五轴雕刻机机电结构设计①—驱动设计

XX 工 学 院毕业设计说明书（论文）作 者: 学 号：学 院: 机械工程学院专 业: 机械设计制造及其自动化题 目: 五轴雕刻机机电结构设计驱动设计指导者： (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务)年 月毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 中 文 摘 要数控雕刻机广泛运用在木工业、石材业、广告业、制造业等多个行业领域。目前，市场上多以三轴数控雕刻机为主，多轴数控雕刻机多用于高端产品，高昂的机床价格和维修维护的成本一直是多轴数控雕刻机应用的主要瓶颈。针对五轴数控雕刻机的市场需求，本课题提出了一种经济型五轴数控雕刻机的设计方案。本文主要阐述的是运用 PC 机上的软件将数控加工代码转化为各轴的输出脉冲数通过计算机并口输出脉冲信号到步进电机驱动器，来控制步进电机运动并且优化其运动，从而实现各轴的运动完成加工。这中间还包括驱动器、步进电机以及驱动板的接线方式。关键词 五轴雕刻机，驱动设计，接线方式，运动优化毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 外 文 摘 要Title Structural Design Of Five-axis CNC Machinery 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 录1 引言 .111 雕刻机的起源 .112 雕刻机的特征 .113 发展现状及其研究意义 .21.3.1 我国雕刻机的发展现状 .21.3.2 雕刻机的市场发展趋势 .21.3.3 研究的目的与意义 .314 本文的研究内容 .32 总体方案与设计要求 .321 驱动方式的选择 .322 设计要求及方案 .53 雕刻机的驱动原理 .631 软件 EMC2 .73.1.1 EMC 的特点 .73.1.2 EMC2 的配置向导 .832 驱动板与驱动器 .103.2.1 驱动板 .103.2.2 驱动器 .1133 雕刻机的结构 .114 雕刻机的整体接线 .1241 步进电机的接线方式 .1342 驱动器的接线方式 .144.2.1 驱动器 SM-202A144.2.2 驱动器 SH-20403 .164.2.3 驱动器接线注意问题 .1843 驱动板的接线方式 .195 雕刻机的驱动与优化 .2051 雕刻机的驱动 .205.1.1 EMC2 中的引脚介绍 .205.1.2 进给轴的配置 .2252 雕刻机运动优化 .245.2.1 步进电机的转速控制 .245.2.2 步进电机的静态步距误差 .255.2.3 步进电机的失步 .265.2.4 电机的启动及噪声处理 .275.2.5 利用 Test Area 测试最大速度和加速度 .2753 本章小结 .316 总结与展望 .31结 论 .32致 谢 .33参 考 文 献 .34附件 A.3511 引言11 雕刻机的起源雕刻技术起源于艺术品的加工，是一种很传统的手工工艺，由于深厚的文化内涵和精湛的成品效果是雕刻走入工业生产的初期，雕刻的主要工作是产品形态的精细休整和产品的文字图案雕刻。在我国北宋时期发明了活字印刷，那时用的模版便属于雕刻的范畴。随着时代的发展，我国的雕刻艺术也日益精湛，玉雕、象牙雕、红木雕、篆刻泥人雕等雕刻技术都堪称一绝。上世纪 90 年代至今，机械雕刻获得了前所未有的发展。从最初的刻字机、刻章机再到三位雕刻机，制作工艺也日渐成熟，应用范围也日渐广泛。1938 年世界第一台手动雕刻机在法国“嘉宝”问世，1950 年“嘉宝”生产出世界第一台真正意义的电动、可缩放比例的手动雕刻机。随后美国、日本等国家也开始研制。目前雕刻机主要有仿形雕刻机和计算机数控（CNC）雕刻机两大类，以完成有互换性要求的雕刻加工和模具雕刻加工。随着工业产品开发速度的加快，尤其是计算机辅组设计的广泛的应用，工业产品的形态更加丰富，变化更加迅速，对制造设备提出了新的要求。这就使以计算机辅组设计和制造（CAD/CAM）技术、计算机数控技术（CNC）为核心的数控雕刻技术成了雕刻加工发展的主流。12 雕刻机的特征数控雕刻机它体现的是一种自动化以及机械化的生产模式。从加工原理讲是一种钻铣组合加工，通过 CAM 软件中设计好的任意图案、字体、三位路径进行电脑式计算加工路径。由于 CNC 雕刻对象的特点为图案复杂、造型奇特、成品精细，而CNC 雕刻机以轻型结构为主，这实际上限定了 CNC 雕刻的工作方式为：“小刀具的快速铣削” ，事实上这也正是 CNC 雕刻的“专业优势” ，原因就是 CNC 雕刻是在干“常规大刀具无法加工的业务” 。另外它的操作也是非常简单，涉及的行业也是相当的广泛，有广告业、印章业、木器加工业、建筑业、艺术模型业等等。可加工的材料也是非常广泛，包括金属、石材、PVC 板、铝塑板等等。随着人们对雕刻机的认识逐步加深，应用范围会得到不断扩大，应用水平也会逐步提高，雕刻加工必定会有更广阔的前景。213 发展现状及其研究意义1.3.1 我国雕刻机的发展现状伴随着人类社会的发展，雕刻行业发生着巨大的变化。现如今人们对雕刻机有了全新的认识，数控木工雕刻机、模具雕刻机、激光雕刻机等电脑雕刻加工的兴起与发展是时代发展的需要，电脑雕刻代替机械已是大势所趋。以广告业为例，许多广告业的客户都经历过从手工刻字到使用电脑刻字机，广告雕刻机的使用实现了机械代替手工，电脑代替人脑的飞跃，字体规范的同时又大大提高了生产效率。随着近年来我国制造业的迅速发展，数控雕刻机产业也获得了良好的发展机遇，有效地促进了我国数控雕刻机的生产、推广和应用。我国数控雕刻机起步于经济型数控机床，随着数控技术的进步，经过十多年的发展，已成为了多个国产品牌的雕刻机，如上海洛克公司生产的啄木鸟数控雕刻机、北京精雕公司生产的精雕数控雕刻机和南京科能公司生产的威克数控雕刻机等。上述各类雕刻机的机床本体结构较为简单，控制器大多借鉴国外新技术，采用基于高档的微控制器或 PC 的数控系统，伺服部分以步进电机细分驱动为主，可获得中等控制精度，但价格比较便宜，因此整机的性价比不是太高，适用于精度要求不太高的普及应用场合。至于高精度的雕刻加工，目前我国尚以进口数控雕刻机为主，如意大利的佐拉、日本的全量等品牌的数控雕刻机。这类数控雕刻机机床本体设计刚度好、精度高，采用伺服电机驱动，加工精度高，控制系统功能全、可靠性高，但价格昂贵，往往数倍于国产产品，因此主要应用于模具等高精度加工场合。1.3.2 雕刻机的市场发展趋势雕刻机市场紧跟雕刻制作行业的走向。随着雕刻行业的发展，市场对雕刻机生产厂商提出了更高的要求。雕刻制作行业的市场细分已经日益成熟，但雕刻设备只有零星的专业系列雕刻机推出，推出专业系列雕刻机是雕刻设备研制厂商的当务之急。操作人性化、简洁化是 CNC 雕刻机的一大发展趋势。为了满足规模化生产的需要，简洁的操作系统就成了目前雕刻机生产厂商急需研发的项目。简洁的操作系统使一人操作数台 CNC 雕刻设备成为现实。完善的服务体系是雕刻机生产厂商发展、壮大的根基。建立完善的服务体系也是目前许多雕刻机生产厂商迫切需要解决的问题。 不仅仅如此，随着机构设计、高速电机、控制芯片、软件平台和程序设计等领3域的发展，雕刻机的性能将得到改进和提高。而今后计算机网络技术的迅猛发展，也将给雕刻机带来一场革命。最终雕刻机将改变不了走向高速高精度化、高效率可靠性、多轴联动技术的命运。 1.3.3 研究的目的与意义建国以来，我国的机械工业虽然已经有了较大的发展，具备了一定的基础和规模，初步满足国民经济和人民生活的需要。但随着世界科学技术的迅速发展，我国机械工业的技术水平和生产能力与工业发达国家相比还存在相当大的差距。因此，在我国以新技术改造传统产业和开发高技术含量的新产品已成为当前机械工业以至各传统产业密切关注和改革的焦点。因此，在雕刻行业也同样随着市场的变化需求需要做出突破与创新。而雕刻机的数控系统是数控雕刻机的控制核心，其控制功能的强弱、控制性能的优劣直接关系着数控雕刻机的加工质量与加工效率，对整个雕刻机的性价比和市场竞争力都至关重要。但目前国产雕刻机使用的数控系统在性能和价格上不能很好的统一，成为影响国产数控雕刻机市场竞争力的制约因素之一。为此，研究开发具有良好性价比的雕刻机数控系统很有意义。这样的研究将能节约资源，进一步提高雕刻机数控系统的性价比，以优良的控制性能和较低的价格进一步增强国产雕刻机的市场竞争力，并为雕刻机最终用户改善产品质量、提高生产效率、节约生产成本提供有效手段。14 本文的研究内容本文研究的主要内容是掌握步进电机驱动器与其相连的各部件之间的连线方式并通过计算机中的 EMC2 软件输出信号给驱动器，然后利用驱动器控制五轴雕刻机的运动。在雕刻机运动的基础上，再通过 EMC2 软件对雕刻机的运动进行优化，使其能够正常顺畅的运行并能够对实物进行雕刻。2 总体方案与设计要求本课题的大体的驱动设计的方向就是选取一个合理的驱动方式来驱动雕刻机。而雕刻机结构里面又包括了各个部件的设计，这些设计都是根据具体的雕刻机结构来的。21 驱动方式的选择一般对于雕刻机的驱动方式有两种可供选择：伺服-运动控制卡，PC 并口控制。具体选择哪一种就要具体分析后才能知道。4运动控制卡通常是采用专业的运动控制芯片或 DSP 来满足一系列运动控制要求的控制单元，其可通过 PCI、PC104 等总线接口安装到 PC 和工业 PC 上，可与步进和伺服驱动器连接，驱动步进和伺服电机完成各种运动（单轴运动、多轴运动、多轴插补等） ，接收各种输入信号（限位原点信号，sensor） ，可输出控制继电器、电磁阀、气缸等元件。用户可使用 VC、VB 等开发工具，调用运动控制卡函数库，快速开发出软件。运动控制卡也因其功能强大、开发便利等优势已被广泛运用于切割机、点胶机、激光打标机、电路板钻/铣机、超声波焊机、丝印机、 AOI 检测机、飞针测试机、激光焊接机、雕刻机、喷绘机、快速成型机等测量与自动化设备领域。针对我国主要存在的中低档机床，经济型数控系统仍具有相当大的市场潜力。所以在研制经济型数控系统过程中，考虑提高系统性能的同时，如何尽可能多地减少硬件设计，降低成本，提高可靠性已经成为大多人追求的目标。而在 PC 并口的驱动方式下，系统中常规的位置控制模块由主 CPU 依靠软件完成，降低了硬件成本，提高了可靠性。况且运动控制卡的成本比较昂贵，受到实验室的限制所以就选择了PC 并口来控制雕刻机。PC 并口控制采用并口输出的方法来实现与外部设备的接口。标准并口具有 12个输出位（D0-D7、C0-C3） ，5 个输入位（S3-S7） 。由于每路步进电机驱动器需要 2个数字位（脉冲、方向）控制，五轴系统共占用 10 个数字输出位。通过步进电机驱动器放大并口输出的脉冲和方向信号，使之驱动步进电机。并口的输入位用来检测回零开关信号、限位开关信号以及急停输入信号。但是由于输入资源有限，采用将各个轴电机的正负限位和回零信号分别并联的方法，每个并联位各占用一个并口输入位。具体结构图如图 1：图 1.并口结构图522 设计要求及方案雕刻机总体布局的基本要求有以下几点：1、首先必须满足如加工范围、工作精度、生产率和经济性等各种要求；2、确保实现既定工艺方法所要求的工件和刀具的相对位置与相对运动。在经济合理的条件下，尽量采用较短的传动链，以简化机构，提高传动精度和传动效率；3、确保雕刻机具有与所要求的加工精度相适应的刚度、抗振性、热变形及噪音水平；4、应便于观察加工过程，便于操作、调整和维修，便于输送、装卸工件和清理。根据以上这些要求设计出雕刻机的结构图，如图 2：图 2.结构图由该结构图可以看出需要三个步进电机，所以先要选取步进电机的型号。根据6雕刻的加工范围、加工精度和经济性等要求选择了 42BYGH121 型号的步进电机。具体参数如下：额定电流：1A；额定电压：12V-24V；导程：8mm；步距角：1.8；脉冲当量：0.04mm；行程：20cm；扭矩：3kg/cm。步进电机的最大速度与最大加速度是通过测试得出的，测试的方式与结果见第五章的详细介绍。另外旋转电机的减速比是 42：1。所以每个脉冲就会使电机旋转角度为360/42=8.5714。旋转电机的加工范围 45-135。以上所有电机参数见附件 A。步进电机已经有了还需驱动器和驱动板，三个步进电机对应的就是三个步进电机驱动器，根据步进电机的要求来选择驱动器。在本课题中选用了两种不同的驱动器共三个：SH-20403 两个和 SM-202A 一个。具体参数和接线方式见第三章驱动器介绍部分。驱动板则主要是用来与 PC 连接的（通过并口） 。以上这些都是雕刻机的硬件部分，若要能够使雕刻机成功运动起来就必须还要有一个软件来给步进电机发送脉冲和方向信号。本课题主要是运用 EMC2 软件来发送信号驱动步进电机。方案的设计与一些设备仪器的选取差不多已经完成了，接下来的主要任务便是搞清楚驱动的原理及相关设备之间的连线方式。3 雕刻机的驱动原理雕刻机的传统的工作原理：通过计算机内部配置的专用雕刻软件进行设计和排版，并由计算机把设计与排版的信息自动传送至雕刻机控制器中，再由控制器把这些信息转化为能驱动步进电机或伺服电机的带有功率的信号（脉冲串） ，控制雕刻机主机生成各轴的雕刻走刀路径。同时，雕刻机上的高速旋转雕刻头通过按加工材质配置的刀具对固定于主机工作台上的加工材料进行切削，这样即可雕刻出在计算机中设计的各种平面或立体的浮雕图形及文字，实现雕刻自动化作业。而本课题的原理是将预先设定好的 G 代码转化为 EMC2 软件能读懂的信号，然后 EMC2 软件通过计算机并口到驱动板将信号放大给驱动器脉冲信号，驱动器带动步进电机然后就是雕刻机正常运行如图 3 所示。7G 代码 驱动板驱动器 步进电机 雕刻机EMC2输出脉冲与方向图 3.驱动原理图31 软件 EMC23.1.1 EMC 的特点EMC（增强机器控制）是一款用来控制机床（铣床、车床等）的计算机软件系统，也是一款开源的自由软件。当前软件只许可 GPL 和 LGPL 的版本。软件具有以下几个特点：（1） 它提供了几种不同的用户界面可供使用，是一种 G 代码翻译器；（2） 是一种带预处理功能的实时运动规划系统；（3） 可直接操作底层的机床电器如传感器、电机驱动器等；（4） 它独有的“面包板层”可以使用户像使用“面包板”做电路实验一样很容易的创建适合自己机器的独有配置文件；（5） 是可用梯形图编程操作的 PLC 软件；（6） 以上所有这些都集成到一张 Live-CD 上面，易于安装。但是这个软件不提供 CAD 和 CAM 功能，不能画图，也不能从图直接导出 G 代码。它可以支持 9 轴联动并且还可以支持不同的接口。既能够实现开环和闭环的运动控制，又能控制模拟 PWM 接口的伺服电机。在运动控制方面还具有很多优点：刀具半径和长度补偿、路径偏差可限制在给定的误差范围内、车床车螺纹、多轴联动、自动适应进给速度、手动进给覆盖、恒速控制等。通过调整运动学模块的参数还可以支持非笛卡尔运动系统。EMC 的部分图如图 4 和图 5。8图 4.EMC 图图 5.EMC 图3.1.2 EMC2 的配置向导本课题中涉及到 EMC2 软件部分的其实只有配置向导部分而已，所以在设计本课题时最重要的就是要了解配置向导部分选项的使用。9配置向导只是 EMC2 的一个比较基本的配置功能。EMC2 可以通过许多不同的硬件接口控制不同类型的机器设备。当机器设备使用并口与 PC 机连接而且可以用“脉冲信号+ 方向信号”控制时，使用 Stepconf Wizard 生成配置文件是最好的选择。Stepconf Wizard 在安装 EMC2 时就已经自动安装了。如图 6 是对图中的选项的解释。图 6.配置向导图Create New：创建一个新的配置。Modify：修改一个旧的配置。选择此项后，接下来的页面就是一个文件选择界面（如果是新建一个配置，就不会出现这个文件选择界面） ，在此页面里你可以选择要修改的配置文件。配置向导在新建配置时，除了在 emc2/config 文件夹下放置一个.stepconf 后缀的文件以外，还在该文件夹下新建了一个文件夹 my-mill，里面有六个文件 custom.hal，custom_postgui.hal，my-mill.hal，my-mill.ini，README，tool.tbl， “my-mill”是 Stepconf Wizard 默认的一个名字，操作者可以在向导中改成自己想要的名字。选择 Modify 功能后所做的修改将覆盖到 my-mill.hal 和 my-mill.ini 文件中， “覆盖”意味着如果你曾用其他编辑工具（如 vim）对这两个文件做了手动修改，那么经过使用 Stepconf Wizard 的 Modify 功能后，这些修改都会丢失。而 custom.hal 和 custom_postgui.hal 则不会受到影响，Stepconf Wizard 的 Modify 功能对它们不起作用。Create Desktop Shortcut：为 my-mill 文件夹创建一个桌面快捷方式。Create Desktop Launcher：为启动包含 my-mill 相关配置的 EMC2 应用程序创建一个快捷方式。下图 7 是一些常用到选项。10图 7.配置向导图Axis Configuration：轴配置，只能选用 XYZ、XYZA 或 XZ 中的一种。Machine Units：机床尺寸单位，英制或公制。本课题用到的只要是公制的。Driver Type：电机驱动器型号，软件自带的有很多种驱动器型号，但是本课题中涉及到的是其他两种型号的驱动器，所以应选其他这个选项。Step Time：指的是步进脉冲信号的宽度。Step Space：指的是步进脉冲之间的宽度。Direction Hold：电机方向切换后保持的时间，这个时间过后才能发步进脉冲。Direction Setup：这个指的是步进脉冲发完后需保持一段时间（该时间是自己设置的）然后才能切换方向。32 驱动板与驱动器3.2.1 驱动板驱动板的工作原理就是将 EMC2 软件给的信号进行放大，然后将该信号以脉冲和方向两个信号形式连接到驱动器上。同时还可以降低电流，将高电压和大电流与控制板隔离，起到一个保护电器的作用。113.2.2 驱动器步进电机是一种作为控制用的特种电机，它的旋转是以固定的角度（称为“步距角” ）一步一步运行的，其特点是没有积累误差，所以广泛应用于各种开环控制。步进电机的运行是要有一个电子装置进行驱动的，这种装置就是步进电机驱动器。它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进电机的转速与脉冲的频率成正比。因此，只要控制步进电机脉冲信号的频率就可以对电机精确调速，而控制步进电机脉冲的个数就可以对电机精确定位。步进电机驱动器还可以对电机的步距角进行细分。步进电机通过细分驱动器的驱动，其步距角变小了。如驱动器工作在 10 细分状态时，其步距角只为“电机固有步距角”的十分之一，也就是说：当驱动器工作在不细分的整步状态时，控制系统每发一个步进脉冲，电机就转动 1.8；而用细分驱动器工作在 10 细分状态时，电机只转动了 0.18，这就是细分的基本概念。细分功能完全是由驱动器靠精确控制电机的相电流所产生的，与电机无关。驱动器细分的优点主要有：完全消除了电机的低频振荡。低频振荡是步进电机（尤其是反应式电机）的固有特性，而细分是消除它的唯一途径。如果步进电机有时要在共振区工作（如走圆弧） ，选择细分驱动器是唯一的选择。不仅如此，细分还可以提高电机的输出转矩。尤其是对三相反应式电机，其力矩比不细分时提高了约30-40%。还能提高电机的分辨率，由于减小了步距角、提高了步距的均匀度，提高电机的分辨率也是不言而喻的。33 雕刻机的结构本课题是由本人和另外一个同学共同完成的，两个人的主要工作任务都不同，一个主要做的是结构，而我主要做的是驱动设计的部分，所以在这里就结合一下图稍微简单点给大家介绍一下雕刻机的结构。如图 8 为已加工装配后的雕刻机结构图，图中主要标出了各个方向的进给轴，其中两轴为现成的。12图 8.结构图4 雕刻机的整体接线整体的接线就是纵观所有仪器设备的接线方式与原理。本章首先主要讲的是整体的各部分直接的接线方式，然后再介绍每个部件各自的接线方式。等线全部接完之后，再试着用计算机中的 EMC2 软件来驱动雕刻机运动看看。图 9.整体接线图如图 9 所示，计算机与驱动板之间通过计算机并口连接，并由计算机控制板给驱动板提供一个 5V 的电源。然后驱动板通过四根信号线与步进电机驱动器连接在一Y 轴步进电机：驱动电机上下工作X 轴步进电机：驱动电机左右工作Z 轴步进电机：驱动电机绕X 轴旋转工作13起，一个 24V 的电源给驱动器提供电流。最后就是步进电机驱动器与雕刻机上的各个轴的步进电机相连以至驱动雕刻机。41 步进电机的接线方式要搞清楚步进电机的接线方式，首先我觉得应该先弄懂步进电机的工作原理。按照常理来说，步进电机接线要根据线的颜色来区分接线。但是不同公司生产的步进电机线的颜色是不一样的，特别是国外的步进电机。这样一来，步进电机的接线就应该用万用表打表。步进电机内部构造如图 10：图 10.步进电机内部构造图通过上图可知，A，A-是连通的，B，B-是连通的。那么，A 和 A-是一组 a，B和 B-是一组 b。因此要驱动步进电机无非是轮流给 a 组和 b 组线连续的脉冲，这样步进电机就能驱动了。不管是两相四线、四相五线还是四相六线步进电机，内部结构都是如此。至于究竟是四线、五线还是六线，就要看 A 和 A-之间，B 和 B-之间有没有公共端 com端。如果 a 组和 b 组各有一个 com 端，则该步进电机为六线。如果 a 组和 b 组的公14共端连在一起则是五线的。所以，要弄清步进电机如何接线，只需把 a 和 b 组分开就可以了。分开的方法就是用万用表测两根线，如果相通便是一组。本课题用到的步进电机便是两相四线的，所以只要将这两相分别如图 11 所示接到驱动器对应的A+，A-和 B+，B-上即可。图 11.SM-202A42 驱动器的接线方式上一节已经介绍了步进电机的接线方式，而要能够使步进电机驱动起来就必须要有步进电机驱动器，所以本节主要介绍的就是步进电机驱动器的接线方式。要知道驱动器的接线方式就必须知道驱动器的内部结构和每个接口代表的是什么意思以及该驱动器的一些特点和参数。本课题主要用到了两种不同型号的驱动器（SM-202A 和 SH-20403） ，所以接下来着重介绍的也是这两种驱动器的接线方式。4.2.1 驱动器 SM-202A驱动器 SM-202A 如上图所示，该驱动器具有的特点：电源电压不大于+40VDC；斩波频率大于 35KHZ；输入信号与 TTL 兼容；无 CP 脉冲电流自动减半；最大驱动电流 1A/相；可驱动两相或四相混合式步进电机；双极性恒流斩波方式；光电隔离信号输入；SM202A 型：2、4、8、16、32 、64、128、256；驱动电流可由开关设定；外形尺寸：85*59*19。引脚的说明：+45V，GND 端为外接直流电源，直流电压范围为+12V+40V。A+，A-端为电机 A 相，B+，B-端为电机 B 相。前面在介绍步进电机的接线方式的时候就已经介绍过了，这四个引脚是直接与电机的 A 相和 B 相接的。15+COM 端为光电隔离电源公共端，典型值为+5V，高于 +5V 时应在 CP，DIR 及FREE 端串接电阻。CP 端为脉冲信号，下降沿有效。DIR 端为方向控制信号，电平高低决定电机运行方向。FREE 端为驱动器使能，高电平或悬空电机可运行。低电平驱动器无电流输出，电机出于自由状态。电气特性：输入电压在+12V-+40V 之间，典型值为+30V。本课题用的是一个+24V 的电源；输出相电流 0.15、0.25、0.40、0.5、 0.6、0.7、0.85、1.00A ；信号逻辑输入电流 10mA-25mA；下降沿脉冲时间大于 5us；绝缘电阻大于 500M 欧。细分数由开关 K1、K2、K3 选择，具体的选择方式如图 12。图 12.细分图电流值由 K4、K5、K6 选择，具体的选择方式如图 13。图 13.电流图接下来就是驱动器具体接线的电路图以及一些要注意的问题。先讲一下要注意的地方：电源电压在 DC12V-DC40V 之间可以正常工作；最好选用非稳压型电源；当多个驱动器共用一个电源时，应提高电源的额定功率和额定输出电流并注意散热；注意静态电流的设定，设定静态电流时，当脉冲信号延迟 1 秒后，电机电流自动减半并减少发热。16图 14 为典型接线图：图 14. SM-202A 典型接线图4.2.2 驱动器 SH-20403驱动器 SH-20403 如图 15 所示。图 15.SH-20403简单介绍一下该驱动器的特点：10V-40V 直流供电；H 桥双极恒相流驱动；最大 3A 的八种输出电流可选；最大 64 细分的七种细分模式可选；输入信号光电隔离；标准共阳单脉冲接口；脱机保持功能；半密闭式机壳可适应更严苛环境；提供节能17的自动半电流锁定功能；通过 CE 认证。输出电流选择：该驱动器最大输出电流为 3A/相（峰值） ，通过驱动器面板上六位拨码开关的第 5、6、7 三位可组合出八种状态，对应输出八种电流，从 0.9A 到3A（详见电流选择图 16）以配合不同的电机使用。图 16.电流图细分选择：该驱动器可提供整步、改善半步、4、8、16、32 和 64 细分七种运行模式，利用驱动器面板上六位拨码开关的第 1、2、3 三位可组合出不同的状态（详见细分模式选择图 17） 。图 17.细分图公共端：该驱动器的输入信号采用共阳极接线方式，用户应将输入信号的电源正极连接到该端口上，将输入的控制信号连接到对应的信号端口上。控制信号低电平有效，此时对应的内部光耦导通，控制信号输入驱动器中。脉冲信号输入：共阳极时该脉冲下降沿被驱动器解释为一个有效脉冲，并驱动电机运行一步。为了确保脉冲信号的可靠响应，共阳极时脉冲低电平的持续时间不应少于 10us。该驱动器的信号响应频率为 70KHZ，过高的输入频率将可能得不到正确的响应。方向信号输入：该端口信号的高电平和低电平控制电机的两个转向。共阳极时该端悬空被等效认为输入高电平。控制电机转向时，应确保方向信号领先脉冲信号18至少 10us 建立，可避免驱动器对脉冲的错误响应。脱机信号输入：该端接受控制机输出的高/低电平信号，共阳极时低电平时电机相电流被切断，转子处于自由状态（脱机状态） 。共阳极时高电平或悬空时，转子处于锁定状态。图 18 为典型接线图：图 18. SH-20403 典型接线图4.2.3 驱动器接线注意问题在接线驱动器时，应遵循功率线（电机相线，电源线）与弱电信号线分开的原则，以避免控制信号被干扰。在无法分别布线或有强干扰源（变频器，电磁阀等）存在的情况下，最好使用屏蔽电缆传送控制信号；采用较高电平的控制信号对抵抗干扰也有一定的意义。为了取得最满意的驱动效果，需要选取合理的供电电压和设定电流。供电电压的高低决定电机的高速性能，而电流设定值决定电机的输出力矩。供电电压的选定：一般来说，供电电压越高，电机高速时力矩越大，越能避免高速时掉步。但另一方面，电压太高可能损坏驱动器，而且在高电压下工作时，低速运动振动较大，所以要选用一个合适的电压值。输出电流的设定值：对于同一电机，电流设定值越大时，电机输出力矩越大，但电流大时电机和驱动器的发热也比较严重。所以一般情况是把电流设成供电机长19期工作时出现温热但不过热时的数值。本课题用到的是四线电机，一般情况下，四线电机的高速度模式是输出电流设成等于或略小于电机额定电流值。43 驱动板的接线方式驱动板是连接在计算机与驱动器之间的电气件，它起的作用就是信号放大和隔离保护的作用，所以驱动板的接线也是很重要的。驱动板的输出端与驱动器的输入端相连，如图 19 和 20 所示。SM-202A：图 19.输入端接线图SH-20403：图 20.输入端接线图在实际接线的时候，往往都是一个驱动板与多个驱动器相连。如图 21 是本课题驱动板的实际接线图以及一些引脚所接的信号说明。20图 21.驱动板接线图驱动板上的绿颜色的线接的是脉冲信号，与驱动器上的脉冲端相连。棕色的线接的方向信号，与驱动器上的方向端相连。至于橙色和蓝色的线是驱动板上的两个+5V 的接线端，橙色线是与公共端相连的（公共端接线要求是 TTL 电平） ，而蓝色的线在 SM-202A 上是与 ENA 端相连的，在 SH-20403 上是与脱机端相连的。这两个端口的接线要求都是要悬空或者是接高电平（这里接的是高电平） ，否则驱动器就处于自由状态。5 雕刻机的驱动与优化据前面接线的铺垫，本个章节主要介绍的就是雕刻机的驱动与运动方面的优化。本课题雕刻机的驱动与优化都是依赖于 EMC2 软件，而在前面就已经介绍过了这个软件的一些选项、控件的含义与用途。接下来就是主要介绍如何利用该软件驱动雕刻机以及运动优化。51 雕刻机的驱动5.1.1 EMC2 中的引脚介绍EMC2 的并口有 17 个引脚可以用。对 Stepconf Wizard 来说，是 12 个输出引脚外加5 个输入引脚。图 22 这个界面主要是为了给每个引脚选择不同的功能（输出引脚有23 种功能可选，输入引脚有 40 种功能可选，具体选哪个就要参考要和并口连接的硬件了） 。这两个引脚是两个+5V 的高电平这两个引脚分别是 X 轴的脉冲和方向信号这两个引脚分别是 Z 轴的脉冲和方向信号这两个引脚分别是 Y 轴的脉冲和方向信号21图 22如果电平信号是相反的就需要把引脚的“invert”选项勾上。在本课题中电平是相反的，所以要驱动就必须要把该选项给勾上。Output pinout presets：Sherline 机床和 Xylotex 驱动的并口顺序都是固定的，所以 EMC2 在这个页面就有两个快捷键，这两个快捷键主要是自动设置第 2-9 引脚的。Outputs：左边这 12 个引脚就是 EMC2 的输出引脚，引脚 2-9 每两个就分别对应着步进电机的脉冲和运动方向。Inputs：这五个主要是输入引脚，基本上是作为接收反馈信号用的。比如接个限位开关，当步进电机运动碰到限位开关时，限位开关就会将信号通过驱动板反馈到计算机中，然后 EMC2 就会自动将雕刻机停下。图中引脚 1 对应的 ESTOP Out 主要接的是外部急停开关。典型的急停开关回路应该使用常闭触点来实现。另外，在 Outputs 和 Inputs 中一些不用的输入或输出引脚全部都要设成“Unused”的状态。5.1.2 进给轴的配置驱动步进电机就需要给它脉冲和方向两种信号，图 23 就是对步进电机进给轴参22数的一些设定。图 23Motor Steps Per Revolution：这个指的是电机转一圈所需要的脉冲数。如果是步进电机并且该电机的步距角也知道就能够算出所需的脉冲数，用 360 除以步距角就可以得到脉冲数。我们用的步进电机的步距角为 1.8，所以脉冲数就是 200。Driver Microstepping：驱动器细分数，如果是 2 细分，此处就应该是 2。本课题中用到的驱动器都是采用整步的，所以填 1。Pulley teeth：传动比。主要是电机和丝杠之间的传动比。如果用皮带轮连接电机和丝杠，就应该将传动比给写上。如果是电机直接驱动丝杠，此处就写 1：1。Leadscrew Pitch：丝杠与工作台之间的传动比。在这里有两个选项，一个是英寸，一个是毫米。我们用的是毫米，所以在此处就应该填丝杠每转一圈工作台走的毫米数（比如填 2 就表示 2mm/rev，单头丝杠就是螺距，多头丝杠就是导程） 。在测试该轴的时候，如果发现工作台的方向走反了，可以通过在此处输入一个负数来调整方向或者就是修改一下“invert ”选项。Maximum Velocity：电机的最大转速。Maximum Acceleration：电机的最大加速度。23Home Location：原点的位置，就是在该轴上执行回归原点操作后在该轴所处的位置。没有原点开关时，需要机床操作员手动把工作台移到某个位置，然后按“Home”按钮确定原点。如果共同使用原点和限位开关功能就必须让原点位置和原点开关位置不同，否则就会出现“joint limit”错误。Table Travel：工作台的行程。指的是不允许 G 代码超过该行程，而且原点位置也必须在这个行程范围之内。尤其要注意的是，把原点位置刚好设在工作台行程的某一端也是不允许的。Home Switch Location：原点开关位置。在执行原点复位时，经过这个位置时将会产生压下、释放原点开关的动作。只有在并口页面里面选择了相应轴的原点开关选项时该参数和下面两个参数才会出现，否则都是不可用的状态。Home Search Velocity：原点回复速度。在操作原点回复操作时，工作台向原点开关运行时的速度。如果原点开关距离行程终点很近，就应该设定一个适当的回复速度，使工作台可以减速停止，以免超出行程。即使原点开关距离行程终点有一段距离，但如果不能保证原点开关从被压下时到行程终点一直都处于压下的状态，也应该设定一个适当的回复速度，这样工作台才能减速停止。而且要确保原点开关不在工作台方向上被释放，还要确保每一次原点回复操作都是从原点开关的同一侧开始的。如果原点回复操作时，工作台的运行方向反了，把这个原点恢复速度设成一个负值就可以解决问题了。Home Latch Direction：最终确定原点的方式。工作台压下原点开关以后，如果选“Same” ，则工作台会退回一点，重新以一个非常慢的速度再次接近原点开关，原点开关再次闭合时，工作台停止，原点确定；如果选“Opposite ”，则工作台非常慢的退回，原点开关释放时，工作台停止，原点确定。Test this axis：测试轴。这个按钮是专门用来驱动步进电机用的，也是用来调试步进电机的运动的。可以通过这个按钮调试步进电机运行的速度、加速度、方向等等。如下图所示，图中 Velocity 就是用来调节改变速度的。Acceleration：是用来调节加速度的。Jog：指的是点动，左右方向分别指的是按一个方向运动。Test Area：如果你保证电机在一个安全的范围内运行就可以使用这个选项。它的意思你可以在自己设定的一个范围之内来回往返的运动。如果想朝一个方向移动固定的一段距离也同样可以使用这个选项，只需要把“+、-”改成单个的“+”或者24是“-” ，它就会朝一个固定的方向移动一段固定的距离，如图 24 所示。图 24.测试图52 雕刻机运动优化对雕刻机的运动优化，无非就是对步进电机的运动进行改善，使它的误差变得更小一点，运行的时候能够更加平稳流畅。以及在这个基础上能够使雕刻机的工作效率提高，比如在保证精度要求的前提下提高步进电机的速度和加速度已到达缩短工件的加工时间。另外就是选用一些适合的参数以及对一些不足之处提出一些可供参考解决方案。5.2.1 步进电机的转速控制首先我们来了解一下步进电机转速的计算公式：（只适用于两相步进电机）步进电机转速= 频率*60/200*n 。步进电机的转速单位是：分/转，频率单位是：赫兹，n 是指步进电机驱动器的细分倍数。从公式中我们可以知道，步进电机的速度与控制器所发的频率成正比。发出的频率越高，步进电机的速度越快。步进电机的速度越快，输出轴的力矩就越小。所以步进电机的速度并不能设定的太高。记得以前有一个概念：600 转是正常转速，当然这个不是绝对的，要看电机轴具体的负载情况。但是不管这个概念是否正确，都说明了：步进电机不可能做到很高的转速！步进电机驱动器一般情况下都有两组设置开关：1、电流设定：根据步进电机的额定电流设置。252、细分设置：两相步进电机是接收到 200 个脉冲，电机转一圈（整步） 。细分的作用就是改变转一圈的脉冲数。半步就是接收到 400 个脉冲转一圈。总之：电机转一圈所需要的脉冲数=驱动器细分数*2005.2.2 步进电机的静态步距误差每输入一个电脉冲信号转子转过的角度称为步距角。步距角大小会直接影响步进电机的起动和运行频率。外型尺寸相同的电机，步距角小的往往起动和运行的频率高，但转速和输出功率不一定高。使用时，可根据需要的脉冲当量（每一脉冲步进电机带动负载所转过的转角或是移动的直线位移）和可能选择的传动比来选择步进电机的步距角。有了步距角才会有静态步距角误差。先来假设一个工况：步进电机转一圈带动机械行步 40mm，我们要求步进电机转一圈机械行走误差为 0.1mm。从 0.1 个精度的要求考虑，在电机轴带额定负载情况下，驱动器设为 4 细分或是 8 细分基本可以满足要求了。步进电机是一种精密的执行电机，但是再精密的东西也是有误差存在的，步进电机也不例外。步进电机实际步距角与理论的步距角之间的误差称为静态步距角误差。我们在不考虑机械误差和丢脉冲的情况下，把驱动器细分设为整步（200 个脉冲转一圈） ，一个脉冲行走的长度就是 0.2mm，如果步距误差是 5%（当然实际误差是不可能这么大的） ，每走一个脉冲就产生误差 0.01mm。如果 200 个脉冲里有 10 个脉冲产生误差，就是 0.1mm 的误差。把驱动器细分设为 4 细分（800 个脉冲每转） ，一个脉冲行走的长度就是 0.05mm，步距误差还是 5%，每走一个脉冲就产生误差0.0025mm。如果 800 个脉冲里有 10 个脉冲产生误差，0.025mm 的误差。再考虑丢（增）脉冲现象，细分设为整步，丢（增）一个脉冲就是 0.2mm 误差，细分设为 4 细分，丢（增）一个脉冲是 0.05mm 的误差。如上，细分数越大精度越高，那么设为 128 细分。128*200=25600 个脉冲转一圈。算下来差不多一秒钟转四圈，也就是每分钟 240 转，速度很慢。所以增加太多的细分数也不是一个可以选择的方案，而且基本细分数超过 16 以后对于精度的要求而言就已经没有什么意义了。所以综上，只有经过实际调试之后选择一个适合自己用的细分数。5.2.3 步进电机的失步什么是步进电机的失步或丢步呢？通俗的讲就是发的脉冲数本应让步进电机走