機械雕刻機的設計

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摘 要傳統(tǒng)的雕刻加工是一門技術性要求很高的手工技藝，在藝術品、標牌、首飾等行業(yè)具有悠久的歷史，產(chǎn)品的質量主要取決與雕刻師傅的技藝水平，而且勞動生產(chǎn)率低、成本高、可重復性差。隨著時代的進步，科技的發(fā)展，雕刻機成為我們現(xiàn)代人與時俱進的先進工具,它省時省力又環(huán)保，應用也越來越廣泛。近幾年來中國的雕刻機迅速地發(fā)展著，從以前的手工雕刻轉變?yōu)楝F(xiàn)在的機器雕刻。雕刻機給人們帶來了巨大的方便，不僅節(jié)省了雕刻時間，還提高了雕刻的工藝，雕刻機的出現(xiàn)也帶動了許多行業(yè)的發(fā)展，像木工雕刻機、石材雕刻機、數(shù)控雕刻機等等。本文簡要的介紹了雕刻機的起源和發(fā)展現(xiàn)狀，分析了國內外雕刻機的特點，說明雕刻機的功能和使用范圍，詳細的分析了雕刻機的總體布局和結構方案，并詳細介紹雕刻機手控邏輯板的設計和制作過程。本課題是在參考現(xiàn)有雕刻機的基礎上，設計的一種小型雕刻機，適合一般的塑料板、鋁板等普通材料的機械加工。關鍵字：傳統(tǒng)雕刻； 機械雕刻； 提高； 雕刻機； 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 雕刻機的起源.61.2 雕刻機及其發(fā)展現(xiàn)狀61.2.1 雕刻機的特點1.2.2 研究雕刻機的目的和意義1.2.3 雕刻機的應用領域1.2.4 我國雕刻機的發(fā)展現(xiàn)狀1.2.5 雕刻機的發(fā)展趨勢2. 雕刻機的工作原理及結構2.1 雕刻機的工作原理2.2 雕刻機的結構2.2.1 雕刻機的機械結構部分2.2.2 雕刻機的電路及電氣部分2.3 雕刻機的總體布局的基本要求3. 直線運動機構設計3.1 平面連桿機構3.2 凸輪機構3.3 滾珠絲杠4. 執(zhí)行器——電機的選擇4.1 直流電機4.2 交流電機4.3 伺服電機5. 手控邏輯板的設計5.1 LED 鍵盤板的技術要求5.2 LED 鍵盤板零件的選擇5.3 LED 鍵盤板電路圖的設計及其原理6、總結及前景展望參考文獻附錄外文資料中文翻譯致謝1 引言1.1 雕刻機的起源雕刻可以追溯到遠古時期，母系氏族時期的半坡氏族文化的“人面網(wǎng)紋盆”便是雕刻的雛形。在我國北宋時期便發(fā)明了活字印刷，這里刻的字應屬于雕刻的范疇。隨著時代的發(fā)展，我國的雕刻藝術日益精湛，玉雕、象牙雕、紅木雕、篆刻泥人雕等手工雕刻技術都可以堪稱一絕。傳統(tǒng)雕刻加工業(yè)是一門技術性要求很高的手工技藝， 雕刻品的質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、一致性差，嚴重制約了雕刻行業(yè)的發(fā)展。這使得雕刻機的產(chǎn)生成為必然。上世紀 90 年代至今，機械雕刻獲得了前所未有的發(fā)展。從最初的刻字機、刻章機再到三維雕刻機，制作工藝也日漸成熟，應用范圍也日漸廣泛。大到樓房建筑的裝飾，小到商店門前的招牌，乃至很多產(chǎn)品的標識銘牌，可謂雕刻的使用無處不在。雕刻機，顧名思義就是用機械代替人工進行雕刻的設備。1938 年世界第一臺手動雕刻機在法國“嘉寶”問世，1950 年“嘉寶”生產(chǎn)出世界第一臺真正意義的電動、可縮放比例的手動雕刻機。隨后美國、日本等國也開始研制。20 世紀 90 年代，隨著微電子技術的突飛猛進，直接推動微型計算機的急劇發(fā)展。微電子技術和微型計算機技術帶動整個高科技群體飛速發(fā)展，從而使雕刻機產(chǎn)生了質的飛躍。雕刻機完成了從 2D-2.5D-3D 加工的變革，功能完善、性格穩(wěn)定、造型美觀和價格合理成為雕刻機研制的基本要求。1.2 雕刻機及其發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 雕刻機的特點雕刻機的主要特點如下：（1）產(chǎn)品的尺度高，一致性好。雕刻機雕刻過程是由計算機控制完成的，可以達到很高的精度要求和表面質量。 （2）雕刻機投資少，見效快。以國產(chǎn)品牌為例，一臺小型號的雕刻機價格在兩萬左右，大型號的也不過三四萬。（3）雕刻機簡單易學，操作簡單。以一個電腦初級水平的人為例，如果接受公司培訓的話用不了一個星期就能全部掌握。現(xiàn)在市場上都有很多相關的雕刻軟件，簡單易學。（4）雕刻機加工范圍廣，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)、藝術模型業(yè)、機械加工、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。隨著人們對雕刻機的認識和掌握逐步加深，應用范圍會得到不斷擴大，應用水平也會逐步提高，雕刻加工必定會有更廣闊的前景。1.2.2 研究雕刻機的目的和意義建國六十年來，我國的機械工業(yè)雖然已經(jīng)有了較大的發(fā)展，具備了一定的基礎和規(guī)模，初步滿足國民經(jīng)濟和人民生活的需要。但隨著世界科學技術的迅速發(fā)展，我國機械工業(yè)的技術水平和生產(chǎn)能力與工業(yè)發(fā)達國家相比還存在相當大的差距。因此，在我國以新技術改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和開發(fā)高技術含量的新產(chǎn)品，已成為當前機械工業(yè)以至各傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)密切關注和改革的焦點。機電一體化技術是機械技術和電子技術的有機結合，它包括機械、電子、計算機和自動控制技術。它從系統(tǒng)工程的觀點出發(fā)，使產(chǎn)品或系統(tǒng)實現(xiàn)整體優(yōu)化。近年來，世界上各發(fā)達國家競相發(fā)展機電一體化技術，以提高制造技術水平，實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)向柔性化、智能化發(fā)展。機電一體化技術給傳統(tǒng)的機械工業(yè)帶來了革命性的變革和驚人的效益，使產(chǎn)業(yè)結構、生產(chǎn)方式和管理體制發(fā)生深刻的變化。機電一體化是當今世界機械工業(yè)技術和產(chǎn)品發(fā)展的主要趨勢，也是我國機械工業(yè)發(fā)展的必由之路。1.2.3 雕刻機的應用領域雕刻機的應用領域廣泛，舉例如下：1、廣告及禮品制作業(yè)，用于雕刻各類雙色板標牌、有機玻璃、三維廣告牌、雙色人物雕像、浮雕獎章、有機板浮雕、立體門頭字等。2、模型行業(yè)，房地產(chǎn)的發(fā)展，對建筑模型的需求不斷增加。售樓處的售樓模型、廣場模型、建筑設計方案的展現(xiàn)和展示，車輛模型市場的擴大，一些艦船模型、工業(yè)模型也有紀念和收藏的意義。雕刻機已成為制作模型的最佳助手。3、木器工藝，用于浮雕圖案設計及制作。雕刻機可以打孔、鏤邊等，特別是新型裝飾材料、波浪板的廣泛應用，也給了雕刻機更大的成長空間，在提高了產(chǎn)品的重復性、標準化的同時，使成品的生產(chǎn)效益得到顯著的提高。4、標志行業(yè)，伴隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，日新月異的城市公共基礎建設，街路的翻新改造，現(xiàn)代化住宅小區(qū)、星級酒店、寫字樓的不斷建設，對一些符合潮流和標準的標識和導向系統(tǒng)產(chǎn)生了大量的需求，其中雕刻機制作的牌匾標志、標牌，占據(jù)了相當大的部分。從外部標志上對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。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)，旅游市場的不斷擴大，旅客對具有當?shù)仫L情的禮物情有獨鐘，雕刻機在這方面也大有用武之地。而且，現(xiàn)在的會議越開越多，對一些紀念品和廣告宣傳品，流行采用雕刻制作。在戒指、鑰匙鏈、獎杯、仿水晶擺件、打火機、皮具、手表等等都可以進行雕刻，可以體現(xiàn)一個人的個性與品位，對一些比較有想法的人來說，也是獨特之處，對這些物品施以情趣的雕刻，迎合了人們對情感交流的需要。9、機械加工業(yè)，刻度盤字輪及標尺刻度。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，使得計算機雕刻機有了更大的用武之地。因此，雕刻機的應用范圍還將不斷擴大。1.2.4 我國雕刻機的發(fā)展現(xiàn)狀伴隨著人類社會的發(fā)展，雕刻行業(yè)發(fā)生著巨大的變化，現(xiàn)如今人們對雕刻機有了全新的認識，數(shù)控木工雕刻機、模具雕刻機、激光雕刻機等電腦雕刻加工的興起與發(fā)展是時代發(fā)展的需要，電腦雕刻代替機械已是大勢所趨。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，廣告雕刻機的使用實現(xiàn)了機械代替手工的飛躍，電腦代替了人腦，字體標準規(guī)范同時又大大提高了生產(chǎn)效率。隨著近年來我國制造業(yè)的迅速發(fā)展，我國的雕刻機產(chǎn)業(yè)也獲得了良好的發(fā)展機遇，有效地促進了我國雕刻機的生產(chǎn)和推廣應用。我國的雕刻機起步于經(jīng)濟型機床，隨著科學技術的進步，經(jīng)過十多年的發(fā)展，已形成了多個國產(chǎn)品牌的雕刻機，如上海洛克公司生產(chǎn)的啄木鳥數(shù)控雕刻機、北京精雕公司生產(chǎn)的精雕數(shù)控雕刻機和南京科能公司生產(chǎn)的威克數(shù)控雕刻機等。上述各類型雕刻機的機床本體結構較為簡單，控制器大多借鑒國外新技術，采用基于高檔的微控制器或PC 的數(shù)控系統(tǒng)，伺服部分以步進電機細分驅動為主，可獲得中等控制精度，但價格比較便宜，因此整機的性價比較高，適用于精度要求不太高的普及應用場合。對高精度的雕刻加工，目前我國尚以進口數(shù)控雕刻機為主，如意大利的左拉、日本的全量等品牌的數(shù)控雕刻機。這類數(shù)控雕刻機機床本體設計剛度好、精度高，采用伺服電機驅動，加工精度高，控制系統(tǒng)功能全、可靠性高， 但價格昂貴，往往數(shù)倍于國產(chǎn)產(chǎn)品， 因此主要應用于模具等高精度加工場合。1.2.5 雕刻機的發(fā)展趨勢雕刻機作為制造業(yè)一個有力的工具，有著非常廣闊的發(fā)展前景，隨著計算機技術、電機技術、機械技術等各個科學技術的發(fā)展，雕刻機的功能將日益強大，性能將更趨穩(wěn)定。雕刻機發(fā)展趨勢總結如下：1、更加精密控制部分和機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，通過反饋調整做到誤差補償，從而可以大幅度提高精度，機械部分將采用更高的滾珠絲杠和驅動電機，同時裝配工藝的提高也將進一步提高系統(tǒng)的精度。2、更加高效高性能運動控制技術如 DSP 技術、32 位單片機等的發(fā)展，驅動電機性能的提高，刀具性能的提高，采用規(guī)范的軟件開發(fā)技術等等，都將會推動雕刻機系統(tǒng)向著高速、高效、高可能性的方向發(fā)展。3、利用移動通訊技術和網(wǎng)絡技術飛速的發(fā)展，雕刻機將朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡化的方向發(fā)展。2 雕刻機的工作原理及結構2.1 雕刻機的工作原理雕刻機一般由機架、工作臺、刀頭、運動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。雕刻作業(yè)時刀頭相對工作臺沿X、Y、Z 軸進給。雕刻機的工作原理圖如下圖所示：電腦通過并口，直接將步進電機的控制信號輸出給雕刻機控制器。即電腦通過軟件（如 mach2)等，從并口分別送出以下的信號給雕刻機控制箱：X 軸的步進脈沖（脈沖頻率越高，速度越快）X 軸的方向信號（正向或反向）Y 軸的步進脈沖（脈沖頻率越高，速度越快）Y 軸的方向信號（正向或反向）Z 軸的步進脈沖（脈沖頻率越高，速度越快）Z 軸的方向信號（正向或反向）進步電機的使能信號（電機是啟用，或是停用？如果是停用，電機會完全松下來不會鎖死。注：一個信號控制三只電機。連接電腦工作時會啟用電機） ?？刂葡鋵⑦@些信號處理后，輸出驅動信號直接給 X，Y，Z 三只步進電機。2.2 雕刻機的結構2.2.1 雕刻機的機械結構部分機械結構作為雕刻機的硬件部分，對雕刻機的加工過程、刻字效果等有著重要的影響。雕刻機的機械幾何結構由以下幾部分組成：1、底座部分作為雕刻機整機的基礎，承擔整個機體的重量，要求穩(wěn)定堅固。底座由底下的四只腳與地面接觸；2、工作臺部分工作臺部分由工作臺、Y 方向的絲杠和導軌以及支架組成。工作臺作為雕刻工作時承載雕刻物體的部件，表面有 T 型溝槽，由絲杠驅動，導軌導向；3、橫梁部分橫梁由 X 方向的絲杠和導軌以及支架組成。橫梁承載機頭的重量，驅動機頭動，容易彎曲變形，在結構仿真和運動仿真中是重要的分析對象；4、機頭部分機頭部分由主軸組件、Z 方向的絲杠和導軌以及支架組成。絲杠驅動主軸組的上下運動，主軸組件在加工過程中直接帶動雕刻機頭的高速旋轉運動。2.2.2 雕刻機的電路及電氣部分雕刻機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)定與對稱（一般大功率功放均用正負電對稱供電） 、紋波（濾波電容的大小） 、反應速率（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，把機構和電路連起來。3、鍵盤 LED 面板：①當鍵盤板與電腦主機連接時，手控板會自動鎖死，按鍵不會有動作，此時鍵盤板上手控板使能燈自動熄滅。②當其與電腦斷開連接時，手控板使能指示燈亮，表示手控板可以操作。 ③X，Y，Z 三軸可以同時動作。④碰到 6 只限位開關中的任何一只，在鍵盤板上對應的限位開關指示燈點亮，手控板會鎖定，不允許繼續(xù)移動。 ⑤鍵盤板上有詳細的指示 LED，內容豐富，包括三軸的使能、方向、脈沖及六只限位開關的狀態(tài) LED 顯示。4、步進電機驅動板：步進電機驅動板是用來放大信號，驅動步進電機的。5、LED 照明燈盤板：主要用起照明的作用。6、雕刻機內部接線板7、手動控制邏輯板2.3 雕刻機的總體布局的基本要求雕刻機總體布局的基本要求有以下幾點：1、首先必須滿足如加工范圍、工作精度、生產(chǎn)率和經(jīng)濟性等各種要求；2、確保實現(xiàn)既定工藝方法所要求的工件和刀具的相對位置與相對運動。在經(jīng)濟合理的條件下，盡量采用較短的傳動鏈，以簡化機構，提高傳動精度和傳動效率；3、確保雕刻機具有與所要求的加工精度相適應的剛度、抗振性、熱變形及噪音水平；4、應便于觀察加工過程，便于操作、調整和維修，便于輸送、裝卸工件和清理。注意防護，確保安全；5、結構簡單，合理可靠，便于加工和裝配。3 直線運動機構設計3.1 平面連桿機構平面連桿機構中構件的運動形式多種多樣，可以實現(xiàn)給定運動規(guī)律或運動軌跡；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，平面連桿機構在各種機械、儀器中獲得了廣泛應用。平面四桿機構可按照連桿是曲柄還是搖桿，將其分為三種基本形式：曲柄搖桿機構、雙曲柄機構和搖桿機構。還有就是含有移動副的四桿機構有曲柄滑塊機構、導桿機構和要快機構等。但是連桿機構不易精確實現(xiàn)復雜的運動規(guī)律，而且設計較為復雜；當構件數(shù)和運動副較多的情況下，效率較低，因此我們不采用這種機構設計。3.2 凸輪機構凸輪機構是一種常用的機構，在自動化和半自動化機械中應用廣泛。凸輪機構主要是有凸輪、從動件和機架三個基本構件組成。根據(jù)凸輪和從動件的不同形狀和型式，凸輪機構可分為兩類。一個是按凸輪形狀分為盤形凸輪、移動凸輪和圓柱凸輪。其中盤形凸輪是一個繞固定軸線運動并具有變化半徑的盤形零件。移動凸輪是當盤形凸輪的回轉中心趨于無窮遠時，凸輪相對機架做直線運動。圓柱凸輪是將移動凸輪卷成圓柱體。按從動件型式可分為尖頂從動件、滾子從動件和平地從動件。其中尖頂能與復雜的凸輪輪廓保持接觸，因而能實現(xiàn)任意語氣的運動規(guī)律。但尖頂與凸輪是點接觸，磨損快，只宜用于受力不大的低速凸輪機構。而滾子從動件為了克服尖頂從動件的缺點，在從動件的尖頂安裝了一個滾子，從而達到耐磨損，可承受較大載荷的需求。平底從動件是從動件與凸輪輪廓表面接觸的端面為一平面，它不能與從動件的平底相垂直，傳動效率高，且接觸面間易形成油膜，利于潤滑，可用于高速凸輪機構。雖然凸輪機構可以通過設計凸輪輪廓，就可以是從動件達到所需的運動規(guī)律，但凸輪輪廓與從動件間為點接觸或線接觸，易磨損，因此我們也不采用這種機構設計。3.3 滾珠絲杠滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉運動轉化成直線運動，這是滾珠螺絲的進一步延伸和發(fā)展，這項發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動動作變成滑動動作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應用于各種工業(yè)設備和精密儀器。是工具機和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉運動轉換成線性運動，或將扭矩轉換成軸向反復作用力，同時兼具高精度、可逆轉性和高效率的特點。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運動，所以能得到較高的運動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅動力矩達到 1/3 以下，即達到同樣運動結果所需的動力為使用滾動絲杠副的 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械設備連貫生產(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，對溫度、濕度進行了嚴格的控制，由于完善的品質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動，所以啟動力矩極小，不會出現(xiàn)滑動運動那樣的爬行現(xiàn)象，能保證實現(xiàn)精確的微進給。滾珠絲杠副可以加予，由于予壓力可使軸向間隙達到負值，進而得到較高的剛性（滾珠絲杠內通過給滾珠加予壓力，在實際用于機械裝置等時，由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強） 。滾珠絲杠由于運動效率高、發(fā)熱小，所以可以實現(xiàn)高速進給運動。因此，我們選用這種結構。通過上述三種機構的對比，我們選用滾珠絲杠這種機構。4 執(zhí)行器——電機的選擇4.1 直流電機定義輸出或輸入為直流電能的旋轉電機稱為直流電機，它是能實現(xiàn)直流電能和機械能互相轉換的電機。當它作電動機運行時是直流電動機，將電能轉換為機械能；作發(fā)電機運行時是直流發(fā)電機，將機械能轉換為電能。直流電機的結構應由定子和轉子兩大部分組成。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時轉動的部分稱為轉子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉矩和感應電動勢，是直流電機進行能量轉換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風扇等組成。直流電機的勵磁方式是指對勵磁繞組如何供電、產(chǎn)生勵磁磁通勢而建立主磁場的問題。根據(jù)勵磁方式的不同，直流電機可分為下列幾種類型：1、他勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組無聯(lián)接關系，而由其他直流電源對勵磁繞組供電的直流電機稱為他勵直流電機，永磁直流電機也可看作他勵直流電機。2、串勵直流電機串勵直流電機的勵磁繞組與電樞串聯(lián)后，再接于直流電源，這種直流電機的勵磁電流就是電樞電流。3、并勵直流電機并勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組相互并聯(lián)，作為并勵發(fā)電機來說，是電機本身出來的端電壓為勵磁繞組供電；作為并勵電動機來說，勵磁繞組與電樞共用同一電源，從性能上講與他勵直流電動機相同。4、復勵直流電機復勵直流電機有并勵和串勵兩個勵磁繞組，若串勵繞組產(chǎn)生的磁通勢與并勵繞組產(chǎn)生的磁通勢方向相同稱為積復勵。若兩個磁通勢方向相反，則稱為差復勵。不同勵磁方式的直流電機有著不同的特性。一般情況直流電動機的主要勵磁方式是并勵式、串勵式和復勵式，直流發(fā)電機的主要勵磁方式是他勵式、并勵式和復勵式。直流電機的工作原理：要使電樞受到一個方向不變的電磁轉矩，關鍵在于當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地加以變換，即進行所謂“換向” 。為此必須增添一個叫做換向器的裝置，換向器配合電刷可保證每個極下線圈邊中電流始終是一個方向，就可以使電動機能連續(xù)的旋轉，這就是直流電動機的工作原理。4.2 交流電機交流電機是用于實現(xiàn)機械能和交流電能相互轉換的機械。由于交流電力系統(tǒng)的巨大發(fā)展，交流電機已成為最常用的電機。交流電機與直流電機相比，由于沒有換向器，因此結構簡單，制造方便，比較牢固，容易做成高轉速、高電壓、大電流、大容量的電機。交流電機按其功能通常分為交流發(fā)電機、交流電動機和同步調相機幾大類。由于電機工作狀態(tài)的可逆性，同一臺電機既可作為發(fā)電機又可作電動機。把電機分為發(fā)電機與電動機并不很確切，只是有些電機主要作發(fā)電機運行，有些電機主要作為電動機運行。交流電機一般采用三相制電源，因為三相交流電機與單相電機相比，無論在性能指標，原材料利用和價格等方面均有明顯的優(yōu)越性。同樣功率的三相電機比單相電機體積小，重量輕，價格低。三相電動機有自起動能力。單相電機沒有起動轉矩，為解決起動問題，需要采取一些特殊的措施。單相電機的轉矩是脈動的，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。因此小型家用電機和儀用電機多采用單相電機。目前較常用的交流電動機有三相異步電動機和單相交流電動機兩種。前一種多用在工業(yè)上，而第二種多用在民用電器上。三相異步電動機的旋轉原理：三相異步電動機要旋轉起來的先決條件是具有一個旋轉磁場，三相異步電動機的定子繞組就是用來產(chǎn)生旋轉磁場的。但相電源相與相之間的電壓在相位上是相差 120 度的，三相異步電動機定子中的三個繞組在空間方位上也互差 120 度，這樣，當在定子繞組中通入三相電源時，定子繞組就會產(chǎn)生一個旋轉磁場，電流每變化一個周期，旋轉磁場在空間旋轉一周，即旋轉磁場的旋轉速度與電流的變化是同步的。旋轉磁場的轉速為：n=60f/p 式中 f 為電源頻率、P 是磁場的磁極對數(shù)、n 的單位是每分鐘轉速。根據(jù)此式我們知道，電動機的轉速與磁通極數(shù)和使用電源的頻率有關，為此，控制交流電動機的轉速有兩種方法：改變磁極和變頻。以往多用第一種方法，現(xiàn)在則利用變頻技術實現(xiàn)對交流電動機的無極變速控制。單相交流電動機的旋轉原理：單相交流電動機只有一個繞組，轉子是鼠籠式的。當單相正弦規(guī)律變化，但在空間方位上市固定的，所以又稱這個磁場是交變脈動磁場。這個交變脈動磁場可分解為兩個以相同轉速、旋轉方向互為相反的旋轉磁場，當轉子靜止時，這兩個旋轉磁場在轉子中產(chǎn)生兩個大小相等、方向相反的轉矩，使得合成轉矩為零，所以電動機無法旋轉。當我們用外力使電動機向某一方向旋轉時，這時轉子與順時針旋轉方向的旋轉磁場間的切割磁力線運動變??；轉子與逆時針旋轉方向的旋轉磁場間的切割磁力線運動變大。這樣平衡就打破了，轉子所產(chǎn)生的總的電磁轉矩將不再是零，轉子將順著推動方向旋轉起來。4.3 伺服電機目前被工業(yè)界廣泛采用的交流伺服系統(tǒng)（電機+驅動）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，這樣的運動控制器通常價格比較低廉，而且穩(wěn)定性和可靠性也會比較好。如果選用步進電機和驅動系統(tǒng)，該類型控制器也同樣適用，這種類型的運動控制器通常叫做位置脈沖型運動控制器。如果我們想利用伺服驅動的速度閉環(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)控制功能的運動控制器。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)的調整比第一種控制方式復雜和困難。在這種控制方式下，運動控制器接受位置反饋信號，進行位置閉環(huán)控制，向伺服驅動輸出模擬電壓控制信號。伺服驅動裝置接受位置反饋信號進行位置閉環(huán)控制，向伺服驅動器輸出模擬電壓控制信號。伺服驅動裝置接受速度控制信號，完成速度閉環(huán)控制。目前，這種類型的運動控制器也已非常普遍。如果伺服驅動裝置只具有力矩閉環(huán)控制功能（通常這種驅動裝置結構簡單，成本低廉） ，則需選用具有速度閉環(huán)和位置閉環(huán)控制功能的運動控制器來完成系統(tǒng)的高精度位置和軌跡控制。這種類型的運動控制器結構比較復雜，成本也會比較高，但對于需要多軸運動控制的系統(tǒng)來說，如果采用具有多軸控制能力的運動控制器，總的系統(tǒng)成本也可能會比其它兩種方式還要低廉一些。因為多個驅動成本的降低幅度會超過一塊運動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驅動器的生產(chǎn)廠家外，這種控制方式比較少被采用。伺服電機既可以選擇交流伺服電機也可以選擇直流伺服電機?？刂扑欧姍C時，通過選擇不同的驅動器模式，運動控制器既可以輸出+/-10V 模擬電壓控制信號，也可以輸出脈沖控制信號。選用伺服電機時，應選配其相應的伺服驅動器及配件。對于控制步進電機，運動控制器提供兩種不同的控制信號：正脈沖/負脈沖、脈沖/方向。這樣，控制器可以與目前任何類型步進電機驅動器配套使用。在控制步進電機時，控制模式為開環(huán)控制，不需要編碼器。運動控制器與伺服系統(tǒng)的匹配：運動控制器作為機電一體化系統(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)，被廣大機電一體化系統(tǒng)設計工程師所采用。與此同時，與執(zhí)行裝置所配套的伺服驅動系統(tǒng)也在不斷地發(fā)展，許多系統(tǒng)已經(jīng)具備了各種運動控制功能對于給定的控制對象，必須根據(jù)控制目標選用適當?shù)膱?zhí)行與驅動裝置，然后根據(jù)執(zhí)行與驅動裝置的功能特征選用合適的運動控制器，以最大限度地利用控制與驅動裝置的功能降低系統(tǒng)成本。步進電機：步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產(chǎn)品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領域都有應用。步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它的驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角” ，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到標準定位的目的。由于脈沖信號數(shù)與步距角的線性關系，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制邊的非常簡單。步進電機是一種感應電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅動器就是為步進電機分時供電的，多相時序控制器。雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能像普通的直流電機、交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（VR） 、永磁式步進電機（PM） 、混合式步進電機（HB）和單相式步進電機等。永磁式步進電機：永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為 7.5 度或 15 度；應式步進電機：反應式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉矩輸出，步進角一般為 15 度，但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產(chǎn)生轉矩?；旌鲜讲竭M電機：混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相。兩相步進角一般為 1.8 度，而五相步進角為 0.72 度。這種步進電機的應用最為廣泛。一般步進電機的精度為步進角的 3-5％，且小累積。步進電機外表允許的最目溫度。步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，田此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏 l30 度以上，有的甚至高達攝氏200 度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏 80-90 度完全正常。步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢，頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率(或速度)的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。步進電機低速時可以正常運轉，但若高于一定速度就無法啟動，井伴有嘯叫聲。步進電機有一個技術參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機小能正常啟動，可能發(fā)生丟失或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻(電機轉速從低速升到高速)。直流電機和交流電機有慣性，很難控制，而步進電動機以其顯著的特點，讓我們選擇了它。5 LED 鍵盤板的設計5.1 LED 鍵盤板的技術要求1.當鍵盤板與電腦主機連接時，手控板會自動鎖死，按鍵不會有動作，此時鍵盤板上手控板使能燈自動熄滅。2.當其與電腦斷開連接時，手控板使能指示燈亮，表示手控板可以操作。 3.X，Y，Z 三軸可以同時動作。4.碰到 6 只限位開關中的任何一只，在鍵盤板上對應的限位開關指示燈點亮，手控板會鎖定，不允許繼續(xù)移動。 5.鍵盤板上有詳細的指示 LED，內容豐富，包括三軸的使能、方向、脈沖及六只限位開關的狀態(tài) LED 顯示。5.2 LED 鍵盤板零件的選擇 根據(jù)雕刻機手控邏輯板的技術要求，設計所需要的零件有：1、電容：作為無源元件之一的電容，應用于信號電路，主要完成耦合、振蕩/同步及時間常數(shù)的作用。1）耦合，舉個例子來講，晶體管放大器發(fā)射極有一個自給偏壓電阻，它同時又使信號產(chǎn)生壓降反饋到輸入端形成了輸入輸出信號耦合，這個電阻就是產(chǎn)生了耦合的元 件，如果在這個電阻兩端并聯(lián)一個電容，由于適當容量的電容器對交流信號較小的阻抗,這樣就減小了電阻產(chǎn)生的耦合效應，故稱此電容為去耦電容。2）振蕩/同步，包括 RC、LC 振蕩器及晶體的負載電容都屬于這一范疇。3）時間常數(shù)，這就是常見的 R、C 串聯(lián)構成的積分電路。當輸入信號電壓加在輸入端時，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的信號從總信號中去除，減少干擾信號。本設計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。 本設計中的電阻有 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反向電壓不隨反向電流變化一特點進行穩(wěn)壓的。穩(wěn)壓二極管通常由硅半導體材料采用合金法或擴散法制成。它既具有普通二極管的單向導電特性，又可工作于反向擊穿狀態(tài)。在反向電壓較低時，穩(wěn)壓二極管截止；當反向電壓達到一定數(shù)值時，反向電流突然增大，穩(wěn)壓二極管進入擊穿區(qū)，此時即使反向電流在很大范圍內變化時，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)壓二極管則會被徹底擊穿而損壞。5、芯片：本設計中的芯片主要是用來處理信號的，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：在本次設計中用于產(chǎn)生矩形脈沖6、LED 燈：用來表示各個部分的使能以及運行狀態(tài)。7、開關按鈕：用來手動控制電路。8、變阻器：滑動變阻器是電學中常用器件之一，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?；瑒幼冏杵髟陔娐分械淖饔檬?(1)保護電路，即連接好電路，電鍵閉合前,應調節(jié)滑動變阻器的滑片 P，使滑動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)的導體(用電器)兩端的電壓。5.3 LED 鍵盤板電路圖的設計及其原理雕刻機 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 個部分來解析：人機交互、狀態(tài)顯示、多諧振蕩器、外部接口及濾波電路。1、人機交互。如下圖所示：（圖 2）這臺雕刻機除了能與電腦聯(lián)機運行固定程序外，還能夠人為地操控其運行軌跡。上圖中的六個開關分別能夠控制 X、Y、Z 的運動，當然，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?shù)窨虣C與電腦相連時，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 LED 表示的含義如下表所示：LED 標號 表示的含義1 電源指示2 步進電機使能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，74HC08 一個以及 3 個整流二極管。74LS126 是一個四總線緩沖器，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 S1 時，有脈沖信號到達整流二極管 D1，若是矩形波峰到達時，74LS126 的 1 和 4 號管腳跳變?yōu)楦唠娖?，?2 號管腳是直接接地的，3 管腳輸出為低電平，所以 LED3 燈亮,此時74HC08 的 1 號管腳為低電平，其 3 管腳輸出為低，即 74LS126 的 5 號管腳為低，所以 74LS126 的 6 號管腳為低電平，故 LED4 燈亮;當波谷到達時，1 和 4 號管腳跳變?yōu)榈碗娖剑?4LS126 管腳 3 和 6 輸出無效，此時 LED3 與 LED4 熄滅。如此循環(huán)，LED3 與 LED4 便會不停的閃爍。通常情況下，后面 8 個 LED 燈都是熄滅的，只有超程時對應的 LED 右端跳變?yōu)榈碗娖?，才有可能燈亮。此時根據(jù)亮燈情況，就可以很快判斷出是在哪個軸的哪個方向超程，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)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)，它們做交替變化，輸出連續(xù)的矩形脈沖信號，因此它又稱作無穩(wěn)態(tài)電路，常用來做脈沖信號源。[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）電容充電時間 T1。電容充電時，時間常數(shù) τ 1=（ R1+R2） C，起始值vC（0 +）= ，終了值 vC（∞）= VCC，轉換值 vC（ T1）= ，帶入 RC 過渡過cV3 cV3程計算公式進行計算： CRVvTC)(7.02ln31l)()0(ln111?????????（2） 電容放電時間 T2電容放電時，時間常數(shù) τ 2=R2C，起始值 vC（0 +）= ，終了值 vC（∞）=0，cV32轉換值 vC（ T2）= ，帶入 RC 過渡過程計算公式進行計算：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??本次設計中，取 R1=R2=10kΩ，C=0.1μF，經(jīng)計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％。通過調節(jié) R1 、 R1和 C 的值即可調整所發(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 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，也可以與電腦主機相連。本人在鍵盤板制作完成后對其節(jié)點進行了手動測試（在其端口用 5V 直流電進行間斷性的觸碰） ，發(fā)現(xiàn)分別點亮所有的 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 計 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 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、總結及前景展望自從有了人類的社會活動以后，就有了雕刻這一行業(yè)，伴隨著人類社會的發(fā)展，現(xiàn)如今人們對雕刻業(yè)有了全新的認識，電腦雕刻加工的興起與發(fā)展是時代發(fā)展的需要，電腦雕刻代替機械已是大勢所趨。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)務量不是很多，但它是雕刻行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。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)、藝術模型業(yè)、機械加工、工裝模具等等，隨著人們對雕刻機的認識和掌握逐步加深，應用范圍會得到不斷擴大，應用水平也會逐步提高，雕刻加工必定會有更廣闊的前景。參考文獻：[1]胡乾斌等. 單片微型計算機原理與應用[M]. 武漢：華中科技大學出版社. 1996.[2]孟少農(nóng).機械加工工藝手冊 第（一、二、三）冊[M].北京:北京機械工業(yè)出版社. 1998.[3]徐灝.機械設計手冊 第（三、四、五）冊[M]. 北京：北京機械工業(yè)出版社. 2001.[4]孫恒.機械原理 第七版[M]. 高等教育出版社. 2006.[5]濮良貴. 機械設計 第八版[M]. 高等教育出版社 2006.[6]梅順齊. 現(xiàn)代設計方法[M].武漢：華中科技大學出版社. 2009.[7]蔡共宣. 工程測試與信號處理[M].武漢：華中科技大學出版社. 2006.[8]陶恒奇. 電工與電子技術[M].武漢：華中科技大學出版社. 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，對指導老師范良志老師這么長時間的耐心指導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下，我才能順利地完成了這次畢業(yè)設計。從設計一開始，范老師就告訴我們，每一個學生都應該通過畢業(yè)設計學習盡可能多的知識，而不是為了走走過程，應該使以前學過的知識得以運用。以前沒有充分掌握的知識，通過這次畢業(yè)設計應該變成自己的東西，把一個人的潛力發(fā)揮到最高水平。我們在完成本論文的過程中，始終得到范老師無微不至的指導、關心、幫助、鞭策與鼓勵。在范老師的幫助下，我們學習到的不僅是書本上的知識，更重要的是從中學到做人的原則和做事的方法。同時，我也要感謝在我學習期間給我極大關心和支持的各位老師以及同學和朋友！最后，向在百忙中抽出時間對本文進行評審并提出寶貴意見的各位老師表示衷心感謝！