基于pc机的小型雕刻机的设计【文献综述】

毕业设计开题报告机械设计制造及其自动化基于pc机的小型雕刻机设计1前言部分自从有了人类的社会活动以后，就有了雕刻这一行业，伴随着人类社会文明的发展，如今人们对雕刻业有了全新的认识，电脑雕刻加工的兴起与发展是时代发展的需要，电脑雕刻代替机械已是大势所趋。

在雕刻这一行业里，光有刻字机是产生不了多少的经济效益，所以必须增加新的业务，电脑雕刻加工就是目前理想的选择，虽然有些地区电脑雕刻加工业务量不是很多，但它是雕刻行业发展的必然趋势。

PC技术的迅速发展使其在各个工业控制领域得到广泛应用。

PC技术是现代社会最重要的生产力，无论是哪个领域，对PC技术进行纯熟渗透的运用必将推动行业更快更稳的发展及普及。

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雕刻机已经成为雕刻行业的一种潮流。

[2]针对不同的应用领域，所要求的雕刻机的性能各不相同。

本项目的目的就是利用PC机的并口等现有资源，提供一种低价，高效，简便的数控雕刻系统的解决方案。

在各类雕刻机价格昂贵的市场情况下，通过本项目的研究，为中小用户，尤其是个人用户提供低价的雕刻机，从而拓宽现有雕刻机的用户群，普及国内雕刻机。

2主题部分传统的雕刻加工业是一门技术性要求很高的手工技艺，雕刻品的质量上完全取决于雕刻师的技艺水平，所以生产的效率低、成本高、制品的随意性强、一致性差，严重制约了雕刻行业的发展。

这使得雕刻机的产生成为必然。

雕刻机的功能取决于其使用范围。

1938年世界第一台手动雕刻机在法国问世，1950年“嘉宝”生产出世界第一台真正意义的电动、可缩放比例的手动雕刻机。

随后美国、日本和法国等国也开始研制。

20世纪90年代，随着微电子技术的突飞猛进，直接推动微型计算机的快速发展。

微电子技术和微型计算机技术带动整个高技术群体飞速发展，从而使雕刻机产生了质的飞跃。

雕刻机完成了从2D——2.5D——3D 加工的变革，功能完善、性能稳定、造型美观和价格合理成为雕刻机研制的基本要求。

国外的雕刻机，如美国“雕霸”、法国“嘉宝”和日本“御牧”是此行业的佼佼者，但价格非常昂贵。

不管大小都在10万元各人民币以上。

近几年国内的雕刻机，北京“精雕”、上海“啄木鸟”在国内也有一定的市场，但价格也不菲。

雕刻机的应用在各行各业中的应用已日益广泛，然而国内市面上出现的雕刻机，虽然性能较好，但价格也非常昂贵。

普通的雕刻机都是万元以上，令一些小单位及个人用户望而却步。

因此，设计制造既能满足客户所需，又价格适中的雕刻机是市场需求。

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为经济型数控机床大多本体结构较为简单，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雕刻机为主。

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。

电脑雕刻机由计算机、雕刻机控制器、雕刻机主机三部分组成。

工作原理：通过计算机内配置的专用雕刻软件进行设计和排版，并由计算机把设计与排版的信息自动传送至雕刻机控制器中，再由控制器把这些信息转化成能驱动步进电机或伺服电机的带有功率的信号(脉冲串)，控制雕刻机主机生成X,Y,Z三轴的雕刻走刀路基径。

同时，雕刻机上的高速旋转雕刻头，通过按加工材质配置的刀具，对固定于主机工作台上的加工材料进行切削，即可雕刻出在计算机中设计的各种平面或立体的浮雕图形及文字，实现雕刻自动化作业。

[2]由于本项目的目的就是利用PC机的并口等现有资源，提供一种低价、高效、简便的数控雕刻系统的解决方案。

在各类雕刻机价格昂贵的市场情况下，通过本项目的研究，为中小用户，尤其是个人用户提供低价的雕刻机，从而拓宽现有雕刻机的用户群，普及国内雕刻机。

而小型数控雕刻机很好地满足了我们的要求。

首先小型数控雕刻机采用PC机直接进行数字控制，能进行高精度的三维自由曲面雕刻。

雕刻机与PC机通过USB接口连接，无需专用的数控系统，操作简便、界面友好、具有良好的开放性。

整个系统体积小、结构简单、很容易根据客户需求增加各种固定加工模式等功能定制。

市场前景广阔。

系统生产成本低、所需投资小。

小型雕刻机的基本设计思想主要有以下几点：（1）应用PC机的强大计算功能，将译码、刀补、插补、加减速控制等放在PC 上解决。

最后PC上形成的是各向步进电机的控制脉冲。

（2）应用PC机的并口直接输出各向步进电机的控制脉冲，以控制工作台的移动。

（3）步进电机的驱动采用集成的驱动芯片。

（4）通过限位开关以及各运动方向的使能开关来保证雕刻机的安全工作小型雕刻机的基本设计原则主要有以下几点：（1）在要求的性能指标下，对于各应用部件尽量选择成品以降低成本。

（2）产品设计得尽量的轻而小。

总体方案选择（1）雕刻机工作方式的选择运动方式一般有两种形式:一种是刀具既转动又进行三个方向的运动，另外一种方式是刀具只进行转动和垂直方向的上下运动，而工作台进行水平两个方向上的移动。

若采用第一种方式，则会因为三个方向的运动部件都集中在垂直升降机构上，容易造成整个机构重心过高，如果机构底座质量不足以承受雕刻过程中产生的振动，那就会影响雕刻的效果。

而且这样会造成整个机构体积过于庞大，不利于安装、搬运和维护。

（2）主要直线传动元件的选择直线传动元件一般有两种:同步带和丝杠。

因为同步带传动平稳，传动精度较高，目前的针式打印机和部分机械雕刻系统均采用同步带作为直线运动原件。

对于数控机床而言，直线传动机构都采用丝杠，因为丝杠传动精度高。

因此，在本项目中，采用丝杠为直线运动元件，可达到预期的目的。

而且丝杠作为标准件，只需按标准型号及尺寸进行设计和选用即可。

（3）PC机与机械传动机构的信号通讯方式的选择要开发通讯部分，就要进行硬件的开发，就是要在计算机与外设之间架设一座桥，进行物理连接。

要开发硬件，总的来说有两种途径:一条是自己动手开发标准的计算机接口卡，另一条途径是在现有的计算机硬件设备的基础上，稍加改进而利用已有的标准接口卡进行通讯。

在第一种方法中，需要自己设计接口电路，劳动量大，且在使用时要占用PC机的一个扩展槽;若使用第二种方法，不但设计简单、危险性小，而且节省计算机插槽空间。

因此本设计采用PC机的并口进行上下位机的通讯。

（4）总体方案的说明用户我们研制的软件导入在CAD软件中产生的G代码后，该软件将对G代码进行译码、刀补处理、速度预处理、插补运算，获得包含X-Y-Z三个方向配合运动需控制字节的数据文件，即为雕刻数据，然后将控制字节逐个向打印口输出，这样与打印口相连的X-Y-Z三个方向的步进电机就分别可以得到动作信号，从而带动各自的执行机构产生动作。

3总结部分本作品是基于计算机做上位机进行控制的小型数控加工机床，在一定程度上体现了现在数控CNC技术的发展普及。

雕刻机的X、Y工作台是购买的成品，这样做降低了制作难度，同时也节约了时间。

主轴动力部分的动力源采用直流步进电机，具有驱动简单和调速容易的优点。

步进电机是一种精密电机，可接受数字脉冲并旋转相应的步数即可实现物体位移的精确控制，所以各轴丝杠的旋转均通过步进电机来实现。

步进电机的驱动芯片采用TA8435H，该芯片可以实现步进电机步数的八细分，进一步提高加工精度的细节，是连接PC机和雕刻机硬件的桥梁。

PC机的雕刻机控制软件采用match2，该软件可以将加工物体所需的刀路G代码转换为能够控制步进电机速度、步数和方向的脉冲信号，这样便实现了基于PC机的小型雕刻机。

雕刻机是未来的发展趋势：首先立体雕刻是未来的发展趋势。

许多广告行业的客户都经历过从手工刻字到使用电脑刻字机，机械代替了手工，电脑代替了人脑，字体标准规范同时又大大提高了生产效力，实现了一次质的飞跃。

现在，随着人们审美观的不断提高，三维立体的、彩色的图案更受到人们的欢迎，三维立体雕刻机就应运而生。

其次立体切割、雕刻利润丰厚雕刻，加工这一暴利行业正被人们所认知。

同时雕刻机具有投资少，见效快的特点。

再者雕刻加工范围广泛，发展前景广阔，雕刻加工涉及各行各业、分布很广，有礼品业、广告业、印章业、木器加工业、建筑业、艺术模型业、机械加工、工装模具等等。

可加工的材料也是非常广泛，包括金属、石材、PVC板、ABS板、亚克力、仿石材、橡皮、双色板、铝塑板等等各种材料。

随着人们对雕刻机的认识和掌握逐步加深，应用范围会得到不断扩大，应用水平也会逐步提高，雕刻加工必定会有更广阔的前景，基于PC机的小型雕刻机的设计运用已是大势所趋。

[1]4参考文献[1] 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[2] 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[3] 徐晗; 罗良玲; 舒宏庭; 王洪花．五轴联动数控陶瓷雕刻机的研究与开发[J]．中国陶瓷 , 2007,12[4] 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[5] 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[6] 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[7] 薛峰．基于PC并口的激光雕刻机控制系统研制[D]．尹志强, 2004[8] 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[9]王运炎.机械工程材料[J].机械工业出版社，2000[10]姜培刚；盖玉先.机电一体化系统设计[J].机械工业出版社，2003，09[11]陈日耀.金属切削原理[J].机械工业出版社,2002[12]乐兑谦.金属切削刀具[J].机械工业出版社,2001[13]王先逵.机械制造工艺学[J].机械工业出版社,1995[14] Aleš Gorkič, Drago Kovačič and Janez Diaci. Analysis of sonic waves generated during laser engraving of printed circuits [J]．The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2009,5 [15] Peter Butala, Ivan Vengust, Rok Vrabič and Lovro Kuščer．Virtual Manufacturing Work Systems [J]．Manufacturing Systems and Technologies for the New Frontier, 2008。