应性,并且通过匹配不同的电感实现了从2kH z 到6.5kH z 的宽范围驱动.5 结束语由于采用匹配电感的方式来实现正弦驱动信号,该控制电源适合在一定的驱动频率范围内应用.所以本文所提出的驱动电源更适合于固定频率驱动的压电电机,并且所用电子元器件少,电路结构简单,电路功耗小,适合于小型化.为实现压电电机调速,在下一步的研究中,会在所提出的驱动控制电源基础上实现调压调速的功能.参考文献:[1] 温建明.新型惯性压电叠堆驱动机构的研究[D].长春:吉林大学,2006.[2] K im J,L ee J H.Self -mo ving Cell L inear M oto r U singP iezoelectr ic Stack A ctuat ors [J].Smart M ater ials andStr uctures,2005,14(5:934-940.[3] Salisbur y S P,Waecht er D F.Desig n Consideratio ns forCo mplementar y Inchwo rm A ctuato rs[J].IEEE/A SM E T ransactions on M echat ronics,2006,11(3:265-272.[4] 王宏,钟朝位,张树人.压电陶瓷驱动器线性动态驱动电源的研制[J].压电与声光,2004,26(31:189-191.[5] W allenhauer C,Ka ppel A ,Go ttlieb B,et al Efficientclass -B analo g am plifier for a piezoelectr ic actuator drive[J].M echatronics,2009,19(1:56-64.[6] 刘岩,邹文栋.一种高速压电陶瓷驱动器驱动电源设计[J].压电与声光,2008,30(1:48-52.[7]Int er national Rectif ier.IR2103(S &(PbF ,N o.PD60045-O[Z ].[8] Williams Barr y W.P rinciples and elements of pow er e -lect ronics[Z].2006.作者简介:潘松 (1978-,男,山东邹平人,博士后,研究方向为超声电机及压电作动器的驱动控制系统.基于M ACH 数控软件的三维雕刻机结构设计与实现王党利,宁生科,马保吉(西安工业大学工业中心,陕西西安710021T hree -dimensional Engraving M achine St ructure Design and Implementation Basedon M ACH Digital Control Softw areWANG Dang -li,NING Sheng -ke,MA Bao -ji(Industr ial Center,Xi øan T echnolo gy U niver sity,Xi øan 710021,China摘要:讨论了基于PC 机的M ACH 软件控制平台,三坐标联动小型数控雕刻机工程应用方案,给出了雕刻机总体结构,X ,Y,Z 轴的传动给进,步进电机的选择,专用雕刻头结构方案.通过直流高速电机雕刻头和专用雕刻头部件的研制测试对比,总结了不同雕刻头方案的优劣.关键词:M ACH 软件;CNC;雕刻机;雕刻头;结构设计收稿日期:2010-04-22基金项目:西安工业大学校长基金项目(XAGDXJJ 0840中图分类号:T H 13文献标识码:A文章编号:1001-2257(201008-0027-04Abstract:The pur pose of this paper is to de -sig n an eng ineering application project of sm all CNC engraving machine,w hich be contr olled by M ACH softw are PC -based platform ,it can be three Coor dinate ax is m ovement to gether.T he ar ticle fo -cused on the design of the ov er all structur e o f en -gr av ing machine,X ,Y,Z ax is drive m echanism de -sig n,stepper motor selectio n,and developm ent process o f special engraving head structur e.Sum -marize different o f eng raving head through compar -iso n of the test result hig h -speed DC m otor car vinghead and special engraving head com ponents.Key words:MACH soft;CNC;engraving ma-chine;eng raving head;structure design0引言功能完善、性能稳定、造型美观和价格合理成为雕刻机研制的基本要求.MACH软件是一种功能强大的模拟数控软件,利用PC机的资源来完成G代码的解释、运动分配和控制等功能,目前在数控铣床和雕刻机等控制方面得到广泛的应用,特别是为个人提供了一种经济型雕刻机的设计思路[1-3].在采用MA CH软件的方案中,所要进行的重点设计对象是控制部分和机械结构部分,本文着重讨论机械部分的设计.1经济型CN C雕刻机的总体方案1.1雕刻机设计目的针对不同的应用领域,所要求的雕刻机的性能亦不相同.本文的目的就是利用M ACH软件和PC 机的并口等现有资源,提供一种低价、高效和实用的数控雕刻系统的解决方案.该机可以雕刻木制品、有机玻璃、PVC板、水晶、铜和铝等材料,也可进行电路板的雕刻加工等,满足不同需要.1.2雕刻机设计主要参数雕刻机有效行程,240mm@400m m@50m m;雕刻机定位精度,0.05m m;雕刻机重复定位精度, 0.02mm;主轴转速,8000~15000r/m in;最大进给速度,3m/min,传动系统X,Y,Z采用步进电机驱动,步进电机驱动用8细分驱动;分辨率,0.0025 mm,采用开环控制.1.3雕刻机系统的构成部分雕刻机完整的工作流程主要包括4部分.第1部分,浮雕设计及G代码生成,如常用的ART CAM 软件,该软件可完成三维浮雕制作及G代码生成,同时具有刀路模拟加工功能,可真实地模拟加工路径和产品的形状.第2部分,脉冲的分配及发送, MACH软件的作用类似于运动控制卡,主要作用是完成G代码的解释,加工点坐标位移量的计算,译码、刀补、插补、加减速控制及各个轴位移脉冲的发送.第3部分,控制系统的作用主要是完成各个轴脉冲的接收及发送限位、原点开关的信号给MACH 控制软件,同时对各个轴的运动进行驱动.第4部分,雕刻机本体通过传动机构的运动,用刀具完成材料的雕刻动作,最终形成加工产品.1.4雕刻机的总体布局数控系统的基本布局通常有立柱和龙门2种架构.立柱式结构稳定性要比龙门式差,因此选用龙门式.龙门布局通常有如图1所示的2种方案,这2种布局都采用龙门框架结构,雕刻机的刚度均较高.布局a方案中,工作台固定,雕刻头作横向和上下移动,立柱作纵向移动.该方案便于变形为不同纵向长度的雕刻机.由于工作台不动,承载能力好,适合加工较重的工件.但雕刻头运动精度较难保证且龙门移动较笨重.布局b 方案中,立柱固定,雕刻头作横向和上下移动,工作台作纵向移动.由于工作台移动,承载能力较布局a方案差;工作台运动占用较大的场地面积;工作台运动到支架两端时处于悬臂位置,长时间导致工作台变形.该方案的最大优势在于雕刻头运动精度较易保证.由于本设计的雕刻机雕刻范围小,要求经济型、加工精度小于0105mm,整个机身重量轻,大约20kg,为了增加稳定性,设计时工作台面本身重,龙门架采用硬铝制作,减轻运动部件的重量.若采用布局b,工作台运动,首先,在加工工件最大重量不变的前提下,要求的电机驱动功率变大,其次,且丝杠副的承载、精度和寿命要求也更高,带来的成本上升,最后,机器安装占用的场地变大.经以上比较,充分考虑到布局的基本要求、影响布局的基本因素及三维雕刻机的设计参数,在满足性能前提下采用布局a.图1龙门布局的2种方案2雕刻机的主运动方案2.1雕刻机的主运动方案讨论雕刻机主运动方案通常有2种:方案1,采用专用的主轴电机,当前电主轴主要采用的是交流高频电动机,故也称为÷高频主轴",由于没有中间传动环节,有时又称它为÷直接传动主轴".电主轴可恒功率或者恒扭矩输出,径向精度为0.01~01001mm,轴向精度小于0.003m m;具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低及响应快等优点,而且转速高、功率大,简化机床设计,易于实现主轴定位,是高速主轴单元中的一种理想结构.电主轴缺点是必须配变频器调速装置,整体价格昂贵.方案2,采用直流电机带动主轴机构.首先,直流电机调速范围宽,其转子转速可在大的范围内连续调节并稳定运行,特性呈线性.无论机械特性还是调节特性都呈现良好的线性度.其次,直流电机价格非常便宜,特别适合经济型雕刻机.缺点是电机精度较低,主要是一般的直流电机径向误差大,在高速运转时噪音大,且碳刷易磨损,选用合适的轴承可提高电机轴的径向精度和降低噪音.和主轴电机相比,直流电机带动主轴机构方案具有更高的性价比,故优先选用直流电机带动主轴机构的方案.2.2 雕刻机的主轴结构直流电机和主轴组件之间采用同步带传动,由于选用的直流电机转速在20V 时转速可达15000r/min,故选择的传动比为1,主轴组件结构如图2所示.直流电机输出扭矩通过同步带传递给输出轴,降低了直流电机转速和精度等性能的要求,同时也可隔断电机振动的传递和过载保护作用.由于角接触轴承装球数比深沟球轴承多,额定负荷在球轴承中最大,刚性强,运转平稳,角接触轴承可同时承受径向负荷和轴向负荷,转速较高,接触角越大,轴向承载能力越高.由于单列轴承只能承受一个方向的轴向负荷,在承受径向负荷时,将引起附加轴向力,并且只能限制轴或外壳在一个方向的轴向位移.若是成对双联安装,即可避免引起附加轴向力,而且可在2个方向使轴或外壳限制在轴向游隙范围内.雕刻误差主要取决于雕刻主轴组件的径向和轴向跳动,为了减少误差,采取以下方法:第1,在输出轴的末端选用一对25b角接触轴承图2 雕刻机主轴组件结构来承受输出轴的轴向和径向载荷,成对使用轴承避免引起的附加轴向力,保证输出轴的轴向精度,同时也提高了刀具的回转精度.第2,输出轴的上端采用深沟球轴承支撑,距离上压盖留有一定的间隙,可保证轴高速运转发热有一定的伸缩空间,避免轴的膨胀变形.第3,输出轴端采用锥孔珩磨保证和ER11刀具夹头的配合;轴的固定端到刀具的长度尽量短;这两项措施可减少轴的径向跳动.第4,轴的内部空间被带有密封圈的上下压盖密封,防止灰尘及雕刻屑进入内部磨损组件,提高使用寿命和精度.3 雕刻机的进给运动方案3.1 雕刻机的进给运动方案机械本体部分是雕刻机的骨架,有底座、龙门架、工作台、机头和主轴组件等部分.雕刻机的3轴传动部分全部采用步进电机驱动丝杠副,通过弹性连轴器和丝杠副连接,丝杠的一端采用深沟球支撑,另外一端采用成对的角接触轴承固定,可保证轴向能承受较大的分力和运动精度,如图3所示.图3 雕刻机滚珠丝杠传动首先,雕刻刀具由高速电机带动只做旋转运动,Z 方向的进刀、退刀运动由Z 轴方向上的步进电机驱动滚珠丝杠来实现.其次,采用横梁移动、工作台固定实现X ,Y 运动的方式,机头在横梁上移动(X 向,实现雕刻宽度;横梁在底座上移动(Y 向,实现雕刻长度;主轴组件上下移动(Z 向,实现雕刻深度[1].最后,在X ,Y,Z 方向上的导向件均采用圆柱直线导轨,其导向精度可满足对工作台定位精度的要求,在保证整个系统的机械刚性的前提下,为了简化设计的结构,减轻整机重量,其主体框架采用硬铝制造,选用标准的紧固件和定位销连接.3.2 滚珠丝杠选用首先,丝杠导程的选择应根据进给时最高速度V max、伺服电机最高转速N max、电机与丝杠的传动比i来确定,丝杠导程应满足:P不小于V max/(i@ N max,进给最高速度为3000m m/min,步进电机最高转速为1000r/min,所以丝杠导程\3mm.其次,滚珠丝杠的精度直接影响数控机床的定位精度,在滚珠丝杠精度参数中,导程误差对机床定位精度影响最明显.在设计时,设定丝杠任意300mm行程变动量应为设计定位精度值的0.3~0.5倍,最后验算确定[2].再次,按额定动载荷初步确定滚珠丝杠规格滚珠丝杠副,在实际运用中额定动载荷值可按下式计算,C=f h@f d@f h@P d/f n,其中,f h为寿命系数,按滚珠丝杠预期寿命选取;f d为载荷性质系数,按工作载荷性质选取;f h为动载荷硬度影响系数,按滚珠及滚道表面硬度选取;f n为转速系数,按丝杠平均转速n d选取;P d为平均轴向载荷.在实际运用中,雕刻机工作条件及所占工作时间并无规律,平均轴向载荷及平均转速可按下面公式计算: P d=(2P max+P min/3,n d=(2n max+n min/3最小轴向载荷为工作台和工件作用下的导轨摩擦力,最大轴向载荷的计算即为机器承受最大负荷时滚珠丝杠副的传动力,它为切削力在滚珠丝杠轴向的分力与导轨摩擦力之和.最后查生产厂家提供的产品数据手册,选用导程为4mm,直径为16 mm,螺母为预紧端法兰螺母,C5级精度的丝杠副,定位精度为0.018m m.丝杠副确定后再对其稳定性、临界转速和刚度进行校核.3.3步进电机的选择3.3.1铣削力的计算进行一般切削时产生的铣削力可以分为轴向铣削力F x、径向铣削力F y和切向铣削力F z.其中切向铣削力F z是主运动方向的分力,消耗电机功率最大,因此只需计算此时的F z进行校核即可[3],F z =P max/V.由选用的直流电机特性曲线中可知,在功率最高输出点时的功率为592W,这个时候的速度为10000r/m in,当采3mm的铣刀时,得到V= 10000@0.003@3.14/60=1.57m/s,切向铣削力F z=P max/V=592/1.57=377N,轴向铣削力F x=0.8F z=302N,径向铣削力F y=0.5F z=188.5 N.3.3.2启动转矩的计算对于C5级精度的丝杠,G=0.85,已知P h=4 mm,设丝杠上最大负载G为200N,静摩擦系数L 为012.根据经验公式计算启动力矩T=(F+L G P h/2 G@10-3=0.312N!m,最后选用型号为56BYGH620和42BYGH418的2相4线混合式步进电机,其步距角为1.8b,静力矩为0.5N!m和0. 45N!m.4结束语由于软件需要PC机作为控制平台,且软件输出步进电机脉冲频率为25~40kH z,针对专业雕刻机加工效率较低且体积庞大不便移动的不足,可设计专用的运动硬件控制器替换PC,解释并加工代码,在极大提高效率的同时,也增加整机紧凑性和可移动性.随着雕刻机在各行业的广泛应用,其向着联网智能控制、自动换刀、高速雕刻、多轴雕刻及柔性化方向发展,所以选择设计方案时,应考虑雕刻机的发展方向,为雕刻机的功能扩展及升级预留空间.在设计中,雕刻机的雕刻头采用了2个方案,方案1是直接采用直流电机采用锥度配合安装小型精密夹头的方案,方案2是采用文中叙述的直流电机带动主轴机构装配ER11刀具方案,通过对比,方案1结构简单,精度为0.1mm左右,适宜于雕刻非金属材料,能满足精度不高的使用场合,造价低廉.精度低的原因主要是由于直流电机作为输出轴,受到轴向和径向力产生跳动,同时电机轴磨损造成,不能长时间保持较高精度.方案2结构通过试验,精度有非常大的提高,满足设计的目标要求,缺点在于使用的直流有刷电机噪音大些,可使用无刷直流电机替代,相对成本高些.参考文献:[1]张昱,刘志峰.经济型三维机械雕刻机的开发[J].机械制造与自动化,2006,35(4:28-31.[2]周燕.数控机床滚珠丝杠副的选择与计算[J].机床与液压,2005,(1:18-19.[3]谢红,沈斌,林建荣.基于CO SM OS的并联机床有限元分析[J].制造业自动化,2007,29(4:9-10.作者简介:王党利(1973-,男,陕西武功人,工程师,研究方向为机电工程应用及自动控制;宁生科(1964-,男,陕西西安人,教授,硕士研究生导师,研究方向为机电一体化;马保吉(1964 -,男,陕西西安人,教授,硕士研究生导师,研究方向为机电一体化及自动控制.。