雕刻機(jī)的文獻(xiàn)綜述(學(xué)習(xí)工科的本科生可直接使用)

1、南玄靂建諾專業(yè)文獻(xiàn)綜述題目:數(shù)控小型雕刻機(jī)的發(fā)展綜述姓名：#學(xué)院：南農(nóng)工學(xué)院專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化班級(jí)：機(jī)制86學(xué)號(hào)：3318618指導(dǎo)教師：#職稱：教授2012年3月28日南京農(nóng)業(yè)大學(xué)教務(wù)處制數(shù)控小型雕刻機(jī)的發(fā)展綜述作者：#指導(dǎo)教師：#摘要：本文對(duì)數(shù)控加工設(shè)備小型雕刻機(jī)的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀以及應(yīng)用前景進(jìn)行了簡要的概述， 分析了機(jī)電一體化、信息化、互聯(lián)網(wǎng)、集成化、智能化等技術(shù)對(duì)于機(jī)械加工設(shè)備的重要性； 其次，介紹了小型雕刻機(jī)這一類數(shù)控加工設(shè)備在不同領(lǐng)域應(yīng)用的特點(diǎn)；最后簡要說明了對(duì) 小型雕刻機(jī)的研制，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。關(guān)鍵詞：小型雕刻機(jī)；數(shù)控；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；運(yùn)動(dòng)學(xué)分析An overview

2、of development of the CNC Small EngravingMachineAuthor: Che n JizhaoIn structor: Zhong Gaoya nAbstract： In this paper the development history of small carving machine, current situation and application prospect were reviewed, analyzes the importanee of electromechanical integration, information, the

3、 internet and integration, intelligence for the Machinery Equipment. In the next place,we recommended the characteristics of small carving machine in different fields of applicati on. Fin ally, a briefly prese ntatio n of the developme nt of small carv ing machi ne, the structure desig n and kin ema

4、tics an alysis were made.Key words: Small Engraving Machine; Numerical Control; Structure Design; Kinematics An alysis前言：雕刻機(jī)的根源是機(jī)床，機(jī)床又是制造機(jī)器的機(jī)器，人類步向文明的過程中，工 業(yè)的生產(chǎn)和國家社會(huì)的建設(shè)，無一不需要這稱為工作母機(jī)的機(jī)床。因而，與同組同學(xué)共同研制小型雕刻機(jī)，有助于了解機(jī)床的歷史與發(fā)展，牢記其對(duì)推動(dòng)人類文明進(jìn)程所作出的 不可比擬的貢獻(xiàn)。雕刻機(jī)有許多不同領(lǐng)域的應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)也有相應(yīng)的設(shè)計(jì)，本課題針對(duì)諸多不同應(yīng)用提 出各種合理有效的理論結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選擇其中一

5、種進(jìn)行三維建模、分析計(jì)算和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析， 為同類數(shù)控設(shè)備的結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)及改進(jìn)打下一定的基礎(chǔ)。當(dāng)今，數(shù)控領(lǐng)域的技術(shù)日趨成熟，小型雕刻機(jī)的應(yīng)用也逐漸滲透到各行各業(yè)當(dāng)中，而 能根據(jù)需求定制合理有效的產(chǎn)品是對(duì)企業(yè)或是個(gè)人最大的貢獻(xiàn)，因此，小型雕刻機(jī)的修改 或改裝在一定程度上為具有一定能力的群體或個(gè)人提供實(shí)際參考 。1小型雕刻機(jī)的發(fā)展歷史及應(yīng)用前景1.1小型雕刻機(jī)在國內(nèi)外的發(fā)展歷史十八世紀(jì)末，莫茲利決定使用機(jī)械工具來協(xié)助生產(chǎn)，之后的十六年，發(fā)明了精密的工 具機(jī)，新式機(jī)床從此誕生了。從十八世紀(jì)中葉工業(yè)革命開始，外國幾乎一直是機(jī)械工業(yè)的 領(lǐng)導(dǎo)者。其成熟的理論、雄厚的教育，是科技進(jìn)步的助推器。強(qiáng)大的研發(fā)實(shí)力使

6、雕刻機(jī)的 不僅在結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)，也在運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、仿真等方面取得豐碩成績，在功能、應(yīng)用領(lǐng)域 等方面也有深入的研究與實(shí)際的應(yīng)用。機(jī)電一體化產(chǎn)品當(dāng)中，雕刻機(jī)是典型的一例，其技術(shù)是隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展而逐漸得 到發(fā)展的。雕刻機(jī)本是銑床的縮小化產(chǎn)品。面對(duì)多樣化的市場和個(gè)性化的需求，小型雕刻 機(jī)也逐漸被細(xì)分化。盡管不同領(lǐng)域有著相異的應(yīng)用，但就技術(shù)而言，趨于集成化。故而，從宏觀的方面來說，跨領(lǐng)域技術(shù)的集成，推動(dòng)著各領(lǐng)域的發(fā)展。反過來，各領(lǐng)域的技術(shù)有 了長足的發(fā)展與進(jìn)步，便會(huì)促進(jìn)跨界的合作。在數(shù)控領(lǐng)域，除了西門子(Siemens)法蘭克(FANUC)、法格(Fagor)、臺(tái)灣寶元等系統(tǒng)，還有諸多國內(nèi)經(jīng)過吸收而進(jìn)

7、行開發(fā)或二次開發(fā) 的數(shù)控系統(tǒng)。小型雕刻機(jī)應(yīng)用廣泛，根據(jù)不同的應(yīng)用其原理也有多種，主要的有激光、電 子以及雕銑機(jī)。 Q 激光可以進(jìn)行金屬材料、陶瓷和橡膠等非金屬材料表面文字、圖形及圖 像的雕刻 2。德國的 AABACH 公司開發(fā)了 DIGRA 系統(tǒng)，針對(duì)于數(shù)字式電子雕刻機(jī) 3在印 刷中的凹印方面的應(yīng)用。我國雕刻機(jī)市場上，有諸多的國內(nèi)外品牌，經(jīng)過多年的發(fā)展，形成了北京精雕、南京 四開等品牌，與國外的日本牧野、森精機(jī)以及美國哈斯的競爭。這些公司無論是在設(shè)計(jì)、 制造，還是其雕刻質(zhì)量，都具有非常成熟的的技術(shù)，但對(duì)于中小型企業(yè)及個(gè)人來說，其產(chǎn) 品高昂的價(jià)格在一定程度上阻礙了雕刻機(jī)技術(shù)的應(yīng)用推廣。這也正是目

8、前小型雕刻機(jī)迅速 在中小型企業(yè)和個(gè)人之間得以發(fā)展的原因之一。雕刻機(jī)在印刷領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使得雕刻 機(jī)雕刻頭的研究也變得廣泛起來。張策 4在杭州包裝工程上發(fā)表的文章中介紹了常用 的電雕系統(tǒng)雕刻頭的結(jié)構(gòu)原理和特點(diǎn)，包括轉(zhuǎn)動(dòng)式和直動(dòng)式電磁鐵，同時(shí)概述了正在研究 的壓電陶瓷雕刻頭。日本牧野 5在 FANUC 數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了二次開發(fā)，控制系統(tǒng) 增加了獨(dú)特的功能， 不僅縮短了工時(shí)， 也保證了工件在高速加工的條件下精確的形狀精度。 此外，開發(fā)的高速主軸和 CAD/CAM 具有熱變形小、振動(dòng)小以及適合小刀具加工的特點(diǎn)。 而北京的精雕 6針對(duì)小刀具，同樣開發(fā)了專業(yè)的高速電主軸以及精雕專用的數(shù)控系統(tǒng) JD

9、45,并且，有效集成了 CAD/CAM軟件JDPaint,能夠直接將零件表面加工成鏡面級(jí)的 表面質(zhì)量。不僅如此，集光、機(jī)、電于一體的激光雕刻機(jī)則預(yù)示著雕刻技術(shù)的當(dāng)代以及未 來的發(fā)展方向。激光雕刻機(jī)不僅精度高、加工效率高和切縫窄且光滑 7，激光光筆更是與 工件無接觸、不會(huì)劃傷工件表面 , 保證了工件的加工質(zhì)量。對(duì)于雕刻機(jī)在傳統(tǒng)的木工領(lǐng)域 內(nèi)，吳善旺 8歷經(jīng) 3 年，通過不懈的努力，靠過硬的能力自主研發(fā)用于四軸木工立體雕刻 機(jī)刻系統(tǒng)，并開發(fā)了專用的軟件。更重要的是，這兩大發(fā)明均申請(qǐng)了專利。他發(fā)明的用于 雕刻人體塑像、佛像、仿古雕刻、夾具、石頭等的大型旋轉(zhuǎn)立體雕刻機(jī)、多頭旋轉(zhuǎn)雕刻機(jī)、 小型 1-12

10、 頭旋轉(zhuǎn)數(shù)控雕刻機(jī)，解決了高難度產(chǎn)品建模、工藝品加工行業(yè)、佛像工藝品行業(yè) 效率不高等的難題。電腦雕刻行業(yè)的發(fā)展，正是向著以市場細(xì)分為導(dǎo)向，規(guī)?；到y(tǒng)操 作人性化、簡潔化發(fā)展 9。1.2小型雕刻機(jī)在國內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景 雕刻機(jī)的基本要求一般都為功能完善、性能穩(wěn)定、價(jià)格合理，此外就是造型美觀了。行業(yè)用戶對(duì)雕刻機(jī)都有較高的性能、功能上的要求，因而，小企業(yè)或是個(gè)人，針對(duì)功能以 及性能都沒有很高要求的情況下，更適合使用經(jīng)濟(jì)性的小型雕刻機(jī)，這不僅可以學(xué)習(xí)到基 本的數(shù)控理論和實(shí)踐，同時(shí)也促進(jìn)著相關(guān)技術(shù)在更多用戶和個(gè)人間的應(yīng)用與推廣。正因?yàn)?如此，許多學(xué)者和專家都做著大量的相關(guān)工作。數(shù)控雕刻機(jī)綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

11、的開發(fā)，意味著 實(shí)踐機(jī)會(huì)的增多。 學(xué)者與企業(yè)之間距離也拉得更近， 相互促進(jìn)了學(xué)習(xí)。 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)包括機(jī)身、 移動(dòng)平臺(tái)、絲杠支撐件、主軸固定件、彈性聯(lián)軸器及電機(jī)固定六個(gè)任務(wù)10 。不僅如此，龔志遠(yuǎn)11面向中小型單位和個(gè)人用戶設(shè)計(jì)了一款小型雕刻機(jī)。該類型雕刻機(jī)主要用于加工鋁 鎂合金、工程塑料等非黑色金屬材料。除了機(jī)構(gòu)簡單、傳動(dòng)鏈短外，加工精度也能滿足個(gè) 別精度稍高的要求。針對(duì)用戶類型以及功能需求，該類型的小型雕刻機(jī)采用的是開環(huán)控制 系統(tǒng)，這樣不僅便于控制，還具有操作調(diào)試簡單、維護(hù)方便等的特點(diǎn)。目前，基于光、電、 機(jī)以及液等領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，許多的小型雕刻機(jī)集成度有了較大的提高，實(shí)現(xiàn)了跨界技術(shù) 的有效集成

12、、功能和性能得到了提高，能滿足精密加工、模具、平面圖形加工、廣告等行 業(yè)的諸多要求。小型雕刻機(jī)一般是參照銑床來設(shè)計(jì)，因?yàn)榈窨虣C(jī)本身是屬于銑床一類。但其自身也有 特點(diǎn)，其一就是小型化，功能和性能上的減少使得其結(jié)構(gòu)可以變得較為簡單。因而，其結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)通常也是按照一般經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，這也常能滿足結(jié)構(gòu)剛性和強(qiáng)度上的要求。直到1998年，NC應(yīng)用軟件解決方案才建立12，利用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。成立 了研發(fā)中心，在中歐是新興的軟件設(shè)計(jì)研發(fā)中心。國外的大型分析軟件，例如 ANSYS， 在結(jié)構(gòu)或是靜力學(xué)以及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析等方面，起到了相當(dāng)大的促進(jìn)作用。機(jī)構(gòu)的整體剛度強(qiáng)弱，將影響到小型雕刻機(jī)的加工精度。而機(jī)構(gòu)

13、局部剛度的提高，不 會(huì)使得整個(gè)機(jī)構(gòu)的動(dòng)剛度得到直接提高，而往往是使得對(duì)機(jī)床加工精度有較大影響的尺寸 敏感方向的響應(yīng)與預(yù)期的優(yōu)化目標(biāo)相反 13。如今，隨著軟件建模技術(shù)與接口技術(shù)的逐漸成 熟，模型的相關(guān)數(shù)據(jù)得到最大的完整的共享。較為成熟的大型的建模軟件如UG、Pro/Engineer、SolidWorks、SolidEdge、CATIA 等，其集成有相應(yīng)的分析模塊，且各建模軟 件之間都會(huì)有兼容的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，以達(dá)到數(shù)據(jù)通用共享、零轉(zhuǎn)換的目的。而機(jī)電液一體化系 統(tǒng)14仿真通常采用 ADAMS、AMESim、MATLAB、Pro/Engineer以及ANSYS來進(jìn)行協(xié)同 仿真。較之樣機(jī)試制與實(shí)驗(yàn)，仿真不僅

14、大大縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，也提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約 了成本，減少了不必要的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。仿真主要是用來進(jìn)行研究系統(tǒng)整體或是元件的靜動(dòng)力 學(xué)、穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)性能。仿真運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可以最快的速度得到優(yōu)化的設(shè)計(jì)模型。目前，各種 仿真技術(shù)得到了很大的發(fā)展， MATLAB 也作為一種優(yōu)秀的計(jì)算和仿真軟件， 在機(jī)器人技術(shù) 中得到了廣泛應(yīng)用 15，因而，可以預(yù)知，在小型雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，經(jīng)過仿真分析優(yōu)化過 的設(shè)計(jì)模型，更具可靠性與穩(wěn)定性，應(yīng)用也將更加廣泛。2 小型雕刻機(jī)的特點(diǎn)小型雕刻機(jī)是微型版的數(shù)控銑床，因?yàn)閺淖稚先ダ斫猓窨桃彩倾姷囊徊糠?。?duì)于大 型的銑床、雕刻機(jī)或是數(shù)控加工中心來說，加工的材料屬性也有一定的局限性，較為

15、軟質(zhì) 的如鋁鎂材料和銅材料，加工中存在著切削效率較低、表面質(zhì)量普遍不高等缺點(diǎn) 16。而小 型雕刻機(jī)采用有主軸電機(jī)結(jié)構(gòu)或是電主軸結(jié)構(gòu)兩種，且主軸可以具有較高的轉(zhuǎn)速，通?？?以達(dá)到一萬轉(zhuǎn)以上每分鐘的轉(zhuǎn)速。這樣在加工鋁、鎂以及銅等軟質(zhì)金屬的時(shí)候，由于高速 的切削運(yùn)動(dòng)可以使工件獲得較高的表面質(zhì)量，同時(shí)能夠顯著提高加工效率。根據(jù)數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)，小型雕刻機(jī)通常有工作臺(tái)移動(dòng)式和龍門移動(dòng)式兩種結(jié)構(gòu)。相關(guān) 研究經(jīng)驗(yàn)顯示， 工作臺(tái)移動(dòng)式的機(jī)械結(jié)構(gòu)具有相對(duì)較好的整體動(dòng)剛度， 承載工件重量較大。 而龍門移動(dòng)式結(jié)構(gòu)則在靈活性方面具有優(yōu)勢(shì)，其次在于雕刻頭運(yùn)動(dòng)精度較易保證 17。精密的雕銑機(jī)通常采用閉環(huán)控制，利用反饋控制系

16、統(tǒng) 18采集數(shù)據(jù)，輸進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行 數(shù)據(jù)信號(hào)處理，再輸出調(diào)節(jié)指令，給執(zhí)行器恰當(dāng)?shù)闹噶钚盘?hào)，完成反饋調(diào)節(jié)，能夠獲得很 高的控制精度以及加工質(zhì)量。根據(jù)小型雕刻機(jī)的用途及功能需求，其普遍用于一般性精度 要求加工，其次是限于成本的考慮。開環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)、調(diào)試維修都較為 方便，且其精度基本能滿足一般要求而價(jià)格經(jīng)濟(jì)合理。3 小型雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析擬研制一臺(tái)基于 Mach3 控制軟件的小型數(shù)控雕刻機(jī)。增強(qiáng)在機(jī)電一體化、系統(tǒng)控制、 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析等方面知識(shí)進(jìn)一層次的理解，提高實(shí)際動(dòng)手、操作、問題分析解 決與知識(shí)運(yùn)用的能力。分析其設(shè)計(jì)的主要參數(shù)為結(jié)構(gòu)的剛性、強(qiáng)度、穩(wěn)定性、可制造性

17、、可裝配性及維修簡 單等，同時(shí)結(jié)合項(xiàng)目本身功能需求不多，性能要求不強(qiáng)的研究性的目的，并考慮經(jīng)濟(jì)性等 因素，合理采用了鋁合金為機(jī)架的首選材料。采用同組同學(xué)設(shè)計(jì)的兩套方案，利用 Pro/Engineer5.0或是SolidWorks軟件建立虛擬樣機(jī)，根據(jù)模型的復(fù)雜程度，分析模型結(jié)構(gòu) 參數(shù)并設(shè)置相關(guān)參數(shù)，運(yùn)用Pro/E ngin eer5.0中的仿真模塊進(jìn)行仿真計(jì)算分析，得出計(jì)算結(jié) 果進(jìn)行分析。但是，有限元模型的建立，需要注意兩個(gè)問題 19，一是一個(gè)模型需要的準(zhǔn)確 程度，二是幾何信息從何而來。在“一種小型數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)”一文中，作 者利用SolidWorks建立了三維模型，運(yùn)用Ansys

18、Workbench對(duì)建立的模型機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜、 動(dòng)態(tài)特性分析與優(yōu)化 20，以使機(jī)床的固有頻率在激振頻率范圍以內(nèi)。本研究的小型雕刻機(jī) 機(jī)械結(jié)構(gòu)的元素及整體剛度也運(yùn)用 An sysWorkbe nch平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變與變形分析, 力爭得出合理有效的數(shù)據(jù)，為相關(guān)研究提供理論基礎(chǔ)。4 結(jié)束語 小型雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)研制需要根據(jù)用途恰當(dāng)?shù)剡x擇機(jī)架材料，剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性滿足 要求的前提下獲得好的經(jīng)濟(jì)性。目前，許多學(xué)者、學(xué)生、有志及愛好機(jī)械電子制作人士， 都有研究制作數(shù)控加工設(shè)備的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)與研究成果。網(wǎng)絡(luò)上諸多愛好者將各自的經(jīng)驗(yàn)分 享，一定程度上帶動(dòng)了周圍甚至無相關(guān)知識(shí)的愛好者投身其中，從而推動(dòng)數(shù)控及其相

19、關(guān)技 術(shù)的推廣。本文的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，從其一層面上以接近實(shí)驗(yàn)的仿真技術(shù)得到的數(shù) 據(jù)進(jìn)行分析，并研制樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)分析，以達(dá)到理論與實(shí)際相結(jié)合的目的。運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分 析中要解決的最重要的問題是工件加工過程中的過切與欠切、刀具與機(jī)床部件和工件夾具 之間的干涉碰撞 21。利用有限元分析方法，分析其數(shù)學(xué)求解原理，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行離散 化，進(jìn)而求解分析。仿真技術(shù)的運(yùn)用可以消除加工程序中的錯(cuò)誤，有效地檢查出工件加工 過程中可能存在的干涉，從而保證機(jī)床與人員的安全，提高加工效率，改善加工質(zhì)量，顯 著降低生產(chǎn)成本，對(duì)小型雕刻機(jī)應(yīng)用的各行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。參考文獻(xiàn)：1 2 林美珍，卞慰萱.YAG激光雕刻機(jī)

20、系列(J).科技開發(fā)動(dòng)態(tài)，2003(1):25.3 DIGRA 系統(tǒng)與數(shù)字式電子雕刻機(jī) (J), 印刷技術(shù) 2003(5):58.4 張策， 黃琪. 電子雕刻機(jī)雕刻頭研究現(xiàn)狀與發(fā)展 (J)， 杭州包裝工程 ， Vol.26 No2 2005:45-46.5 徐萍. CIMT2009 數(shù)控雕刻機(jī)展品簡評(píng) (J). 金屬加工 ， 2009(18):18-19.7 戴金躍基于工控機(jī)控制方式的CO2激光雕刻機(jī)的研究 J).鎮(zhèn)江高專學(xué)報(bào)，2010(4):26-288 安振國 .吳善旺 : 探尋雕刻的快捷方式 (J). 中國發(fā)明與專利 ，2011(4):94.9 張怡，陶駿.上海廣印展雕刻機(jī)、標(biāo)示廠商參展

21、的第一選擇(J).china sign association of equipmentsuppliers ， 2008:4-5.10 吳天強(qiáng) ，李軍.基于數(shù)控雕刻機(jī)的綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)(J). 威寧學(xué)院學(xué)報(bào) ， 2010(6):36.11 龔志遠(yuǎn) .小型雕刻機(jī)的設(shè)計(jì) (J). 組合機(jī)床與自動(dòng)化技術(shù) ， 2011(2):100-102.12 NC Software Applications Solutions (J).STRATEGIC DIRECTION，VOL.26 NO 11 2010:22-24.13 李士弘，寧生科，馬保吉等 . 一種小型數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) (J). 數(shù)字技術(shù)與機(jī)械加工工藝裝 備，2010(2):11-14.14 阮鴻雁 ， 陳建利 ， 陳俊強(qiáng)等 . 基于 SimMechaniics ?