào)相機(jī)幾大類。由于電機(jī)工作狀態(tài)的可逆性，同一臺(tái)電機(jī)既可作為發(fā)電機(jī)又可作電動(dòng)機(jī)。把電機(jī)分為發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)并不很確切，只是有些電機(jī)主要作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，有些電機(jī)主要作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。交流電機(jī)一般采用三相制電源，因?yàn)槿嘟涣麟姍C(jī)與單相電機(jī)相比，無論在性能指標(biāo)，原材料利用和價(jià)格等方面均有明顯的優(yōu)越性。同樣功率的三相電機(jī)比單相電機(jī)體積小，重量輕，價(jià)格低。三相電動(dòng)機(jī)有自起動(dòng)能力。單相電機(jī)沒有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，為解決起動(dòng)問題，需要采取一些特殊的措施。單相電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是脈動(dòng)的，噪聲也比較大，但所需的電源比較簡單，特別是在家庭中使用十分方便。因此小型家用電機(jī)和儀用電機(jī)多采用單相電機(jī)。目前較常用的交流電動(dòng)機(jī)有三相異步電動(dòng)機(jī)和單相交流電動(dòng)機(jī)兩種。前一種多用在工業(yè)上，而第二種多用在民用電器上。三相異步電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)原理：三相異步電動(dòng)機(jī)要旋轉(zhuǎn)起來的先決條件是具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組就是用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的。但相電源相與相之間的電壓在相位上是相差 120 度的，三相異步電動(dòng)機(jī)定子中的三個(gè)繞組在空間方位上也互差 120 度，這樣，當(dāng)在定子繞組中通入三相電源時(shí)，定子繞組就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，電流每變化一個(gè)周期，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在空間旋轉(zhuǎn)一周，即旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度與電流的變化是同步的。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為：n=60f/p 式中 f 為電源頻率、P 是磁場(chǎng)的磁極對(duì)數(shù)、n 的單位是每分鐘轉(zhuǎn)速。根據(jù)此式我們知道，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與磁通極數(shù)和使用電源的頻率有關(guān)，為此，控制交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有兩種方法：改變磁極和變頻。以往多用第一種方法，現(xiàn)在則利用變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的無極變速控制。單相交流電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)原理：單相交流電動(dòng)機(jī)只有一個(gè)繞組，轉(zhuǎn)子是鼠籠式的。當(dāng)單相正弦規(guī)律變化，但在空間方位上市固定的，所以又稱這個(gè)磁場(chǎng)是交變脈動(dòng)磁場(chǎng)。這個(gè)交變脈動(dòng)磁場(chǎng)可分解為兩個(gè)以相同轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)方向互為相反的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生兩個(gè)大小相等、方向相反的轉(zhuǎn)矩，使得合成轉(zhuǎn)矩為零，所以電動(dòng)機(jī)無法旋轉(zhuǎn)。當(dāng)我們用外力使電動(dòng)機(jī)向某一方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，這時(shí)轉(zhuǎn)子與順時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)間的切割磁力線運(yùn)動(dòng)變??；轉(zhuǎn)子與逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)間的切割磁力線運(yùn)動(dòng)變大。這樣平衡就打破了，轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的總的電磁轉(zhuǎn)矩將不再是零，轉(zhuǎn)子將順著推動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)起來。4.3 伺服電機(jī)目前被工業(yè)界廣泛采用的交流伺服系統(tǒng)（電機(jī)+驅(qū)動(dòng)）通常具有力矩控制、速度控制和位置控制等閉環(huán)控制功能。如果采用伺服系統(tǒng)的位置閉環(huán)控制，配套選用的控制器則只需具有軌跡規(guī)劃功能，這樣的運(yùn)動(dòng)控制器通常價(jià)格比較低廉，而且穩(wěn)定性和可靠性也會(huì)比較好。如果選用步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該類型控制器也同樣適用，這種類型的運(yùn)動(dòng)控制器通常叫做位置脈沖型運(yùn)動(dòng)控制器。如果我們想利用伺服驅(qū)動(dòng)的速度閉環(huán)來完成系統(tǒng)的位置閉環(huán)控制，則需要選用具有位置閉環(huán)控制功能的運(yùn)動(dòng)控制器。這種控制方式通常比第一種控制方式具有更高的精度，但系統(tǒng)的調(diào)整比第一種控制方式復(fù)雜和困難。在這種控制方式下，運(yùn)動(dòng)控制器接受位置反饋信號(hào)，進(jìn)行位置閉環(huán)控制，向伺服驅(qū)動(dòng)輸出模擬電壓控制信號(hào)。伺服驅(qū)動(dòng)裝置接受位置反饋信號(hào)進(jìn)行位置閉環(huán)控制，向伺服驅(qū)動(dòng)器輸出模擬電壓控制信號(hào)。伺服驅(qū)動(dòng)裝置接受速度控制信號(hào)，完成速度閉環(huán)控制。目前，這種類型的運(yùn)動(dòng)控制器也已非常普遍。如果伺服驅(qū)動(dòng)裝置只具有力矩閉環(huán)控制功能（通常這種驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉） ，則需選用具有速度閉環(huán)和位置閉環(huán)控制功能的運(yùn)動(dòng)控制器來完成系統(tǒng)的高精度位置和軌跡控制。這種類型的運(yùn)動(dòng)控制器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本也會(huì)比較高，但對(duì)于需要多軸運(yùn)動(dòng)控制的系統(tǒng)來說，如果采用具有多軸控制能力的運(yùn)動(dòng)控制器，總的系統(tǒng)成本也可能會(huì)比其它兩種方式還要低廉一些。因?yàn)槎鄠€(gè)驅(qū)動(dòng)成本的降低幅度會(huì)超過一塊運(yùn)動(dòng)控制器成本的增加幅度。不過，除了一些能夠配套提供控制器和相應(yīng)驅(qū)動(dòng)器的生產(chǎn)廠家外，這種控制方式比較少被采用。伺服電機(jī)既可以選擇交流伺服電機(jī)也可以選擇直流伺服電機(jī)?？刂扑欧姍C(jī)時(shí)，通過選擇不同的驅(qū)動(dòng)器模式，運(yùn)動(dòng)控制器既可以輸出+/-10V 模擬電壓控制信號(hào)，也可以輸出脈沖控制信號(hào)。選用伺服電機(jī)時(shí)，應(yīng)選配其相應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)器及配件。對(duì)于控制步進(jìn)電機(jī)，運(yùn)動(dòng)控制器提供兩種不同的控制信號(hào)：正脈沖/負(fù)脈沖、脈沖/方向。這樣，控制器可以與目前任何類型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器配套使用。在控制步進(jìn)電機(jī)時(shí)，控制模式為開環(huán)控制，不需要編碼器。運(yùn)動(dòng)控制器與伺服系統(tǒng)的匹配：運(yùn)動(dòng)控制器作為機(jī)電一體化系統(tǒng)的核心控制系統(tǒng)，已經(jīng)歷了 20 多年的發(fā)展，正在逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)封閉型的控制系統(tǒng)，被廣大機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師所采用。與此同時(shí)，與執(zhí)行裝置所配套的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也在不斷地發(fā)展，許多系統(tǒng)已經(jīng)具備了各種運(yùn)動(dòng)控制功能對(duì)于給定的控制對(duì)象，必須根據(jù)控制目標(biāo)選用適當(dāng)?shù)膱?zhí)行與驅(qū)動(dòng)裝置，然后根據(jù)執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)裝置的功能特征選用合適的運(yùn)動(dòng)控制器，以最大限度地利用控制與驅(qū)動(dòng)裝置的功能降低系統(tǒng)成本。步進(jìn)電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它的驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角” ，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)定位的目的。由于脈沖信號(hào)數(shù)與步距角的線性關(guān)系，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制邊的非常簡單。步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能正常工作，驅(qū)動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制器。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能像普通的直流電機(jī)、交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)?，F(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR） 、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM） 、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。永磁式步進(jìn)電機(jī)：永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為 7.5 度或 15 度；應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)：反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為 15 度，但噪聲和振動(dòng)都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)：混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相。兩相步進(jìn)角一般為 1.8 度，而五相步進(jìn)角為 0.72 度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的 3-5％，且小累積。步進(jìn)電機(jī)外表允許的最目溫度。步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，田此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏 l30 度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200 度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏 80-90 度完全正常。步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)，頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率(或速度)的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無法啟動(dòng)，井伴有嘯叫聲。步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)小能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟失或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻(電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速)。直流電機(jī)和交流電機(jī)有慣性，很難控制，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，讓我們選擇了它。5 LED 鍵盤板的設(shè)計(jì)5.1 LED 鍵盤板的技術(shù)要求1.當(dāng)鍵盤板與電腦主機(jī)連接時(shí)，手控板會(huì)自動(dòng)鎖死，按鍵不會(huì)有動(dòng)作，此時(shí)鍵盤板上手控板使能燈自動(dòng)熄滅。2.當(dāng)其與電腦斷開連接時(shí)，手控板使能指示燈亮，表示手控板可以操作。 3.X，Y，Z 三軸可以同時(shí)動(dòng)作。4.碰到 6 只限位開關(guān)中的任何一只，在鍵盤板上對(duì)應(yīng)的限位開關(guān)指示燈點(diǎn)亮，手控板會(huì)鎖定，不允許繼續(xù)移動(dòng)。 5.鍵盤板上有詳細(xì)的指示 LED，內(nèi)容豐富，包括三軸的使能、方向、脈沖及六只限位開關(guān)的狀態(tài) LED 顯示。5.2 LED 鍵盤板零件的選擇 根據(jù)雕刻機(jī)手控邏輯板的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)所需要的零件有：1、電容：作為無源元件之一的電容，應(yīng)用于信號(hào)電路，主要完成耦合、振蕩/同步及時(shí)間常數(shù)的作用。1）耦合，舉個(gè)例子來講，晶體管放大器發(fā)射極有一個(gè)自給偏壓電阻，它同時(shí)又使信號(hào)產(chǎn)生壓降反饋到輸入端形成了輸入輸出信號(hào)耦合，這個(gè)電阻就是產(chǎn)生了耦合的元 件，如果在這個(gè)電阻兩端并聯(lián)一個(gè)電容，由于適當(dāng)容量的電容器對(duì)交流信號(hào)較小的阻抗,這樣就減小了電阻產(chǎn)生的耦合效應(yīng)，故稱此電容為去耦電容。2）振蕩/同步，包括 RC、LC 振蕩器及晶體的負(fù)載電容都屬于這一范疇。3）時(shí)間常數(shù)，這就是常見的 R、C 串聯(lián)構(gòu)成的積分電路。當(dāng)輸入信號(hào)電壓加在輸入端時(shí)，電容上的電壓逐漸上升。而其充電電流則隨著電壓的上升而減小。電流通過電阻、電容的特性通過下面的公式描述：i = (V/R)e-(t/CR)。4）濾波，它可以將一定頻段內(nèi)的信號(hào)從總信號(hào)中去除，減少干擾信號(hào)。本設(shè)計(jì)中用到的電容主要是 0.1μF 的瓷片電容。2、電阻：顧名思義，就是增加電流通過的阻力的。就象是在水渠中放入東西，能阻止水的順利通過也是一個(gè)道理。電阻可以限止電流的通過量，起到限流的作用；在串聯(lián)電路中，起到分壓作用。因使用電阻的大小和組合（串聯(lián)或并聯(lián)） ，可以起到升壓和降壓的作用；在并聯(lián)電路中，可以起到分流的作用。 本設(shè)計(jì)中的電阻有 1kΩ 和 100kΩ 的，都是用來分壓的。3、穩(wěn)壓管：穩(wěn)壓管在電路中起穩(wěn)定電壓作用。它利用二極管被反向擊穿后，在一定反向電流范圍內(nèi)反向電壓不隨反向電流變化一特點(diǎn)進(jìn)行穩(wěn)壓的。穩(wěn)壓二極管通常由硅半導(dǎo)體材料采用合金法或擴(kuò)散法制成。它既具有普通二極管的單向?qū)щ娞匦裕挚晒ぷ饔诜聪驌舸顟B(tài)。在反向電壓較低時(shí)，穩(wěn)壓二極管截止；當(dāng)反向電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然增大，穩(wěn)壓二極管進(jìn)入擊穿區(qū)，此時(shí)即使反向電流在很大范圍內(nèi)變化時(shí)，穩(wěn)壓二極管兩端的反向電壓也能保持基本不變。但若反向電流增大到一定數(shù)值后，穩(wěn)壓二極管則會(huì)被徹底擊穿而損壞。5、芯片：本設(shè)計(jì)中的芯片主要是用來處理信號(hào)的，選擇的芯片有下列 4 種。74LS126 ：三態(tài)輸出四總線緩沖器74HC08：四 2 輸入與門NE555：在本次設(shè)計(jì)中用于產(chǎn)生矩形脈沖6、LED 燈：用來表示各個(gè)部分的使能以及運(yùn)行狀態(tài)。7、開關(guān)按鈕：用來手動(dòng)控制電路。8、變阻器：滑動(dòng)變阻器是電學(xué)中常用器件之一，它的工作原理是通過改變接入電路部分電阻線的長度來改變電阻的?；瑒?dòng)變阻器在電路中的作用是:(1)保護(hù)電路，即連接好電路，電鍵閉合前,應(yīng)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的滑片 P，使滑動(dòng)變阻器接入電路部分的電阻最大。(2)通過改變接入電路部分的電阻來改變電路中的電流，從而改變與之串聯(lián)的導(dǎo)體(用電器)兩端的電壓。5.3 LED 鍵盤板電路圖的設(shè)計(jì)及其原理雕刻機(jī) LED 鍵盤板的電路原理圖如下圖所示：（圖 1）本人將這塊 LED 鍵盤板分為 5 個(gè)部分來解析：人機(jī)交互、狀態(tài)顯示、多諧振蕩器、外部接口及濾波電路。1、人機(jī)交互。如下圖所示：（圖 2）這臺(tái)雕刻機(jī)除了能與電腦聯(lián)機(jī)運(yùn)行固定程序外，還能夠人為地操控其運(yùn)行軌跡。上圖中的六個(gè)開關(guān)分別能夠控制 X、Y、Z 的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)然，前提是不超程。2、狀態(tài)顯示（圖 3）圖 2 中 LED 燈表示的是與鍵盤板相連的邏輯手控板的使能，當(dāng)?shù)窨虣C(jī)與電腦相連時(shí)，右端所接為高電平，燈滅，表示手控板已無法使用。（圖 4）圖 4 中 16 個(gè) LED 表示的含義如下表所示：LED 標(biāo)號(hào) 表示的含義1 電源指示2 步進(jìn)電機(jī)使能3 X 軸脈沖4 X 軸方向5 Y 軸脈沖6 Y 軸方向7 Z 軸脈沖8 Z 軸方向9 備用10 備用11 X 軸左限位12 X 軸右限位13 Y 軸前限位14 Y 軸后限位15 Z 軸上限位16 Z 軸下限位（表 1）該圖中含有 74LS126 兩個(gè)，74HC08 一個(gè)以及 3 個(gè)整流二極管。74LS126 是一個(gè)四總線緩沖器，其引腳分布及功能如下：（L-低電平 H-高電平 X-任意 Z-高阻）74HC08 是一個(gè)四 2 輸入與門，其引腳分布及功能如下：（L-低電平 H-高電平 X-任意 Z-高阻）以 X 軸為例來分析 LED 的顯示變化。按下圖 2 中的開關(guān) S1 時(shí)，有脈沖信號(hào)到達(dá)整流二極管 D1，若是矩形波峰到達(dá)時(shí)，74LS126 的 1 和 4 號(hào)管腳跳變?yōu)楦唠娖剑?2 號(hào)管腳是直接接地的，3 管腳輸出為低電平，所以 LED3 燈亮,此時(shí)74HC08 的 1 號(hào)管腳為低電平，其 3 管腳輸出為低，即 74LS126 的 5 號(hào)管腳為低，所以 74LS126 的 6 號(hào)管腳為低電平，故 LED4 燈亮;當(dāng)波谷到達(dá)時(shí)，1 和 4 號(hào)管腳跳變?yōu)榈碗娖剑?4LS126 管腳 3 和 6 輸出無效，此時(shí) LED3 與 LED4 熄滅。如此循環(huán)，LED3 與 LED4 便會(huì)不停的閃爍。通常情況下，后面 8 個(gè) LED 燈都是熄滅的，只有超程時(shí)對(duì)應(yīng)的 LED 右端跳變?yōu)榈碗娖?，才有可能燈亮。此時(shí)根據(jù)亮燈情況，就可以很快判斷出是在哪個(gè)軸的哪個(gè)方向超程，操作人員能夠迅速地排除故障。3、多諧振蕩器多諧振蕩器——產(chǎn)生矩形脈沖波的自激振蕩器。多諧振蕩器一旦起振之后，電路沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，它們做交替變化，輸出連續(xù)的矩形脈沖信號(hào)，因此它又稱作無穩(wěn)態(tài)電路，常用來做脈沖信號(hào)源。[1] 電路組成及工作原理（ vC 為 C 的電壓， v0 為端口 3 的輸出電壓）（圖 5）[2]振蕩頻率的估算 （1）電容充電時(shí)間 T1。電容充電時(shí)，時(shí)間常數(shù) τ 1=（ R1+R2） C，起始值vC（0 +）= ，終了值 vC（∞）= VCC，轉(zhuǎn)換值 vC（ T1）= ，帶入 RC 過渡過cV3 cV3程計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算： CRVvTC)(7.02ln31l)()0(ln111?????????（2） 電容放電時(shí)間 T2電容放電時(shí)，時(shí)間常數(shù) τ 2=R2C，起始值 vC（0 +）= ，終了值 vC（∞）=0，cV32轉(zhuǎn)換值 vC（ T2）= ，帶入 RC 過渡過程計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：cV31CRT27.0?（3）電路振蕩周期 TT=T1+T2=0.7(R1+2R2)C（4）電路振蕩頻率 f)(43.21???（5）輸出波形占空比 q定義： q=T1/T，即脈沖寬度與脈沖周期之比，稱為占空比。 2121)(7.0RCT??本次設(shè)計(jì)中，取 R1=R2=10kΩ，C=0.1μF，經(jīng)計(jì)算可得該振蕩電路的振蕩頻率約為 476 赫茲，其輸出波形的占空比為 66.7％。通過調(diào)節(jié) R1 、 R1和 C 的值即可調(diào)整所發(fā)脈沖的頻率，及其占空比。4、外部接口。如下圖所示：（圖 6）這個(gè) 30 針的接口是 LED 鍵盤板與外界的通訊口，它既可以與邏輯手控板相連，也可以與電腦主機(jī)相連。本人在鍵盤板制作完成后對(duì)其節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了手動(dòng)測(cè)試（在其端口用 5V 直流電進(jìn)行間斷性的觸碰） ，發(fā)現(xiàn)分別點(diǎn)亮所有的 LED 所需要的條件，列表如下(Vcc 已經(jīng)正常連接，0 表示低電平，1 表示高電平):所需條件 點(diǎn)亮 LEDGND——0 1ENA——0 2X-PUL——1 3X-PUL——1 X-DIR——0 4Y-PUL——1 5Y-PUL——1 Y-DIR——0 6Z-PUL——1 7Z-PUL——1 Z-DIR——0 8X-S-L+——0 11X-S-R+——0 12Y-S-F+——0 13Y-S-B+——0 14Z-S-U+——0 15Z-S-D+——0 16Enable——0 17（LED9 與 LED10 為備用指示燈，無需點(diǎn)亮）5、濾波電路。如下圖所示：（圖 7）電路的電源線與回流線（地線）之間總要連接很多的電容器通常稱為濾波電容。在 電 源 設(shè) 計(jì) 中 ,濾 波 電 容 的 選 取 原 則 是 ： C≥ 2.5T/R 其 中 ： C 為 濾波 電 容 ， 單 位 為 UF； T 為 頻 率 ， 單 位 為 Hz； R 為 負(fù) 載 電 阻 ， 單 位 為 Ω 。 顯然 ， 本 人 選 擇 的 電 容 符 合 要 求 。濾波電容在開關(guān)電源中起著非常重要的作用，它用在電源整流電路中，用來濾除交流成分，使輸出的直流更平滑。6、總結(jié)及前景展望自從有了人類的社會(huì)活動(dòng)以后，就有了雕刻這一行業(yè)，伴隨著人類社會(huì)的發(fā)展，現(xiàn)如今人們對(duì)雕刻業(yè)有了全新的認(rèn)識(shí)，電腦雕刻加工的興起與發(fā)展是時(shí)代發(fā)展的需要，電腦雕刻代替機(jī)械已是大勢(shì)所趨。電腦雕刻加工可以就是目前理想的選擇，雖然有些地區(qū)電腦雕刻加工業(yè)務(wù)量不是很多，但它是雕刻行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。雕刻加工涉及各行各業(yè)、分布很廣，有禮品業(yè)、廣告業(yè)、印章業(yè)、木器加工業(yè)、建筑業(yè)、藝術(shù)模型業(yè)、機(jī)械加工、工裝模具等等，隨著人們對(duì)雕刻機(jī)的認(rèn)識(shí)和掌握逐步加深，應(yīng)用范圍會(huì)得到不斷擴(kuò)大，應(yīng)用水平也會(huì)逐步提高，雕刻加工必定會(huì)有更廣闊的前景。參考文獻(xiàn)：[1]胡乾斌等. 單片微型計(jì)算機(jī)原理與應(yīng)用[M]. 武漢：華中科技大學(xué)出版社. 1996.[2]孟少農(nóng).機(jī)械加工工藝手冊(cè) 第（一、二、三）冊(cè)[M].北京:北京機(jī)械工業(yè)出版社. 1998.[3]徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 第（三、四、五）冊(cè)[M]. 北京：北京機(jī)械工業(yè)出版社. 2001.[4]孫恒.機(jī)械原理 第七版[M]. 高等教育出版社. 2006.[5]濮良貴. 機(jī)械設(shè)計(jì) 第八版[M]. 高等教育出版社 2006.[6]梅順齊. 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社. 2009.[7]蔡共宣. 工程測(cè)試與信號(hào)處理[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社. 2006.[8]陶恒奇. 電工與電子技術(shù)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社. 2008.附 錄下面是本人自己焊接的電路板以及用 protel 自己畫出的 PCB 板。致 謝首先，對(duì)指導(dǎo)老師范良志老師這么長時(shí)間的耐心指導(dǎo)和孜孜不倦的教誨表示衷心的感謝！正是在范老師的精心指導(dǎo)下，我才能順利地完成了這次畢業(yè)設(shè)計(jì)。從設(shè)計(jì)一開始，范老師就告訴我們，每一個(gè)學(xué)生都應(yīng)該通過畢業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)盡可能多的知識(shí)，而不是為了走走過程，應(yīng)該使以前學(xué)過的知識(shí)得以運(yùn)用。以前沒有充分掌握的知識(shí)，通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)該變成自己的東西，把一個(gè)人的潛力發(fā)揮到最高水平。我們?cè)谕瓿杀菊撐牡倪^程中，始終得到范老師無微不至的指導(dǎo)、關(guān)心、幫助、鞭策與鼓勵(lì)。在范老師的幫助下，我們學(xué)習(xí)到的不僅是書本上的知識(shí)，更重要的是從中學(xué)到做人的原則和做事的方法。同時(shí)，我也要感謝在我學(xué)習(xí)期間給我極大關(guān)心和支持的各位老師以及同學(xué)和朋友！最后，向在百忙中抽出時(shí)間對(duì)本文進(jìn)行評(píng)審并提出寶貴意見的各位老師表示衷心感謝！