电子产品印制板工艺板边自动切割机

【摘要】本项目通俗易懂的来说就是3D切割机，通过对3D打印机的类比和分析来初步设计。本文主要介绍了自动化切割机的基本原理以及运作方式。通过以STM32F107VC作为步进电机的控制系统，通过XYZ轴的运动来完成切割。

【关键词】步进电机 XYZ轴 自动化

一、背景及意义

1、背景及意义：随着互联网+概念的深入人心，中国的产业掀起了一股工业自动化改造的浪潮，中国人口红利正在消失，在长三角、珠三角地区用工荒呈现逐年上升的趋势，很多的企业已经开始认识到采用工业自动化设备来取代人力的重要性，并已经在采用一些工业机器人来替代原来由人工处理的工序，因此在未来的几十年中，必将引来中国工业自动化设备的大发展。

在中国的电子产品制造工厂里，对于一些电子产品板卡的工艺边的处理，一般是采用人工处理，既费时又费力，而这个过程如果采用自动切板机，则可以极大地提高工作效率，且处理后的板边光滑平整且便于后续的装配工作。

二、技术实现方案

1、基本特征：

①具有一套XYZ轴运动系统，可以控制Z轴的铣刀完成2D平面各种轨迹的运动；

②Z轴装配各种规格的铣刀，完成印制板板边的切割；

③固定方法适应各种不同工艺边的印制板；

④具备PC端图像化的编程控制系统，方便人们操作

⑤工作过程能用数据库做详细记录；

⑥铣刀到处具循环风冷，避免铣刀过热；

2、结构设计：主要分为三大部分，一为电机控制位移系统，二为传感反馈系统，三为电源系统。电机控制分为铣刀、控制位移和风冷三大部分。传感反馈为位置传感器、温湿度传感。

3、选择电机

从性能角度出发，通过以下几个方面我们选择了57步进电机：

①将电脉冲信号转变为角位移或线位移，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度；

②可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；

③同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度从而达到调速的目的；

④可以精确地到达目标位置，精度相比直流无刷电机更加高，开环便于控制；

⑤使用细分功率放大器并使用高输入信号频率可基本消除共振现象。

综上所述，步进电机不需要反馈信号，就可以对系统的位置、速度输出直接控制，而且价格较为便宜。使用步进电机的最大优点就是可以将电脉冲信号转变为角位移或线位移，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。这个优点正满足我们所设计的电机的要求。虽然步进电机存在‘失步’以及自身振荡等缺点，但是由于他无位置误差积累的优点，使它在控制各轴运动定位时能够避免产生较大的误差，从而可以精确地到达目标位置，精度相比其他种类电机更加高、开环便于控制。而且，在此选择使用细分功放并使用高输入信号 10 频率可有效降低共振现象。

因控制器具有采样周期的时间限制，当升速率较高时步进电机的转速容易穿越开关线，形成极限环，造成系统振荡，无法正常工作。针对上述情况步进电机快速准确定位系统控制器的设计，步进电机快速准确定位系统的结构框图，由位置补偿表、位置控制器、升降速控制器、信号转换器、转速及位置检测器和转速反馈及失步检测器等功能模块组成。上位机向步进电机定位系统下达位置指令X0，控制器根据起始位置、目标位置和转向查找位置补偿表得到补偿位置ΔX形成实际位置指令Xs，进而得到位置偏差e，位置控制器根据偏差e和步进电机当前转速nf发出转速指令ns，再由升降速控制器按照一定的规律计算出当前步进电机的转速n，之后由信号转换器解析为转向信号dir和脉冲信号cp，控制步进电机的转速和转向，使步进电机以一定规律的速度到达指令位置X0。当系统到达指令位置X0时，位置控制器必须使步进电机的转速降为可停车转速，从而达到快速准确定位控制的要求。

4、工作流程

先建立预加工的计算机三维实体模型，结合CAD、CAM将其以STL、ply、wrl等数据格式存储，之后采用三维模型切片软件对该三维模型进行切片分层，得到一系列二维切片，在进行切片光栅图像RIP分析，获得每层的加工信息。然后进行一下步骤：1、将实体放到切割区域；2、铣刀在模型横截面定位，进行切割；3、铣刀下降一层继续切割；4、重复上述过程直至切割完毕。

5、控制系统

硬件电路系统：

自动切割机硬件电路主要由上位机和下位机接口板，STM32F107VC控制芯片，存储器，同步带直线模组，铣刀驱动电路组成。

1）PCI接口：充当上位机与下位机的通信桥梁；

2）STM32F107VC控制芯片：下位机切割数据的管理、电机运动控制、铣刀与电机运动的协调控制、切割过程信号的检测等；

3）存储器：存储准备切割的数据和控制参数；

4）同步带直线模组：控制铣刀在XYZ轴的运动方向和轨迹；

5）铣刀驱动电路：产生铣刀切割数据的驱动信号。

软件系统：

主要由计算机、应用软件和接口驱动单元等组成。

1）计算机一般采用上位机和下位机两级控制。其中上位主控机一般采用配置高、运行速度快的PC机；下位机采用STM32F107VC控制系统，驱动执行机构。上位机和下位机通过TCP、IP协议与控制系统进行通信。为提高数据传输速度和可靠信，上位机和下位机的接口可选用通信速率高，数据传输量打的PCI接口，实现多重复控制任务的高效性与协调运动。

上位机完成切割数据处理和总体控制人物，主要功能有：

①从CAD模型生成数据信息；

②设置切割参数信息；

③对切割情况进行监控并接受运动参数的反馈；

④实现人机交互，提供切割进度的实时显示；

⑤实时显示铣刀的转速和温度。

下位机进行切割运动控制和切割数据项铣刀的传送。它按照预定的顺序项上位机反馈信息，并接受控制命令和运动参数等控制代码，对运动状态进行控制。

2）应用软件主要包括下列模块处理部分：

①切片模块：基于STL文件切片模块；

②数据处理：具有切片模块到切割位图数据的转换，切割区域的位图排版；

③安全监控：设备和切割过程故障自动停机保护。

3）底层控制软件：主要控制同步带直线模组的X、Y平面的运动。

4）接口驱动单元：主要完成上位机与下位机接口部分驱动。

二、小结

我们的电子产品印制板工艺板边自动切割机的设计使用了同步带直线模组，在结构上采用X，Y，Z三个轴向的直线运动，相对简单容易控制，也比较容易控制精度，稳定性也较好。在电机的选择上，我们采用了57步进电机，具有容易控制，为系统节省了很多环节，又没有误差累计，使系统更稳定。然后我们给铣刀增加了循环风冷，避免铣刀过热。

但是我们的自动切割机还是有一些不足之处的，采用XYZ轴传动损耗较大，可能机械安装不太方便。而采用步进电机，则调节不当可能会导致丢步、低频震荡等。然后铣刀头部还缺少一些自由度。

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