1、毕业设计开题报告 机械设计制造及自动化 基于 pc 机的小型雕刻机设计 一 、 前言部分 机电一体化是多学科领域综合交叉的技术密集型系统工程，它是融合检测传感技术、信息处理技术、自动控制技术、精密机械技术、计算机技术和系统总体技术等多种技术于一体的新兴综合性学科。随着机电一体化技术的产生和发展，在世界范围内掀起的机电一体化热潮，使机电一体化越来越显示出强大的威力，它使机械产品向着高技术密集 机电一体化的方向发展。当前，以柔性自动化为主要特征的机电一体化技术发展迅速，水平越来越高。任何一个国家、地区、企业如 不拥有这方面的人才、技术和生产手段，就不具备国际、国内竞争所必须的基础。要彻底改变目前我
2、们机械工业面貌，缩短与国外先进国家的差距，必须走发展机电一体化技术之路，这也是当代机械工业发展的必然趋势。 1 计算机数控雕刻技术是传统雕刻技术和现代数控技术结合的产物，它秉承了传统雕刻精细轻巧、灵巧自如的操作特点，同时利用了传统数控加工中的自动化技术，并将二者有机的结合在一起，成为一种先进的雕刻技术。所有这些技术最终都是通过 CNC 雕刻机转化为真正的生产能力。 CNC 雕刻机集计算机辅助设计技术（ CAD)技术、计算机辅助 制造技术（ CAM 技术）、数控技术（ NC 技术）、精密制造技术于一体，是目前最先进的雕刻设备，代表了最先进的雕刻技术。使用 CNC雕刻技术和 CNC 雕刻机已经成为
3、雕刻行业的一种潮流。 2 二 、 主题部分 1. 国内外发展现状和发展方向 随着今年来我国制造业的迅速发展，数控雕刻机产业也获得了良好的发展，有效地促进了我国数控雕刻机的生产和推广应用。我国的数控雕刻机起步经济型数控机床，如上海洛克公司生产的啄木鸟数控雕刻机、北京槽雕公司生产精雕数控雕刻机和南京科能公司生产的威克数控雕刻机等。上述各类型雕刻机机床本体结构较为 简单，控制器大多借鉴国外新技术，采用基于高档的微控制或 PC 的数控系统，伺服部分以步进电机部分驱动为主，可获得中等控制精度，但价格比较便宜，因此整机的性价比较高，适用于精度要求不太高的普及应用场合对高精度的雕刻加工，目前我国尚以进口数控
4、雕刻机为主，如日本的全量等品牌的数控雕刻机。这类数控雕刻机机床本体设计刚度好、精度高、采用伺服电机驱动，加工精度高，控制系统功能全、可靠性好，但价格昂贵往往倍于国产产品，因此主要应用于模具等高精度加工场合。 2.现代雕刻机的结构形式 通过查阅相关资料，目前雕刻机基本布局形式通常有如 图所示的两种方案： 这两种布局都采用龙门式结构，雕刻机刚度均较高。 布局（ 1）方案中，工作台固定，雕刻头作横向和上下移动，立柱作纵向移动，该方案便于变形为不同纵向长度的雕刻机。由于工作台不动，承载能力好，适合加工较重的工件。在使用外伸支架支撑纵向长工件进行批量加工时，支点高度相同，故支架支撑调整方便。但雕刻头运动
5、精度较难保证且立柱移动较笨重。 布局（ 2）方案中，立柱固定，雕刻头作横向和上下移动，工作台作纵向移动。由于工作台移动，承载能力较布局（ 1）方案差。若设计所承载工件的较轻，这种布局方式所需电机功率 和电动件的尺寸较小，移动较轻便。在使用外伸支架支撑纵向长工件进行批量加工时，支点高度相同，故支架支撑调整方便，但支架结构较布局（ 1）方案略显复杂。该方案的最大优势在于雕刻头运动精度较易保证。 现代雕刻机的结构形式主要有以下四种： （ 1）双立臂 (龙门 )工作台移动结构 双立臂 (龙门 )工作台移动结构（图 1）最常见 ,它的特点 :成本较低 ,ups,稳定性容易控制 ,适合用来制作雕刻软金属及
6、其它非金属材料 . 图（ 1） （ 2）龙门移动结构 这种结构是也最为常见 ,这种结构的 特点 :工作时 X、 Y、 Z 三轴移动 ,被加工的工件原地不动 ,这就非常适合用来雕刻较重的材料 (比如钢铁、石材等 ,这是相对于工作台移动式结构来讲 ,主要和选用的零部件关系比较大 ). （ 3）单臂十字滑台结构 这种结构同样是随处可见的了 ,工业上使用的普遍是这种结构 (主要是数控雕铣 ),这种结构结实稳定 ,但加工及装配要求精度较高。 这种结构的重点在十字滑台的制作上 ,这种结构一般都是为了装功率较大的主轴电机 ,立臂的承重及整体刚性要求很高 . （ 4）十字滑台托臂结构 这种结构比较少见 ,雕刻
7、机 ,主要应用于某些专业加工领域或流水线作 业系统上 ,是专用的机型 . （ 5）天车移动结构 这种结构其实是龙门移动的演变体 ,本来主要用于超大型雕刻机 (比如木工雕刻机 ),现在有一些厂家也利用这种结构生产小型机 (NINI 机 ,这种结构在雕刻软金属或非金属板材方向有相当优秀的表现 .主要特点是 ,X 轴直接在两侧支撑梁上滑动 ,稳定性比龙门移动结构更好一些 . 3.雕刻机控制系统的发展 （ 1）嵌入式系统的研究 随着信息化、智能化、网络化的发展，数控雕刻机的应用越来越广泛，基于嵌入式系统的数控雕刻机也以多样化的形式迅速发展起来，专家提出了基于 ARM的数控雕刻机控制 系统的总体设计方案
8、，建立了基于 32 位微处理器 S3C44B0X的硬件平台及基于 IIOSC 操作系统的软件平台。控制系统采用模块化设计，主要模块包括：控制核心 CPU 模块、存储器模块、调试接口模块、数据传输模块、人机交互模块、电机控制模块。研究 USB 主机系统，实现了对 U 盘的读写操作；研究了微处理器 S3C44B0X 的 PWM 工作原理以及交流伺服电机的工作原理、控制方法，提出了基于 PWM 方式的电机控制方法，系统应用软件采取模块化设计，由IIOSC 操作系统完成各任务之间的管理调度，实现相应的控制功能。 3 （ 2）基于 USB 总线的数控雕刻机控制系统的研究 随着 PC 技术的迅速发展，其在
9、工业控制领域得到广泛应用。用 PC 技术开发的数控系统可以得到强有力的硬件和软件支持，避开专业技术的制约，在较短时间内达到较高水平。 USB 自问世以来，就以其速度快、成本低廉等诸多优点占领了 PC 及其外围设备市场。随着大量支持 USB 的个人电脑的普及， USB 逐步成为PC 机的标准接口已经是大势所趋。专家研究 了一种基于 USB 接口进行数据传输和控制的数控雕刻机的软硬件设计方案：利用 PC 主机强大的运算功能，迅速运算出刀具所运动轨迹的脉冲信息序列，并将这些脉冲信息序列通过 USB 总线发往USB 设备，由于上层客户程序的运算速度是远远大于底层单片机实现这些脉冲序列的速度的，基本上客
10、户软件都是在等待 USB 设备芯片数据缓冲区的数据被单片机读出了一部分才发出了数据，所以不会存在因为底层单片机等待脉冲信息传输到来而破坏系统控制的连续性的情况。此系统采用 USB 传输，无需外加存储器来存储 G 代码，只要改变单片机内的循环缓冲区的大小，就能 适应不同的加工速度要求的数控系统，由于各种插补运算在上层客户软件实现，可以应用于较复杂的数控系统中。 4 （ 3）基于 PC 机并口的激光雕刻机控制系统的研究 激光雕刻机是近年来发展起来的一种典型的光、机、电一体化产品，并已广泛应用于广告制作及包装等行业。目前，国内市场上多进口激光雕刻机，但价格偏高。专家研究基于 PC 机并口的激光雕刻机
11、控制系统，利用计算机并口进行控制不仅成本较低、实现较简单，而且数据传输高效、可靠，另外，还能够配合VC 等面向对象编程语言编制操作界面，实现良好的人机交互。利用计算机并行接口控 制激光雕刻机可以将主从式结构的控制系统改进为单机系统，省去了下位机。利用上位机闲置未用的并行接口，通过分时处理的方式实现各种数控功能，从而大大减少系统的硬件开销，且简单易行。在编制控制软件时，可以采用 VC等面向对象编程语言中嵌汇编的编程方式，这样不仅具有友好的人机交互界面，且实时性更高。利用 Pentium 系列处理器进行插补运算，速度和精度明显高于单片型下位机。 5 三 、 总结 与传统的铣削加工方式相比， CNC
12、 雕刻在工艺实现方法上有较大的特色，主要为精雕细刻、形态丰富、小区域型的加工，加工中所用刀具主要为“小 尺寸”刀具。因而其应用特色为：文字、文章、图案的加工：薄壁件产品加工；小型精密工件的加工；小型复杂曲面、艺术浮雕曲面的加工；复杂形面、薄壁、小孔、窄缝等特殊工件的加工等。 6 由于 CNC 雕刻使用的是小刀具进行精细雕刻，采用的是高精度、高转速的主轴电机，我们认为， CNC 雕刻技术还应具有更广阔的应用前景，如在先进制造技术领域中的超高速加工技术、微机械加工制造等方面具有较好的前景。 参考文献： 1姜培刚，机电一体化系统设计， 机械工业出版社 ， 2003 2吴慧兰计算机数控雕刻技术及其应用
13、前景 J机械设计与制造 2007, 01 3李付军基于 ARM 的数控雕刻机控制系统研究与设计 D合肥工业大学， 2006 4王欢 ; 吕盼稂 ; 竺长安基于 USB 总线的数控雕刻机控制系统设计 J组合 机床与自动化加工技术 , 2006 年 , 02 5马世典 ; 尹志强 ; 薛峰 ; 黄海鸿基于 PC 并口的激光雕刻机控制系统的研究 设计 J机床与液压 , 2004,12 6吴慧兰计算机数控雕刻技术及其应用前景 J机械设计与制造 2007, 01 7 彭丹丹高速高精度数控雕刻机控制技术的研究 D合肥工业大学 , 2005 8 徐晗 ; 罗良玲 ; 舒宏庭 ; 王洪花五轴联动数控陶瓷雕刻机
14、的研究与开发 J中国陶瓷 , 2007,12 9 李庆华 ; 姜会文 ; 邱书波立体雕刻机控制器的开发和研制 J组合机床 与自动化加工技术 , 2003,01 10 Ale Gorki, Drago Kovai and Janez Diaci. Analysis of sonic waves generated during laser engraving of printed circuits J The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2009, 11 Peter Butala, Ivan Vengust, Rok Vrabi and Lovro Kuer Virtual Manufacturing Work Systems J Manufacturing Systems and Technologies for the New Frontier, 2008
