基于MACH3的CNC雕刻機申報材料

1、編號：_2015年桂林電子科技大學(xué)第十四屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽校內(nèi)重點項目立項申報材料項目名稱：基于MACH3的CNC雕刻機申報學(xué)院：桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院項目申報成員：李橋鳴、葉茂添 二一四年十一月桂林電子科技大學(xué)第十四屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽重點項目申報書、申報者認真閱讀此說明各項內(nèi)容后按要求詳細填寫。、申報者必須填寫申報者情況表和作品情況表。、申報者在填寫申報作品情況時只須根據(jù)作品類別（自然科學(xué)類學(xué)術(shù)論文、社會科學(xué)類社會調(diào)查報告和學(xué)術(shù)論文、科技發(fā)明制作）分別填寫。、表內(nèi)項目一律用鋼筆（或簽字筆）填寫或打印，字跡要端正、清楚，此申報書可復(fù)制。、序號

2、、編碼由“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)作品競賽審查組填寫。、作品申報書字體統(tǒng)一使用宋體小四，標題加粗；作品說明書、學(xué)術(shù)論文、社會調(diào)查報告及所附的有關(guān)材料必須是中文，請根據(jù)模板統(tǒng)一字體格式（包括一級標題、二級標題、正文、圖標、參考文獻等）。、作品申報書須按要求由各參賽者認真填寫。、有關(guān)參賽事宜請向承辦單位咨詢。、該申請書打印稿交與組委會，另需向承辦單位指定郵箱發(fā)送一份電子檔。A、申報者情況申 報 者 情 況姓名李橋鳴性別男出生年月1995.8現(xiàn)學(xué)歷A A大學(xué)本科 B碩士研究生申報單位桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院專業(yè)電子信息工程學(xué)號1300220619學(xué)制 4 年作品全稱基于MACH3的CNC雕刻機合

3、 作 者 情 況姓名性別學(xué)號電話所在單位備注葉茂添男130023042715296806397有無合作者請在此說明： 有 無說明：1、必須有申報者本人按要求填寫，申報者情況欄內(nèi)必須填寫個人作品的第一作者（承擔(dān)申報作品60%以上的工作者）或集體作品填寫一文學(xué)歷最高的代表。2、本部分中的各學(xué)院簽章視為對申報者情況的確認。B、科技發(fā)明制作 申報作品情況作品全稱作品分類（在選項上畫）A. 信息技術(shù)(包括計算機.電信.通信.電子等)B. 機械與控制(包括機械、儀器儀表、自動化控制、工程、交通、建筑等)C.數(shù)理(包括數(shù)學(xué)、物理、地球與空間科學(xué)等)D生命科學(xué)(包括生物、食品等)E.能源化工(包括能源、材料、

4、生態(tài)、環(huán)保等)F.外觀設(shè)計(包括電腦藝術(shù)設(shè)計、機械CAD等)作品設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標CNC雕刻機是由計算機進行自動化控制的機器，利用MACH3專業(yè)數(shù)控軟件控制，由外部步進電機驅(qū)動電路接收脈沖信號并驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，從而控制機器的精確運轉(zhuǎn)，可以實現(xiàn)數(shù)控加工。傳動方式是利用絲桿傳動，由步進電機帶動絲桿，由于步進電機的角度可以精確控制，故帶動絲桿傳動的直線距離就可以精確的控制。整個控制過程由MACH3軟件來完成，外部電路只負責(zé)接收信號并驅(qū)動電機，從實現(xiàn)CNC控制。作品的科學(xué)性先進性(必須說明與現(xiàn)有技術(shù)相比.該作品是否有突出的實質(zhì)性技術(shù)特點和顯著進步。請?zhí)峁┘夹g(shù)性說明

5、和參考文獻資料)CNC機床有別于傳統(tǒng)的人工編程操作的機床。傳統(tǒng)的機床需要人為編程，花費大量的時間，而且一旦需要加工的零件復(fù)雜，編程工作就很繁瑣，而且容易出錯，效率不高。CNC機床是利用計算機控制，只要畫好圖紙，利用軟件生成刀路，再導(dǎo)入MACH3進行控制，就可以實現(xiàn)高效率的自動加工。由于刀路的生成和控制都由計算機來完成，大大提高了效率，而且可以加工出傳統(tǒng)機床所無法加工的復(fù)雜零件?！緟⒖嘉墨I】【1】 羅奇亮， 馬保吉基于 Mach3 軟件的經(jīng)濟型三維機械式雕刻機開發(fā). 西安工業(yè)大學(xué) 工業(yè)中心【2】 龔志遠小型 CNC雕刻機設(shè)計. 華東交通大學(xué), 南昌【3】 王黨利, 寧生科, 馬寶吉基于 TB65

6、60 的步進電機驅(qū)動電路設(shè)計. 西安工業(yè)大學(xué) 工業(yè)中心作品所處階段A實驗階段 B 中試階段 C 生產(chǎn)階段 D_(自填) 作品所展示的形式 實物 產(chǎn)品 模型圖紙 磁盤現(xiàn)場 演示圖片 樣品 錄像 使用說明及該作品的技術(shù)特點和優(yōu)勢,提供該產(chǎn)品的適應(yīng)范圍及推廣前景的技術(shù)性說明及市場分析和經(jīng)濟效益預(yù)測CNC機床的使用首先需要在電腦上畫好你要加工的零件的圖紙，有了圖紙之后利用ARTcam、UG等軟件生成刀路也就是G代碼，得到了G代碼就可以導(dǎo)入MACH3數(shù)控軟件進行加工了。整個過程都是利用計算機完成，不再需要傳統(tǒng)手工編程，復(fù)雜而繁瑣。除了加工機械零件外，還可進行浮雕，文字的雕刻，直接在軟件里輸入文字或灰度圖

7、就可以直接生成G代碼了，這是手工編程所無法達到的。而且可以利用AltiumDesigner等專業(yè)的PCB軟件生成的加工文件加工出PCB，這樣就可以免去傳統(tǒng)的打印，腐蝕，人工打孔的繁瑣過程，而且也不會出現(xiàn)斷線的情況，大大節(jié)約了實驗室人員的開發(fā)時間，提高效率。學(xué)習(xí)機械制作的學(xué)生可以利用CNC雕刻機快速的加工出自己想要的零件，學(xué)電子的學(xué)生可以利用雕刻機制作PCB，對于其他用戶來說可以用來加工浮雕，廣告，文字的制作，加工工藝品，市場很大，推廣范圍廣。這是利用木板完成的樣機雕刻機的試雕的作品專利申報情況 提出專利申報申報號_ 申報日期： 年 月 日 已獲專利權(quán)批準批準號_批準日期： 年 月 日 未提出專

8、利申請說明: 1、必須由申報者本人填寫；2、本表可以附有研究報告,并提供圖表、曲線、實驗數(shù)據(jù)、原理結(jié)構(gòu)圖、外觀圖(照片),也可以附鑒定證書和應(yīng)用證書；3、作品分類請按照作品發(fā)明或創(chuàng)新點所在類別填表。2015年桂林電子科技大第十四屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽校內(nèi)重點項目立項作品說明書目 錄一、數(shù)控技術(shù)的簡介及發(fā)展現(xiàn)狀81.高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢82.五軸聯(lián)動加工和復(fù)合加工機床快速發(fā)展93.智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢9二、數(shù)控機床的原理101.機械原理102.軟件控制10三、制作與調(diào)試101.三維建模102.加工及組裝123.刀路的生成及仿真134

9、.最終雕刻實驗15四、升級與改進16五、市場用途與推廣16一、數(shù)控技術(shù)的簡介及發(fā)展現(xiàn)狀在數(shù)控機床中，電主軸通常采用變頻調(diào)速方法。主要有普通變頻驅(qū)動和控制、矢量控制驅(qū)動器的驅(qū)動和控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制三種控制方式。普通變頻為標量驅(qū)動和控制，其驅(qū)動控制特性為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動，輸出功率和轉(zhuǎn)速成正比。普通變頻控制的動態(tài)性能不夠理想，在低速時控制性能不佳，輸出功率不夠穩(wěn)定，也不具備C軸功能。但價格便宜、結(jié)構(gòu)簡單，一般用于磨床和普通的高速銑床等。矢量控制技術(shù)模仿直流電動機的控制，以轉(zhuǎn)子磁場定向，用矢量變換的方法來實現(xiàn)驅(qū)動和控制，具有良好的動態(tài)性能。矢量控制驅(qū)動器在剛啟動時具有很大的轉(zhuǎn)矩值，加之電主軸本身結(jié)構(gòu)簡單，

10、慣性很小，故啟動加速度大，可以實現(xiàn)啟動后瞬時達到允許極限速度。這種驅(qū)動器又有開環(huán)和閉環(huán)兩種，后者可以實現(xiàn)位置和速度的反饋，不僅具有更好的動態(tài)性能，還可以實現(xiàn)C軸功能；而前者動態(tài)性能稍差，也不具備C軸功能，但價格較為便宜。直接轉(zhuǎn)矩控制是繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來的又一種新型的高性能交流調(diào)速技術(shù)，其控制思想新穎，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔明了，更適合于高速電主軸的驅(qū)動，更能滿足高速電主軸高轉(zhuǎn)速、寬調(diào)速范圍、高速瞬間準停的動態(tài)特性和靜態(tài)特性的要求，已成為交流傳動領(lǐng)域的一個熱點技術(shù)。數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，他對國計民生的

11、一些重要行業(yè)（IT、汽車、輕工、醫(yī)療等）的發(fā)展起著越來越重要的作用，因為這些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。從世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面：1.高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢效率、質(zhì)量是先進制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術(shù)研究會將其列為5大現(xiàn)代制造技術(shù)之一，國際生產(chǎn)工程學(xué)會將其確定為21世紀的中心研究方向之一。在轎車工業(yè)領(lǐng)域，年產(chǎn)30萬輛的生產(chǎn)節(jié)拍是40秒/輛，而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點問題之一；在航空和宇航工業(yè)領(lǐng)域，其加工的零部件多為薄壁和薄

12、筋，剛度很差，材料為鋁或鋁合金，只有在高切削速度和切削力很小的情況下，才能對這些筋、壁進行加工。采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來制造機翼、機身等大型零件來替代多個零件通過眾多的鉚釘、螺釘和其他聯(lián)結(jié)方式拼裝，使構(gòu)件的強度、剛度和可靠性得到提高。這些都對加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要求。從EMO2001展會情況來看，高速進給速度可達80m/min，甚至更高，空運行速度可達100m/min左右，世界上許多汽車廠，包括我國的上海通用汽車公司，已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機床。美國CINCINNATI公司的HyperMach機床進給速度最大達60m/min，快速為100m/

13、min，加速度達2g，主軸轉(zhuǎn)速已達60000r/min。加工一薄壁飛機零件，只用30min，而同樣的零件在一般高速銑床加工需3h，在普通銑床加工需8h；德國DMG公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達12*1000r/mm和1g。在加工精度方面，普通級數(shù)控機床的加工精度已由10m提高到5m，精密級加工中心則從35m，提高到11.5m，并且超精密加工精度已開始進入納米級(0.01m)。在可靠性方面，國外數(shù)控裝置的MTBF值已達6 000h以上，伺服系統(tǒng)的MTBF值達到30000h以上，表現(xiàn)出非常高的可靠性。為了實現(xiàn)高速、高精加工，與之配套的功能部件如電主軸、直線電機得到了快速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進

14、一步擴大。2.五軸聯(lián)動加工和復(fù)合加工機床快速發(fā)展采用5軸聯(lián)動對三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進行切削，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。一般認為，1臺5軸聯(lián)動機床的效率可以等于2臺3軸聯(lián)動機床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進行高速銑削淬硬鋼零件時，5軸聯(lián)動加工可比3軸聯(lián)動加工發(fā)揮更高的效益。但過去因5軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)、主機結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因，其價格要比3軸聯(lián)動數(shù)控機床高出數(shù)倍，加之編程技術(shù)難度較大，制約了5軸聯(lián)動機床的發(fā)展。當(dāng)前由于電主軸的出現(xiàn)，使得實現(xiàn)5軸聯(lián)動加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡化，其制造難度和成本大幅度降低，數(shù)控系統(tǒng)的價格差距縮小。因此促進了復(fù)合主軸頭類型5軸聯(lián)動機床和復(fù)

15、合加工機床（含5面加工機床）的發(fā)展。在EMO2001展會上，新日本工機的5面加工機床采用復(fù)合主軸頭，可實現(xiàn)4個垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5軸加工可在同一臺機床上實現(xiàn)，還可實現(xiàn)傾斜面和倒錐孔的加工。德國DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次裝夾下5面加工和5軸聯(lián)動加工，可由CNC系統(tǒng)控制或CAD/CAM直接或間接控制。3.智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢21世紀的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過程的自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動生成；為提高驅(qū)動性能及使用連接

16、方便的智能化，如前饋控制、電機參數(shù)的自適應(yīng)運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程、智能化的人機界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。二、數(shù)控機床的原理1.機械原理CNC雕刻機由計算機，雕刻機控制器，雕刻機主機三部分組成。工作原理：是通過計算機內(nèi)配置的專用雕刻軟件進行設(shè)計和排版，并由計算機把設(shè)計與排版的信息自動傳送至雕刻機控制器中，再由控制器把這些信息轉(zhuǎn)化成能驅(qū)動步進電機或伺服電機的帶有功率的信號(脈沖串)，控制雕刻機主機生成X，Y，Z三軸的雕刻走刀路基徑。同時，雕刻機上的高速旋轉(zhuǎn)雕刻頭，通過按加工材質(zhì)配置的刀具，

17、對固定于主機工作臺上的加工材料進行切削，即可雕刻出在計算機中設(shè)計的各種平面或立體的浮雕圖形及文字，實現(xiàn)雕刻自動化作業(yè)。2.軟件控制雕刻機多種數(shù)據(jù)輸入模式根據(jù)需要游刃有余。它可以兼容以色列的Castmate、英國的ARTCAM、法國的TYP3、北京文泰等國內(nèi)外先進的雕刻軟件，還可以兼容精雕機ENG格式的JD軟件。雕刻機圓弧優(yōu)化指令能根據(jù)加工工件的特點自動消除速度振紋。傳統(tǒng)的CNC控制系統(tǒng)常常存在以下問題:曲線速度比直線速度慢，曲線精度比直線差，做三維浮雕時機器抖動非常厲害且速度慢，精度差等。本控制系統(tǒng)的應(yīng)用徹底解決了這一難題，既提高了加工效率(加工時間可縮短30%-300%)，又可以消除速度振紋

18、，提高加工質(zhì)量。雕刻機采用加寬高精度圓柱形直線導(dǎo)軌，穩(wěn)定性好，精度高。加工行程大于160毫米，高于其他設(shè)備，特別適合制作吸塑模具，承攬半成品加工等，使得工作不像其他雕刻機那樣僅僅局限對PVC，亞克力等加工。雕刻機在加工過程中，可以動態(tài)調(diào)整加工深度。在加工過程中，可以動態(tài)調(diào)整加工速度和入刀速度。雕刻機完全由卡特自行設(shè)計的嵌入式CNC控制器，可在惡劣環(huán)境中使用。工業(yè)標準的總線結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。三、制作與調(diào)試1.三維建模這臺機子由于是樣機，所以采用的是竹菜板做的機架，相比普通木板，竹菜板的強度、硬度，防腐性能更佳。整個機子除了光軸、絲桿和軸承外，其他零部件和機架全部采用竹板自制。3軸的傳動電機為57的加長步進電機，在高速的同時確保了扭力滿足要求。雕刻主軸為普通的300W直流電機，傳動絲桿為普通的三角絲桿，M6,1mm螺距。三維建模軟件用的是大名鼎鼎的SolidWorks 畫好圖紙，對整個機器進行建模2.加工及組裝 最終完成整機如下3.刀路的生成及仿真控制軟件采用的是專業(yè)數(shù)控軟件M