利用CNC技術(shù)對三維雕刻機器人的研究與設(shè)計

摘要：為了降低企業(yè)在使用雕刻機器人時的成本，讓雕刻機器人更貼合實際生產(chǎn)過程中的需要，通過計算機數(shù)控（ComputerizedNumericalControl，CNC）技術(shù)設(shè)計了一款小型的三維雕刻機器人，利用數(shù)字信息技術(shù)實現(xiàn)機床運動和加工，降低成本的同時，提高了零件容錯率，滿足中小型企業(yè)的生產(chǎn)需求。主要針對機床本體、控制系統(tǒng)硬件部分電路設(shè)計及數(shù)控雕刻機的調(diào)試展開研究。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信息三維雕刻控制自動化運動控制

ResearchandDesignof3DEngravingRobotUsingCNCTechnology

HUANGQiuxiaLIYanhuiHUANGJiaqiWANGZijianSONGBingyi

XinjiangInstituteofTechnology，Aksu，XinjiangUygurAutonomousRegion，843100China

Abstract：Inordertoreducethecostofenterprisesinusingtheengravingrobotandmaketheengravingrobotmoreinlinewiththeneedsoftheactualproductionprocess，asmallthree-dimensionalengravingrobotisdesignedbyusingComputerizedNumericalControl（CNC）technology.ItutilizesDigitalInformationtechnologytoachievemachinetoolmovementandprocessing，reducingthecostwhileimprovingthefaulttoleranceofpartstomeettheproductionneedsofsmallandmedium-sizedenterprises.Thispapermainlyfocusesonthecircuitdesignofthemachinetoolbody，controlsystemhardware，andthedebuggingoftheCNCengravingmachine.

KeyWords：Digitalinformation;Three-dimensionalcarving;Controlautomation;Motioncontrol

計算機數(shù)控（ComputerizedNumericalControl，CNC）三維雕刻機器人作為一種自動化、精密化加工設(shè)備，被廣泛應用于廣告設(shè)計、家具雕飾、模具制造等領(lǐng)域[1]。目前，國內(nèi)的微型廣告公司與中小型家具公司等對雕刻生產(chǎn)的需求日益增多，若采用傳統(tǒng)的手工加工方式，會出現(xiàn)加工精度差、成品粗糙等現(xiàn)象。但是，市面上可以高精度加工的雕刻機器人存在產(chǎn)品少、價格高、性價比低等問題。因此，本次研究的目的是設(shè)計一臺成本低、精度高適合廣大中小型企業(yè)需求的雕刻機器人。利用該研究成果，可以為建筑類、機械類、廣告類企業(yè)快速進行模型制作，同時也可以為電子類企業(yè)進行印刷電路板（PrintedCircuitBoard，PCB）雕刻。并且考慮到技術(shù)影響，本文決定采用CNC來對其進行研究。

1研究方法及內(nèi)容

在材料加工方面，本次研究采用了先進的數(shù)值模擬和仿真技術(shù)，對CNC三維雕刻機器人的加工過程進行深入分析和優(yōu)化。在控制系統(tǒng)方面，本次研究通過建立和完善CNC三維雕刻機器人的控制模型，提升其運動精度和穩(wěn)定性[2]；還利用人工智能、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代技術(shù)手段，不斷提升CNC三維雕刻機器人的智能化水平，以滿足復雜加工任務的需求。同時，本次研究側(cè)重對CNC三維雕刻機器人的多學科交叉研究，通過機械、電子、材料、控制等多個學科的交叉融合，促進了CNC三維雕刻機器人的綜合性發(fā)展。這為CNC三維雕刻機器人在工業(yè)加工、藝術(shù)創(chuàng)作等領(lǐng)域的應用拓展提供了有力支持，也為智能制造技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力[3]。

本次研究遵循先進行功能規(guī)劃，最終在電路設(shè)計、軟件設(shè)計上進行軟、硬件綜合調(diào)試的設(shè)計思路，設(shè)計的總體結(jié)構(gòu)與具體的技術(shù)路線圖分別圖見1、圖2。

按驅(qū)動電機進行分類，CNC雕刻機可以分為步進電機驅(qū)動和伺服電機驅(qū)動[4]。本文介紹的基于CNC的三維雕刻機器人通過伺服電機驅(qū)動，相較于步進電機驅(qū)動，其雕刻能力會更加精準。本次的研究針對企業(yè)在生產(chǎn)過程中的實際需求進行了相關(guān)的設(shè)計，研究主要內(nèi)容有以下幾個方面。

（1）對建筑企業(yè)、廣告企業(yè)、機械企業(yè)和建筑企業(yè)的小規(guī)模雕刻加工進行調(diào)研，確定雕刻的基本對象和功能需求。

（2）機床本體的設(shè)計：根據(jù)確定的功能需求，對機床結(jié)構(gòu)、傳動裝置、連接裝置進行選擇。

（3）對控制系統(tǒng)硬件部分電路進行設(shè)計。

（4）上位機軟件的制作：主要包括雕刻機用戶工作界面編寫及其與雕刻軟件的集成。

（5）數(shù)控雕刻機的調(diào)試。

2研究思路

CNC技術(shù)的三維雕刻機器人設(shè)計原理主要基于CNC技術(shù)和機器人技術(shù)，其核心在于利用計算機對雕刻機器人進行精確控制，實現(xiàn)三維雕刻的自動化和高效化。

本次研究主要通過機械部分和控制部分兩方面內(nèi)容展開。機械部分主要實現(xiàn)工作臺與導軌的排布，CNC技術(shù)負責控制雕刻機器人的運動，通過CNC系統(tǒng)，機器人能夠按照CAM軟件生成的切割路徑進行精確的運動。總體控制部分包括硬件和軟件兩部分，硬件部分包括數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動器、變頻器等工具，軟件部分包括操作系統(tǒng)、編程軟件等。這些硬件和軟件共同協(xié)作，實現(xiàn)對機器人的自動化控制和運動，具體的設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

在雕刻過程中，雕刻機器人通過高速旋轉(zhuǎn)的刀具在工件表面進行精確切割、雕刻和雕塑。由于CNC技術(shù)的精確性和高效性，機器人能夠在各種材料上進行高精度、高效率的加工，從而完成復雜的三維雕刻任務。

3硬件設(shè)計

CNC技術(shù)的三維雕刻機器人硬件設(shè)計主要涵蓋了機器人的核心組成部分，這些硬件組件共同協(xié)作，實現(xiàn)機器人的精確運動和雕刻功能。

3.1運動控制器

運動控制器是三維雕刻機器人的核心大腦，它負責接收和處理來自CNC系統(tǒng)的指令，并控制機器人的運動。運動控制器通常采用高性能的處理器和先進的控制算法，以確保機器人運動的精確性和穩(wěn)定性[5]。本次設(shè)計沒有采用價格昂貴的可編程邏輯控制器（ProgrammableMotionLogicController，PLC），而是選擇使用了可編程運動控制器（ProgrammableMotionController，PMC）。PMC集成了PLC和運動控制器雙重功能，控制簡單便捷。

3.2伺服驅(qū)動器

伺服驅(qū)動器是驅(qū)動機器人運動的關(guān)鍵部件，它根據(jù)運動控制器的指令驅(qū)動伺服電機進行精確旋轉(zhuǎn)或直線運動。伺服驅(qū)動器具有高精度、高響應速度的特點，能夠滿足三維雕刻機器人對運動精度的要求。

3.3端子板

端子板是連接運動控制器、伺服驅(qū)動器和其他硬件組件的重要接口部件。它負責將不同組件之間的信號線和電源線進行集中管理和分配，確保信號傳輸?shù)臏蚀_性和穩(wěn)定性。

3.4變頻器

變頻器主要用于調(diào)節(jié)伺服電機的電源頻率和電壓，以實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速和扭矩的精確控制。在三維雕刻機器人的應用中，變頻器能夠幫助機器人適應不同的雕刻材料和工藝需求，提高雕刻質(zhì)量和效率。

4CNC三維雕刻機優(yōu)缺點分析

本文介紹的CNC三維雕刻機屬于經(jīng)濟型的數(shù)控雕刻機，其中的伺服電機是該產(chǎn)品的一大特色，其所使用的伺服電機對整個三維雕刻機起著至關(guān)重要的作用。

在進行設(shè)計的過程中，基于CNC的三維雕刻機器人能夠根據(jù)雕刻對象的不同采取在線編程方式進行參數(shù)調(diào)整，可以進行不同格式的矢量圖文件的導入，支持二維、三維雕刻；同時要完成自帶斷電保護功能，能夠適應AC100-500V的電壓變化范圍[6]。

但是，伺服電機對矢量控制的電流、速度、位置三閉環(huán)控制算法有著非常高標準的要求，對整個伺服系統(tǒng)起著關(guān)鍵作用，因此，電機轉(zhuǎn)子實時速度測量精度對于改善速度環(huán)的轉(zhuǎn)速、控制動靜態(tài)特性至關(guān)重要。

本文介紹的CNC三維雕刻機具有復雜的結(jié)構(gòu)，硬件部分包括運動控制器、伺服驅(qū)動器、電主軸、端子板、變頻器這5個部分。同時，由于該產(chǎn)品實現(xiàn)了控制電路和執(zhí)行系統(tǒng)分立式結(jié)構(gòu)設(shè)計，它具有許多零部件，以便于適應不同的場景，實現(xiàn)拆卸和組裝，因此，這對操作人員和機器維修人員具有較高的要求。同時，CNC三維雕刻機加工路線不易操作，應配備經(jīng)驗豐富操作人員，否則可能會容易出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量差的問題。

5CNC三維雕刻機問題對策

5.1伺服電機故障

伺服電機的常見故障之一是電氣故障。電氣故障可能是由于電源供電不穩(wěn)定、電路短路、接線不良等原因引起的[7]。對于這種情況，維護人員需要檢查電源線路，確保電源供電穩(wěn)定，同時檢查電路連接是否良好，避免短路或接線不良導致的故障。

其他故障原因還有機械故障和溫度過高。當軸承磨損、傳動系統(tǒng)故障、零部件松動等原因引起機械故障時，維護人員需要對伺服電機的機械部分進行定期檢查和維護，及時更換磨損嚴重的零部件，確保傳動系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。在伺服電機長時間高負荷運轉(zhuǎn)的情況下，溫度會不斷上升，當超過了設(shè)定的安全溫度范圍時，就會導致伺服電機的過熱故障。因此，維護人員需要定期檢查伺服電機的散熱系統(tǒng)，確保散熱效果良好，避免溫度過高導致故障發(fā)生。

5.2加工精度不足

造成加工精度不足的原因可能包括設(shè)備老化、導軌磨損、絲杠間隙增大等。為了解決這一問題，維護人員需要對設(shè)備進行定期的維護和校準，及時更換磨損部件，確保設(shè)備運行的精確性[8]。在進行加工時，工作人員需要根據(jù)加工材料的硬度、切削力等因素合理設(shè)置加工速度、進給速度、切削深度等參數(shù)，以保證加工精度。

6總結(jié)與展望

通過對CNC技術(shù)在三維雕刻機器人應用中的深入研究，發(fā)現(xiàn)CNC三維雕刻機在日常應用和工業(yè)制造中均占據(jù)重要地位，其高精度和高效率的特點滿足了市場的多樣化需求，不僅提升了生產(chǎn)效率、降低了生產(chǎn)成本，同時也在保障生產(chǎn)環(huán)境安全方面發(fā)揮了重要作用。此外，CNC三維雕刻機在設(shè)計、操作和維護方面均提出了較高要求，在后續(xù)研究中，必須兼顧技術(shù)精度、人員配置、系統(tǒng)設(shè)計等多重因素，以保障其卓越的性能和領(lǐng)先的效率，從而滿足不斷提升的市場需求和用戶期望。

參考文獻

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