【摘要】通过由数控系统执行相应的加工程序代码来控制雕刻机完成雕刻动作，实现了自动化、高效率和高精度的雕刻加工。其既可以应用于金属模具等复杂零件的精密加工，也可以应用于其它非金属加工，如广告传媒、建筑装潢等众多领域，大大的促进了雕刻工业的发展。
【关键词】数控雕刻机;控制系统;研究探讨
1.数控雕刻机
数控雕刻机就是CNC技术和雕刻工艺相结合的产物。作为一类特殊的数控机床，他通过数控系统执行相应的加工程序代码来控制雕刻机完成雕刻动作。能方便快捷地在各种软性材料（有机玻璃、双色板、多层板、板材、亚可力、木材、橡胶等）和硬性材料（黄紫铜、铝、不锈钢、钦合金等）上雕刻出逼真、精致、耐久的二维图形、文字及三维立体浮雕。实现了自动化、高效率和高精度的雕刻加工。
数控雕刻机具有以下主要特点：
第一，自动化程度高。整个雕刻过程都是数控雕刻机自动完成的，无需人工操作。
第二，产品的尺寸精度高，一致性好。雕刻过程是由计算机控制完成，以达到很高的精度，表面质量批量加工时，产品具有很好的一致性。
第三，拓展了雕刻领域。通过执行各种相应的加工代码配合多种刀具，数控雕刻机即可完成浮雕、各种复杂曲面的雕刻加工，提高了雕刻效率。
2.数控雕刻机控制系统原理
雕刻机的数控系统是一种轨迹控制系统。从本质上讲，是以各运动轴的位移量为控制对象，使各运动轴协调运动的自动控制系统其基本工作过程为：首先通过雕刻软件将待加工的图形数字化，并生成加工路径信息，通过某种数据传输方式将加工路径信息传输给控制系统然后控制系统根据加工路径信息进行相应的运算及处理，生成控制命令并发送给各运动轴，使X、Y、Z三坐标轴、雕刻机主轴以及辅助动作协调运动，实现刀具与被加工工件的相对运动，自动完成加工。由此即可雕刻出在雕刻软件中设计的平面、文字或立体图形，实现了自动化的雕刻加工
3.数控雕刻机控制系统硬件设计
硬件是系统运行的基础，是实现系统控制功能的必要载体，控制系统的优劣直接影响雕刻机的加工性能、工件的加工精度等诸多方面。控制系统的硬件主要由主控制模块、进给驱动系统模块、主轴驱动模块、雕刻机电源模块以及辅助模块五大模块构成。
3.1 主控制模块
主控制模块是控制系统的核心部分，雕刻加工代码的分析处理、整个雕刻机系统的控制管理都由该模块完成。因此，主控模块的处理速度直接决定着整个雕刻机控制系统的运行速度。主控制模块主要有：以高性能通用CPU组成的工控板构成主控制模块、以高速运动控制芯片构成主控制模块、以APM处理器高性能单片机构成主控制模块、以PC+高速运动控制卡构成主控制模块以及以PC+模拟数控软件构成主控制模块。
3.2 进给驱动系统模块
目前雕刻机进给系统主要有步进电机驱动系统和交流伺服电机系统两种方式。步进电机是将脉冲信号转换为角位移的执行元件，电机绕组每接收到一个脉冲，转子就会转过一个相应步距角，通过对脉冲数和脉冲频率的控制即可实现对步进电机的控制。由于步进电机没有累计误差，且控制性能好，因此在数控系统中被广泛应用。随着技术的不断发展，交流伺服系统逐渐发展成熟并越来越多的应用到数控系统中，它与步进电机在控制方式上十分相似，但实用性能和应用场合却有较大的差异。
3.3 主轴驱动模块
主轴驱动模块是数控机床的核心部件之一，其输出性能对数控机床的整体水平影响较大。主轴驱动不同于一般工业驱动，不仅要求具有较高的转速、精度以及动态刚度，还要求具有连续输出高转矩的能力以及较宽的恒功率运行范围。目前，主要采用专用的主轴电机（电主轴）和采用直流电机带动主轴机构。
3.3.1 电主轴
电主轴是“高频主轴”（HighFrequency Spindle） 的简称，是内装式电机主轴单元。它把机床主传动链的长度缩短为零，由于没有中间传动环节，实现了机床的“零传动”有时也称作“直接传动主轴”（Direct Drive Spindle） 。它可以进行恒功率或者恒扭矩的输出，径向精度在0.01-0.001mm，轴向精度在小于0.003mm。具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低、响应快等优点，而且转速高、功率大，便于机床设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元设计的一种理想结构。缺点是必须配以与之配套的变频调速装置，价格相对昂贵
3.3.2 直流电机带动主轴机构
直流电机带动主轴机构具有以下特点：调速范围宽、特性呈线性、快速反应、价格较低、技术成熟等特点。但和主轴电机相比，刀具的回转精度和轴向窜动较差，且直流电机转速和精度等性能比主轴电机低，传动机构复杂等缺点。
3.4 雕刻机电源模块
目前雕刻机电源主要有开关电源和线性电源两种。开关电源在工作时，其调整管处于饱和和截至状态，因而发热量较小，转换效率较高（75%以上）。但是开关电源输出的直流上面会叠加较大的纹波，需要通过在输出端并接稳压二极管来改善。另外由于开关管工作时会产生较大的尖峰脉冲干扰，需要通过在电路中串联磁珠来改善。线性电源在工作时其调整管为放大状态，因而发热量较大，转换效率较低（35%左右），需要加散热片，而且还需要体积较大的变压器。但是其稳定性较高，相较于开关电源没有尖峰脉冲干扰，且它的波纹可以做得很小（5mv以下）。综合比较，线性电源实现方案简单，价格较低仅是开关电源价格的（25%左右），具有较高的性价比。
3.5 辅助模块
雕刻机数控系统除了主控制模块、进给驱动系统模块、主轴驱动模块这些主要的部分之外，还有一些辅助的模块，如接口板、传感器等。接口板的主要作用是为主控制模块和各执行机构提供连接的通道。传感器是一种将被测量按照一定的精度转换为与之对应的、易于处理的测量装置。
4.数控雕刻机控制系统软件设计
考虑到控制系统软件的复杂性，在软件设计时将控制系统软件划分成主机应用程序和运动控制器驱动程序两个部分。
4.1 主机应用程序
主机应用程序的主要功能为实现所开发数控系统的各项基本功能。在设计时，我们采用了面向对象的程序设计方法，针对不同的功能开发出相应的MFC扩展类和非MFC类。这样的开发方法提高了软件的开发效率，也便于软件后期使用时的维护。
4.2 运动控制器驱动程序
运动控制器驱动程序的主要功能为实现位置及速度的实时控制、插补驱动等功能。如固高科技（深圳）有限公司为GE系列运动控制器提供的动态链接库，在动态链接库中封装了运动控制所需要的大部分的函数。我们基于动态链接库库函数对运动控制器驱动程序进行了开发，其开发过程实际上就是对运动控制器提供的动态链接库的库函数进行应用和扩展。
在VC++中使用固高公司GE系列运动控制器动态链接库的步骤如下：
A.启动Visual C++，新建一个工程
B.将产品配套光盘Windows/VC文件夹中的动态链接库、头文件和lib文件复制到工程文件夹中
C.选择“Project ”菜单下的“Settings …”菜单项
D.切换到“link ”标签页，在“Object/library modules”栏中输入lib文件名ges.lib
E.在应用程序文件中加入函数库头文件的声明，例如：#include’“ges.h”
F.至此，用户就可以在Visual C++中调用函数库中的任何函数，开始编写应用程序。
5.结语
数控系统是数控雕刻机的控制核心，其性能直接影响着雕刻机的加工质量和效率。随着数字控制技术及其相关技术的不断发展，高性能运动控制器的发展也日趋成熟，并越来越多的被应用到数控系统中，进一步推动了数控系统向着高速、高效、高可靠性方向的发展。因此，结合新技术成果开发出稳定、高效、具有良好性价比的控制系统就显得十分的必要。
