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基于单片机控制的雕刻机的设计学位论文.doc
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【基于单片机控制的雕刻机设计】 雕刻机,源于中国古代的艺术传统,经历了从手工雕刻到机械雕刻的漫长历程。1938年,法国"嘉宝"公司制造出了世界上第一台手动雕刻机,随后的技术进步使其发展为电动、可缩放比例的设备。20世纪90年代,微电子技术的飞速发展催生了微型计算机控制技术,推动了雕刻机向2D、2.5D、3D加工的转变,提高了加工精度、效率和美观度。 雕刻机的核心特点是机电一体化,通过电机驱动刀具实现主运动,步进电机控制进给运动,简化了机械结构,提高了传动效率。其优点包括: 1. 结构简化,精度提升:步进电机驱动减少机械传动链,降低了误差。 2. 精细高效:高速旋转铣削过程,能实现文字、图案的精细雕刻,效率远超手工。 3. 柔性自动化:单片机控制系统实现自动故障诊断、安全保护,以及加工的自动控制和数据处理。 4. 缩短研发周期,增强竞争力:使用高精度组件,提高产品可靠性,适应快速变化的市场需求。 当前,国内外市场上的雕刻机品牌众多,如日本的"牧野"、"森精机",法国的"嘉宝",美国的"雕霸"、"哈斯"等国际品牌,以及国内的北京"精雕"、南京"四开"、杭州"金科"、上海"啄木鸟"等,它们各自在市场中占据一定份额,但价格相对较高。 随着技术的进步,雕刻机的应用领域日益广泛,涵盖了广告业、工艺业、模具业、建筑业、印刷包装业、木工业、装饰业等多个行业,从大型建筑装饰到小型标识铭牌的加工,无处不在。单片机控制的雕刻机以其高精度、高效率和高灵活性,成为了现代工业生产中不可或缺的一部分。
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1 前言
1.1 雕刻机的概述
1.1.1 雕刻机的起源与现状[19]
雕刻在中国有着源远流长的历史, 1955 年在半坡遗址中出土的“人面网纹盆”,
可以算作中国古代雕刻的典型代表,与此相同或类似的彩陶盆,在临潼姜寨、宝鸡北
首岭等同类遗址中均有发现,总数已超过 10 例。绘有这种人面图案的彩陶盆已成为半
坡文化的典型标记。这些都是现代雕刻技术最原始的雏形,到了隋朝的时候,出现了
雕版印刷,经宋仁宗时的毕升发展、完善,产生了活字印刷,并由蒙古人传至了欧洲,
所以后人称毕升为印刷术的始祖。中国的印刷术是人类近代文明的先导,为知识的广
泛传播、交流创造了条件。印刷术先后传到朝鲜,日本,中亚,西亚和欧洲,由此,
活字印刷术也成为中国古代的四大发明之一,这里的刻字也应该属与雕刻的一种。随
着历史朝代变迁,各朝各代对雕刻技术都有继承和发展,这些都可以从近代中国古墓
发掘出土的大量的石雕、碑刻等略见一斑,随着时代的变迁,我国民间的雕刻艺术日
益精深,玉雕、象牙雕、红木雕、篆刻、泥人雕等手工雕刻技术都可堪称一绝。
中国机械雕刻的大发展时期始于上世纪 90 年代,随着 78 年中国改革开放政策的
实施,国内包括机械雕刻在内的各行各样都迎来了前所未有的发展机遇期,得益于机
械制造业飞速发展,机械雕刻领域也迎来了大发展机遇期,从最初的主要应用于手工
雕刻到刻字机、刻章机的出现,再到三维数控雕刻机的诞生,最后再到能够通过数控
系统控制实现五轴联动的雕刻机出现,而且被加工对象的种类类别也产生了巨大的变
化,由最初的刻章刻字转变为能够用来加工大到楼房等高大建筑物的装饰品,小到商
店商铺门前面的招牌,甚至于很多种类产品的标识铭牌的加工,涉及了广告业、工艺
业、模具业、建筑业、印刷包装业、木工业、装饰业等,雕刻机领域发生了翻天覆地
的变化,雕刻机已经渗透到我们生活的各个方面。
雕刻机(Engraving Plotter ),顾名思义就是这样一种能够被用来代替人力而实
现高质量、高精度、高效率工作运转的机器设备。世界上最早的一台手动操作的雕刻
机在 1938 年产生于法国的“嘉宝”。十多年后,也就是 1950 年,世界上第一台从真
正意义上能够实现电动、可缩放比例功能的手动雕刻机也在“嘉宝”被制造出来,随
后的几年里,法国、日本和美国等国也开始进入研制雕刻机国家的行列。进入 20 世
纪 90 年代,微电子技术取得了长足的发展,这就最直接的推动了微型计算机控制技
术的突飞猛进式的发展。微型计算机控制技术和微电子应用技术的组合带动了整个高
新技术群体领域的革命,让雕刻机从根本上发生了质的飞跃。雕刻机完成了从
2D->2.5D->3D 加工的变革,功能逐步完善、性能更加稳定、造型更加美观和价格更
加合理早已成为雕刻机研制最为基本的要求。
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国外雕刻机比较好的品牌,如日本“牧野”、日本“森精机”、法国“嘉宝”和美
国“雕霸”、美国“哈斯”等,它们在市场上占有很大的份额,但价格上都是比较昂
贵的。几乎每一台都在 10 万元人民币以上,近几年国内的雕刻机品牌也发展迅速,
北京“精雕”、南京“四开”、杭州“金科”、上海“啄木鸟”等在国内也有一定的市
场,但价格同样也是非常的昂贵。
图 1.1 雕刻机外形图
1.1.2 雕刻机的特点
雕刻机是一种非常典型的机电一体化设备,主运动系通过电机连接刀具实现刀具
运转、进给系统通过丝杠与步进电机连接实现进给运动,这样就省去了中间的机械传
动链,从而简化了机械结构并且提高了传递效率[11]。
1.结构简化,精度提高
雕刻机的的进给运动采用步进电机驱动,避免了采用很长的传动链,从而减少了
各传动链传动环节中的摩擦损耗、机械磨损以及配合误差等导致的系统传动误差。
2.精雕细刻,精确高效
主要表现在雕刻加工的文字、图案既清晰又精细、边缘光滑,制作效果和加工效
率均是手工雕刻所无法能够比拟的。这些特点能够在加工方式上得以充分体现,机械
雕刻机进行雕刻和切割加工的实质是高速度的旋转铣削过程。最高转速可达 20000 转
/分。主轴电机上雕刻加工刀具的安装方便灵活,可以使用弹簧夹具直接装夹在电机
的主轴上。由于主轴的运转精度高,弹簧夹头夹持对中性很好,因此刀具在装上后的
跳动非常的小,传动非常平稳、非常灵活,从而确保了刀具雕刻加工过程中的精确性
要求。
3.方便实现柔性自动化
在雕刻机系统中,采用单片机控制系统取代其他的信息处理和控制装置系统,不
仅易于实现系统的自动故障诊断与自我安全保护,而且还能够实现系统的自动控制调
节、信息数据处理计算、系统自动检测识别等,此外,计算机软硬件的结合实现了加
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工的柔性自动化,让雕刻机系统的灵活性大大提高。
4.产品的研发周期缩短,产品的竞争力增强
雕刻机的生产加工与制造可以采用高度专业化的、高精度的机电部件,不但可以
大大提高产品的可靠性,而且对加工的精度和使用寿命都具有极大的保证,从而缩短
了产品的开发周期,大大的增强了产品的市场竞争力水平。
雕刻机因为具有加工和制作速度很快、精度很高、工艺极为简便、污染非常小、
成本很低以及远远超越手工制作所能达到的立体效果等诸多优点而越来越广泛地受
到大众的欢迎,因此被广泛应用于金属加工和非金属加工制造的各个行业。
1.1.3 雕刻机的应用范围
随着人们对广告雕刻机的认识和掌握,应用范围和应用水平也会逐步提高,如今
雕刻机被越来越广泛的应用于很多领域,其中最主要的有以下几个领域,比如广告制
作行业、工艺礼品加工业、艺术模型制造业、木器加工行业、模具制造业等等。可以
被加工的材料包括亚克力、双色板板材、PVC 板、ABS 板、石材、仿石材、金属板材、
铝塑板等各很多种材料。
1.广告制作行业:雕刻、切割加工各类标识牌、座标牌、大理石、铜板材、字模
制作、字型加工,各类标志、商标等金属材料的加工。
2.工艺品制作行业:工艺品、纪念品上加工刻制各种类型的文字、图形、铁艺术
品加工雕刻、刻度盘的刻度加工。
3.模具制造业:建筑用模型、实物模型、烫金模型、电机、高周波模、微量射出
模、鞋模、徽章、压花模具,饼干、巧克力、糖果模具的加工制作。
4.印章雕刻行业:可在牛角、塑料板、有机材料板、板状木头材料、储置垫等材
料上方便地刻制印章。
5.装饰装潢制作业:用于装饰用立体字及图案的雕刻制作,各种纪念碑、个性化
的装饰物品的加工制作等。
6. 个性化礼品加工行业:可以加工启瓶盖器、金属名片、钥匙链的制作及各种
奖牌、奖盘、奖杯等纪念品,还可以用来加工各种名人纪念雕像的制作。
7. 汽车制造业:轮胎模具、车灯模具及装饰品模具加工。
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加工工艺品 装饰用品
建筑模型 飞机模型
印章制作 艺术品模具
图 1.2 雕刻机加工产品样品图
1.1.4 雕刻机的主要功能
[14]
雕刻机主要被用来去完成切(Cutting)、雕(Carving)、刻(Engraving)三种不同
的工作方式。其中“雕”工作方式需要通过三坐标一起联动控制的方式实现,主要用
途是用来加工空间物体的轮廓,因此,根据被拿来加工物体轮廓的形状及所使用的加
工刀具不同的形状可以划分为三维文字雕刻和浮雕雕刻两种不同的工作方式。而“切”
和“刻”这两种工作方式则是通过两坐标联动控制的方式来加以实现的,这两种不同
的工作方式都具有两坐标联动的刀具半径补偿功能以及插补运算功能。意思也就是说
无论在平面上所被加工零件的外形轮廓是由什么样子的线段所组成的,在加工的时候
都一定会通过采用一小段直线逐渐逼近的方法以最终获得所想要得到的曲线轮廓。而
平面图形的具体成形过程可以通过参照图 1.3 加以理解。下面再说说浮雕雕刻,常见
的浮雕雕刻是由三坐标综合控制而实现的两坐标联动加工过程,而在加工方式上采用
常见的“行切法”进行加工,这种类型的加工方式也通常被叫做两轴半控制,意思也
就是说通过 X 轴、Y 轴、Z 轴三个坐标轴中的任意两个坐标轴来完成插补运动,而余
下的另一坐标轴则会作周期性的进给运动。模拟过程可以如图 1.4 所示,在 Y 坐标轴
方向上可以分为若干个相互独立的小小的间段,雕刻刀头会顺着由 X 轴及 Z 轴所构成
的平面的曲线线条进行插补加工运动,当加工完了一小段距离后,会进行 Y 运动方向
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的进给,也就是沿着 Y 方向移动△Y 的距离,再进行另一条相邻曲线的加工,照着这
种简便的工作方式如此采用平面曲线逐步的逼近地方法来最终完成整个空间曲面的
加工。三维空间文字的雕刻加工工艺是通过三坐标控制得三坐标联动来实现的,如图
1.5 所示,也就是通过对雕刻路径曲线进行空间里的直线插补运算而加以实现的,三
维空间里文字的特定的艺术效果是通过更换不同形状的雕刻刀来实现的。
通过上述概括性的对雕刻机的“切”、“刻”、“雕”三种基本功能实现过程的详尽
分析,并且结合数控系统工作的原理,针对于雕刻机的不同工作方式下,为了实现坐
标连动控制的不同需要,我们可以最终得到这样的结论,雕刻机的数控系统的空间轮
廓控制系统应该采用三坐标控制三坐标联动的工作方式。这样才能够控制雕刻刀头
在 X 轴、Y 轴、Z 轴方向上的联动运动过程,从而最终实现各种加工所需要的要求。
不同工作方式原理图如下:
图 1.3 平面轮廓的成形 图 1.4 行切法加工空间轮廓 图 1.5 三坐标联动加工
1.2 雕刻机设计的内容
雕刻机的特点是它工作时 X、Y 轴移动速度较快,Z 轴行程较短,适合雕刻厚度
为 5mm—8mm 的材料,它适合做切削量很小的高速旋转的雕刻工艺制作,经雕刻机加
工的产品已经渗透到我们生活的方方面面,雕刻机主要用于零件表面打标、仪器仪表
盘的制作、企业标准化管理所必需的各种指示牌、标识牌、工号牌、生产流程图的制
作等,其中对雕刻机应用最多的还是用于板材的雕刻加工。
本设计内容应该包括机械本体及单片机控制系统,机械部分包括工作台的选型设
计;X、Y、Z 轴的传动系统设计,以及伺服电机型号的确定,采用精密滚珠丝杠传动。
控制方面包括单片机对步进电机的控制。
设计的雕刻机最终能够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),根据计算机传送来的指令,
线路板制作机的中央处理器根据运动控制原理,控制三个步进电机的转速、方向协调
工作,完成指令向计算机发送信号,通过信号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
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