雕刻机的文献综述（学习工科的本科生可直接使用）

专业文献综述

目: 名: 院: 业: 级: 号:

导教师: 数控小型雕刻机的发展综述 ##### 南农工学院 机械设计制造及其自动化 机制86 3318618

##### 职称: 教授

2012年3月28日

南京农业大学教务处制

题

姓 学 专

班学 指

数控小型雕刻机的发展综述

作者：### 指导教师：###

摘要：本文对数控加工设备小型雕刻机的发展历史、现状以及应用前景进行了简要的概述，分析了机电一体化、信息化、互联网、集成化、智能化等技术对于机械加工设备的重要性；其次，介绍了小型雕刻机这一类数控加工设备在不同领域应用的特点；最后简要说明了对小型雕刻机的研制，其结构设计和运动学分析。 关键词：小型雕刻机；数控；结构设计；运动学分析

An overview of development of the CNC Small Engraving

Machine

Author: Chen Jizhao Instructor: Zhong Gaoyan

Abstract：In this paper the development history of small carving machine, current situation and application prospect were reviewed, analyzes the importance of electromechanical integration, information, the internet and integration, intelligence for the Machinery Equipment. In the next place,we recommended the characteristics of small carving machine in different fields of application. Finally, a briefly presentation of the development of small carving machine, the structure design and kinematics analysis were made.

Key words: Small Engraving Machine; Numerical Control; Structure Design; Kinematics Analysis

前言：雕刻机的根源是机床，机床又是制造机器的机器，人类步向文明的过程中，工业的生产和国家社会的建设，无一不需要这称为工作母机[1]的机床。因而，与同组同学共同研制小型雕刻机，有助于了解机床的历史与发展，牢记其对推动人类文明进程所作出的不可比拟的贡献。

雕刻机有许多不同领域的应用，其结构也有相应的设计，本课题针对诸多不同应用提出各种合理有效的理论结构设计，选择其中一种进行三维建模、分析计算和运动学分析，为同类数控设备的结构分析、设计及改进打下一定的基础。

当今，数控领域的技术日趋成熟，小型雕刻机的应用也逐渐渗透到各行各业当中，而能根据需求定制合理有效的产品是对企业或是个人最大的贡献，因此，小型雕刻机的修改或改装在一定程度上为具有一定能力的群体或个人提供实际参考。 1 小型雕刻机的发展历史及应用前景

1.1小型雕刻机在国内外的发展历史

十八世纪末，莫兹利决定使用机械工具来协助生产，之后的十六年，发明了精密的工具机，新式机床从此诞生了。从十八世纪中叶工业革命开始，外国几乎一直是机械工业的领导者。其成熟的理论、雄厚的教育，是科技进步的助推器。强大的研发实力使雕刻机的不仅在结构分析、设计，也在运动学分析、仿真等方面取得丰硕成绩，在功能、应用领域等方面也有深入的研究与实际的应用。

机电一体化产品当中，雕刻机是典型的一例，其技术是随着数控技术的发展而逐渐得到发展的。雕刻机本是铣床的缩小化产品。面对多样化的市场和个性化的需求，小型雕刻机也逐渐被细分化。尽管不同领域有着相异的应用，但就技术而言，趋于集成化。故而，

从宏观的方面来说，跨领域技术的集成，推动着各领域的发展。反过来，各领域的技术有了长足的发展与进步，便会促进跨界的合作。在数控领域，除了西门子(Siemens)、法兰克(FANUC)、法格(Fagor)、台湾宝元等系统，还有诸多国内经过吸收而进行开发或二次开发的数控系统。小型雕刻机应用广泛，根据不同的应用其原理也有多种，主要的有激光、电子以及雕铣机。Q激光可以进行金属材料、陶瓷和橡胶等非金属材料表面文字、图形及图像的雕刻[2]。德国的AABACH公司开发了DIGRA系统，针对于数字式电子雕刻机[3]在印刷中的凹印方面的应用。

我国雕刻机市场上，有诸多的国内外品牌，经过多年的发展，形成了北京精雕、南京四开等品牌，与国外的日本牧野、森精机以及美国哈斯的竞争。这些公司无论是在设计、制造，还是其雕刻质量，都具有非常成熟的的技术，但对于中小型企业及个人来说，其产品高昂的价格在一定程度上阻碍了雕刻机技术的应用推广。这也正是目前小型雕刻机迅速在中小型企业和个人之间得以发展的原因之一。雕刻机在印刷领域的广泛应用，使得雕刻机雕刻头的研究也变得广泛起来。张策[4]在《杭州包装工程》上发表的文章中介绍了常用的电雕系统雕刻头的结构原理和特点，包括转动式和直动式电磁铁，同时概述了正在研究的压电陶瓷雕刻头。日本牧野[5]在FANUC数控系统的基础上进行了二次开发，控制系统增加了独特的功能，不仅缩短了工时，也保证了工件在高速加工的条件下精确的形状精度。此外，开发的高速主轴和CAD/CAM具有热变形小、振动小以及适合小刀具加工的特点。而北京的精雕[6]针对小刀具，同样开发了专业的高速电主轴以及精雕专用的数控系统JD45，并且，有效集成了CAD/CAM软件JDPaint，能够直接将零件表面加工成镜面级的表面质量。不仅如此，集光、机、电于一体的激光雕刻机则预示着雕刻技术的当代以及未来的发展方向。激光雕刻机不仅精度高、加工效率高和切缝窄且光滑[7]，激光光笔更是与工件无接触、不会划伤工件表面,保证了工件的加工质量。对于雕刻机在传统的木工领域内，吴善旺[8]历经3年，通过不懈的努力，靠过硬的能力自主研发用于四轴木工立体雕刻机刻系统，并开发了专用的软件。更重要的是，这两大发明均申请了专利。他发明的用于雕刻人体塑像、佛像、仿古雕刻、夹具、石头等的大型旋转立体雕刻机、多头旋转雕刻机、小型1-12头旋转数控雕刻机，解决了高难度产品建模、工艺品加工行业、佛像工艺品行业效率不高等的难题。电脑雕刻行业的发展，正是向着以市场细分为导向，规模化，系统操作人性化、简洁化发展[9]。

1.2小型雕刻机在国内外的应用现状及前景

雕刻机的基本要求一般都为功能完善、性能稳定、价格合理，此外就是造型美观了。行业用户对雕刻机都有较高的性能、功能上的要求，因而，小企业或是个人，针对功能以及性能都没有很高要求的情况下，更适合使用经济性的小型雕刻机，这不仅可以学习到基本的数控理论和实践，同时也促进着相关技术在更多用户和个人间的应用与推广。正因为如此，许多学者和专家都做着大量的相关工作。数控雕刻机综合实训平台的开发，意味着实践机会的增多。学者与企业之间距离也拉得更近，相互促进了学习。实训平台包括机身、移动平台、丝杠支撑件、主轴固定件、弹性联轴器及电机固定六个任务[10]。不仅如此，龚志远[11]面向中小型单位和个人用户设计了一款小型雕刻机。该类型雕刻机主要用于加工铝镁合金、工程塑料等非黑色金属材料。除了机构简单、传动链短外，加工精度也能满足个别精度稍高的要求。针对用户类型以及功能需求，该类型的小型雕刻机采用的是开环控制系统，这样不仅便于控制，还具有操作调试简单、维护方便等的特点。目前，基于光、电、机以及液等领域技术的发展，许多的小型雕刻机集成度有了较大的提高，实现了跨界技术的有效集成、功能和性能得到了提高，能满足精密加工、模具、平面图形加工、广告等行业的诸多要求。

小型雕刻机一般是参照铣床来设计，因为雕刻机本身是属于铣床一类。但其自身也有

特点，其一就是小型化，功能和性能上的减少使得其结构可以变得较为简单。因而，其结构设计通常也是按照一般经验进行相关计算，这也常能满足结构刚性和强度上的要求。

直到1998年，NC应用软件解决方案才建立[12]，利用无线网络进行数据的传输。成立了研发中心，在中欧是新兴的软件设计研发中心。国外的大型分析软件，例如ANSYS，在结构或是静力学以及运动学分析等方面，起到了相当大的促进作用。

机构的整体刚度强弱，将影响到小型雕刻机的加工精度。而机构局部刚度的提高，不会使得整个机构的动刚度得到直接提高，而往往是使得对机床加工精度有较大影响的尺寸敏感方向的响应与预期的优化目标相反[13]。如今，随着软件建模技术与接口技术的逐渐成熟，模型的相关数据得到最大的完整的共享。较为成熟的大型的建模软件如UG、Pro/Engineer、SolidWorks、SolidEdge、CATIA等，其集成有相应的分析模块，且各建模软件之间都会有兼容的数据标准，以达到数据通用共享、零转换的目的。而机电液一体化系统[14]仿真通常采用ADAMS、AMESim、MATLAB、Pro/Engineer以及ANSYS来进行协同仿真。较之样机试制与实验，仿真不仅大大缩短产品设计周期，也提高了生产效率，节约了成本，减少了不必要的设计错误。仿真主要是用来进行研究系统整体或是元件的静动力学、稳态及动态性能。仿真运动学分析可以最快的速度得到优化的设计模型。目前，各种仿真技术得到了很大的发展，MATLAB也作为一种优秀的计算和仿真软件，在机器人技术中得到了广泛应用[15]，因而，可以预知，在小型雕刻机的设计当中，经过仿真分析优化过的设计模型，更具可靠性与稳定性，应用也将更加广泛。 2 小型雕刻机的特点

小型雕刻机是微型版的数控铣床，因为从字上去理解，雕刻也是铣的一部分。对于大型的铣床、雕刻机或是数控加工中心来说，加工的材料属性也有一定的局限性，较为软质的如铝镁材料和铜材料，加工中存在着切削效率较低、表面质量普遍不高等缺点[16]。而小型雕刻机采用有主轴电机结构或是电主轴结构两种，且主轴可以具有较高的转速，通常可以达到一万转以上每分钟的转速。这样在加工铝、镁以及铜等软质金属的时候，由于高速的切削运动可以使工件获得较高的表面质量，同时能够显著提高加工效率。

根据数控铣床的结构，小型雕刻机通常有工作台移动式和龙门移动式两种结构。相关研究经验显示，工作台移动式的机械结构具有相对较好的整体动刚度，承载工件重量较大。而龙门移动式结构则在灵活性方面具有优势，其次在于雕刻头运动精度较易保证[17]。

精密的雕铣机通常采用闭环控制，利用反馈控制系统[18]采集数据，输进系统内部进行数据信号处理，再输出调节指令，给执行器恰当的指令信号，完成反馈调节，能够获得很高的控制精度以及加工质量。根据小型雕刻机的用途及功能需求，其普遍用于一般性精度要求加工，其次是限于成本的考虑。开环控制具有结构简单、易于实现、调试维修都较为

方便，且其精度基本能满足一般要求而价格经济合理。 3 小型雕刻机的结构设计与运动学分析

拟研制一台基于Mach3控制软件的小型数控雕刻机。增强在机电一体化、系统控制、结构设计以及运动学分析等方面知识进一层次的理解，提高实际动手、操作、问题分析解决与知识运用的能力。

分析其设计的主要参数为结构的刚性、强度、稳定性、可制造性、可装配性及维修简单等，同时结合项目本身功能需求不多，性能要求不强的研究性的目的，并考虑经济性等因素，合理采用了铝合金为机架的首选材料。采用同组同学设计的两套方案，利用Pro/Engineer5.0或是SolidWorks软件建立虚拟样机，根据模型的复杂程度，分析模型结构参数并设置相关参数，运用Pro/Engineer5.0中的仿真模块进行仿真计算分析，得出计算结果进行分析。但是，有限元模型的建立，需要注意两个问题[19]，一是一个模型需要的准确程度，二是几何信息从何而来。在“一种小型数控雕刻机机械结构优化设计”一文中，作

者利用SolidWorks建立了三维模型，运用AnsysWorkbench对建立的模型机械结构进行静、

[20]

动态特性分析与优化，以使机床的固有频率在激振频率范围以内。本研究的小型雕刻机机械结构的元素及整体刚度也运用AnsysWorkbench平台对其进行应力、应变与变形分析，力争得出合理有效的数据，为相关研究提供理论基础。 4 结束语

小型雕刻机的设计研制需要根据用途恰当地选择机架材料，刚度、强度、稳定性满足要求的前提下获得好的经济性。目前，许多学者、学生、有志及爱好机械电子制作人士，都有研究制作数控加工设备的相关经验与研究成果。网络上诸多爱好者将各自的经验分享，一定程度上带动了周围甚至无相关知识的爱好者投身其中，从而推动数控及其相关技术的推广。本文的结构设计与运动学分析，从其一层面上以接近实验的仿真技术得到的数据进行分析，并研制样机进行试验分析，以达到理论与实际相结合的目的。运动学仿真分析中要解决的最重要的问题是工件加工过程中的过切与欠切、刀具与机床部件和工件夹具之间的干涉碰撞[21]。利用有限元分析方法，分析其数学求解原理，根据实际情况进行离散化，进而求解分析。仿真技术的运用可以消除加工程序中的错误，有效地检查出工件加工过程中可能存在的干涉，从而保证机床与人员的安全，提高加工效率，改善加工质量，显著降低生产成本，对小型雕刻机应用的各行业的发展具有重要意义。

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专业文献综述成绩评阅表

学院 题目 南农工学院 专业 机械设计制造及其自动化 姓名 陈继炤 数控小型雕刻机的发展综述 指导教师意见(包括选题是否恰当、文字表达水平、论文的难度和创新性、参考文献质量、格式是否规范等方面，请使用钢笔书写或打印)： 论文评定成绩： 指导教师签名： 年 月 日

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