石材雕刻机总体结构和原理

1.石材雕刻机的工作原理

石材雕刻机实际是—个三维数控系统， 其工作原理如图所示：

图1 石材雕刻机工作原理

通用微型计算机内安装专用的设计排版软件进行图形、 文字的设计、 排版，自动生成加工路径信息，通过 USB 接口或其他数据传输接口将刀具路径数据传输给单片机，数控系统接收刀具路径数据，完成显示、和用户交互等—系列功能后，用特定的算法将输入的路径信息转化为数控信息，控制器把这些信息转化为驱动步进电机或伺服电机的信号（脉冲串）控制雕刻机 X，Y，Z三轴的走刀。同时，进行铣削，即可雕刻出在计算机上设计的各种平面或立体的图形文字，实现雕刻自动化加工。

2. 石材雕刻机机械结构及运动系统方案设计

本部分着重研究对石材雕刻机各组成部分方案的选择,它包括：有效雕刻区域、滚珠丝杠的结构型式和参数、直线导轨的结构型式和参数、主电机的结构型式和参数、步进电机的结构型式和参数、主运动和进给运动的传递方式和转速范围等;

2.1 总体结构设计

石材雕刻机机械本体部分是雕刻机的骨架，有底座、立柱、工作台、机头和主轴组件等部分。在保证整个系统的机械刚性的前提下，为了简化设计的结构，减轻整机重量，缩短产品的设计和制造的周期，其主体框架采用铝合金拉延型材和轧制铝板制造，防护件用塑料件和饭金件制造，用标准的紧固件和定位销连接。

2.2 主运动方案设计

石材雕刻机主运动方案通常有两种方案:直接采用专用的雕刻头或采用直流电机带动主轴机构。真流电机加上带轮虽然也可以满足主轴速度的要求，而且也比较便宜，但会增加机械结构的复杂程度。专用的雕刻头的优点在这里不在复述，配以与之配套的变频调速装置，既简单又实用，故采用专用的雕刻机电机。

2.3 进给运动方案设计

由前所述，采用横梁固定、工作台移动实现相对运动的方式，机头在横梁上移动(X 向)，实现雕刻宽度;工作台在底座上移动(Y 向)，实现雕刻长度;主轴组件上下移动(Z 向)，实现雕刻深度。由于滚珠丝杠副具有很多优点,因此各运动链中传动件均采用滚珠丝杠副。步进电机和滚珠丝杠副直接连接。至于导轨,各运动链中支承件均采用滚动直线导轨副。石材研习社（微信号stone5A）

3.石材雕刻机控制系统设计

3.1  石材雕刻机控制系统的结构与原理

石材雕刻机是一种能够装载数控雕刻程序并自动控制雕刻机运动的加工系统，它通常有雕刻程序计算系统、数控系统组成。其工作原理是：计算机通过雕刻软件将需要的雕刻的图形数字化，生成每个步骤的雕刻程序(一般为G代码、HPGL格式文件)，通过USB接口或其他数据传输接口(RS232、RS485等)传输给控制系统，然后控制系统采用特定的算法将输入的路径信息转化为数控信息，控制器把这些信息转化为驱动步进电机或伺服电机的信号(脉冲串)，控制雕刻机X、Y、z三轴的进给，同时，石材雕刻机的高速旋转主轴带动按加工材质配备的刀具，对固定于机械本体的工件进行铣削，即可雕刻出在计算机上设计的各种平面或立体图形文字，实现雕刻的自动化加工。

3.2 石材雕刻机控制系统的总体方案设计

由本系统的设计指标可知，其目标是设计开发一套针对石材雕刻机的控制特点，能满足石材雕刻机控制需求并具有高性价比的普及型中档的嵌入式雕刻机数控系统。因此，本系统需要从速度方面入手，重点解决好运动的快速性问题，同时兼顾系统的制造成本，使硬件造价控制在预期的范围内。可见，系统的处理速度和成本控制是本系统方案设计应考虑的重点。

根据现有数控技术的发展水平，目前提高数控系统处理速度的途径有以下几种：

1)PC+高速运动控制卡；

2）由高性能通用CPU，如X86、Pentium等组成的工控板；

3）高速运动控制芯片；

4）采用ARM等高性能单片机替代高速运动控制芯片；

通过对以上4种高速数控方案的性能、实现难度、工作量和成本的系统比较，本系统采用了第4种方案，即基于高性能ARM开发高性价比的石材雕刻机的数控系统。