小型雕刻機(jī)研制-方案設(shè)計(jì)與控制設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū),小型,雕刻,研制,方案設(shè)計(jì),控制,節(jié)制,設(shè)計(jì),說(shuō)明書(shū),仿單 小型雕刻機(jī)DIY現(xiàn)狀綜述 作者：XX 指導(dǎo)老師：XX 摘要：簡(jiǎn)單敘述了雕刻機(jī)的發(fā)展和分類?？偨Y(jié)了小型雕刻機(jī)機(jī)械部分的總體結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)方式、導(dǎo)軌的現(xiàn)狀。以系統(tǒng)的分類方法，詳細(xì)地講述了目前常用的基于Windows、DOS、Linux系統(tǒng)的用于小型雕刻機(jī)的CNC軟件，并簡(jiǎn)單敘述了不同軟件的優(yōu)缺點(diǎn)。簡(jiǎn)單介紹了下位機(jī)的工作原理、DIY難點(diǎn)以及目前主要的一些開(kāi)發(fā)商。最后分析了現(xiàn)在的幾個(gè)雕刻機(jī)DIY網(wǎng)站，包括他們的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。 關(guān)鍵詞：雕刻機(jī)、DIY、機(jī)械、CNC控制系統(tǒng) Summarization of Small?engraving machine?DIY Name：XX Teacher：XX Abstract：A brief description of the development and classification of the engraving machine.The status summary of the overall structure of the mechanical parts of the small engraving machine,transmission, rail. The classification of the system in detail about the advantages and disadvantages ofcurrently used for small engraving machine, CNC Software for Windows, DOS,Linux-based system, and a brief description of the different software.Brief bit machine works, theDIY difficulty some of the major developers.Finally, several engraving machine DIY website, including their advantages and disadvantages. Key words: engraving machine、DIY、Mechanical、CNC control system 前言 1938年世界上第一臺(tái)手動(dòng)雕刻機(jī)在法國(guó)“嘉寶”問(wèn)世，1950年“嘉寶”生產(chǎn)出第一臺(tái)電動(dòng)雕刻機(jī)。20世紀(jì)90年代，微電子技術(shù)大爆發(fā)，帶動(dòng)了一大批高新技術(shù)企業(yè)的發(fā)展，也助雕刻機(jī)完成了2Dà2.5Dà3D的變革[1]。經(jīng)過(guò)近80年的發(fā)展，目前雕刻機(jī)技術(shù)已經(jīng)非常成熟。21世紀(jì)初期，小型雕刻機(jī)技術(shù)的普及，使得小型雕刻機(jī)成為DIY愛(ài)好者的另一個(gè)熱衷項(xiàng)目。 1 雕刻機(jī)的分類 經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，雕刻機(jī)的產(chǎn)品已非常豐富，種類繁多。根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，我們可以把現(xiàn)有的雕刻機(jī)按如下方式分類。 按聯(lián)動(dòng)軸數(shù)不同：兩軸、三軸、四軸、五軸、六軸雕刻機(jī)。三軸、四軸雕刻機(jī)最為常見(jiàn)也最為實(shí)用，性價(jià)比也最高；兩軸的雕刻機(jī)現(xiàn)在基本上沒(méi)有再使用和生產(chǎn)；五軸、六軸的雕刻機(jī)適應(yīng)性最強(qiáng)，但價(jià)格特別高，通常用于特殊加工行業(yè)，加工自由曲面類零部件[2]。 按加工材料不同分為木材、石材、黑色金屬、非黑色金屬、塑料、玻璃、陶瓷加工雕刻機(jī)[3]。加工的材料不同，需要的切削力大小不同、可能達(dá)到的最高切削速度也不一樣，將會(huì)對(duì)雕刻機(jī)的控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有很大的影響。 按機(jī)械結(jié)構(gòu)不同分為串聯(lián)和并聯(lián)雕刻機(jī)。串聯(lián)結(jié)構(gòu)又分為龍門(mén)移動(dòng)式和工作臺(tái)移動(dòng)式兩種。串聯(lián)結(jié)構(gòu)就是傳統(tǒng)機(jī)床的結(jié)構(gòu)。拿三軸的雕刻機(jī)舉例來(lái)說(shuō)，Z軸的所有部件是跟著X軸的移動(dòng)而移動(dòng)的，Z軸在X方向上的位置是受X軸移動(dòng)部件限制的。并聯(lián)機(jī)構(gòu)是一種新型機(jī)構(gòu)，其顯著特點(diǎn)是一個(gè)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生若干個(gè)分支后續(xù)機(jī)構(gòu)，或者若干個(gè)分支機(jī)構(gòu)匯合于一個(gè)后續(xù)機(jī)構(gòu)、各個(gè)機(jī)構(gòu)的誤差不會(huì)累積[4]。圖1為典型串聯(lián)機(jī)床和并聯(lián)機(jī)床的示意圖： (a)串聯(lián)機(jī)床 (b)并聯(lián)機(jī)床 圖1 串聯(lián)機(jī)床與并聯(lián)機(jī)床的區(qū)別 按加工范圍的大小分為大型雕刻機(jī)、普通雕刻機(jī)、小型雕刻機(jī)。大型雕刻機(jī)通常用于大件產(chǎn)品的制作；小型雕刻機(jī)往往只在家庭或個(gè)人使用，普通雕刻機(jī)則用于一般的產(chǎn)品加工。 按主軸不同分為電主軸和非電主軸式雕刻機(jī)。 按驅(qū)動(dòng)電機(jī)不同分為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)式雕刻機(jī)。 按傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的不同分為滾珠絲杠傳動(dòng)和梯形絲桿傳動(dòng)式雕刻機(jī)。 2 小型雕刻機(jī)DIY機(jī)械部分現(xiàn)狀 關(guān)于小型雕刻機(jī)的機(jī)械部分，其總體結(jié)構(gòu)目前主要有兩種形式。一種是工作臺(tái)移動(dòng)式，即加工過(guò)程中，工件和刀具同時(shí)移動(dòng)，完成零部件的切削。此種結(jié)構(gòu)主要在早期的時(shí)候使用，現(xiàn)在用這一結(jié)構(gòu)的很少。另一種是龍門(mén)移動(dòng)式，加工過(guò)程中僅靠刀具運(yùn)動(dòng)就完成零部件的切削。例如羅奇亮和馬保吉在《基于Mach3軟件的經(jīng)濟(jì)型機(jī)械式雕刻機(jī)開(kāi)發(fā)》中研究的結(jié)構(gòu)就為龍門(mén)移動(dòng)式[5]。龍門(mén)移動(dòng)式是現(xiàn)在的主流設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)幾家有名的小型雕刻機(jī)公司目前的產(chǎn)品均為龍門(mén)移動(dòng)式，例如廣州鹿原、東莞航宇、景德鎮(zhèn)英菲賽、阿莫雕刻、雷珀科技公司都為這種結(jié)構(gòu)。 圖2 新型導(dǎo)軌 機(jī)械傳動(dòng)目前有三種形式。第一種是普通絲杠傳動(dòng)。成本低，有自鎖功能。例如阿莫雕刻的AMCNC-01[6]機(jī)型采用的就是這種方式。第二種是滾珠絲杠傳動(dòng)。傳動(dòng)精度高，阻力小。例如雷珀科技的6040Z+D[7]機(jī)型采用的就是這種方式。第三種是同步帶傳動(dòng)。隨著同步帶的強(qiáng)度、精度的提升而出現(xiàn)的一種傳動(dòng)方式。目前使用的較少。軸心自控的B200桌面機(jī)器人[8]為這種方式。 機(jī)械部分的導(dǎo)軌主要有2種形式。一種是采用直線軸承+圓柱導(dǎo)軌式。是目前小型雕刻機(jī)的主流導(dǎo)軌，大部分產(chǎn)品均采用這種形式。另一種是阿莫雕刻最近開(kāi)發(fā)的一種新型高速、重負(fù)荷導(dǎo)軌[9]。巧妙地使用類深溝球軸承與圓柱導(dǎo)軌配合。未進(jìn)行市場(chǎng)推廣，用的較少。如圖2。 3 小型雕刻機(jī)DIY控制部分現(xiàn)狀 控制部分通常包括上位機(jī)和下位機(jī)。在這里，上位機(jī)就是PC機(jī)，負(fù)責(zé)人機(jī)交互界面的管理和控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控等任務(wù)，如鍵盤(pán)和鼠標(biāo)的管理、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、控制指令的發(fā)送、外部信號(hào)的監(jiān)控、直線圓弧的插補(bǔ)、脈沖和方向信號(hào)的產(chǎn)生、原點(diǎn)和限位信號(hào)的檢測(cè)。而下位機(jī)是指接口板，主要負(fù)責(zé)脈沖信號(hào)的接收、放大和輸出、開(kāi)關(guān)信號(hào)的檢測(cè)及反饋[10]。目前可用于小型雕刻機(jī)控制的CNC系統(tǒng)很多，基本上是由正規(guī)公司編寫(xiě)的。它們中有些本身就是開(kāi)源免費(fèi)的，有些則是由網(wǎng)友破解的。我國(guó)有小部分愛(ài)好者嘗試編寫(xiě)過(guò)CNC系統(tǒng)，也有一定的成果，但最終真正共享出來(lái)大家共同開(kāi)發(fā)的目前還沒(méi)有。下面就國(guó)內(nèi)常用的，用于小型雕刻機(jī)DIY的CNC系統(tǒng)做綜合的敘述。 基于Windows系統(tǒng)的有Mach[11]、NCStudio[12]、KCam[13]、DeskCNC[14]、AVR-CNC[15]、USBCNC[16]軟件。其中Mach軟件最受歡迎，很多的下位機(jī)都基于這個(gè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。Mach最高支持六軸聯(lián)動(dòng)，控制精度能達(dá)到0.01mm，擁有良好的控制性能及友好的人機(jī)界面。NCStudio是一個(gè)國(guó)產(chǎn)控制系統(tǒng)，由上海維宏電子科技有限公司設(shè)計(jì)，經(jīng)網(wǎng)友破解后也很受歡迎，是唯一的一個(gè)可用于DIY的國(guó)產(chǎn)控制軟件，很多的控制卡也基于這個(gè)軟件開(kāi)發(fā)。KCAM是一個(gè)可以自由編輯打印機(jī)端口輸出的軟件，這對(duì)于開(kāi)發(fā)下位機(jī)非常方便，當(dāng)自己開(kāi)發(fā)下位機(jī)的時(shí)候往往用這個(gè)系統(tǒng)。DeskCNC有很強(qiáng)的兼容性，能工作在各種Windows系統(tǒng)下，基于９針的串口輸出。AVR-CNC基于ＡTMega8芯片設(shè)計(jì)的一個(gè)系統(tǒng)，具有構(gòu)建簡(jiǎn)單、擴(kuò)展容易的優(yōu)勢(shì)；而且Mega8直接控制電機(jī)，因此有更好的實(shí)時(shí)性。USBCNC是因現(xiàn)在的電腦都配USB接口，取消打印機(jī)并口而專門(mén)開(kāi)發(fā)的。目前破解、漢化并不完全，技術(shù)還不成熟，使用得較少。 基于DOS系統(tǒng)的有TurboCNC[17]、CStep[18]。由于DOS系統(tǒng)是單一任務(wù)的操作系統(tǒng)，每個(gè)軟件的運(yùn)行都是獨(dú)占CPU，因此有更高的實(shí)時(shí)性，在硬件跟不上的年代這點(diǎn)非常重要，對(duì)CNC系統(tǒng)的影響很大?，F(xiàn)在硬件的能力都很強(qiáng)，計(jì)算速度飛快，通常就忽略了這一點(diǎn)。TurboCNC的性能介于KCam和Mach之間，對(duì)硬件的要求低，最多支持８軸，完全免費(fèi)，不支持鼠標(biāo)操作，DOS界面一般，操作不方便。CStep軟件既可運(yùn)行于DOS，也可以在Windows下工作，在DOS下運(yùn)行比在Windows下運(yùn)行會(huì)更順暢，獲得更好的實(shí)時(shí)性。此軟件無(wú)需安裝，絕對(duì)綠色。不想用的時(shí)候只要把解壓出來(lái)的文件夾刪除即可，不會(huì)在其他地方殘留垃圾文件[7]。不過(guò)這個(gè)軟件從2004年以后就不再更新了。 基于Linux系統(tǒng)的有EMC2[19]。EMC（Enhanced Machine Controller，增強(qiáng)型機(jī)器控制器）是來(lái)源于NIST （National Institute of Standards and Technology，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院）90 年代早期開(kāi)始的一個(gè)項(xiàng)目。其目的是提供一個(gè)有效的途徑來(lái)驗(yàn)證用 PC 代替專用的 CNC控制器的可行性, 并最早在 Bridgeport 系列三軸機(jī)床上實(shí)現(xiàn)了其大部分控制功能。EMC充分發(fā)揮了 PC的硬實(shí)時(shí)特性和計(jì)算能力，在開(kāi)放的 PC 上實(shí)現(xiàn)了封閉昂貴的專用 CNC 控制器的功能，對(duì)現(xiàn)代開(kāi)放數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有著重要的影響[8]。要在Linux系統(tǒng)上用好EMC還應(yīng)具備一定的Linux知識(shí)。國(guó)內(nèi)Linux的普及還不夠，所以使用EMC的人比較少。不過(guò)EMC在學(xué)術(shù)研究中很受歡迎，有很多相關(guān)的論文。 上位機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的大腦。下位機(jī)則是連接控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的橋梁，在整個(gè)系統(tǒng)中具有非常重要的作用。 相對(duì)于上位機(jī)只是破解、安裝一些CNC軟件來(lái)說(shuō)，下位機(jī)的制作難度還是比較大的，需要具備一定的知識(shí)基礎(chǔ)。但下位機(jī)的原理比上位機(jī)簡(jiǎn)單得多。其基本原理是接口板通過(guò)打印機(jī)并口接收上位機(jī)的信息，并把這些信息傳送給各個(gè)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器再把這些信息放大，用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)。需要DIY的是接口板和驅(qū)動(dòng)器，比較困難的是接口板，它需要你清楚知道打印機(jī)并口的每一個(gè)針腳的功能。對(duì)于一般的CNC軟件，這些信息是在軟件內(nèi)部保密的，獲取需要一定的技巧?？梢宰约涸O(shè)置各個(gè)針腳的功能的控制軟件很少，目前知道的只有KCam一個(gè)，很多下位機(jī)DIY均基于這個(gè)軟件。驅(qū)動(dòng)器這一塊目前有很多的步進(jìn)電機(jī)專用控制芯片，功能很強(qiáng)大，外圍電路也比較簡(jiǎn)單，所以相對(duì)容易。下位機(jī)制作的另一個(gè)瓶頸在于PCB板的制作，包括電氣原理圖的繪制、PCB布線、蝕刻法制作PCB。目前接口板和驅(qū)動(dòng)器的原理圖都有開(kāi)源的，但真正能根據(jù)這些資料自己制作的還是很少，也就是因?yàn)楸贿@個(gè)瓶頸卡住。 基于以上原因，目前下位機(jī)的制作還主要靠一些專業(yè)人士或公司制作。DIY愛(ài)好者直接購(gòu)買(mǎi)他們的產(chǎn)品，調(diào)試使用即可。目前市場(chǎng)上的產(chǎn)品主要分為以下兩種，一種是接口板和驅(qū)動(dòng)器是分開(kāi)的，另一種則是兩者一體的。目前淘寶上賣(mài)下位機(jī)的商家很多，但品種不多，性能也大同小異。主要區(qū)別有以下幾點(diǎn)：控制軸數(shù)、驅(qū)動(dòng)的最高細(xì)分、輸出的控制電流、與電腦主板是否隔離。目前做下位機(jī)比較專業(yè)、產(chǎn)品較全，性價(jià)比較高的有以下幾家：東莞航宇、江西英菲賽、極平驅(qū)動(dòng)、寧波歌林、斯達(dá)普斯、深圳展翔、溫州通卡、珩源電子。 4 小型雕刻機(jī)DIY學(xué)術(shù)氛圍 國(guó)內(nèi)小型雕刻機(jī)的研究及發(fā)展主要靠幾個(gè)論壇。它們調(diào)動(dòng)了DIY愛(ài)好者的興趣和激情的同時(shí)，給他們提供積極的幫助和指導(dǎo)，對(duì)小型雕刻機(jī)DIY行業(yè)的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。目前比較活躍的論壇有以下幾家： 廣州鹿原電控器材廠論壇（www.luyuandk.com/bbs）：國(guó)內(nèi)最早做小型雕刻機(jī)的公司[9]。最早的小型雕刻機(jī)都是山寨鹿原的，鹿原在某種意義上來(lái)說(shuō)算是中國(guó)小型雕刻機(jī)DIY行業(yè)的發(fā)源地。不過(guò)鹿原的商業(yè)模式更趨于傳統(tǒng)，其公司的DIY論壇也是后來(lái)才建立的。其中對(duì)于DIY真正有用的資料很少 。 阿莫雕刻（www.ourdev.cn）：靠“阿莫”的團(tuán)隊(duì)支撐，商業(yè)氣氛比較濃。這個(gè)論壇的優(yōu)勢(shì)在于阿莫團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的機(jī)子都為了賣(mài)，技術(shù)較完善，而其中很多的技術(shù)資料阿莫都敢于開(kāi)源。認(rèn)真去看能學(xué)很多。 世紀(jì)模具論壇（www.21mould.net）：看站名就知道這個(gè)論壇的重點(diǎn)在于模具，其實(shí)這個(gè)論壇主要是關(guān)于雕刻機(jī)應(yīng)用方面的，例如雕刻程序的生成和編寫(xiě)。雕刻機(jī)DIY是2007年才開(kāi)的一個(gè)小版塊?？偟脕?lái)講這里DIY的氛圍不濃，但有很多有用的學(xué)習(xí)資料。 大海作坊（www.xyzdiy.com）：一個(gè)草根DIY社區(qū)，但卻是小型雕刻機(jī)DIY的天堂。里面有足夠的關(guān)于機(jī)械部分和控制部分的DIY資料。最新的基于USB接口的數(shù)控系統(tǒng)接口板的開(kāi)發(fā)就開(kāi)始于這里。 磁動(dòng)力論壇（www.cdle.net）：目前國(guó)內(nèi)最大的雕刻機(jī)DIY論壇，有很豐富的DIY資料和良好的DIY氛圍。 5 結(jié)論 從雕刻機(jī)DIY現(xiàn)狀來(lái)看，雖有10多年的歷史，但這個(gè)行業(yè)還未有太大的發(fā)展。目前的DIY主要為“復(fù)制式”，大家不斷地重復(fù)DIY同一個(gè)東西?！把邪l(fā)式”的DIY很缺乏，是今后的發(fā)展方向。 參考文獻(xiàn)： [1]周偉安.基于DSP的小型雕刻機(jī)全閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].廣州.華南理工大學(xué)，2011:1-4 [2]李榮泳，陳勇志，孫振忠. 基于Mach3軟件的經(jīng)濟(jì)型五軸雕刻機(jī)開(kāi)發(fā)[J].裝備制造技術(shù)，2011，1：77-85 [3]雕刻機(jī). http://baike.baidu.com/view/777785.htm [4]朱建國(guó).并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究[J].科協(xié)論壇，2010，9：94-95 [5]羅奇亮，馬保吉. 基于Mach3軟件的經(jīng)濟(jì)型機(jī)械式雕刻機(jī)開(kāi)發(fā)[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2009，6：184-187 [6] 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