雕刻機的文獻綜述(學習工科的本科生可直接使用)

1、南玄靂建諾專業(yè)文獻綜述題目:數(shù)控小型雕刻機的發(fā)展綜述姓名：#學院：南農(nóng)工學院專業(yè)：機械設計制造及其自動化班級：機制86學號：3318618指導教師：#職稱：教授2012年3月28日南京農(nóng)業(yè)大學教務處制數(shù)控小型雕刻機的發(fā)展綜述作者：#指導教師：#摘要：本文對數(shù)控加工設備小型雕刻機的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀以及應用前景進行了簡要的概述， 分析了機電一體化、信息化、互聯(lián)網(wǎng)、集成化、智能化等技術對于機械加工設備的重要性； 其次，介紹了小型雕刻機這一類數(shù)控加工設備在不同領域應用的特點；最后簡要說明了對 小型雕刻機的研制，其結(jié)構(gòu)設計和運動學分析。關鍵詞：小型雕刻機；數(shù)控；結(jié)構(gòu)設計；運動學分析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：雕刻機的根源是機床，機床又是制造機器的機器，人類步向文明的過程中，工 業(yè)的生產(chǎn)和國家社會的建設，無一不需要這稱為工作母機的機床。因而，與同組同學共同研制小型雕刻機，有助于了解機床的歷史與發(fā)展，牢記其對推動人類文明進程所作出的 不可比擬的貢獻。雕刻機有許多不同領域的應用，其結(jié)構(gòu)也有相應的設計，本課題針對諸多不同應用提 出各種合理有效的理論結(jié)構(gòu)設計，選擇其中一

5、種進行三維建模、分析計算和運動學分析， 為同類數(shù)控設備的結(jié)構(gòu)分析、設計及改進打下一定的基礎。當今，數(shù)控領域的技術日趨成熟，小型雕刻機的應用也逐漸滲透到各行各業(yè)當中，而 能根據(jù)需求定制合理有效的產(chǎn)品是對企業(yè)或是個人最大的貢獻，因此，小型雕刻機的修改 或改裝在一定程度上為具有一定能力的群體或個人提供實際參考 。1小型雕刻機的發(fā)展歷史及應用前景1.1小型雕刻機在國內(nèi)外的發(fā)展歷史十八世紀末，莫茲利決定使用機械工具來協(xié)助生產(chǎn)，之后的十六年，發(fā)明了精密的工 具機，新式機床從此誕生了。從十八世紀中葉工業(yè)革命開始，外國幾乎一直是機械工業(yè)的 領導者。其成熟的理論、雄厚的教育，是科技進步的助推器。強大的研發(fā)實力使

6、雕刻機的 不僅在結(jié)構(gòu)分析、設計，也在運動學分析、仿真等方面取得豐碩成績，在功能、應用領域 等方面也有深入的研究與實際的應用。機電一體化產(chǎn)品當中，雕刻機是典型的一例，其技術是隨著數(shù)控技術的發(fā)展而逐漸得 到發(fā)展的。雕刻機本是銑床的縮小化產(chǎn)品。面對多樣化的市場和個性化的需求，小型雕刻 機也逐漸被細分化。盡管不同領域有著相異的應用，但就技術而言，趨于集成化。故而，從宏觀的方面來說，跨領域技術的集成，推動著各領域的發(fā)展。反過來，各領域的技術有 了長足的發(fā)展與進步，便會促進跨界的合作。在數(shù)控領域，除了西門子(Siemens)法蘭克(FANUC)、法格(Fagor)、臺灣寶元等系統(tǒng)，還有諸多國內(nèi)經(jīng)過吸收而進

7、行開發(fā)或二次開發(fā) 的數(shù)控系統(tǒng)。小型雕刻機應用廣泛，根據(jù)不同的應用其原理也有多種，主要的有激光、電 子以及雕銑機。 Q 激光可以進行金屬材料、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)，針對于數(shù)字式電子雕刻機 3在印 刷中的凹印方面的應用。我國雕刻機市場上，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、森精機以及美國哈斯的競爭。這些公司無論是在設計、 制造，還是其雕刻質(zhì)量，都具有非常成熟的的技術，但對于中小型企業(yè)及個人來說，其產(chǎn) 品高昂的價格在一定程度上阻礙了雕刻機技術的應用推廣。這也正是目

8、前小型雕刻機迅速 在中小型企業(yè)和個人之間得以發(fā)展的原因之一。雕刻機在印刷領域的廣泛應用，使得雕刻 機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，包括轉(zhuǎn)動式和直動式電磁鐵，同時概述了正在研究 的壓電陶瓷雕刻頭。日本牧野 5在 FANUC 數(shù)控系統(tǒng)的基礎上進行了二次開發(fā)，控制系統(tǒng) 增加了獨特的功能， 不僅縮短了工時， 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、振動小以及適合小刀具加工的特點。 而北京的精雕 6針對小刀具，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的 表面質(zhì)量。不僅如此，集光、機、電于一體的激光雕刻機則預示著雕刻技術的當代以及未 來的發(fā)展方向。激光雕刻機不僅精度高、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、不會劃傷工件表面 , 保證了工件的加工質(zhì)量。對于雕刻機在傳統(tǒng)的木工領域 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、多頭旋轉(zhuǎn)雕刻機、 小型 1-12

10、 頭旋轉(zhuǎn)數(shù)控雕刻機，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，正是向著以市場細分為導向，規(guī)?；?，系統(tǒng)操 作人性化、簡潔化發(fā)展 9。1.2小型雕刻機在國內(nèi)外的應用現(xiàn)狀及前景 雕刻機的基本要求一般都為功能完善、性能穩(wěn)定、價格合理，此外就是造型美觀了。行業(yè)用戶對雕刻機都有較高的性能、功能上的要求，因而，小企業(yè)或是個人，針對功能以 及性能都沒有很高要求的情況下，更適合使用經(jīng)濟性的小型雕刻機，這不僅可以學習到基 本的數(shù)控理論和實踐，同時也促進著相關技術在更多用戶和個人間的應用與推廣。正因為 如此，許多學者和專家都做著大量的相關工作。數(shù)控雕刻機綜合實訓平臺

11、的開發(fā)，意味著 實踐機會的增多。 學者與企業(yè)之間距離也拉得更近， 相互促進了學習。 實訓平臺包括機身、 移動平臺、絲杠支撐件、主軸固定件、彈性聯(lián)軸器及電機固定六個任務10 。不僅如此，龔志遠11面向中小型單位和個人用戶設計了一款小型雕刻機。該類型雕刻機主要用于加工鋁 鎂合金、工程塑料等非黑色金屬材料。除了機構(gòu)簡單、傳動鏈短外，加工精度也能滿足個 別精度稍高的要求。針對用戶類型以及功能需求，該類型的小型雕刻機采用的是開環(huán)控制 系統(tǒng)，這樣不僅便于控制，還具有操作調(diào)試簡單、維護方便等的特點。目前，基于光、電、 機以及液等領域技術的發(fā)展，許多的小型雕刻機集成度有了較大的提高，實現(xiàn)了跨界技術 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。小型雕刻機一般是參照銑床來設計，因為雕刻機本身是屬于銑床一類。但其自身也有 特點，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)設計通常也是按照一般經(jīng)驗進行相關計算，這也常能滿足結(jié)構(gòu)剛性和強度上的要求。直到1998年，NC應用軟件解決方案才建立12，利用無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)的傳輸。成立 了研發(fā)中心，在中歐是新興的軟件設計研發(fā)中心。國外的大型分析軟件，例如 ANSYS， 在結(jié)構(gòu)或是靜力學以及運動學分析等方面，起到了相當大的促進作用。機構(gòu)的整體剛度強弱，將影響到小型雕刻機的加工精度。而機構(gòu)

13、局部剛度的提高，不 會使得整個機構(gòu)的動剛度得到直接提高，而往往是使得對機床加工精度有較大影響的尺寸 敏感方向的響應與預期的優(yōu)化目標相反 13。如今，隨著軟件建模技術與接口技術的逐漸成 熟，模型的相關數(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，其集成有相應的分析模塊，且各建模軟 件之間都會有兼容的數(shù)據(jù)標準，以達到數(shù)據(jù)通用共享、零轉(zhuǎn)換的目的。而機電液一體化系 統(tǒng)14仿真通常采用 ADAMS、AMESim、MATLAB、Pro/Engineer以及ANSYS來進行協(xié)同 仿真。較之樣機試制與實驗，仿真不僅

14、大大縮短產(chǎn)品設計周期，也提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約 了成本，減少了不必要的設計錯誤。仿真主要是用來進行研究系統(tǒng)整體或是元件的靜動力 學、穩(wěn)態(tài)及動態(tài)性能。仿真運動學分析可以最快的速度得到優(yōu)化的設計模型。目前，各種 仿真技術得到了很大的發(fā)展， MATLAB 也作為一種優(yōu)秀的計算和仿真軟件， 在機器人技術 中得到了廣泛應用 15，因而，可以預知，在小型雕刻機的設計當中，經(jīng)過仿真分析優(yōu)化過 的設計模型，更具可靠性與穩(wěn)定性，應用也將更加廣泛。2 小型雕刻機的特點小型雕刻機是微型版的數(shù)控銑床，因為從字上去理解，雕刻也是銑的一部分。對于大 型的銑床、雕刻機或是數(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 16。而小 型雕刻機采用有主軸電機結(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)金屬的時候，由于高速 的切削運動可以使工件獲得較高的表面質(zhì)量，同時能夠顯著提高加工效率。根據(jù)數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)，小型雕刻機通常有工作臺移動式和龍門移動式兩種結(jié)構(gòu)。相關 研究經(jīng)驗顯示， 工作臺移動式的機械結(jié)構(gòu)具有相對較好的整體動剛度， 承載工件重量較大。 而龍門移動式結(jié)構(gòu)則在靈活性方面具有優(yōu)勢，其次在于雕刻頭運動精度較易保證 17。精密的雕銑機通常采用閉環(huán)控制，利用反饋控制系

16、統(tǒng) 18采集數(shù)據(jù)，輸進系統(tǒng)內(nèi)部進行 數(shù)據(jù)信號處理，再輸出調(diào)節(jié)指令，給執(zhí)行器恰當?shù)闹噶钚盘枺瓿煞答佌{(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格經(jīng)濟合理。3 小型雕刻機的結(jié)構(gòu)設計與運動學分析擬研制一臺基于 Mach3 控制軟件的小型數(shù)控雕刻機。增強在機電一體化、系統(tǒng)控制、 結(jié)構(gòu)設計以及運動學分析等方面知識進一層次的理解，提高實際動手、操作、問題分析解 決與知識運用的能力。分析其設計的主要參數(shù)為結(jié)構(gòu)的剛性、強度、穩(wěn)定性、可制造性

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

18、Workbench對建立的模型機械結(jié)構(gòu)進行靜、 動態(tài)特性分析與優(yōu)化 20，以使機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 機械結(jié)構(gòu)的元素及整體剛度也運用 An sysWorkbe nch平臺對其進行應力、應變與變形分析, 力爭得出合理有效的數(shù)據(jù)，為相關研究提供理論基礎。4 結(jié)束語 小型雕刻機的設計研制需要根據(jù)用途恰當?shù)剡x擇機架材料，剛度、強度、穩(wěn)定性滿足 要求的前提下獲得好的經(jīng)濟性。目前，許多學者、學生、有志及愛好機械電子制作人士， 都有研究制作數(shù)控加工設備的相關經(jīng)驗與研究成果。網(wǎng)絡上諸多愛好者將各自的經(jīng)驗分 享，一定程度上帶動了周圍甚至無相關知識的愛好者投身其中，從而推動數(shù)控及其相

19、關技 術的推廣。本文的結(jié)構(gòu)設計與運動學分析，從其一層面上以接近實驗的仿真技術得到的數(shù) 據(jù)進行分析，并研制樣機進行試驗分析，以達到理論與實際相結(jié)合的目的。運動學仿真分 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)學求解原理，根據(jù)實際情況進行離散 化，進而求解分析。仿真技術的運用可以消除加工程序中的錯誤，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，對小型雕刻機應用的各行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。參考文獻：1 2 林美珍，卞慰萱.YAG激光雕刻機

20、系列(J).科技開發(fā)動態(tài)，2003(1):25.3 DIGRA 系統(tǒng)與數(shù)字式電子雕刻機 (J), 印刷技術 2003(5):58.4 張策， 黃琪. 電子雕刻機雕刻頭研究現(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)控雕刻機展品簡評 (J). 金屬加工 ， 2009(18):18-19.7 戴金躍基于工控機控制方式的CO2激光雕刻機的研究 J).鎮(zhèn)江高專學報，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、標示廠商參展

21、的第一選擇(J).china sign association of equipmentsuppliers ， 2008:4-5.10 吳天強 ，李軍.基于數(shù)控雕刻機的綜合實訓平臺設計(J). 威寧學院學報 ， 2010(6):36.11 龔志遠 .小型雕刻機的設計 (J). 組合機床與自動化技術 ， 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)控雕刻機機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計 (J). 數(shù)字技術與機械加工工藝裝 備，2010(2):11-14.14 阮鴻雁 ， 陳建利 ， 陳俊強等 . 基于 SimMechaniics ?