一．機械傳動原理
1. 整機結構
現今市場中廣泛應用之小型雕刻機工作機檯主要有兩種。第1種工作檯只做Y(X軸為橫向,Y軸為縱向)方向的移動，而刀具作X方向和Z方向的移動。第2種工作檯做X,Y方向的移動，而刀具只作Z方向的移動。結構1的優點是製作容易，結構穩定。但由於工件隨工作檯移動，所以不能加工太重的工件，而且雕刻機尺寸不能太大。結構2雖然製作也容易，然而穩定性要比結構1差很多。由於設計對機械部件結構的要求就是要小而輕便，加工工件的品質也是比較輕，因此選用圖第1種結構。在該結構中，機械本體部分是雕刻機的骨架，有底座、立柱、工作檯、機頭和主軸元件等部分。在保證整個系統的機械剛性的前提下，為了簡化設計的結構，減輕整機重量，縮短產品的設計和製造的週期，其主體框架採用鋁合金製造，防護件用塑膠件製造，用標準的緊固件和定位銷連接。
2．進給運動方式
設計採用的雕刻方式是：雕刻刀具只做高速旋轉和Z方向的進刀、退刀運動，而X-Y工作檯帶動工件作X,Y方向的進給運動，這兩個方向的基本運動方式如下：由步進電機的轉動帶動螺桿的轉動，帶動了工作檯的移動，從而實現某個方向(X或Y方向)的進給運動。在X，Y方向上的導向件採用直線導軌，其導向精度可滿足對工作檯定位精度的要求。
3．雕刻機主運動方式
雕刻機主運動方案通常有兩種方案：直接採用專用的雕刻主軸或採用直流電機帶動主軸架構，但必須配以與之配套的變頻調速裝置，價格相對昂貴。因此，從經濟性的角度出發，經濟型的雕刻機則不宜採用。直流電機具有以下特點：
(l)調速範圍寬：其轉子轉速可在寬廣的範圍內連續調節並穩定運行。
(2)特性呈線性：不論機械特性還是調節特性都呈現良好的線性度，即在整個調節範圍內，轉速隨轉矩的變化關係或是轉速隨控制電壓的變化關係都是線性的。
(3)快速反應：在輸入控制信號的作用下，轉子能迅速地反應動作，時間常數小。故優先選用直流電機帶動主軸機構的方案。直流電機通過彈性夾頭直接與刀具連接。
二．元件的選擇
1．滾珠螺桿腹的選擇
設計採用滾銖螺桿 （滾銖內迴圈 固定反向器 單螺母）。其具體性能指標如下表：
X，Y，Z軸的螺桿精度等級為4，螺紋長度分別為為300mm，350mm，150mm。絲杠總長分別為：375mm,425mm,225mm。
2．步進電機
（1）銑削力的計算
當進行一般切削時產生的銑削力最大，因此只需計算此時的銑削力進行校核即可。取一般切削時：銑削深度ap=1mm，進給速度Vf=1200mm/min,n=15000r/min。根據經驗公式計算銑削力：
F=42.76apVf0.75 n-0.62=22.45N
（2）啟動轉矩的計算
對於4級精度的絲杠，η=0.85。已知Ph=4mm,設絲杠上最大負載G為500N，靜摩擦µ為0.2，根據經驗公式計算啟動力矩：T=(F+µG) Ph/(2Лη)×10－3＝0.0918N·M
（3）步進電機的選擇
根據所需轉矩，採用步進電機作為設計所需的驅動電機。
3．圓柱直線導軌的選擇：選用圓柱直線導軌（光軸）
X,Y,Z三軸所需導軌長度分別為375mm，425mm，225mm。
4．聯軸器的選擇：選用聯軸器YL1。
5．主軸電機的選擇：主軸電機選用雕刻機電主軸。
6．機械性能參數的計算：
解析度：4/200=0.02(mm/step)
最高進給速度：5000*4/200=100(mm/s)
機械精度：16/300=0.053（mm）
小型雕刻機的整機設計
一．背景及問題敘述
1．雕刻機
1938年世界第一台手動雕刻機在法國問世，1950年生產出世界第一台真正電動、可縮放比例的手動雕刻機。隨後美國、日本和法國等國也開始研製。20世紀90年代，隨著微電子技術的突飛猛進，直接推動微型電腦的急劇發展。微電子技術和微型電腦技術帶動整個高技術群體飛速發展，既而使雕刻機產生了質的飛躍。雕刻機完成了從2D—2.5D—3D加工的變革，功能完善、性能穩定、造型美觀和價格合理成為雕刻機研製的基本要求。國外的雕刻機，如美國“雕霸”、法國“嘉寶”和日本“禦牧”是此行業的佼佼者，但價格非常昂貴。不管大小都在百萬乃至千萬元以上。
2．問題敘述
雕刻機的應用在各行各業中的應用已日益廣泛，然而國內市面上出現的雕刻機，雖然性能較好，但價格也非常昂貴。普通的雕刻機都是幾十萬元以上，令一些小公司及個人使用者望而卻步。針對不同的應用領域，所要求的雕刻機的性能亦不相同。本問題的目的就是利用PC機的連接等現有資源，提供一種低價，高效，簡便的數控雕刻系統的解決方案。通過本問題的研敘，可以為中小型企業，尤其是個人使用者提供低價的雕刻機，從而拓寬現有雕刻機的使用群，普及國內雕刻機。
二．功能需求分析
本項目是為個人及小公司使用者提供的一種價格低廉，性能適中的雕刻機。因此，它應具有個人及小公司使用者所需要的大部分功能。具體如下：
（1）製作線路間距在3mm以上，長寬在25×20cm內的電路板。
（2）製作空間在25×20×10cm內的軟材料模型及模具。
（3）能夠進行廣告刻字，個性雕刻。
（4）提供簡易的操作介面。
（5）有安全保護措施。
（6）精度在0.1mm以內。
三．概念設計與模組功能定義
1．設計思想
小型雕刻機的基本設計思想主要有以下幾點：
（1）應用PC的強大計算功能，將解碼、刀補、插補、加減速控制等放在PC上解決。最後PC上形成的是各項步進電機的控制脈衝。
（2）應用PC機的連接直接輸出各項步進電機的控制脈衝，以控制工作檯的移動。
（3）步進電機的驅動採用集成的驅動晶片。
（4）通過限位元開關以及各運動方向的使能開關來保證雕刻機的安全工作。
2．設計原則
小型雕刻機的基本設計原則主要有以下幾點：
（1）在要求的性能指標下，對於各應用部件儘量選擇成品以降低成本。
（2）產品設計得儘量的輕而小。
3．整體方案
（1）主要直線傳動元件的選擇
直線傳動元件一般有兩種：同步帶和螺桿。因為同步帶傳動平穩，傳動精度較高，目前的點陣式印表機和部分機械雕刻系統均採用同步帶作為直線運動元件。對於數控機床而言，直線傳動機構都採用螺桿，因為螺桿傳動精度高。因此，採用螺桿為直線運動元件，可達到預期的目的。
（2）PC機與機械傳動機構的信號通訊方式的選擇
要開發通訊部分，就要進行硬體的開發，就是要在電腦與外設之間架設一座橋，進行物理連接。要開發硬體，有兩種方法：一種是自己動手開發電腦介面卡，另一種是在現有的電腦硬體設備的基礎上，稍加改進而利用已有的介面卡進行通訊。在第一種方法中，需要自己設計介面電路，整體量大，且在使用時要佔用PC機的一個擴充槽，若使用第二種方法，不但設計簡單、危險性小，而且節省電腦插槽空間。因此本設計採用PC機的連接進行上下位機的通訊。
（3）整體說明
使用者採用我們研製的軟體導入在CAD軟體中產生的G代碼後，該軟體將對G代碼進行解碼、刀補處理、速度預處理、插補運算，獲得包含X-Y-Z三個方向配合運動需控制位元組的資料檔案，即為雕刻資料，然後將控制位元組逐個向列印口輸出，這樣與列印口相連的X-Y-Z三個方向的步進電機就分別可以得到動作信號，從而帶動各自的執行機構產生動作。
4．功能模組
雕刻機的功能模組包括軟體模組、機械模組和電氣模組。
（1）軟體模組
主要是在Windows作業系統環境下研製一軟體，具有讀入G代碼、解碼、刀補預處理、速度預處理、插補等功能，並最終通過PC機的連接口(即列印口)向步進電機輸出控制信號。
（2）機械模組
主要是執行機構的設計，它是接收放大後的控制信號，實現具體的雕刻動作的機構，它的設計必須考慮到既要實現功能，又要盡可能地小巧輕便。
（3）電路模組
連接PC機輸出和機械執行機構的必要通道，它的主要作用是放大PC機產生的控制信號，使其能驅動機械執行機構實現雕刻動作，這對於能否將控制信號及時、準確地放大並發送至步進電機非常重要。電路的可靠性、穩定性與可持續性是在設計中必須注意的三項指標。主要內容是步進電機驅動設計、主軸電機的控制、限位元開關的回饋等。
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