《五軸雕刻機(jī)機(jī)電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)①—驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《五軸雕刻機(jī)機(jī)電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)①—驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)（40頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

XX 工 學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）作 者: 學(xué) 號(hào)：學(xué) 院: 機(jī)械工程學(xué)院專 業(yè): 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化題 目: 五軸雕刻機(jī)機(jī)電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)①—驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)者： (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))評(píng)閱者： (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))年 月畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 中 文 摘 要數(shù)控雕刻機(jī)廣泛運(yùn)用在木工業(yè)、石材業(yè)、廣告業(yè)、制造業(yè)等多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。目前，市場(chǎng)上多以三軸數(shù)控雕刻機(jī)為主，多軸數(shù)控雕刻機(jī)多用于高端產(chǎn)品，高昂的機(jī)床價(jià)格和維修維護(hù)的成本一直是多軸數(shù)控雕刻機(jī)應(yīng)用的主要瓶頸。針對(duì)五軸數(shù)控雕刻機(jī)的市場(chǎng)需求，本課題提出了一種經(jīng)濟(jì)型五軸數(shù)控雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)方案。本文主要闡述的是運(yùn)用 PC 機(jī)上的軟件將數(shù)控加工代碼轉(zhuǎn)化為各軸的輸出脈沖數(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)并口輸出脈沖信號(hào)到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)并且優(yōu)化其運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)各軸的運(yùn)動(dòng)完成加工。這中間還包括驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)以及驅(qū)動(dòng)板的接線方式。關(guān)鍵詞 五軸雕刻機(jī)，驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，接線方式，運(yùn)動(dòng)優(yōu)化畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 外 文 摘 要Title Structural Design Of Five-axis CNC Machinery ① —Driven Design AbstractCNC engraving machine is widely used in the wood industry, stone industry, advertising industry, manufacturing industry and other industries. Currently, the market is dominated by three-axis CNC engraving machine, multi-axis CNC engraving machine is usually used for high-end products, high prices and high repair and maintenance cost of machine is the main bottleneck, which have restricted the application of multi-axis CNC engraving machine.For the market demand of five-axis CNC engraving machine, this project presents an economical five-axis CNC engraving machine design. Which the article focuses on is that with the software running on the PC, NC code will be converted into each axis output pulses, the output pulse signal through the computer parallel port is sent to the stepper motor driver to control and optimize the stepper motor movement, to achieve the movement of each axis and finish processing. It also includes the drive, stepper motor and driver board wiring in this process.Keywords five-axis engraving machine, driven design, wiring, motion optimization目 錄1 引言 .11．1 雕刻機(jī)的起源 .11．2 雕刻機(jī)的特征 .11．3 發(fā)展現(xiàn)狀及其研究意義 .21.3.1 我國(guó)雕刻機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 .21.3.2 雕刻機(jī)的市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì) .21.3.3 研究的目的與意義 .31．4 本文的研究?jī)?nèi)容 .32 總體方案與設(shè)計(jì)要求 .32．1 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 .32．2 設(shè)計(jì)要求及方案 .53 雕刻機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理 .63．1 軟件 EMC2 .73.1.1 EMC 的特點(diǎn) .73.1.2 EMC2 的配置向?qū)?.83．2 驅(qū)動(dòng)板與驅(qū)動(dòng)器 .103.2.1 驅(qū)動(dòng)板 .103.2.2 驅(qū)動(dòng)器 .113．3 雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu) .114 雕刻機(jī)的整體接線 .124．1 步進(jìn)電機(jī)的接線方式 .134．2 驅(qū)動(dòng)器的接線方式 .144.2.1 驅(qū)動(dòng)器 SM-202A144.2.2 驅(qū)動(dòng)器 SH-20403 .164.2.3 驅(qū)動(dòng)器接線注意問(wèn)題 .184．3 驅(qū)動(dòng)板的接線方式 .195 雕刻機(jī)的驅(qū)動(dòng)與優(yōu)化 .205．1 雕刻機(jī)的驅(qū)動(dòng) .205.1.1 EMC2 中的引腳介紹 .205.1.2 進(jìn)給軸的配置 .225．2 雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)優(yōu)化 .245.2.1 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制 .245.2.2 步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)步距誤差 .255.2.3 步進(jìn)電機(jī)的失步 .265.2.4 電機(jī)的啟動(dòng)及噪聲處理 .275.2.5 利用 Test Area 測(cè)試最大速度和加速度 .275．3 本章小結(jié) .316 總結(jié)與展望 .31結(jié) 論 .32致 謝 .33參 考 文 獻(xiàn) .34附件 A.3511 引言1．1 雕刻機(jī)的起源雕刻技術(shù)起源于藝術(shù)品的加工，是一種很傳統(tǒng)的手工工藝，由于深厚的文化內(nèi)涵和精湛的成品效果是雕刻走入工業(yè)生產(chǎn)的初期，雕刻的主要工作是產(chǎn)品形態(tài)的精細(xì)休整和產(chǎn)品的文字圖案雕刻。在我國(guó)北宋時(shí)期發(fā)明了活字印刷，那時(shí)用的模版便屬于雕刻的范疇。隨著時(shí)代的發(fā)展，我國(guó)的雕刻藝術(shù)也日益精湛，玉雕、象牙雕、紅木雕、篆刻泥人雕等雕刻技術(shù)都堪稱一絕。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)再到三位雕刻機(jī)，制作工藝也日漸成熟，應(yīng)用范圍也日漸廣泛。1938 年世界第一臺(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(guó)、日本等國(guó)家也開(kāi)始研制。目前雕刻機(jī)主要有仿形雕刻機(jī)和計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）雕刻機(jī)兩大類，以完成有互換性要求的雕刻加工和模具雕刻加工。隨著工業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度的加快，尤其是計(jì)算機(jī)輔組設(shè)計(jì)的廣泛的應(yīng)用，工業(yè)產(chǎn)品的形態(tài)更加豐富，變化更加迅速，對(duì)制造設(shè)備提出了新的要求。這就使以計(jì)算機(jī)輔組設(shè)計(jì)和制造（CAD/CAM）技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)（CNC）為核心的數(shù)控雕刻技術(shù)成了雕刻加工發(fā)展的主流。1．2 雕刻機(jī)的特征數(shù)控雕刻機(jī)它體現(xiàn)的是一種自動(dòng)化以及機(jī)械化的生產(chǎn)模式。從加工原理講是一種鉆銑組合加工，通過(guò) CAM 軟件中設(shè)計(jì)好的任意圖案、字體、三位路徑進(jìn)行電腦式計(jì)算加工路徑。由于 CNC 雕刻對(duì)象的特點(diǎn)為圖案復(fù)雜、造型奇特、成品精細(xì)，而CNC 雕刻機(jī)以輕型結(jié)構(gòu)為主，這實(shí)際上限定了 CNC 雕刻的工作方式為：“小刀具的快速銑削” ，事實(shí)上這也正是 CNC 雕刻的“專業(yè)優(yōu)勢(shì)” ，原因就是 CNC 雕刻是在干“常規(guī)大刀具無(wú)法加工的業(yè)務(wù)” 。另外它的操作也是非常簡(jiǎn)單，涉及的行業(yè)也是相當(dāng)?shù)膹V泛，有廣告業(yè)、印章業(yè)、木器加工業(yè)、建筑業(yè)、藝術(shù)模型業(yè)等等?？杉庸さ牟牧弦彩欠浅V泛，包括金屬、石材、PVC 板、鋁塑板等等。隨著人們對(duì)雕刻機(jī)的認(rèn)識(shí)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。21．3 發(fā)展現(xiàn)狀及其研究意義1.3.1 我國(guó)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?，F(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，許多廣告業(yè)的客戶都經(jīng)歷過(guò)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，電腦代替人腦的飛躍，字體規(guī)范的同時(shí)又大大提高了生產(chǎn)效率。隨著近年來(lái)我國(guó)制造業(yè)的迅速發(fā)展，數(shù)控雕刻機(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(guó)數(shù)控雕刻機(jī)的生產(chǎn)、推廣和應(yīng)用。我國(guó)數(shù)控雕刻機(jī)起步于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，隨著數(shù)控技術(shù)的進(jìn)步，經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，已成為了多個(gè)國(guó)產(chǎn)品牌的雕刻機(jī)，如上海洛克公司生產(chǎn)的啄木鳥(niǎo)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。上述各類雕刻機(jī)的機(jī)床本體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，控制器大多借鑒國(guó)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)比不是太高，適用于精度要求不太高的普及應(yīng)用場(chǎng)合。至于高精度的雕刻加工，目前我國(guó)尚以進(jìn)口數(shù)控雕刻機(jī)為主，如意大利的佐拉、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(guó)產(chǎn)產(chǎn)品，因此主要應(yīng)用于模具等高精度加工場(chǎng)合。1.3.2 雕刻機(jī)的市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)雕刻機(jī)市場(chǎng)緊跟雕刻制作行業(yè)的走向。隨著雕刻行業(yè)的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)雕刻機(jī)生產(chǎn)廠商提出了更高的要求。雕刻制作行業(yè)的市場(chǎng)細(xì)分已經(jīng)日益成熟，但雕刻設(shè)備只有零星的專業(yè)系列雕刻機(jī)推出，推出專業(yè)系列雕刻機(jī)是雕刻設(shè)備研制廠商的當(dāng)務(wù)之急。操作人性化、簡(jiǎn)潔化是 CNC 雕刻機(jī)的一大發(fā)展趨勢(shì)。為了滿足規(guī)?；a(chǎn)的需要，簡(jiǎn)潔的操作系統(tǒng)就成了目前雕刻機(jī)生產(chǎn)廠商急需研發(fā)的項(xiàng)目。簡(jiǎn)潔的操作系統(tǒng)使一人操作數(shù)臺(tái) CNC 雕刻設(shè)備成為現(xiàn)實(shí)。完善的服務(wù)體系是雕刻機(jī)生產(chǎn)廠商發(fā)展、壯大的根基。建立完善的服務(wù)體系也是目前許多雕刻機(jī)生產(chǎn)廠商迫切需要解決的問(wèn)題。 不僅僅如此，隨著機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、高速電機(jī)、控制芯片、軟件平臺(tái)和程序設(shè)計(jì)等領(lǐng)3域的發(fā)展，雕刻機(jī)的性能將得到改進(jìn)和提高。而今后計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，也將給雕刻機(jī)帶來(lái)一場(chǎng)革命。最終雕刻機(jī)將改變不了走向高速高精度化、高效率可靠性、多軸聯(lián)動(dòng)技術(shù)的命運(yùn)。 1.3.3 研究的目的與意義建國(guó)以來(lái)，我國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)家相比還存在相當(dāng)大的差距。因此，在我國(guó)以新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和開(kāi)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)。因此，在雕刻行業(yè)也同樣隨著市場(chǎng)的變化需求需要做出突破與創(chuàng)新。而雕刻機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控雕刻機(jī)的控制核心，其控制功能的強(qiáng)弱、控制性能的優(yōu)劣直接關(guān)系著數(shù)控雕刻機(jī)的加工質(zhì)量與加工效率，對(duì)整個(gè)雕刻機(jī)的性價(jià)比和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力都至關(guān)重要。但目前國(guó)產(chǎn)雕刻機(jī)使用的數(shù)控系統(tǒng)在性能和價(jià)格上不能很好的統(tǒng)一，成為影響國(guó)產(chǎn)數(shù)控雕刻機(jī)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的制約因素之一。為此，研究開(kāi)發(fā)具有良好性價(jià)比的雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)很有意義。這樣的研究將能節(jié)約資源，進(jìn)一步提高雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的性價(jià)比，以優(yōu)良的控制性能和較低的價(jià)格進(jìn)一步增強(qiáng)國(guó)產(chǎn)雕刻機(jī)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，并為雕刻機(jī)最終用戶改善產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約生產(chǎn)成本提供有效手段。1．4 本文的研究?jī)?nèi)容本文研究的主要內(nèi)容是掌握步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與其相連的各部件之間的連線方式并通過(guò)計(jì)算機(jī)中的 EMC2 軟件輸出信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，然后利用驅(qū)動(dòng)器控制五軸雕刻機(jī)的運(yùn)動(dòng)。在雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，再通過(guò) EMC2 軟件對(duì)雕刻機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化，使其能夠正常順暢的運(yùn)行并能夠?qū)?shí)物進(jìn)行雕刻。2 總體方案與設(shè)計(jì)要求本課題的大體的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的方向就是選取一個(gè)合理的驅(qū)動(dòng)方式來(lái)驅(qū)動(dòng)雕刻機(jī)。而雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)里面又包括了各個(gè)部件的設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)都是根據(jù)具體的雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)來(lái)的。2．1 驅(qū)動(dòng)方式的選擇一般對(duì)于雕刻機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式有兩種可供選擇：伺服-運(yùn)動(dòng)控制卡，PC 并口控制。具體選擇哪一種就要具體分析后才能知道。4運(yùn)動(dòng)控制卡通常是采用專業(yè)的運(yùn)動(dòng)控制芯片或 DSP 來(lái)滿足一系列運(yùn)動(dòng)控制要求的控制單元，其可通過(guò) PCI、PC104 等總線接口安裝到 PC 和工業(yè) PC 上，可與步進(jìn)和伺服驅(qū)動(dòng)器連接，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)和伺服電機(jī)完成各種運(yùn)動(dòng)（單軸運(yùn)動(dòng)、多軸運(yùn)動(dòng)、多軸插補(bǔ)等） ，接收各種輸入信號(hào)（限位原點(diǎn)信號(hào)，sensor） ，可輸出控制繼電器、電磁閥、氣缸等元件。用戶可使用 VC、VB 等開(kāi)發(fā)工具，調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制卡函數(shù)庫(kù)，快速開(kāi)發(fā)出軟件。運(yùn)動(dòng)控制卡也因其功能強(qiáng)大、開(kāi)發(fā)便利等優(yōu)勢(shì)已被廣泛運(yùn)用于切割機(jī)、點(diǎn)膠機(jī)、激光打標(biāo)機(jī)、電路板鉆/銑機(jī)、超聲波焊機(jī)、絲印機(jī)、 AOI 檢測(cè)機(jī)、飛針測(cè)試機(jī)、激光焊接機(jī)、雕刻機(jī)、噴繪機(jī)、快速成型機(jī)等測(cè)量與自動(dòng)化設(shè)備領(lǐng)域。針對(duì)我國(guó)主要存在的中低檔機(jī)床，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)仍具有相當(dāng)大的市場(chǎng)潛力。所以在研制經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)過(guò)程中，考慮提高系統(tǒng)性能的同時(shí)，如何盡可能多地減少硬件設(shè)計(jì)，降低成本，提高可靠性已經(jīng)成為大多人追求的目標(biāo)。而在 PC 并口的驅(qū)動(dòng)方式下，系統(tǒng)中常規(guī)的位置控制模塊由主 CPU 依靠軟件完成，降低了硬件成本，提高了可靠性。況且運(yùn)動(dòng)控制卡的成本比較昂貴，受到實(shí)驗(yàn)室的限制所以就選擇了PC 并口來(lái)控制雕刻機(jī)。PC 并口控制采用并口輸出的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備的接口。標(biāo)準(zhǔn)并口具有 12個(gè)輸出位（D0-D7、C0-C3） ，5 個(gè)輸入位（S3-S7） 。由于每路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器需要 2個(gè)數(shù)字位（脈沖、方向）控制，五軸系統(tǒng)共占用 10 個(gè)數(shù)字輸出位。通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器放大并口輸出的脈沖和方向信號(hào)，使之驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。并口的輸入位用來(lái)檢測(cè)回零開(kāi)關(guān)信號(hào)、限位開(kāi)關(guān)信號(hào)以及急停輸入信號(hào)。但是由于輸入資源有限，采用將各個(gè)軸電機(jī)的正負(fù)限位和回零信號(hào)分別并聯(lián)的方法，每個(gè)并聯(lián)位各占用一個(gè)并口輸入位。具體結(jié)構(gòu)圖如圖 1：圖 1.并口結(jié)構(gòu)圖52．2 設(shè)計(jì)要求及方案雕刻機(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(jiǎn)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(guò)程，便于操作、調(diào)整和維修，便于輸送、裝卸工件和清理。根據(jù)以上這些要求設(shè)計(jì)出雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)圖，如圖 2：圖 2.結(jié)構(gòu)圖由該結(jié)構(gòu)圖可以看出需要三個(gè)步進(jìn)電機(jī)，所以先要選取步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)。根據(jù)6雕刻的加工范圍、加工精度和經(jīng)濟(jì)性等要求選擇了 42BYGH121 型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)。具體參數(shù)如下：額定電流：1A；額定電壓：12V-24V；導(dǎo)程：8mm；步距角：1.8°；脈沖當(dāng)量：0.04mm；行程：20cm；扭矩：3kg/cm。步進(jìn)電機(jī)的最大速度與最大加速度是通過(guò)測(cè)試得出的，測(cè)試的方式與結(jié)果見(jiàn)第五章的詳細(xì)介紹。另外旋轉(zhuǎn)電機(jī)的減速比是 42：1。所以每個(gè)脈沖就會(huì)使電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度為360/42=8.5714°。旋轉(zhuǎn)電機(jī)的加工范圍 45°-135°。以上所有電機(jī)參數(shù)見(jiàn)附件 A。步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)有了還需驅(qū)動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)板，三個(gè)步進(jìn)電機(jī)對(duì)應(yīng)的就是三個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的要求來(lái)選擇驅(qū)動(dòng)器。在本課題中選用了兩種不同的驅(qū)動(dòng)器共三個(gè)：SH-20403 兩個(gè)和 SM-202A 一個(gè)。具體參數(shù)和接線方式見(jiàn)第三章驅(qū)動(dòng)器介紹部分。驅(qū)動(dòng)板則主要是用來(lái)與 PC 連接的（通過(guò)并口） 。以上這些都是雕刻機(jī)的硬件部分，若要能夠使雕刻機(jī)成功運(yùn)動(dòng)起來(lái)就必須還要有一個(gè)軟件來(lái)給步進(jìn)電機(jī)發(fā)送脈沖和方向信號(hào)。本課題主要是運(yùn)用 EMC2 軟件來(lái)發(fā)送信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。方案的設(shè)計(jì)與一些設(shè)備儀器的選取差不多已經(jīng)完成了，接下來(lái)的主要任務(wù)便是搞清楚驅(qū)動(dòng)的原理及相關(guān)設(shè)備之間的連線方式。3 雕刻機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理雕刻機(jī)的傳統(tǒng)的工作原理：通過(guò)計(jì)算機(jī)內(nèi)部配置的專用雕刻軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和排版，并由計(jì)算機(jī)把設(shè)計(jì)與排版的信息自動(dòng)傳送至雕刻機(jī)控制器中，再由控制器把這些信息轉(zhuǎn)化為能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的帶有功率的信號(hào)（脈沖串） ，控制雕刻機(jī)主機(jī)生成各軸的雕刻走刀路徑。同時(shí)，雕刻機(jī)上的高速旋轉(zhuǎn)雕刻頭通過(guò)按加工材質(zhì)配置的刀具對(duì)固定于主機(jī)工作臺(tái)上的加工材料進(jìn)行切削，這樣即可雕刻出在計(jì)算機(jī)中設(shè)計(jì)的各種平面或立體的浮雕圖形及文字，實(shí)現(xiàn)雕刻自動(dòng)化作業(yè)。而本課題的原理是將預(yù)先設(shè)定好的 G 代碼轉(zhuǎn)化為 EMC2 軟件能讀懂的信號(hào)，然后 EMC2 軟件通過(guò)計(jì)算機(jī)并口到驅(qū)動(dòng)板將信號(hào)放大給驅(qū)動(dòng)器脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)然后就是雕刻機(jī)正常運(yùn)行如圖 3 所示。7G 代碼 驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)器 步進(jìn)電機(jī) 雕刻機(jī)EMC2輸出脈沖與方向圖 3.驅(qū)動(dòng)原理圖3．1 軟件 EMC23.1.1 EMC 的特點(diǎn)EMC（增強(qiáng)機(jī)器控制）是一款用來(lái)控制機(jī)床（銑床、車床等）的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，也是一款開(kāi)源的自由軟件。當(dāng)前軟件只許可 GPL 和 LGPL 的版本。軟件具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1） 它提供了幾種不同的用戶界面可供使用，是一種 G 代碼翻譯器；（2） 是一種帶預(yù)處理功能的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)；（3） 可直接操作底層的機(jī)床電器如傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等；（4） 它獨(dú)有的“面包板層”可以使用戶像使用“面包板”做電路實(shí)驗(yàn)一樣很容易的創(chuàng)建適合自己機(jī)器的獨(dú)有配置文件；（5） 是可用梯形圖編程操作的 PLC 軟件；（6） 以上所有這些都集成到一張 Live-CD 上面，易于安裝。但是這個(gè)軟件不提供 CAD 和 CAM 功能，不能畫(huà)圖，也不能從圖直接導(dǎo)出 G 代碼。它可以支持 9 軸聯(lián)動(dòng)并且還可以支持不同的接口。既能夠?qū)崿F(xiàn)開(kāi)環(huán)和閉環(huán)的運(yùn)動(dòng)控制，又能控制模擬 PWM 接口的伺服電機(jī)。在運(yùn)動(dòng)控制方面還具有很多優(yōu)點(diǎn)：刀具半徑和長(zhǎng)度補(bǔ)償、路徑偏差可限制在給定的誤差范圍內(nèi)、車床車螺紋、多軸聯(lián)動(dòng)、自動(dòng)適應(yīng)進(jìn)給速度、手動(dòng)進(jìn)給覆蓋、恒速控制等。通過(guò)調(diào)整運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊的參數(shù)還可以支持非笛卡爾運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。EMC 的部分圖如圖 4 和圖 5。8圖 4.EMC 圖圖 5.EMC 圖3.1.2 EMC2 的配置向?qū)П菊n題中涉及到 EMC2 軟件部分的其實(shí)只有配置向?qū)Р糠侄?，所以在設(shè)計(jì)本課題時(shí)最重要的就是要了解配置向?qū)Р糠诌x項(xiàng)的使用。9配置向?qū)е皇?EMC2 的一個(gè)比較基本的配置功能。EMC2 可以通過(guò)許多不同的硬件接口控制不同類型的機(jī)器設(shè)備。當(dāng)機(jī)器設(shè)備使用并口與 PC 機(jī)連接而且可以用“脈沖信號(hào)+ 方向信號(hào)”控制時(shí)，使用 Stepconf Wizard 生成配置文件是最好的選擇。Stepconf Wizard 在安裝 EMC2 時(shí)就已經(jīng)自動(dòng)安裝了。如圖 6 是對(duì)圖中的選項(xiàng)的解釋。圖 6.配置向?qū)DCreate New：創(chuàng)建一個(gè)新的配置。Modify：修改一個(gè)舊的配置。選擇此項(xiàng)后，接下來(lái)的頁(yè)面就是一個(gè)文件選擇界面（如果是新建一個(gè)配置，就不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)文件選擇界面） ，在此頁(yè)面里你可以選擇要修改的配置文件。配置向?qū)г谛陆ㄅ渲脮r(shí)，除了在 emc2/config 文件夾下放置一個(gè).stepconf 后綴的文件以外，還在該文件夾下新建了一個(gè)文件夾 my-mill，里面有六個(gè)文件 custom.hal，custom_postgui.hal，my-mill.hal，my-mill.ini，README，tool.tbl， “my-mill”是 Stepconf Wizard 默認(rèn)的一個(gè)名字，操作者可以在向?qū)е懈某勺约合胍拿帧＿x擇 Modify 功能后所做的修改將覆蓋到 my-mill.hal 和 my-mill.ini 文件中， “覆蓋”意味著如果你曾用其他編輯工具（如 vim）對(duì)這兩個(gè)文件做了手動(dòng)修改，那么經(jīng)過(guò)使用 Stepconf Wizard 的 Modify 功能后，這些修改都會(huì)丟失。而 custom.hal 和 custom_postgui.hal 則不會(huì)受到影響，Stepconf Wizard 的 Modify 功能對(duì)它們不起作用。Create Desktop Shortcut：為 my-mill 文件夾創(chuàng)建一個(gè)桌面快捷方式。Create Desktop Launcher：為啟動(dòng)包含 my-mill 相關(guān)配置的 EMC2 應(yīng)用程序創(chuàng)建一個(gè)快捷方式。下圖 7 是一些常用到選項(xiàng)。10圖 7.配置向?qū)DAxis Configuration：軸配置，只能選用 XYZ、XYZA 或 XZ 中的一種。Machine Units：機(jī)床尺寸單位，英制或公制。本課題用到的只要是公制的。Driver Type：電機(jī)驅(qū)動(dòng)器型號(hào)，軟件自帶的有很多種驅(qū)動(dòng)器型號(hào)，但是本課題中涉及到的是其他兩種型號(hào)的驅(qū)動(dòng)器，所以應(yīng)選其他這個(gè)選項(xiàng)。Step Time：指的是步進(jìn)脈沖信號(hào)的寬度。Step Space：指的是步進(jìn)脈沖之間的寬度。Direction Hold：電機(jī)方向切換后保持的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間過(guò)后才能發(fā)步進(jìn)脈沖。Direction Setup：這個(gè)指的是步進(jìn)脈沖發(fā)完后需保持一段時(shí)間（該時(shí)間是自己設(shè)置的）然后才能切換方向。3．2 驅(qū)動(dòng)板與驅(qū)動(dòng)器3.2.1 驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)板的工作原理就是將 EMC2 軟件給的信號(hào)進(jìn)行放大，然后將該信號(hào)以脈沖和方向兩個(gè)信號(hào)形式連接到驅(qū)動(dòng)器上。同時(shí)還可以降低電流，將高電壓和大電流與控制板隔離，起到一個(gè)保護(hù)電器的作用。113.2.2 驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)電機(jī)是一種作為控制用的特種電機(jī)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度（稱為“步距角” ）一步一步運(yùn)行的，其特點(diǎn)是沒(méi)有積累誤差，所以廣泛應(yīng)用于各種開(kāi)環(huán)控制。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行是要有一個(gè)電子裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，這種裝置就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移，或者說(shuō)：控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)脈沖信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器就使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一步距角。所以步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖的頻率成正比。因此，只要控制步進(jìn)電機(jī)脈沖信號(hào)的頻率就可以對(duì)電機(jī)精確調(diào)速，而控制步進(jìn)電機(jī)脈沖的個(gè)數(shù)就可以對(duì)電機(jī)精確定位。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器還可以對(duì)電機(jī)的步距角進(jìn)行細(xì)分。步進(jìn)電機(jī)通過(guò)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)，其步距角變小了。如驅(qū)動(dòng)器工作在 10 細(xì)分狀態(tài)時(shí)，其步距角只為“電機(jī)固有步距角”的十分之一，也就是說(shuō)：當(dāng)驅(qū)動(dòng)器工作在不細(xì)分的整步狀態(tài)時(shí)，控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖，電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng) 1.8°；而用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器工作在 10 細(xì)分狀態(tài)時(shí)，電機(jī)只轉(zhuǎn)動(dòng)了 0.18°，這就是細(xì)分的基本概念。細(xì)分功能完全是由驅(qū)動(dòng)器靠精確控制電機(jī)的相電流所產(chǎn)生的，與電機(jī)無(wú)關(guān)。驅(qū)動(dòng)器細(xì)分的優(yōu)點(diǎn)主要有：完全消除了電機(jī)的低頻振蕩。低頻振蕩是步進(jìn)電機(jī)（尤其是反應(yīng)式電機(jī)）的固有特性，而細(xì)分是消除它的唯一途徑。如果步進(jìn)電機(jī)有時(shí)要在共振區(qū)工作（如走圓?。?，選擇細(xì)分驅(qū)動(dòng)器是唯一的選擇。不僅如此，細(xì)分還可以提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。尤其是對(duì)三相反應(yīng)式電機(jī)，其力矩比不細(xì)分時(shí)提高了約30-40%。還能提高電機(jī)的分辨率，由于減小了步距角、提高了步距的均勻度，提高電機(jī)的分辨率也是不言而喻的。3．3 雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)本課題是由本人和另外一個(gè)同學(xué)共同完成的，兩個(gè)人的主要工作任務(wù)都不同，一個(gè)主要做的是結(jié)構(gòu)，而我主要做的是驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的部分，所以在這里就結(jié)合一下圖稍微簡(jiǎn)單點(diǎn)給大家介紹一下雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)。如圖 8 為已加工裝配后的雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)圖，圖中主要標(biāo)出了各個(gè)方向的進(jìn)給軸，其中兩軸為現(xiàn)成的。12圖 8.結(jié)構(gòu)圖4 雕刻機(jī)的整體接線整體的接線就是縱觀所有儀器設(shè)備的接線方式與原理。本章首先主要講的是整體的各部分直接的接線方式，然后再介紹每個(gè)部件各自的接線方式。等線全部接完之后，再試著用計(jì)算機(jī)中的 EMC2 軟件來(lái)驅(qū)動(dòng)雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)看看。圖 9.整體接線圖如圖 9 所示，計(jì)算機(jī)與驅(qū)動(dòng)板之間通過(guò)計(jì)算機(jī)并口連接，并由計(jì)算機(jī)控制板給驅(qū)動(dòng)板提供一個(gè) 5V 的電源。然后驅(qū)動(dòng)板通過(guò)四根信號(hào)線與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接在一Y 軸步進(jìn)電機(jī)：驅(qū)動(dòng)電機(jī)上下工作X 軸步進(jìn)電機(jī)：驅(qū)動(dòng)電機(jī)左右工作Z 軸步進(jìn)電機(jī)：驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞X 軸旋轉(zhuǎn)工作13起，一個(gè) 24V 的電源給驅(qū)動(dòng)器提供電流。最后就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與雕刻機(jī)上的各個(gè)軸的步進(jìn)電機(jī)相連以至驅(qū)動(dòng)雕刻機(jī)。4．1 步進(jìn)電機(jī)的接線方式要搞清楚步進(jìn)電機(jī)的接線方式，首先我覺(jué)得應(yīng)該先弄懂步進(jìn)電機(jī)的工作原理。按照常理來(lái)說(shuō)，步進(jìn)電機(jī)接線要根據(jù)線的顏色來(lái)區(qū)分接線。但是不同公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)線的顏色是不一樣的，特別是國(guó)外的步進(jìn)電機(jī)。這樣一來(lái)，步進(jìn)電機(jī)的接線就應(yīng)該用萬(wàn)用表打表。步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部構(gòu)造如圖 10：圖 10.步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部構(gòu)造圖通過(guò)上圖可知，A，A-是連通的，B，B-是連通的。那么，A 和 A-是一組 a，B和 B-是一組 b。因此要驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)無(wú)非是輪流給 a 組和 b 組線連續(xù)的脈沖，這樣步進(jìn)電機(jī)就能驅(qū)動(dòng)了。不管是兩相四線、四相五線還是四相六線步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是如此。至于究竟是四線、五線還是六線，就要看 A 和 A-之間，B 和 B-之間有沒(méi)有公共端 com端。如果 a 組和 b 組各有一個(gè) com 端，則該步進(jìn)電機(jī)為六線。如果 a 組和 b 組的公14共端連在一起則是五線的。所以，要弄清步進(jìn)電機(jī)如何接線，只需把 a 和 b 組分開(kāi)就可以了。分開(kāi)的方法就是用萬(wàn)用表測(cè)兩根線，如果相通便是一組。本課題用到的步進(jìn)電機(jī)便是兩相四線的，所以只要將這兩相分別如圖 11 所示接到驅(qū)動(dòng)器對(duì)應(yīng)的A+，A-和 B+，B-上即可。圖 11.SM-202A4．2 驅(qū)動(dòng)器的接線方式上一節(jié)已經(jīng)介紹了步進(jìn)電機(jī)的接線方式，而要能夠使步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)起來(lái)就必須要有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，所以本節(jié)主要介紹的就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的接線方式。要知道驅(qū)動(dòng)器的接線方式就必須知道驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和每個(gè)接口代表的是什么意思以及該驅(qū)動(dòng)器的一些特點(diǎn)和參數(shù)。本課題主要用到了兩種不同型號(hào)的驅(qū)動(dòng)器（SM-202A 和 SH-20403） ，所以接下來(lái)著重介紹的也是這兩種驅(qū)動(dòng)器的接線方式。4.2.1 驅(qū)動(dòng)器 SM-202A驅(qū)動(dòng)器 SM-202A 如上圖所示，該驅(qū)動(dòng)器具有的特點(diǎn)：電源電壓不大于+40VDC；斬波頻率大于 35KHZ；輸入信號(hào)與 TTL 兼容；無(wú) CP 脈沖電流自動(dòng)減半；最大驅(qū)動(dòng)電流 1A/相；可驅(qū)動(dòng)兩相或四相混合式步進(jìn)電機(jī)；雙極性恒流斬波方式；光電隔離信號(hào)輸入；SM202A 型：2、4、8、16、32 、64、128、256；驅(qū)動(dòng)電流可由開(kāi)關(guān)設(shè)定；外形尺寸：85*59*19。引腳的說(shuō)明：＜+45V，GND 端為外接直流電源，直流電壓范圍為+12V—+40V。A+，A-端為電機(jī) A 相，B+，B-端為電機(jī) B 相。前面在介紹步進(jìn)電機(jī)的接線方式的時(shí)候就已經(jīng)介紹過(guò)了，這四個(gè)引腳是直接與電機(jī)的 A 相和 B 相接的。15+COM 端為光電隔離電源公共端，典型值為+5V，高于 +5V 時(shí)應(yīng)在 CP，DIR 及FREE 端串接電阻。CP 端為脈沖信號(hào)，下降沿有效。DIR 端為方向控制信號(hào)，電平高低決定電機(jī)運(yùn)行方向。FREE 端為驅(qū)動(dòng)器使能，高電平或懸空電機(jī)可運(yùn)行。低電平驅(qū)動(dòng)器無(wú)電流輸出，電機(jī)出于自由狀態(tài)。電氣特性：輸入電壓在+12V-+40V 之間，典型值為+30V。本課題用的是一個(gè)+24V 的電源；輸出相電流 0.15、0.25、0.40、0.5、 0.6、0.7、0.85、1.00A ；信號(hào)邏輯輸入電流 10mA-25mA；下降沿脈沖時(shí)間大于 5us；絕緣電阻大于 500M 歐。細(xì)分?jǐn)?shù)由開(kāi)關(guān) K1、K2、K3 選擇，具體的選擇方式如圖 12。圖 12.細(xì)分圖電流值由 K4、K5、K6 選擇，具體的選擇方式如圖 13。圖 13.電流圖接下來(lái)就是驅(qū)動(dòng)器具體接線的電路圖以及一些要注意的問(wèn)題。先講一下要注意的地方：電源電壓在 DC12V-DC40V 之間可以正常工作；最好選用非穩(wěn)壓型電源；當(dāng)多個(gè)驅(qū)動(dòng)器共用一個(gè)電源時(shí)，應(yīng)提高電源的額定功率和額定輸出電流并注意散熱；注意靜態(tài)電流的設(shè)定，設(shè)定靜態(tài)電流時(shí)，當(dāng)脈沖信號(hào)延遲 1 秒后，電機(jī)電流自動(dòng)減半并減少發(fā)熱。16圖 14 為典型接線圖：圖 14. SM-202A 典型接線圖4.2.2 驅(qū)動(dòng)器 SH-20403驅(qū)動(dòng)器 SH-20403 如圖 15 所示。圖 15.SH-20403簡(jiǎn)單介紹一下該驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)：10V-40V 直流供電；H 橋雙極恒相流驅(qū)動(dòng)；最大 3A 的八種輸出電流可選；最大 64 細(xì)分的七種細(xì)分模式可選；輸入信號(hào)光電隔離；標(biāo)準(zhǔn)共陽(yáng)單脈沖接口；脫機(jī)保持功能；半密閉式機(jī)殼可適應(yīng)更嚴(yán)苛環(huán)境；提供節(jié)能17的自動(dòng)半電流鎖定功能；通過(guò) CE 認(rèn)證。輸出電流選擇：該驅(qū)動(dòng)器最大輸出電流為 3A/相（峰值） ，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器面板上六位撥碼開(kāi)關(guān)的第 5、6、7 三位可組合出八種狀態(tài)，對(duì)應(yīng)輸出八種電流，從 0.9A 到3A（詳見(jiàn)電流選擇圖 16）以配合不同的電機(jī)使用。圖 16.電流圖細(xì)分選擇：該驅(qū)動(dòng)器可提供整步、改善半步、4、8、16、32 和 64 細(xì)分七種運(yùn)行模式，利用驅(qū)動(dòng)器面板上六位撥碼開(kāi)關(guān)的第 1、2、3 三位可組合出不同的狀態(tài)（詳見(jiàn)細(xì)分模式選擇圖 17） 。圖 17.細(xì)分圖公共端：該驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)采用共陽(yáng)極接線方式，用戶應(yīng)將輸入信號(hào)的電源正極連接到該端口上，將輸入的控制信號(hào)連接到對(duì)應(yīng)的信號(hào)端口上。控制信號(hào)低電平有效，此時(shí)對(duì)應(yīng)的內(nèi)部光耦導(dǎo)通，控制信號(hào)輸入驅(qū)動(dòng)器中。脈沖信號(hào)輸入：共陽(yáng)極時(shí)該脈沖下降沿被驅(qū)動(dòng)器解釋為一個(gè)有效脈沖，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行一步。為了確保脈沖信號(hào)的可靠響應(yīng)，共陽(yáng)極時(shí)脈沖低電平的持續(xù)時(shí)間不應(yīng)少于 10us。該驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)響應(yīng)頻率為 70KHZ，過(guò)高的輸入頻率將可能得不到正確的響應(yīng)。方向信號(hào)輸入：該端口信號(hào)的高電平和低電平控制電機(jī)的兩個(gè)轉(zhuǎn)向。共陽(yáng)極時(shí)該端懸空被等效認(rèn)為輸入高電平。控制電機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)，應(yīng)確保方向信號(hào)領(lǐng)先脈沖信號(hào)18至少 10us 建立，可避免驅(qū)動(dòng)器對(duì)脈沖的錯(cuò)誤響應(yīng)。脫機(jī)信號(hào)輸入：該端接受控制機(jī)輸出的高/低電平信號(hào)，共陽(yáng)極時(shí)低電平時(shí)電機(jī)相電流被切斷，轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)（脫機(jī)狀態(tài)） 。共陽(yáng)極時(shí)高電平或懸空時(shí)，轉(zhuǎn)子處于鎖定狀態(tài)。圖 18 為典型接線圖：圖 18. SH-20403 典型接線圖4.2.3 驅(qū)動(dòng)器接線注意問(wèn)題在接線驅(qū)動(dòng)器時(shí)，應(yīng)遵循功率線（電機(jī)相線，電源線）與弱電信號(hào)線分開(kāi)的原則，以避免控制信號(hào)被干擾。在無(wú)法分別布線或有強(qiáng)干擾源（變頻器，電磁閥等）存在的情況下，最好使用屏蔽電纜傳送控制信號(hào)；采用較高電平的控制信號(hào)對(duì)抵抗干擾也有一定的意義。為了取得最滿意的驅(qū)動(dòng)效果，需要選取合理的供電電壓和設(shè)定電流。供電電壓的高低決定電機(jī)的高速性能，而電流設(shè)定值決定電機(jī)的輸出力矩。供電電壓的選定：一般來(lái)說(shuō)，供電電壓越高，電機(jī)高速時(shí)力矩越大，越能避免高速時(shí)掉步。但另一方面，電壓太高可能損壞驅(qū)動(dòng)器，而且在高電壓下工作時(shí)，低速運(yùn)動(dòng)振動(dòng)較大，所以要選用一個(gè)合適的電壓值。輸出電流的設(shè)定值：對(duì)于同一電機(jī)，電流設(shè)定值越大時(shí)，電機(jī)輸出力矩越大，但電流大時(shí)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的發(fā)熱也比較嚴(yán)重。所以一般情況是把電流設(shè)成供電機(jī)長(zhǎng)19期工作時(shí)出現(xiàn)溫?zé)岬贿^(guò)熱時(shí)的數(shù)值。本課題用到的是四線電機(jī)，一般情況下，四線電機(jī)的高速度模式是輸出電流設(shè)成等于或略小于電機(jī)額定電流值。4．3 驅(qū)動(dòng)板的接線方式驅(qū)動(dòng)板是連接在計(jì)算機(jī)與驅(qū)動(dòng)器之間的電氣件，它起的作用就是信號(hào)放大和隔離保護(hù)的作用，所以驅(qū)動(dòng)板的接線也是很重要的。驅(qū)動(dòng)板的輸出端與驅(qū)動(dòng)器的輸入端相連，如圖 19 和 20 所示。SM-202A：圖 19.輸入端接線圖SH-20403：圖 20.輸入端接線圖在實(shí)際接線的時(shí)候，往往都是一個(gè)驅(qū)動(dòng)板與多個(gè)驅(qū)動(dòng)器相連。如圖 21 是本課題驅(qū)動(dòng)板的實(shí)際接線圖以及一些引腳所接的信號(hào)說(shuō)明。20圖 21.驅(qū)動(dòng)板接線圖驅(qū)動(dòng)板上的綠顏色的線接的是脈沖信號(hào)，與驅(qū)動(dòng)器上的脈沖端相連。棕色的線接的方向信號(hào)，與驅(qū)動(dòng)器上的方向端相連。至于橙色和藍(lán)色的線是驅(qū)動(dòng)板上的兩個(gè)+5V 的接線端，橙色線是與公共端相連的（公共端接線要求是 TTL 電平） ，而藍(lán)色的線在 SM-202A 上是與 ENA 端相連的，在 SH-20403 上是與脫機(jī)端相連的。這兩個(gè)端口的接線要求都是要懸空或者是接高電平（這里接的是高電平） ，否則驅(qū)動(dòng)器就處于自由狀態(tài)。5 雕刻機(jī)的驅(qū)動(dòng)與優(yōu)化據(jù)前面接線的鋪墊，本個(gè)章節(jié)主要介紹的就是雕刻機(jī)的驅(qū)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)方面的優(yōu)化。本課題雕刻機(jī)的驅(qū)動(dòng)與優(yōu)化都是依賴于 EMC2 軟件，而在前面就已經(jīng)介紹過(guò)了這個(gè)軟件的一些選項(xiàng)、控件的含義與用途。接下來(lái)就是主要介紹如何利用該軟件驅(qū)動(dòng)雕刻機(jī)以及運(yùn)動(dòng)優(yōu)化。5．1 雕刻機(jī)的驅(qū)動(dòng)5.1.1 EMC2 中的引腳介紹EMC2 的并口有 17 個(gè)引腳可以用。對(duì) Stepconf Wizard 來(lái)說(shuō)，是 12 個(gè)輸出引腳外加5 個(gè)輸入引腳。圖 22 這個(gè)界面主要是為了給每個(gè)引腳選擇不同的功能（輸出引腳有23 種功能可選，輸入引腳有 40 種功能可選，具體選哪個(gè)就要參考要和并口連接的硬件了） 。這兩個(gè)引腳是兩個(gè)+5V 的高電平這兩個(gè)引腳分別是 X 軸的脈沖和方向信號(hào)這兩個(gè)引腳分別是 Z 軸的脈沖和方向信號(hào)這兩個(gè)引腳分別是 Y 軸的脈沖和方向信號(hào)21圖 22如果電平信號(hào)是相反的就需要把引腳的“invert”選項(xiàng)勾上。在本課題中電平是相反的，所以要驅(qū)動(dòng)就必須要把該選項(xiàng)給勾上。Output pinout presets：Sherline 機(jī)床和 Xylotex 驅(qū)動(dòng)的并口順序都是固定的，所以 EMC2 在這個(gè)頁(yè)面就有兩個(gè)快捷鍵，這兩個(gè)快捷鍵主要是自動(dòng)設(shè)置第 2-9 引腳的。Outputs：左邊這 12 個(gè)引腳就是 EMC2 的輸出引腳，引腳 2-9 每?jī)蓚€(gè)就分別對(duì)應(yīng)著步進(jìn)電機(jī)的脈沖和運(yùn)動(dòng)方向。Inputs：這五個(gè)主要是輸入引腳，基本上是作為接收反饋信號(hào)用的。比如接個(gè)限位開(kāi)關(guān)，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)碰到限位開(kāi)關(guān)時(shí)，限位開(kāi)關(guān)就會(huì)將信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)板反饋到計(jì)算機(jī)中，然后 EMC2 就會(huì)自動(dòng)將雕刻機(jī)停下。圖中引腳 1 對(duì)應(yīng)的 ESTOP Out 主要接的是外部急停開(kāi)關(guān)。典型的急停開(kāi)關(guān)回路應(yīng)該使用常閉觸點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，在 Outputs 和 Inputs 中一些不用的輸入或輸出引腳全部都要設(shè)成“Unused”的狀態(tài)。5.1.2 進(jìn)給軸的配置驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)就需要給它脈沖和方向兩種信號(hào)，圖 23 就是對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給軸參22數(shù)的一些設(shè)定。圖 23Motor Steps Per Revolution：這個(gè)指的是電機(jī)轉(zhuǎn)一圈所需要的脈沖數(shù)。如果是步進(jìn)電機(jī)并且該電機(jī)的步距角也知道就能夠算出所需的脈沖數(shù)，用 360 除以步距角就可以得到脈沖數(shù)。我們用的步進(jìn)電機(jī)的步距角為 1.8°，所以脈沖數(shù)就是 200。Driver Microstepping：驅(qū)動(dòng)器細(xì)分?jǐn)?shù)，如果是 2 細(xì)分，此處就應(yīng)該是 2。本課題中用到的驅(qū)動(dòng)器都是采用整步的，所以填 1。Pulley teeth：傳動(dòng)比。主要是電機(jī)和絲杠之間的傳動(dòng)比。如果用皮帶輪連接電機(jī)和絲杠，就應(yīng)該將傳動(dòng)比給寫(xiě)上。如果是電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)絲杠，此處就寫(xiě) 1：1。Leadscrew Pitch：絲杠與工作臺(tái)之間的傳動(dòng)比。在這里有兩個(gè)選項(xiàng)，一個(gè)是英寸，一個(gè)是毫米。我們用的是毫米，所以在此處就應(yīng)該填絲杠每轉(zhuǎn)一圈工作臺(tái)走的毫米數(shù)（比如填 2 就表示 2mm/rev，單頭絲杠就是螺距，多頭絲杠就是導(dǎo)程） 。在測(cè)試該軸的時(shí)候，如果發(fā)現(xiàn)工作臺(tái)的方向走反了，可以通過(guò)在此處輸入一個(gè)負(fù)數(shù)來(lái)調(diào)整方向或者就是修改一下“invert ”選項(xiàng)。Maximum Velocity：電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速。Maximum Acceleration：電機(jī)的最大加速度。23Home Location：原點(diǎn)的位置，就是在該軸上執(zhí)行回歸原點(diǎn)操作后在該軸所處的位置。沒(méi)有原點(diǎn)開(kāi)關(guān)時(shí)，需要機(jī)床操作員手動(dòng)把工作臺(tái)移到某個(gè)位置，然后按“Home”按鈕確定原點(diǎn)。如果共同使用原點(diǎn)和限位開(kāi)關(guān)功能就必須讓原點(diǎn)位置和原點(diǎn)開(kāi)關(guān)位置不同，否則就會(huì)出現(xiàn)“joint limit”錯(cuò)誤。Table Travel：工作臺(tái)的行程。指的是不允許 G 代碼超過(guò)該行程，而且原點(diǎn)位置也必須在這個(gè)行程范圍之內(nèi)。尤其要注意的是，把原點(diǎn)位置剛好設(shè)在工作臺(tái)行程的某一端也是不允許的。Home Switch Location：原點(diǎn)開(kāi)關(guān)位置。在執(zhí)行原點(diǎn)復(fù)位時(shí)，經(jīng)過(guò)這個(gè)位置時(shí)將會(huì)產(chǎn)生壓下、釋放原點(diǎn)開(kāi)關(guān)的動(dòng)作。只有在并口頁(yè)面里面選擇了相應(yīng)軸的原點(diǎn)開(kāi)關(guān)選項(xiàng)時(shí)該參數(shù)和下面兩個(gè)參數(shù)才會(huì)出現(xiàn)，否則都是不可用的狀態(tài)。Home Search Velocity：原點(diǎn)回復(fù)速度。在操作原點(diǎn)回復(fù)操作時(shí)，工作臺(tái)向原點(diǎn)開(kāi)關(guān)運(yùn)行時(shí)的速度。如果原點(diǎn)開(kāi)關(guān)距離行程終點(diǎn)很近，就應(yīng)該設(shè)定一個(gè)適當(dāng)?shù)幕貜?fù)速度，使工作臺(tái)可以減速停止，以免超出行程。即使原點(diǎn)開(kāi)關(guān)距離行程終點(diǎn)有一段距離，但如果不能保證原點(diǎn)開(kāi)關(guān)從被壓下時(shí)到行程終點(diǎn)一直都處于壓下的狀態(tài)，也應(yīng)該設(shè)定一個(gè)適當(dāng)?shù)幕貜?fù)速度，這樣工作臺(tái)才能減速停止。而且要確保原點(diǎn)開(kāi)關(guān)不在工作臺(tái)方向上被釋放，還要確保每一次原點(diǎn)回復(fù)操作都是從原點(diǎn)開(kāi)關(guān)的同一側(cè)開(kāi)始的。如果原點(diǎn)回復(fù)操作時(shí)，工作臺(tái)的運(yùn)行方向反了，把這個(gè)原點(diǎn)恢復(fù)速度設(shè)成一個(gè)負(fù)值就可以解決問(wèn)題了。Home Latch Direction：最終確定原點(diǎn)的方式。工作臺(tái)壓下原點(diǎn)開(kāi)關(guān)以后，如果選“Same” ，則工作臺(tái)會(huì)退回一點(diǎn)，重新以一個(gè)非常慢的速度再次接近原點(diǎn)開(kāi)關(guān)，原點(diǎn)開(kāi)關(guān)再次閉合時(shí)，工作臺(tái)停止，原點(diǎn)確定；如果選“Opposite ”，則工作臺(tái)非常慢的退回，原點(diǎn)開(kāi)關(guān)釋放時(shí)，工作臺(tái)停止，原點(diǎn)確定。Test this axis：測(cè)試軸。這個(gè)按鈕是專門(mén)用來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)用的，也是用來(lái)調(diào)試步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)的?？梢酝ㄟ^(guò)這個(gè)按鈕調(diào)試步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的速度、加速度、方向等等。如下圖所示，圖中 Velocity 就是用來(lái)調(diào)節(jié)改變速度的。Acceleration：是用來(lái)調(diào)節(jié)加速度的。Jog：指的是點(diǎn)動(dòng)，左右方向分別指的是按一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。Test Area：如果你保證電機(jī)在一個(gè)安全的范圍內(nèi)運(yùn)行就可以使用這個(gè)選項(xiàng)。它的意思你可以在自己設(shè)定的一個(gè)范圍之內(nèi)來(lái)回往返的運(yùn)動(dòng)。如果想朝一個(gè)方向移動(dòng)固定的一段距離也同樣可以使用這個(gè)選項(xiàng)，只需要把“+、-”改成單個(gè)的“+”或者24是“-” ，它就會(huì)朝一個(gè)固定的方向移動(dòng)一段固定的距離，如圖 24 所示。圖 24.測(cè)試圖5．2 雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)優(yōu)化對(duì)雕刻機(jī)的運(yùn)動(dòng)優(yōu)化，無(wú)非就是對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行改善，使它的誤差變得更小一點(diǎn)，運(yùn)行的時(shí)候能夠更加平穩(wěn)流暢。以及在這個(gè)基礎(chǔ)上能夠使雕刻機(jī)的工作效率提高，比如在保證精度要求的前提下提高步進(jìn)電機(jī)的速度和加速度已到達(dá)縮短工件的加工時(shí)間。另外就是選用一些適合的參數(shù)以及對(duì)一些不足之處提出一些可供參考解決方案。5.2.1 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制首先我們來(lái)了解一下步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式：（只適用于兩相步進(jìn)電機(jī)）步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速= 頻率*60/200*n 。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速單位是：分/轉(zhuǎn)，頻率單位是：赫茲，n 是指步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分倍數(shù)。從公式中我們可以知道，步進(jìn)電機(jī)的速度與控制器所發(fā)的頻率成正比。發(fā)出的頻率越高，步進(jìn)電機(jī)的速度越快。步進(jìn)電機(jī)的速度越快，輸出軸的力矩就越小。所以步進(jìn)電機(jī)的速度并不能設(shè)定的太高。記得以前有一個(gè)概念：600 轉(zhuǎn)是正常轉(zhuǎn)速，當(dāng)然這個(gè)不是絕對(duì)的，要看電機(jī)軸具體的負(fù)載情況。但是不管這個(gè)概念是否正確，都說(shuō)明了：步進(jìn)電機(jī)不可能做到很高的轉(zhuǎn)速！步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器一般情況下都有兩組設(shè)置開(kāi)關(guān)：1、電流設(shè)定：根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的額定電流設(shè)置。252、細(xì)分設(shè)置：兩相步進(jìn)電機(jī)是接收到 200 個(gè)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)一圈（整步） 。細(xì)分的作用就是改變轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)。半步就是接收到 400 個(gè)脈沖轉(zhuǎn)一圈?？傊弘姍C(jī)轉(zhuǎn)一圈所需要的脈沖數(shù)=驅(qū)動(dòng)器細(xì)分?jǐn)?shù)*2005.2.2 步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)步距誤差每輸入一個(gè)電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為步距角。步距角大小會(huì)直接影響步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)和運(yùn)行頻率。外型尺寸相同的電機(jī)，步距角小的往往起動(dòng)和運(yùn)行的頻率高，但轉(zhuǎn)速和輸出功率不一定高。使用時(shí)，可根據(jù)需要的脈沖當(dāng)量（每一脈沖步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載所轉(zhuǎn)過(guò)的轉(zhuǎn)角或是移動(dòng)的直線位移）和可能選擇的傳動(dòng)比來(lái)選擇步進(jìn)電機(jī)的步距角。有了步距角才會(huì)有靜態(tài)步距角誤差。先來(lái)假設(shè)一個(gè)工況：步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈帶動(dòng)機(jī)械行步 40mm，我們要求步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈機(jī)械行走誤差為 0.1mm。從 0.1 個(gè)精度的要求考慮，在電機(jī)軸帶額定負(fù)載情況下，驅(qū)動(dòng)器設(shè)為 4 細(xì)分或是 8 細(xì)分基本可以滿足要求了。步進(jìn)電機(jī)是一種精密的執(zhí)行電機(jī)，但是再精密的東西也是有誤差存在的，步進(jìn)電機(jī)也不例外。步進(jìn)電機(jī)實(shí)際步距角與理論的步距角之間的誤差稱為靜態(tài)步距角誤差。我們?cè)诓豢紤]機(jī)械誤差和丟脈沖的情況下，把驅(qū)動(dòng)器細(xì)分設(shè)為整步（200 個(gè)脈沖轉(zhuǎn)一圈） ，一個(gè)脈沖行走的長(zhǎng)度就是 0.2mm，如果步距誤差是 5%（當(dāng)然實(shí)際誤差是不可能這么大的） ，每走一個(gè)脈沖就產(chǎn)生誤差 0.01mm。如果 200 個(gè)脈沖里有 10 個(gè)脈沖產(chǎn)生誤差，就是 0.1mm 的誤差。把驅(qū)動(dòng)器細(xì)分設(shè)為 4 細(xì)分（800 個(gè)脈沖每轉(zhuǎn)） ，一個(gè)脈沖行走的長(zhǎng)度就是 0.05mm，步距誤差還是 5%，每走一個(gè)脈沖就產(chǎn)生誤差0.0025mm。如果 800 個(gè)脈沖里有 10 個(gè)脈沖產(chǎn)生誤差，0.025mm 的誤差。再考慮丟（增）脈沖現(xiàn)象，細(xì)分設(shè)為整步，丟（增）一個(gè)脈沖就是 0.2mm 誤差，細(xì)分設(shè)為 4 細(xì)分，丟（增）一個(gè)脈沖是 0.05mm 的誤差。如上，細(xì)分?jǐn)?shù)越大精度越高，那么設(shè)為 128 細(xì)分。128*200=25600 個(gè)脈沖轉(zhuǎn)一圈。算下來(lái)差不多一秒鐘轉(zhuǎn)四圈，也就是每分鐘 240 轉(zhuǎn)，速度很慢。所以增加太多的細(xì)分?jǐn)?shù)也不是一個(gè)可以選擇的方案，而且基本細(xì)分?jǐn)?shù)超過(guò) 16 以后對(duì)于精度的要求而言就已經(jīng)沒(méi)有什么意義了。所以綜上，只有經(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)試之后選擇一個(gè)適合自己用的細(xì)分?jǐn)?shù)。5.2.3 步進(jìn)電機(jī)的失步什么是步進(jìn)電機(jī)的失步或丟步呢？通俗的講就是發(fā)的脈沖數(shù)本應(yīng)讓步進(jìn)電機(jī)走