簡易三維雕刻機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

1、XX大學(xué)xx學(xué)院xx屆 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文) 簡易三維雕刻機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 摘 要本論文首先介紹數(shù)控雕刻機(jī)行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r以及未來發(fā)展趨勢，根據(jù)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)原理、方法和原則自行設(shè)計(jì)了龍門式雕刻機(jī)，隨后按照時(shí)間邏輯分別在雕刻機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，控制電路原理設(shè)計(jì)，手控電路原理設(shè)計(jì)，PCB設(shè)計(jì)，并口線定義和使用以及CNC控制原理作了詳細(xì)的分析和論證。其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合其機(jī)構(gòu)部分與步進(jìn)電機(jī)矩頻曲線圖選定了合適的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于市場上常見的驅(qū)動芯片TB6560AHQ與A3997SED，設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路圖與PCB板。自行設(shè)計(jì)了雕刻機(jī)手控邏輯板，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)部分的手動控制，方便

2、對刀和測試等調(diào)整工作。雕刻機(jī)使用MACH3軟件實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)直接運(yùn)動控制，運(yùn)動控制信號通過接口電路和步進(jìn)驅(qū)動電路，實(shí)現(xiàn)雕刻機(jī)CNC直接數(shù)控，實(shí)際樣機(jī)在行程范圍內(nèi)（350毫米*300毫米*150毫米），雕刻機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)0.1毫米的定位精度和重復(fù)精度，并實(shí)際完成了若干復(fù)雜浮雕或刻字等實(shí)際測試，加工對象可以為尼龍、硬木、塑料等。關(guān)鍵字：雕刻機(jī)； 混合式步進(jìn)電機(jī)； TB6560AHQ； PCB； MACH 3ABSTRACTThis paper introduces CNC engraving machine industry development situation and the future tre

3、nd of development firstly. Gantry carving machine was self-designed according to the mechanical and electrical integration design principle, methods and principles. Then,mechanism design was executed in carving machine separately in accordance with the time logic. Include control circuit principle d

4、esign, manual control circuit principle design, PCB design. Parallel lines define and use and CNC control principle were Analysed and verified in detail. The suitable two phase hybrid step motor was selected combined its institutions part with step motor torque frequency curve. Step motor driver cir

5、cuit diagram and PCB are designed based on the common drive chip TB6560AHQ and A3977SED on market. The carving machine manual control logic board realized the manual control of Institutions part. It is convenient for tool setting and testing adjustment, etc. The MACH3 software of carving machine rea

6、lized the computer direct motion control. According to the interface circuit and stepping driving circuit controlled signal through the motion CNC engraving machine direct numerical control and the actual prototype in travel range(350mm*300mm*150mm)is achieved. Position accuracy of 0.1 mm and repeat

7、 precision can achieve by this kind of gantry carving machine. Several complex anaglyphs and lettering actual tests are completed. Processing object can be for nylon, hardwood, plastic, etc.Keywords：Engraving machine； Hybrid step motor； TB6560AHQ； PCB； MACH3目 錄1 緒論11.1 雕刻機(jī)行業(yè)發(fā)展概況11.2 雕刻機(jī)行業(yè)的特點(diǎn)11.3 數(shù)控雕

8、刻機(jī)的未來發(fā)展趨勢12 簡易型三維雕刻機(jī)控制原理分析及方案提出22.1 簡易型三維雕刻機(jī)機(jī)構(gòu)部分簡介22.2 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制原理42.2.1 步進(jìn)電機(jī)的分類42.2.2 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)42.2.3 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的控制原理52.2.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動技術(shù)概述62.3 控制原理72.3.1 控制系統(tǒng)82.3.2 簡易型三維雕刻機(jī)控制系統(tǒng)選擇93 簡易型三維雕刻機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)103.1 簡易型三維雕刻機(jī)步進(jìn)電機(jī)選擇和分析103.2 簡易型三維雕刻機(jī)伺服系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)分析123.2.1 基于A3997SED芯片的雕刻機(jī)控制系統(tǒng)123.2.2 基于TB6560芯片的雕刻機(jī)

9、控制系統(tǒng)173.2.3 簡易型三維雕刻機(jī)伺服系統(tǒng)最終方案224 簡易型三維雕刻機(jī)手控邏輯電路設(shè)計(jì)244.1 邏輯電路的構(gòu)成原理244.2. 手控邏輯電路設(shè)計(jì)254.2.1 手控邏輯電路設(shè)計(jì)圖254.2.2 手控邏輯電路分析與操作284.3 手控邏輯面板實(shí)物圖295 簡易型三維雕刻機(jī)控制電路PCB板設(shè)計(jì)305.1 PCB板的發(fā)展和介紹305.2 PCB設(shè)計(jì)原則與注意事項(xiàng)315.2.1 一般遵循規(guī)則325.2.2 布線的規(guī)則335.2.3 焊盤345.2.4 大面積填充345.2.5 跨接線355.2.6 接地355.2.7 抗干擾365.3 PCB板圖設(shè)計(jì)386 并口線的定義和使用406.1 并

10、口的定義406.2 并口的分類406.3 25針并口線的定義416.4 并口在三維雕刻機(jī)軌跡控制系統(tǒng)中的應(yīng)用416.4.1 系統(tǒng)的組成416.4.2 并口驅(qū)動程序的設(shè)計(jì)426.4.3 系統(tǒng)應(yīng)用程序開發(fā)447 簡易型三維雕刻機(jī)控制電路與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)接口交換447.1 數(shù)據(jù)交換447.2 電腦接口板的設(shè)計(jì)467.3 接口電路的邏輯輸出和接線方式497.3.1 電流的衰減調(diào)節(jié)、細(xì)分調(diào)節(jié)、電流的輸出調(diào)節(jié)497.3.2 驅(qū)動板額定工作時(shí)的數(shù)據(jù)輸出508 論文總結(jié)與展望51參考文獻(xiàn)53附 錄54致 謝54 1 緒論1.1 雕刻機(jī)行業(yè)發(fā)展概況雕刻加工是一項(xiàng)飽含著人類高智能和高技能的工匠型勞動，但手工雕刻需要專

11、業(yè)的技術(shù)人員，并且生產(chǎn)效率低，導(dǎo)致雕刻產(chǎn)品昂貴。傳統(tǒng)的數(shù)控銑床、（CNC）加工中心雖然可以取代人工雕刻機(jī)來提高效率，但其加工銅、鋁等軟質(zhì)材料時(shí)存在著加工表面光潔度低、加工效率低等缺點(diǎn)，而高速CNC加工中心雖然可以克服以上缺點(diǎn)但價(jià)格昂貴，一般的廠家難以接受。隨著計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）技術(shù)的發(fā)展，電腦雕刻機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，和傳統(tǒng)的CNC數(shù)控設(shè)備相比，有著轉(zhuǎn)速高、加工軟質(zhì)材料效率高、表面光潔度高、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，故當(dāng)代雕刻制造技術(shù)正經(jīng)歷著從手工雕刻向電腦雕刻的革命。1雕刻機(jī)最早出現(xiàn)在歐美等發(fā)達(dá)國家中，主要應(yīng)用于模具的生產(chǎn)。如美國“雕霸”、法國“嘉寶”和日本“御牧”，其設(shè)計(jì)和制造技術(shù)已相當(dāng)成熟，品質(zhì)也相當(dāng)穩(wěn)定

12、。上世紀(jì)80年代，雕刻機(jī)開始進(jìn)入我國市場，由于具有很大的實(shí)用性，逐漸被越來越多的行業(yè)所采用，從原來應(yīng)用于文字標(biāo)牌的雕刻加工逐漸發(fā)展到石墨電極、裝飾、木工家具、輕工、電子、機(jī)械、禮品、模具等行業(yè)。經(jīng)過二十幾年的發(fā)展，國內(nèi)出現(xiàn)了一些生產(chǎn)雕刻機(jī)的龍頭企業(yè)，如北京“精雕”、上?！白哪绝B”、南京“威克”等。其中“精雕”是國內(nèi)最早進(jìn)入雕刻機(jī)生產(chǎn)行業(yè)的企業(yè)，該企業(yè)立足于產(chǎn)品精度的提高，其生產(chǎn)的雕刻機(jī)在精度保持上具有較大的競爭力。上?！白哪绝B”主要生產(chǎn)小型的廣告雕刻機(jī)。南京“威克”是九十年代后才開始生產(chǎn)雕刻機(jī)的，但發(fā)展迅速，目前該公司所生產(chǎn)雕刻機(jī)的行程在國內(nèi)是最大的，并且有不少型號的產(chǎn)品遠(yuǎn)銷到歐美一些國家。1

13、.2 雕刻機(jī)行業(yè)的特點(diǎn)近幾年，中國的雕刻機(jī)市場發(fā)展史相當(dāng)?shù)难杆?，從傳統(tǒng)的手工雕刻到現(xiàn)在的機(jī)器雕刻，雕刻機(jī)給人們的生活帶來了極大的變化。雕刻機(jī)之所以發(fā)展的如此迅速，是和其鮮明的特點(diǎn)是密不可分的，主要特點(diǎn)：雕刻機(jī)行業(yè)的投資少，見效快；雕刻機(jī)操作方便，簡便易學(xué)；雕刻機(jī)加工的范圍廣，前景開闊。21.3 數(shù)控雕刻機(jī)的未來發(fā)展趨勢隨著高速刀具技術(shù)以及CAD/CAM技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控雕刻機(jī)也向著高精度、高速度和高自動化的方向發(fā)展。目前，數(shù)控雕刻機(jī)已經(jīng)在各種行業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用，由于涉及到的行業(yè)呈現(xiàn)多樣化，這就決定了數(shù)控雕刻機(jī)必須向多功能化的方向發(fā)展，只有這樣才能永葆生命力，滿足市場的需求。在要求低成本、雕

14、刻品質(zhì)好的前提下，高效、高可靠性也是其發(fā)展的一個(gè)重大的趨勢。在雕刻機(jī)控制器硬件平臺方面，8/16位的微處理器的架構(gòu)不支持如嵌入式Linux之類的操作系統(tǒng)，而且其計(jì)算速度和內(nèi)存也不能滿足現(xiàn)代化的要求。當(dāng)前，32位高性能微處理器已逐漸成為雕刻機(jī)控制系統(tǒng)中的核心處理芯片，其中ARM以其低功耗、高性能、外圍設(shè)備豐富和價(jià)格低等優(yōu)勢，已經(jīng)在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位。在雕刻加工技術(shù)方面，數(shù)字控制雕刻技術(shù)與圖像建模技術(shù)等的結(jié)合，極大的簡化了操作程序，提高了雕刻的工藝水平以及雕刻的效率，對數(shù)控雕刻機(jī)的雕刻品質(zhì)和效率的追求依然是雕刻行業(yè)未來發(fā)展的重要目標(biāo)。32 簡易型三維雕刻機(jī)控制原理分析及方案提出2.1

15、簡易型三維雕刻機(jī)機(jī)構(gòu)部分簡介雕刻機(jī)主要包括主軸和Z軸部件、X軸部件、Y軸部件和工作臺幾個(gè)部分，其裝配效果圖如圖2-1所示（CATIA制圖）。圖2-1 三維雕刻機(jī)整體效果圖以計(jì)算最大主切削力FC，確定最大主軸轉(zhuǎn)速Vmax和輸出轉(zhuǎn)矩，選定主軸電機(jī)為E240主軸，功率300W，轉(zhuǎn)速3000-1200r/min，扭矩230N·M。如圖2-2所示圖2-2 主軸電機(jī)實(shí)物圖根據(jù)X和Y方向的負(fù)載條件，選定滾珠絲杠幅為GD系列，同時(shí)進(jìn)行校核，根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩選定步進(jìn)電機(jī)型號分別為X軸57BYGHH93，Y軸為57BYGH112，Z軸為57BYGH78-401B，選擇相應(yīng)的軸承、聯(lián)軸器、導(dǎo)軌、圓螺母、設(shè)計(jì)端

16、蓋等。主軸部件：安裝主軸電機(jī)、刀具的部件，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的主軸主運(yùn)動；Z軸部件：安裝部件電機(jī)，承載主軸的重量，實(shí)現(xiàn)主軸在Z方向抬刀和下刀；X軸部件：安裝步進(jìn)電機(jī)，承載Z軸和主軸重量，實(shí)現(xiàn)刀具在X軸方向的進(jìn)給運(yùn)動；Y軸部件：安裝步進(jìn)電機(jī)，承載X、Z軸和主軸重量，實(shí)現(xiàn)刀具在Z軸方向的進(jìn)給運(yùn)動；工作臺：安裝夾具，安放工件。我們?nèi)S雕刻機(jī)的工作范圍為X 300；Y 350；Z 150。2.2 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制原理2.2.1 步進(jìn)電機(jī)的分類步進(jìn)電機(jī)可以分為三大類：（1）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（Variable Reluctance，簡稱VR）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組。他的結(jié)

17、構(gòu)簡單，成本低，步距角可以做的很小。單動態(tài)性能較差。（2）永磁式步進(jìn)電機(jī)（Permanent Magnet，簡稱PM）永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個(gè)磁源。它的輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好。轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同，所以步距角一般較大。需要給正負(fù)脈沖信號。（3）混合式步進(jìn)電機(jī)（Hybrid，簡稱HB）混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)和永磁式步進(jìn)電機(jī)兩者的優(yōu)點(diǎn)，它的輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好，步距角小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。混合式步進(jìn)電機(jī)是一種十分流行的步進(jìn)電機(jī)，他具有運(yùn)行頻率高、動態(tài)力矩大、波動小、運(yùn)行平穩(wěn)、低噪聲、定位精度和分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于諸如數(shù)控裝置、機(jī)械手、

18、商業(yè)機(jī)器、自動化儀器、印刷、服裝加工和包裝裝備、軍事設(shè)備等機(jī)電一體化設(shè)備中?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)主要包括兩類，兩相式和無相式。其中兩相式最為常見，除具有以上優(yōu)點(diǎn)以外，它還具有明顯的零電流定位轉(zhuǎn)矩，所以應(yīng)用廣泛。42.2.2 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)混合式步進(jìn)電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。最常見的定子有4個(gè)極或8個(gè)極，極面上均勻分布一定數(shù)量的小齒，極上的線圈可以兩個(gè)方向通電，形成A相和A-相，B相和B-相。它的轉(zhuǎn)子也由圓圈上均勻分布一定數(shù)量小齒的兩片齒片組成，兩片齒片中間夾有一個(gè)軸向充磁的環(huán)形永久磁鋼。同一段轉(zhuǎn)子片子上的所有齒都具有同向極性，而兩塊不通段的轉(zhuǎn)子片間的極性相反。5電機(jī)的軸向結(jié)構(gòu)如圖2-

19、3所示。轉(zhuǎn)子被分為完全對稱的兩段，一段轉(zhuǎn)子的磁力線沿定子表面穿過氣隙回歸到轉(zhuǎn)子中去，稱為S極轉(zhuǎn)子。從軸向看，N極的轉(zhuǎn)子和S極的轉(zhuǎn)子的齒中心線并不一致，而是彼此錯(cuò)開了半個(gè)齒距。此外，N極與S極的轉(zhuǎn)子構(gòu)造完全相同。兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的氣隙磁動勢有兩種：一種是由永磁體產(chǎn)生的磁動勢；另一種是由定子繞組產(chǎn)生的磁動勢。在每一個(gè)具體的磁極下，這兩種磁動勢有時(shí)相加，有時(shí)相減，隨交流繞組中通入的電流方向變化而變化。6按照特定的時(shí)序激勵(lì)，電機(jī)就可以沿順時(shí)針或逆時(shí)針連續(xù)轉(zhuǎn)動。圖2-3 兩相式混合步進(jìn)電機(jī)軸向結(jié)構(gòu)2.2.3 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的控制原理步進(jìn)電機(jī)控制按供電方式的不同可分為兩種：零電流和兩項(xiàng)繞組供電方式。

20、零電流方式，電機(jī)各相繞組中沒有電流是的情況。這是氣隙的磁動勢僅由轉(zhuǎn)子上永磁體的磁動勢決定。由于電機(jī)的軸向結(jié)構(gòu)完全是對稱的，所以各個(gè)定子磁極下的氣隙磁動勢將完全相等。若將每個(gè)磁極看成一個(gè)獨(dú)立的定位電磁鐵，則其定位轉(zhuǎn)矩的幅值和氣隙磁動勢的平方成正比，其定位轉(zhuǎn)矩的相位取決于該磁極中心線在空間的位置。7由于電機(jī)的徑向?qū)ΨQ性，電機(jī)零電流時(shí)的合成轉(zhuǎn)矩為零。兩相繞組供電方式，有單四拍、雙四拍、單雙四拍等控制方式，圖2-4、2-5、2-6分別表示單四拍、雙四拍和單雙四拍控制方式的轉(zhuǎn)矩圖。圖2-4 單四拍控制方式轉(zhuǎn)矩圖圖2-5 雙四拍控制方式轉(zhuǎn)矩圖圖2-6 單雙四拍控制方式轉(zhuǎn)矩圖單四拍控制方式下給兩相混合式步進(jìn)

21、電機(jī)通電，則轉(zhuǎn)子每拍進(jìn)1/4個(gè)轉(zhuǎn)子齒距，轉(zhuǎn)矩恒定；雙四拍控制方式，轉(zhuǎn)子沒拍也是進(jìn)1/4個(gè)轉(zhuǎn)子齒距，轉(zhuǎn)矩也恒定，只是每一拍為兩相繞組同時(shí)通電，產(chǎn)生合力矩，所以轉(zhuǎn)矩的大小為單四拍時(shí)的倍；單雙四拍控制方式包括了單四拍和雙四拍兩種控制方式，交互通電，8拍為一個(gè)循環(huán)，轉(zhuǎn)子每拍進(jìn)1/8個(gè)轉(zhuǎn)子齒距，步距角減小為單四拍和雙四拍的1/2，每拍產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大小也不等，雙拍為單拍的倍。82.2.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動技術(shù)概述步進(jìn)電機(jī)的工作必須使用專用設(shè)備步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。驅(qū)動器對應(yīng)每一個(gè)步進(jìn)脈沖，按一定的規(guī)律向電機(jī)各相繞組通電(勵(lì)磁)，以產(chǎn)生必要的轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子運(yùn)動。步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動器和控制器構(gòu)成了不可分割的三大部分。9步進(jìn)電

22、機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的性能除與電機(jī)自身的性能有關(guān)外，在很大程度上取決于驅(qū)動器的優(yōu)劣。當(dāng)電機(jī)和負(fù)載已經(jīng)確定之后，整個(gè)驅(qū)動系統(tǒng)的性能就完全取決于驅(qū)動控制方法。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動方式的發(fā)展先后有單電壓驅(qū)動、高低壓驅(qū)動、斬波恒流驅(qū)動、調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動和細(xì)分驅(qū)動等。(l)單電壓驅(qū)動:主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低，通常在繞組回路中串接電阻，以改善電路的時(shí)間常數(shù)來提高電機(jī)的高頻特性。缺點(diǎn)是串接電阻將產(chǎn)生大量的熱，對驅(qū)動器的正常工作極其不利，尤其是在高頻工作時(shí)更加嚴(yán)重，因而它只適用于小功率或?qū)π阅苤笜?biāo)要求不高的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。 (2)高低壓驅(qū)動:電機(jī)每相繞組導(dǎo)通時(shí)，首先施加高電壓，使電流快速上升，當(dāng)電流上升到額定值時(shí)， 將高電壓切斷

23、，回路電流以低電壓電源維持。這種方式由于電流波形得到了很大改善，電機(jī)的矩頻特性較好，起動和運(yùn)行頻率得到了較大提高。但由于電機(jī)旋轉(zhuǎn)反電勢、相間互感等因素的影響易使電流波形的頂部呈凹形，致使電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩有所下降且需要雙電源供電。 (3)斬波恒流驅(qū)動:為了彌補(bǔ)高低壓驅(qū)動電路中電流波形的下凹，提高輸出轉(zhuǎn)矩，人們研制出斬波電路，采用斬波技術(shù)使繞組電流在額定值上下成鋸齒形波動，流過繞組的有效電流相應(yīng)增加，故電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩增大，而且不需外接電阻，整個(gè)系統(tǒng)的功耗下降，效率較高，因而斬波恒流驅(qū)動應(yīng)用相當(dāng)廣泛。 (4)調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動:特點(diǎn)是施加在電機(jī)繞組的電壓隨工作頻率的變化作相應(yīng)的改變，步進(jìn)電機(jī)在低頻時(shí)工作在低

24、壓狀態(tài)，減少能量的注入，從而抑制振蕩;在高頻時(shí)工作在高壓狀態(tài)，使電機(jī)有足夠的驅(qū)動力矩。因而系統(tǒng)效率、運(yùn)行特性等都有了明顯改善。 (5)細(xì)分驅(qū)動:它是將電機(jī)繞組中的電流細(xì)分，由常規(guī)的矩形波供電改為階梯波供電。這樣，繞組中的電流經(jīng)過若干個(gè)階梯上升到額定值，或以同樣的方式從額定值下降。92.3 控制原理針對三維雕刻機(jī)的加工特點(diǎn)，經(jīng)過市場調(diào)研，提出一些雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的性能要求。在充分論證的基礎(chǔ)上，對雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行總體的設(shè)計(jì)、規(guī)劃，為后續(xù)的硬件和軟件開發(fā)奠定基礎(chǔ)。102.3.1 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是指由控制主體、控制客體和控制媒體組成的具有自身目標(biāo)和功能的管理系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)意味著通過它可以

25、按照所希望的方式保持和改變機(jī)器、機(jī)構(gòu)或其他設(shè)備內(nèi)任何感興趣或可變化的量。11控制系統(tǒng)同時(shí)為了使控制對象達(dá)到預(yù)定的理想狀態(tài)而實(shí)施的?？刂葡到y(tǒng)使被控制對象趨于某種需要的穩(wěn)定狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)有幾種分類方法（1）按控制原理的不同，自動控制系統(tǒng)分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。a、開環(huán)控制系統(tǒng)在開環(huán)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)輸出只受輸入的控制，控制精度和抑制干擾的特性都比較差。開環(huán)控制系統(tǒng)中，基于按時(shí)序進(jìn)行邏輯控制的稱為順序控制系統(tǒng)；由順序控制裝置、檢測元件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和被控工業(yè)對象所組成。主要應(yīng)用于機(jī)械、化工、物料裝卸運(yùn)輸?shù)冗^程的控制以及機(jī)械手和生產(chǎn)自動線。b、閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)是建立在反饋原理基礎(chǔ)之上的，利用

26、輸出量同期望值的偏差對系統(tǒng)進(jìn)行控制，可獲得比較好的控制性能。閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱反饋控制系統(tǒng)。（2）按給定信號分類，自動控制系統(tǒng)可分為恒值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。a、恒值控制系統(tǒng)給定值不變，要求系統(tǒng)輸出量以一定的精度接近給定希望值的系統(tǒng)。如生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量、液位高度、電動機(jī)轉(zhuǎn)速等自動控制系統(tǒng)屬于恒值系統(tǒng)。b、隨動控制系統(tǒng)給定值按未知時(shí)間函數(shù)變化，要求輸出跟隨給定值的變化。如跟隨衛(wèi)星的雷達(dá)天線系統(tǒng)。a、 程序控制系統(tǒng)給定值按一定時(shí)間函數(shù)變化。如程控機(jī)床。為了實(shí)現(xiàn)自動控制的基本任務(wù)，必須對系統(tǒng)在控制過程中表現(xiàn)出來的行為提出要求。對控制系統(tǒng)的基本要求，通常是通過系統(tǒng)對特定輸入信

27、號的響應(yīng)來滿足的。例如，用單位階躍信號的過渡過程及穩(wěn)態(tài)的一些特征值來表示。在確保穩(wěn)定性的前提下，要求系 統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能好，即：動態(tài)過程平穩(wěn)（穩(wěn)定性）；響應(yīng)動作要快（快速性）；跟蹤值要準(zhǔn)確（準(zhǔn)確性）。2.3.2 簡易型三維雕刻機(jī)控制系統(tǒng)選擇根據(jù)我們的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)部分，結(jié)合實(shí)際情況我們選擇控制系統(tǒng)為：步進(jìn)式開環(huán)控制系統(tǒng)。步進(jìn)式開環(huán)控制系統(tǒng)是以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動元件的，其結(jié)構(gòu)和控制原理簡單，而且控制呈現(xiàn)全數(shù)字化。圖2-7為數(shù)控雕刻機(jī)步進(jìn)式開環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理圖。驅(qū)動器接收來自控制器發(fā)出的進(jìn)給脈沖信號，并把此信號轉(zhuǎn)化為控制步進(jìn)電機(jī)各定子繞組依次通、斷電的信號，從而使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)將進(jìn)給脈沖轉(zhuǎn)

28、換成一個(gè)具有一定方向、大小和速度的機(jī)械角位移，從而帶動雕刻機(jī)的移動。12電源控制器驅(qū)動器步進(jìn)電機(jī)雕刻機(jī)圖2-7步進(jìn)式開環(huán)控制系統(tǒng)原理圖在雕刻加工的時(shí)候，控制器讀取雕刻加工文件，用加減速控制算法和插補(bǔ)算法等特定的算法，將其中的路徑信息轉(zhuǎn)化為一系列驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)給脈沖信號，這些脈沖經(jīng)過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器放大和細(xì)分后，分別控制X、Y、Z三軸的步進(jìn)電機(jī)，從而控制雕刻機(jī)X、Y、Z三軸的走刀軌跡。與此同時(shí)，通過雕刻機(jī)上高速旋轉(zhuǎn)的主軸帶動按加工 材料配置的刀具高速旋轉(zhuǎn)，對固定在工作臺上的工件進(jìn)行銑削，雕刻出相應(yīng)的圖案。其中，插補(bǔ)算法決定了雕刻加工的走刀路徑，加減速控制算法決定了步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度，它們與雕刻加

29、工的精度、表面質(zhì)量和效率等有著密切的聯(lián)系。13對于步進(jìn)電機(jī)，必須有兩個(gè)驅(qū)動信號來實(shí)現(xiàn)，一個(gè)是脈沖信號，一個(gè)是方向信號，控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動就是要控制這兩個(gè)信號的時(shí)間序列。發(fā)送脈沖的數(shù)量決定了刀具的移動距離，而發(fā)出脈沖的頻率則決定了刀具的移動速度。3 簡易型三維雕刻機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 簡易型三維雕刻機(jī)步進(jìn)電機(jī)選擇和分析根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和市場分析，我們采用的步進(jìn)電機(jī)為：（1）Y軸 采用57BYGH112型步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)為兩相4線式，相電壓為4.8V，相電流為3A，最大靜轉(zhuǎn)矩為2.8N·M，重量1.8Kg。 由機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)得出Y軸的啟動扭矩為2.0748N·M，結(jié)合圖3-1 57BYG

30、H112型步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性曲線，該電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為2.8N·M，此時(shí)的脈沖發(fā)射頻率為0.01KHz，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1.5rpm；一般工作狀態(tài)下該電機(jī)轉(zhuǎn)矩為2.0N·M至2.3N·M之間，對應(yīng)的脈沖頻率為0.1-0.85KHz，轉(zhuǎn)速為15rpm左右。該電機(jī)滿足我們的Y軸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。圖3-1 Y軸57BYGH112型步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線（2）X軸 采用57BYGHH93型步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)為兩相四線式，相電壓為3.36V，相電流為2.8A，最大靜扭矩為2.2N·M，重量為1.3Kg。由機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)得出的X軸啟動扭矩為1.648N·M，結(jié)合圖3-2 57B

31、YGHH93型步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性曲線，該電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為1.72N·M，此時(shí)的脈沖發(fā)射頻率為0.01KHz，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1.5rpm；一般工作狀態(tài)下該電機(jī)轉(zhuǎn)矩為1.5N·M至 1.7N·M之間，對應(yīng)的脈沖頻率為0.1-0.85KHz，轉(zhuǎn)速為15rpm左右。該電機(jī)滿足我們的X軸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。圖3-2 X軸57BYGHH93型步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線（3）Z軸 采用57BYGH78-401A型步進(jìn)電機(jī)，改電機(jī)為兩相四線式，想電壓為3.36V，相電流為2.0A，最大靜扭矩為1.35N·M，重量為1.0Kg。由機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)得出的Z軸啟動扭矩為1.3492N·M，

32、結(jié)合圖3-3 57BYGH78-401A型步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性曲線，該電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為1.35N·M，此時(shí)的脈沖發(fā)射頻率為0.01KHz，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1.5rpm；一般工作狀態(tài)下該電機(jī)轉(zhuǎn)矩為0.8N·M至1.0N·M之間，對應(yīng)的脈沖頻率為0.1-0.85KHz，轉(zhuǎn)速為15rpm左右。該電機(jī)滿足我們的Z軸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。圖3-3 Z軸57BYGH78-401A型步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線3.2簡易型三維雕刻機(jī)伺服系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)分析3.2.1 基于A3997SED芯片的雕刻機(jī)控制系統(tǒng)大多數(shù)微型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器都需要一些額外的控制線，通過D/A轉(zhuǎn)換器為PWM電流調(diào)節(jié)器設(shè)置參考值意見通過

33、輸入完成電流極性控制等。許多改進(jìn)型驅(qū)動器仍然需要一些輸入來調(diào)整PWM電流控制模式使其工作在慢、快或混合衰減模式。這就需要系統(tǒng)的為處理器額外的負(fù)擔(dān)8至12個(gè)需要依靠D/A變換處理的輸入端，如果一個(gè)系統(tǒng)需要如此多的控制輸入，而且其微處理器還要存儲其需要實(shí)現(xiàn)控制的時(shí)序表，這就增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜程度。14A3997可以通過其特有的譯碼器來使這些功能實(shí)現(xiàn)簡單化，如圖3-4A3997內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖所示，其最簡單的步進(jìn)輸入只需STEP（步進(jìn)）與DIR（方向）2條輸入線，輸出由DMOS的雙H橋完成。通過STEP簡單的輸入1個(gè)脈沖信號就可以使電機(jī)完成1次步進(jìn)，省去了相序表、高頻控制線及復(fù)雜的編程接口。這使其更適

34、于應(yīng)用在沒有復(fù)雜的微處理器或微處理器負(fù)擔(dān)過重的場合。同時(shí)A3977的內(nèi)部電路可以自動地控制其PWM操作工作在快、慢及混合衰減模式。這不但降低了電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲，也同時(shí)省去了一些額外的控制線。 另外，其內(nèi)部低輸出阻抗的 N 溝道功率 DMOS 輸出結(jié)構(gòu)，可以使其輸出達(dá)到2.5A，35V。這一結(jié)構(gòu)的另一優(yōu)點(diǎn)是，使它能完成同步整流功能。由于有同步整流功能，既降低了系統(tǒng)的功耗，又可以在應(yīng)用時(shí)省去外加的SBD(肖特基二極管)。 A3977的休眠功能可以使系統(tǒng)在不工作時(shí)的功耗達(dá)到最低。休眠時(shí)芯片的大部分內(nèi)部電路，如輸出DMOS、比較器及電荷泵等都將停止工作。15從而在休眠模式時(shí)，包括電機(jī)驅(qū)動電流在內(nèi)的

35、總電流消耗在40A以內(nèi)。此外，內(nèi)部保護(hù)電路還有利用磁滯實(shí)現(xiàn)熱停車、低壓關(guān)斷及換流保護(hù)等功能。 圖3-4 A3997SED內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖3-5 A3997SED外形結(jié)構(gòu)圖（1）芯片特點(diǎn) 額定輸出為：±25A，35V。 低輸出阻抗，電源端 045，接收端 036。 自動電流衰減檢測，并選擇混合、快和慢等電流衰減模式。邏輯電平范圍為：3055V。 HOME 輸出。 降低功耗的同步整流功能。 內(nèi)部低壓關(guān)斷、熱停車電路及環(huán)流保護(hù)。（2）引腳定義及說明 A3977有兩種封裝：一種是44引腳銅標(biāo)塑封（后綴為ED，A3977SED），另一種是28引腳帶散熱襯墊的塑封（后綴為LP，A3977SLP）。1

36、6表3-1 A3977SED引腳圖電荷泵CP1、CP2可以產(chǎn)生一個(gè)高于VBB的門電平，用來驅(qū)動DMOS源端的門。其實(shí)現(xiàn)方法是在CP1和CP2之間接一個(gè)0.22F的陶瓷電容。同時(shí)VCP和VBB間也需要一個(gè)0.22F的陶瓷電容作為一個(gè)蓄能器，用來操作DMOS的高端設(shè)備。VREG是由系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生，用于對DMOS端輸出進(jìn)行操作。VREG引腳須對地加一個(gè)0.22F的電容。VREG是受內(nèi)部的電平調(diào)節(jié)器控制的，發(fā)生故障時(shí)其輸出是被禁止的。RC1和RC2引腳為內(nèi)部PWM電路提供固定截止時(shí)間的。A3997的內(nèi)部PWM控制電路是用一個(gè)脈沖來控制器件的截止時(shí)間的。而這個(gè)脈沖的截止時(shí)間toff就是RC1和RC2引腳對

37、地所接電阻RT和電容CT決定的，即：toff=RT·CT式中，電阻RT和電容CT的取值范圍分別為12至100K及470至1500pF。另外，除了可以為內(nèi)部PWM控制提供截止時(shí)間外，CT還為比較器提供了關(guān)斷時(shí)間tBLANK。A3977的設(shè)計(jì)要求當(dāng)其輸出由內(nèi)部電流控制電路切換時(shí)，電路取樣比較器的輸出是被禁止的。從而可以防止對過電流檢測做出誤判斷。tBLANK的取值為：tBLANK1400CTENABLE輸入為低電平有效，它是DMOS輸出的使能控制信號。RESET輸入也是低電平有效，當(dāng)其為低電平時(shí)，DMOS的輸出將被關(guān)斷，所有的步進(jìn)邏輯輸入也將被忽略直至其輸入變高為止。17（3）基本功能說

38、明由于采用了內(nèi)置譯碼器技術(shù)，A3977可以很容易的使用最少的控制線對步進(jìn)電機(jī)實(shí)施微步進(jìn)控制。具體功能實(shí)現(xiàn)如下：a、步進(jìn)控制：步進(jìn)控制信號有步進(jìn)輸入（STEP）、步進(jìn)模式、邏輯輸入（MS1，MS2）以及方向控制信號（DIR）。每一次上電或復(fù)位（RESET0）后，在內(nèi)置譯碼器的作用下將H橋的輸出預(yù)置到HOME輸入所對應(yīng)的輸出狀態(tài)，然后當(dāng)STEP輸入的上升沿到來后，內(nèi)置譯碼器將根據(jù)步進(jìn)邏輯的輸入值（步進(jìn)模式見圖3-7）控制H橋的輸出，使電機(jī)在當(dāng)前步進(jìn)模式下產(chǎn)生1次步進(jìn)。步進(jìn)的方向由DIR的輸入邏輯控制，其高、低電平分別控制雙相電機(jī)正反轉(zhuǎn)。表3-2 邏輯控制圖b、內(nèi)部PWM電流控制：每一個(gè)H橋都有一個(gè)

39、有固定截止時(shí)間的PWM電流控制電路，以限制其負(fù)載電流在一個(gè)設(shè)計(jì)值。初始時(shí)，對角線上的一對源接收DMOS（一對上下橋臂）處于輸出狀態(tài)，電流流經(jīng)電機(jī)繞組和SENCE腳所接的電流取樣電阻（見圖1）。當(dāng)取樣電阻上的壓降等于DA的輸出電壓時(shí)，電流取樣比較器將PWM鎖存器復(fù)位，從而關(guān)斷源驅(qū)動器（上橋臂），進(jìn)入慢衰減模式；或同時(shí)關(guān)斷源接收驅(qū)動器（上下橋臂）進(jìn)入快或混合衰減模式，使產(chǎn)生環(huán)流或電流回流至源端。該環(huán)流或回流將持續(xù)衰減到固定截止時(shí)間結(jié)束為止。然后，正確的輸出橋臂被再次啟動，電機(jī)繞組電流再次增加，整個(gè)PWM循環(huán)完成。其中，最大限流Imax是由取樣電阻RS和電流取樣比較器的輸入電平VREF控制的：Ima

40、xVREF8RS 固定截止時(shí)間toff的計(jì)算如上所述。c、電流衰減模式控制：A3977具有自動檢測電流衰減及選擇電流衰減模式功能，從而能給微步進(jìn)提供最佳的正弦電流輸出。電流衰減模式由PFD的輸入進(jìn)行控制，其輸入電平的高低控制輸出電流處于慢、快及混合衰減模式。如果PFD的輸入電壓高于06VDD，則選擇慢衰減模式。如果PFD的輸入電壓低于021VDD，則選擇快衰減模式。處于二者之間的PFD電平值將選擇混合衰減模式。其中混合衰減模式將一個(gè)PWM周期的固定截止時(shí)間分為快、慢兩個(gè)衰減部分。當(dāng)電流達(dá)到最大限流Imax后，系統(tǒng)將進(jìn)入快衰減模式直至SENCE上的取樣電壓衰減至PFD的端電壓VPFD。經(jīng)過tFD

41、的快衰減后，器件將切換至慢衰減模式直至固定截止時(shí)間結(jié)束。18其中，器件工作在快衰減模式的時(shí)間tFD為：tFDRTCrln（06VPFDVPFD）d、同步整流控制：同步整流控制是由SR的邏輯輸入控制的。當(dāng)SR輸入為低電平時(shí)，同步整流功能將被啟動。此期間，當(dāng)檢測到電流為零值時(shí)，可通過關(guān)閉同步整流功能來防止負(fù)載電流反向，從而防止了電機(jī)繞組反方向?qū)?。而?dāng)SR輸入為高電平時(shí)，同步整流將被禁止。e、休眠模式：當(dāng)SLEEP引腳輸入為低電平時(shí)，器件將進(jìn)入休眠模式，從而大大降低器件空閑的功耗。進(jìn)入休眠模式后器件的大部分內(nèi)部電路包括DMOS輸出電路、調(diào)節(jié)器及電荷泵等都將停止工作。當(dāng)其輸入為高電平時(shí)，系統(tǒng)恢復(fù)到正

42、常的操作狀態(tài)并將器件的輸出預(yù)置到HOME狀態(tài)。19（4）步進(jìn)驅(qū)動電路功能說明（圖3-6 步進(jìn)驅(qū)動電路原理圖）A3977SED主芯片通過外部電源供電，連接有時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、手控板電路以及I/O接口板電路。時(shí)鐘電路部分，主要用到了4N26光電耦合器，三個(gè)4N26并聯(lián)接入鍵盤板的輸入端，另一端接到主芯片的31腳。圖3-6 A3997SED步進(jìn)驅(qū)動電路復(fù)位電路部分，用到了74HC123雙可再觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，采用5V電源供電。當(dāng)CLK時(shí)鐘有輸出時(shí)，REF輸出正脈沖，A3977正常工作；當(dāng)CLK時(shí)鐘無輸出時(shí)，CLK為高電平，REF為低電平，A3977進(jìn)入半流狀態(tài)。在主芯片上的26腳SR，當(dāng)SR為

43、低電平時(shí)，則啟動整流功能，可以防止電流線圈的反向?qū)ā?0A3977可以通過其特有的譯碼器來實(shí)現(xiàn)功能的簡單化，其最簡單的步進(jìn)輸入只需步進(jìn)和方向兩條輸入線，輸出由DOMS的雙H橋來實(shí)現(xiàn)完成。同時(shí)，A3977的內(nèi)部電路可以自動控制其PWM操作工作在快慢及混合衰減模式，這就降低了電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲，同時(shí)也省去了一些額外的控制線。這種方案的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)PWM電流的控制、電流衰減模式控制、同步整流控制以及休眠模式的控制。選用的A3977芯片是一種專門用于雙極型步進(jìn)電機(jī)的微步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動集成電路，能很好的解決步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動控制。213.2.2 基于TB6560芯片的雕刻機(jī)控制系統(tǒng)目前市場上幾乎看不到超過2

44、A額定電流的兩相雙極型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器芯片，因?yàn)榇箅娏魉a(chǎn)生的熱量會給設(shè)備帶來嚴(yán)重問題。22東芝最新的TB6560AHQ步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器芯片，通過采用BICD工藝將低電阻與高許可損耗封裝相結(jié)合，使其與其它同類產(chǎn)品相比能夠極大減少熱量的產(chǎn)生，還能支持使用時(shí)鐘輸入控制的無微控制器應(yīng)用環(huán)境下的微步驅(qū)動。（1）特性a、雙全橋M0srET驅(qū)動b、耐壓40Vc、電流3.5A（峰值）d、具有整步、1/2細(xì)分、1/8細(xì)分、1/16細(xì)分運(yùn)行方式可供選擇e、內(nèi)置溫度保護(hù)及過流保護(hù)f、采用HzIP25封裝g、外圍電路簡單（2）管腳說明 （圖3-7管腳圖）圖3-7 管腳圖1、TQ2：自機(jī)力矩控制端，既可以選擇工作電流，又

45、可以在電機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)做伴電流鎖定功能 如表3-32、TQ1： 如表3-3表3-3 TQ選擇TQ2TQ1電流值LL100%LH75%HL50%HH20%3、CLK輸入脈沖4、ENABLE：使能端5、RESET：上電復(fù)位6、地線7、CSC：斬波頻率控制端：C 1000PF，f=44KHz ；C=330PF，f=130KHz8、VH：驅(qū)動電壓小于40VDC9、MH：電機(jī)繞組B相10、地線11、RB：B相電流檢測端，須大于0.2 0.2 IW=2.5A 0.22 lW=2.OA0.3IW=I.5A 0.351W=I.25A 0.47IW=IA12、MB；電機(jī)繞組B相13、MA；電機(jī)繞組A相14、RA；A相

46、電流檢測端，須大于0.2 0.2IW=2.5A 0.22IW=2.OA0.31w=1.5A 0.35IW=I.25A 0.47IW=IA15、地線16、MA-：電機(jī)繞組A相17、空18、VH驅(qū)動電壓小于40VBC19、TSD溫度保護(hù)，芯片溫度大于150自動斷開所有輸出20、VCC：5V穩(wěn)壓電源21：DIR正反轉(zhuǎn)控制22、M2細(xì)分?jǐn)?shù)選擇端 如表3-423、Ml細(xì)分?jǐn)?shù)選擇端 如表3-4表3-4 M1 M2選擇M2M1細(xì)分步00整步011/2細(xì)分101/16細(xì)分111/8細(xì)分24、PFD2：衰減方式控制端 表3-525、PFDI：衰減方式控制端 表3-5表3-5 PFD選擇模式PFD2PFD1衰減模

47、式00快衰減0125%快衰減1050%快衰減11慢衰減軒波頻率說明:電容值：450P慢衰減：2細(xì)分 軒波時(shí)間：40us 占空比(高-低)436快衰減：16細(xì)分 軒波時(shí)間：40us 占空比(高-低)20-20電容值：150P慢衰減：2細(xì)分 軒波時(shí)間：15us 占空比(高-低):1.513.5快衰減：16細(xì)分 軒波時(shí)間：15us 占空比(高-低)：7.5-7.5（3）步進(jìn)驅(qū)動電路功能說明 （圖3-7步進(jìn)驅(qū)動原理圖） 驅(qū)動電路電源采用28V，電壓范圍為4.5至40V，提高驅(qū)動電壓可增大電機(jī)在高頻方位轉(zhuǎn)矩的輸出，電壓選擇要根據(jù)使用情況而定。VMB、VMA為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源引腳，應(yīng)該繼而瓷片去耦電容和電

48、解電容穩(wěn)壓。OUT_AP、OUT_AM、OUT_BP、OUT_BM引腳分別為電機(jī)2相輸出接口，由于內(nèi)部集成了續(xù)流二極管，這4個(gè)輸出口不用像東芝公司的8435驅(qū)動芯片那樣外接二極管，從而極大地減小電路板的布線空間。NFA、NFB分別為電機(jī)A、B相最大驅(qū)動電路定義引腳，最大電流計(jì)算公式為Iout（A）=0.5（V）/Rnp（），若預(yù)定義電機(jī)每相的最大驅(qū)動電路為2.5A，去RNP=0.2，則PGNDA、PGNDB、SGND分別為電機(jī)A、B相驅(qū)動引腳地和邏輯電源地。23圖3-6 TB6560AHQ原理圖圖3-7 TB6560步進(jìn)驅(qū)動原理圖邏輯控制電路電源為5V，VDD為邏輯電源引腳，應(yīng)接入去耦電容和旁

49、路電容減小干擾噪聲；MO、PROTECT為工作狀態(tài)和過流保護(hù)指示燈；RESET為芯片復(fù)位腳，低電平有效；OSC所接電容的大小決定了斬波器頻率，推薦100至1000pF，斬波頻率為400至44KHz；M1、M2為細(xì)分設(shè)置引腳，外接撥碼開關(guān)可設(shè)定不同的細(xì)分值，如整步、半步、1/8細(xì)分、1/16細(xì)分。由于步進(jìn)電機(jī)在低頻工作時(shí)，有振動大、噪聲大的缺點(diǎn)，需要細(xì)分解決。243.2.3 簡易型三維雕刻機(jī)伺服系統(tǒng)最終方案由于實(shí)際情況和市場調(diào)查，我們采用TB6560作為控制電路的主芯片，具體實(shí)物圖見圖3-8，詳細(xì)說明圖見圖3-9。TB6560是目前主流芯片深得大眾的喜愛，所以在目前市場占有率很高，我們在實(shí)際的生

50、活中運(yùn)用了很多。圖3-8 TB6560實(shí)物板圖圖3-9 實(shí)物說明圖4 簡易型三維雕刻機(jī)手控邏輯電路設(shè)計(jì)4.1 邏輯電路的構(gòu)成原理邏輯電路是一種離散信號的傳遞和處理，以二進(jìn)制為原理、實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號邏輯運(yùn)算和操作的電路。分組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路。前者由最基本的“與門”電路、“或門電路”和“非門”電路組成，其輸出值僅依賴于其輸入變量的當(dāng)前值，與輸入變量的過去值無關(guān)即不具記憶和存儲功能；后者也由上述基本邏輯門電路組成，但存在反饋回路它的輸出值不僅依賴于輸入變量的當(dāng)前值，也依賴于輸入變量的過去值。由于只分高、低電平，抗干擾力強(qiáng)，精度和保密性佳。廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、數(shù)字控制、通信、自動化和儀表等方面。最基

51、本的有與電路、或電路和非電路。如圖4-1邏輯電路圖4-1 簡易邏輯電路簡單的邏輯電路通常是由門電路構(gòu)成，也可以用三極管來制作，例如，一個(gè)NPN三極管的集電極和另一個(gè)NPN三極管的發(fā)射極連接，這就可以看作是一個(gè)簡單的與門電路，即：當(dāng)兩個(gè)三極管的基極都接高電平的時(shí)候，電路導(dǎo)通，而只要有一個(gè)不接高電平，電路就不導(dǎo)通。邏輯電路分為3類：非門，與門，或門。非門：利用內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使輸入的電勢變成相反的電勢，高電勢變低電勢，低電勢變高電勢。與門：利用內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使輸入兩個(gè)高電勢，輸出高電勢，不滿足有兩個(gè)高電勢則輸出低電勢?；蜷T：利用內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使輸入至少一個(gè)輸入高電勢，輸出高電勢，不滿足有兩個(gè)低電勢輸出高電勢。4

52、.2. 手控邏輯電路設(shè)計(jì)4.2.1 手控邏輯電路設(shè)計(jì)圖圖4-2 數(shù)字邏輯芯片總裝圖圖4-3 X、Y、Z軸手動控制邏輯板4.2.2 手控邏輯電路分析與操作在此原理圖中，X、Y、Z三軸的控制原理是相同的。除了用到了上面所提到的74HC14與74HC125外，還用到了74HC4075，即三輸入或門，當(dāng)其三個(gè)輸入端的電壓都為低電壓時(shí)，輸出的電壓才為低電壓，否則就為高電壓。輸出端為低電頻時(shí)，74HC125導(dǎo)通；輸出端為高電頻時(shí)，74HC125阻斷。一端連接的是鍵盤板，另一端連接的是I/O接口板。在I/O接口板的線路中用到了74HC21元件，即四個(gè)四入與非門，兩個(gè)74HC21串聯(lián)后經(jīng)過74HC14反向處理

53、，連接電鈴，六個(gè)極限開關(guān)中的任意一個(gè)為低電平時(shí)，電鈴就會響，從而起到警示作用。這款控制邏輯板有如下主要特點(diǎn)： 1.當(dāng)?shù)窨虣C(jī)與電腦連機(jī)時(shí)，手控板會自動鎖死，按鍵不會有動作。 2.當(dāng)?shù)窨虣C(jī)與電腦斷開連機(jī)時(shí)，手控板使能指示燈亮，表示手控板可以操作。 3.手控板移動三軸時(shí)，速度可以通過面板上旋鈕調(diào)節(jié)。 4.X，Y，Z 三軸可以同時(shí)動作。 5.碰到6只限位開關(guān)中的任何一只，手控板會鎖定，不允許繼續(xù)移動，除非是反方向移動。同時(shí)會有聲音報(bào)警。 6.與手控板連接的鍵盤板上有詳細(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。 7.將手控板拆開，接口板與驅(qū)動器仍能使

54、用。4.3 手控邏輯面板實(shí)物圖圖4-4 實(shí)物圖圖4-5 手控板圖在鍵盤板設(shè)計(jì)中，主要用到了74HC08和74HC126兩個(gè)控制元件。74HC08是雙輸入與門74HC126是六三態(tài)門，74HC08輸出的電頻經(jīng)過74HC126，而74HC126屬于高電頻導(dǎo)通，低電頻阻斷。當(dāng)74HC08輸出高電頻時(shí)，74HC126導(dǎo)通，導(dǎo)通后分別控制X、Y、Z三軸的脈沖及方向，每個(gè)脈沖和方向的線路上都串聯(lián)一個(gè)LED燈，起指示作用。X、Y、Z三軸的限位線路分別連接到手控邏輯板上，通過限位按鈕的作用來控制X、Y、Z三軸的運(yùn)動位置，當(dāng)超過了工作的行程的時(shí)候，限位LED燈就會亮，起到指示作用。5 簡易型三維雕刻機(jī)控制電路P

55、CB板設(shè)計(jì)5.1 PCB板的發(fā)展和介紹通常意義上說的電路板指的是印刷電路板（PCBPrinted Circuit Board）。印刷電路板作為電子產(chǎn)品的核心角色，已經(jīng)成為全部微電子制造業(yè)中最活躍最重要的部分。25具體來說一塊完整的電路板是由具有特定電氣功能的元器件和連接這些元器件的銅箔、焊盤、過孔等導(dǎo)電圖件組成。電路板雕刻機(jī)具有廣闊的市場，作為PCB板加工的關(guān)鍵設(shè)備之一，其性能的完善和提高勢在必行，未來電路板雕刻機(jī)大致朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展：1. 高速度、高精度、高可靠性2. 系統(tǒng)集成化、柔性化程度高3. 系統(tǒng)智能化程度高4. 控制體系結(jié)構(gòu)越來越開放5. 市場個(gè)性化和敏捷性要求越來越高5.2 P

56、CB設(shè)計(jì)原則與注意事項(xiàng)電路板設(shè)計(jì)的一般原則包括：電路板的選用、電路板尺寸、元件布局、布線、焊盤、填充、跨接線等。電路板一般用敷銅層壓板制成，板層選用時(shí)要從電氣性能、可靠性、加工工藝要求和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等方面考慮。常用的敷銅層壓板是敷銅酚醛紙質(zhì)層壓板、敷銅環(huán)氧紙質(zhì)層壓板、敷銅環(huán)氧玻璃布層壓板、敷銅環(huán)氧酚醛玻璃布層壓板、敷銅聚四氟乙烯玻璃布層壓板和多層印刷電路 板用環(huán)氧玻璃布等。不同材料的層壓板有不同的特點(diǎn)。環(huán)氧樹脂與銅箔有極好的粘合力，因此銅箔的附著強(qiáng)度和工作溫度較高，可以在260的熔錫中不起泡。環(huán)氧樹脂浸過的玻璃布層壓板受潮氣的影響較小。超高頻電路板最好是敷銅聚四氟乙烯玻璃布層壓板。在要求阻燃的電子設(shè)備上，還需要阻燃的電路板，這些電路板都是浸入了阻燃樹脂的層壓板。電路板的厚度應(yīng)該根據(jù)電路板的功能、所裝元件的重量、電路板插座的規(guī)格、電路板的外形尺寸和承受的機(jī)械負(fù)荷等來決定。主要是應(yīng)該保證足夠的剛度和強(qiáng)度。常見的電路板的厚度有 0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm從成本、銅膜線長度、抗噪聲能力考慮，電路板尺寸越小越好，但是板尺寸太小，則散熱不良，且相鄰的導(dǎo)線容易引起干擾。電路板的制作費(fèi)用是和電路板的面積相關(guān)的，面積越大，造價(jià)越高。在設(shè)計(jì)具有機(jī)殼的電路