小型雕刻機DIY現(xiàn)狀綜述.doc

專業(yè)文獻綜述題 目: 小型雕刻機DIY現(xiàn)狀綜述 姓 名: 學(xué) 院: 工學(xué)院 專 業(yè): 機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè) 班 級: 機制86 學(xué) 號: 指導(dǎo)教師: 職稱: 教授 2012年04月10日南京農(nóng)業(yè)大學(xué)教務(wù)處制小型雕刻機DIY現(xiàn)狀綜述作者：黃攀 指導(dǎo)老師：仲高艷摘要：簡單敘述了雕刻機的發(fā)展和分類?？偨Y(jié)了小型雕刻機機械部分的總體結(jié)構(gòu)、傳動方式、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)的用于小型雕刻機的CNC軟件，并簡單敘述了不同軟件的優(yōu)缺點。簡單介紹了下位機的工作原理、DIY難點以及目前主要的一些開發(fā)商。最后分析了現(xiàn)在的幾個雕刻機DIY網(wǎng)站，包括他們的優(yōu)勢和劣勢。關(guān)鍵詞：雕刻機、DIY、機械、CNC控制系統(tǒng)Summarization of Smallengraving machineDIYName：PanHuang Teacher：GaoYanZhongAbstract：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年世界上第一臺手動雕刻機在法國“嘉寶”問世，1950年“嘉寶”生產(chǎn)出第一臺電動雕刻機。20世紀(jì)90年代，微電子技術(shù)大爆發(fā)，帶動了一大批高新技術(shù)企業(yè)的發(fā)展，也助雕刻機完成了2D2.5D3D的變革1。經(jīng)過近80年的發(fā)展，目前雕刻機技術(shù)已經(jīng)非常成熟。21世紀(jì)初期，小型雕刻機技術(shù)的普及，使得小型雕刻機成為DIY愛好者的另一個熱衷項目。1 雕刻機的分類經(jīng)過幾十年的發(fā)展，雕刻機的產(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)有的雕刻機按如下方式分類。按聯(lián)動軸數(shù)不同：兩軸、三軸、四軸、五軸、六軸雕刻機。三軸、四軸雕刻機最為常見也最為實用，性價比也最高；兩軸的雕刻機現(xiàn)在基本上沒有再使用和生產(chǎn)；五軸、六軸的雕刻機適應(yīng)性最強，但價格特別高，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3。加工的材料不同，需要的切削力大小不同、可能達到的最高切削速度也不一樣，將會對雕刻機的控制系統(tǒng)和機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計有很大的影響。按機械結(jié)構(gòu)不同分為串聯(lián)和并聯(lián)雕刻機。串聯(lián)結(jié)構(gòu)又分為龍門移動式和工作臺移動式兩種。串聯(lián)結(jié)構(gòu)就是傳統(tǒng)機床的結(jié)構(gòu)。拿三軸的雕刻機舉例來說，Z軸的所有部件是跟著X軸的移動而移動的，Z軸在X方向上的位置是受X軸移動部件限制的。并聯(lián)機構(gòu)是一種新型機構(gòu)，其顯著特點是一個機構(gòu)產(chǎn)生若干個分支后續(xù)機構(gòu)，或者若干個分支機構(gòu)匯合于一個后續(xù)機構(gòu)、各個機構(gòu)的誤差不會累積4。圖1為典型串聯(lián)機床和并聯(lián)機床的示意圖：(a)串聯(lián)機床 (b)并聯(lián)機床圖1 串聯(lián)機床與并聯(lián)機床的區(qū)別按加工范圍的大小分為大型雕刻機、普通雕刻機、小型雕刻機。大型雕刻機通常用于大件產(chǎn)品的制作；小型雕刻機往往只在家庭或個人使用，普通雕刻機則用于一般的產(chǎn)品加工。按主軸不同分為電主軸和非電主軸式雕刻機。按驅(qū)動電機不同分為步進電機驅(qū)動和伺服電機驅(qū)動式雕刻機。按傳動機構(gòu)的不同分為滾珠絲杠傳動和梯形絲桿傳動式雕刻機。2 小型雕刻機DIY機械部分現(xiàn)狀關(guān)于小型雕刻機的機械部分，其總體結(jié)構(gòu)目前主要有兩種形式。一種是工作臺移動式，即加工過程中，工件和刀具同時移動，完成零部件的切削。此種結(jié)構(gòu)主要在早期的時候使用，現(xiàn)在用這一結(jié)構(gòu)的很少。另一種是龍門移動式，加工過程中僅靠刀具運動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)濟型機械式雕刻機開發(fā)中研究的結(jié)構(gòu)就為龍門移動式5。龍門移動式是現(xiàn)在的主流設(shè)計，國內(nèi)幾家有名的小型雕刻機公司目前的產(chǎn)品均為龍門移動式，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)軌機械傳動目前有三種形式。第一種是普通絲杠傳動。成本低，有自鎖功能。例如阿莫雕刻的AMCNC-016機型采用的就是這種方式。第二種是滾珠絲杠傳動。傳動精度高，阻力小。例如雷珀科技的6040Z+D7機型采用的就是這種方式。第三種是同步帶傳動。隨著同步帶的強度、精度的提升而出現(xiàn)的一種傳動方式。目前使用的較少。軸心自控的B200桌面機器人8為這種方式。機械部分的導(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。未進行市場推廣，用的較少。如圖2。3 小型雕刻機DIY控制部分現(xiàn)狀控制部分通常包括上位機和下位機。在這里，上位機就是PC機，負(fù)責(zé)人機交互界面的管理和控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控等任務(wù)，如鍵盤和鼠標(biāo)的管理、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、控制指令的發(fā)送、外部信號的監(jiān)控、直線圓弧的插補、脈沖和方向信號的產(chǎn)生、原點和限位信號的檢測。而下位機是指接口板，主要負(fù)責(zé)脈沖信號的接收、放大和輸出、開關(guān)信號的檢測及反饋10。目前可用于小型雕刻機控制的CNC系統(tǒng)很多，基本上是由正規(guī)公司編寫的。它們中有些本身就是開源免費的，有些則是由網(wǎng)友破解的。我國有小部分愛好者嘗試編寫過CNC系統(tǒng)，也有一定的成果，但最終真正共享出來大家共同開發(fā)的目前還沒有。下面就國內(nèi)常用的，用于小型雕刻機DIY的CNC系統(tǒng)做綜合的敘述?；赪indows系統(tǒng)的有Mach11、NCStudio12、KCam13、DeskCNC14、AVR-CNC15、USBCNC16軟件。其中Mach軟件最受歡迎，很多的下位機都基于這個系統(tǒng)開發(fā)。Mach最高支持六軸聯(lián)動，控制精度能達到0.01mm，擁有良好的控制性能及友好的人機界面。NCStudio是一個國產(chǎn)控制系統(tǒng)，由上海維宏電子科技有限公司設(shè)計，經(jīng)網(wǎng)友破解后也很受歡迎，是唯一的一個可用于DIY的國產(chǎn)控制軟件，很多的控制卡也基于這個軟件開發(fā)。KCAM是一個可以自由編輯打印機端口輸出的軟件，這對于開發(fā)下位機非常方便，當(dāng)自己開發(fā)下位機的時候往往用這個系統(tǒng)。DeskCNC有很強的兼容性，能工作在各種Windows系統(tǒng)下，基于針的串口輸出。AVR-CNC基于TMega8芯片設(shè)計的一個系統(tǒng)，具有構(gòu)建簡單、擴展容易的優(yōu)勢；而且Mega8直接控制電機，因此有更好的實時性。USBCNC是因現(xiàn)在的電腦都配USB接口，取消打印機并口而專門開發(fā)的。目前破解、漢化并不完全，技術(shù)還不成熟，使用得較少?；贒OS系統(tǒng)的有TurboCNC17、CStep18。由于DOS系統(tǒng)是單一任務(wù)的操作系統(tǒng)，每個軟件的運行都是獨占CPU，因此有更高的實時性，在硬件跟不上的年代這點非常重要，對CNC系統(tǒng)的影響很大?，F(xiàn)在硬件的能力都很強，計算速度飛快，通常就忽略了這一點。TurboCNC的性能介于KCam和Mach之間，對硬件的要求低，最多支持軸，完全免費，不支持鼠標(biāo)操作，DOS界面一般，操作不方便。CStep軟件既可運行于DOS，也可以在Windows下工作，在DOS下運行比在Windows下運行會更順暢，獲得更好的實時性。此軟件無需安裝，絕對綠色。不想用的時候只要把解壓出來的文件夾刪除即可，不會在其他地方殘留垃圾文件7。不過這個軟件從2004年以后就不再更新了?；贚inux系統(tǒng)的有EMC219。EMC（Enhanced Machine Controller，增強型機器控制器）是來源于NIST （National Institute of Standards and Technology，美國標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院）90 年代早期開始的一個項目。其目的是提供一個有效的途徑來驗證用 PC 代替專用的 CNC控制器的可行性, 并最早在 Bridgeport 系列三軸機床上實現(xiàn)了其大部分控制功能。EMC充分發(fā)揮了 PC的硬實時特性和計算能力，在開放的 PC 上實現(xiàn)了封閉昂貴的專用 CNC 控制器的功能，對現(xiàn)代開放數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計有著重要的影響8。要在Linux系統(tǒng)上用好EMC還應(yīng)具備一定的Linux知識。國內(nèi)Linux的普及還不夠，所以使用EMC的人比較少。不過EMC在學(xué)術(shù)研究中很受歡迎，有很多相關(guān)的論文。上位機是整個系統(tǒng)的大腦。下位機則是連接控制系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的橋梁，在整個系統(tǒng)中具有非常重要的作用。相對于上位機只是破解、安裝一些CNC軟件來說，下位機的制作難度還是比較大的，需要具備一定的知識基礎(chǔ)。但下位機的原理比上位機簡單得多。其基本原理是接口板通過打印機并口接收上位機的信息，并把這些信息傳送給各個驅(qū)動器，驅(qū)動器再把這些信息放大，用于驅(qū)動電機。需要DIY的是接口板和驅(qū)動器，比較困難的是接口板，它需要你清楚知道打印機并口的每一個針腳的功能。對于一般的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。可以自己設(shè)置各個針腳的功能的控制軟件很少，目前知道的只有KCam一個，很多下位機DIY均基于這個軟件。驅(qū)動器這一塊目前有很多的步進電機專用控制芯片，功能很強大，外圍電路也比較簡單，所以相對容易。下位機制作的另一個瓶頸在于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)動器的原理圖都有開源的，但真正能根據(jù)這些資料自己制作的還是很少，也就是因為被這個瓶頸卡住。基于以上原因，目前下位機的制作還主要靠一些專業(yè)人士或公司制作。DIY愛好者直接購買他們的產(chǎn)品，調(diào)試使用即可。目前市場上的產(chǎn)品主要分為以下兩種，一種是接口板和驅(qū)動器是分開的，另一種則是兩者一體的。目前淘寶上賣下位機的商家很多，但品種不多，性能也大同小異。主要區(qū)別有以下幾點：控制軸數(shù)、驅(qū)動的最高細(xì)分、輸出的控制電流、與電腦主板是否隔離。目前做下位機比較專業(yè)、產(chǎn)品較全，性價比較高的有以下幾家：東莞航宇、江西英菲賽、極平驅(qū)動、寧波歌林、斯達普斯、深圳展翔、溫州通卡、珩源電子。4 小型雕刻機DIY學(xué)術(shù)氛圍國內(nèi)小型雕刻機的研究及發(fā)展主要靠幾個論壇。它們調(diào)動了DIY愛好者的興趣和激情的同時，給他們提供積極的幫助和指導(dǎo)，對小型雕刻機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（/bbs）：國內(nèi)最早做小型雕刻機的公司9。最早的小型雕刻機都是山寨鹿原的，鹿原在某種意義上來說算是中國小型雕刻機DIY行業(yè)的發(fā)源地。不過鹿原的商業(yè)模式更趨于傳統(tǒng)，其公司的DIY論壇也是后來才建立的。其中對于DIY真正有用的資料很少 。阿莫雕刻（）：靠“阿莫”的團隊支撐，商業(yè)氣氛比較濃。這個論壇的優(yōu)勢在于阿莫團隊設(shè)計的機子都為了賣，技術(shù)較完善，而其中很多的技術(shù)資料阿莫都敢于開源。認(rèn)真去看能學(xué)很多。世紀(jì)模具論壇（）：看站名就知道這個論壇的重點在于模具，其實這個論壇主要是關(guān)于雕刻機應(yīng)用方面的，例如雕刻程序的生成和編寫。雕刻機DIY是2007年才開的一個小版塊。總得來講這里DIY的氛圍不濃，但有很多有用的學(xué)習(xí)資料。大海作坊（）：一個草根DIY社區(qū)，但卻是小型雕刻機DIY的天堂。里面有足夠的關(guān)于機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)接口板的開發(fā)就開始于這里。磁動力論壇（）：目前國內(nèi)最大的雕刻機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DIY現(xiàn)狀來看，雖有10多年的歷史，但這個行業(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同一個東西。“研發(fā)式”的DIY很缺乏，是今后的發(fā)展方向。參考文獻：1周偉安.基于DSP的小型雕刻機全閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計D.廣州.華南理工大學(xué)，2011:1-42李榮泳，陳勇志，孫振忠. 基于Mach3軟件的經(jīng)濟型五軸雕刻機開發(fā)J.裝備制造技術(shù)，2011，1：77-853雕刻機. /view/777785.htm4朱建國.并聯(lián)機構(gòu)的研究J.科協(xié)論壇，2010，9：94-955羅奇亮，馬保吉. 基于Mach3軟件的經(jīng)濟型機械式雕刻機開發(fā)J.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2009，6：184-1876 AMCNC-01機型發(fā)布/thread-3355500-1-1.html76040Z+D高性能雕刻機/item.htm?scm=100&idad_id=&am_id