基于MACH3的CNC雕刻機(jī)申報(bào)材料

1、編號(hào)：_2015年桂林電子科技大學(xué)第十四屆“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽校內(nèi)重點(diǎn)項(xiàng)目立項(xiàng)申報(bào)材料項(xiàng)目名稱：基于MACH3的CNC雕刻機(jī)申報(bào)學(xué)院：桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院項(xiàng)目申報(bào)成員：李橋鳴、葉茂添 二一四年十一月桂林電子科技大學(xué)第十四屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽重點(diǎn)項(xiàng)目申報(bào)書、申報(bào)者認(rèn)真閱讀此說明各項(xiàng)內(nèi)容后按要求詳細(xì)填寫。、申報(bào)者必須填寫申報(bào)者情況表和作品情況表。、申報(bào)者在填寫申報(bào)作品情況時(shí)只須根據(jù)作品類別（自然科學(xué)類學(xué)術(shù)論文、社會(huì)科學(xué)類社會(huì)調(diào)查報(bào)告和學(xué)術(shù)論文、科技發(fā)明制作）分別填寫。、表內(nèi)項(xiàng)目一律用鋼筆（或簽字筆）填寫或打印，字跡要端正、清楚，此申報(bào)書可復(fù)制。、序號(hào)

2、、編碼由“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)作品競(jìng)賽審查組填寫。、作品申報(bào)書字體統(tǒng)一使用宋體小四，標(biāo)題加粗；作品說明書、學(xué)術(shù)論文、社會(huì)調(diào)查報(bào)告及所附的有關(guān)材料必須是中文，請(qǐng)根據(jù)模板統(tǒng)一字體格式（包括一級(jí)標(biāo)題、二級(jí)標(biāo)題、正文、圖標(biāo)、參考文獻(xiàn)等）。、作品申報(bào)書須按要求由各參賽者認(rèn)真填寫。、有關(guān)參賽事宜請(qǐng)向承辦單位咨詢。、該申請(qǐng)書打印稿交與組委會(huì)，另需向承辦單位指定郵箱發(fā)送一份電子檔。A、申報(bào)者情況申 報(bào) 者 情 況姓名李橋鳴性別男出生年月1995.8現(xiàn)學(xué)歷A A大學(xué)本科 B碩士研究生申報(bào)單位桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院專業(yè)電子信息工程學(xué)號(hào)1300220619學(xué)制 4 年作品全稱基于MACH3的CNC雕刻機(jī)合

3、 作 者 情 況姓名性別學(xué)號(hào)電話所在單位備注葉茂添男130023042715296806397有無合作者請(qǐng)?jiān)诖苏f明： 有 無說明：1、必須有申報(bào)者本人按要求填寫，申報(bào)者情況欄內(nèi)必須填寫個(gè)人作品的第一作者（承擔(dān)申報(bào)作品60%以上的工作者）或集體作品填寫一文學(xué)歷最高的代表。2、本部分中的各學(xué)院簽章視為對(duì)申報(bào)者情況的確認(rèn)。B、科技發(fā)明制作 申報(bào)作品情況作品全稱作品分類（在選項(xiàng)上畫）A. 信息技術(shù)(包括計(jì)算機(jī).電信.通信.電子等)B. 機(jī)械與控制(包括機(jī)械、儀器儀表、自動(dòng)化控制、工程、交通、建筑等)C.數(shù)理(包括數(shù)學(xué)、物理、地球與空間科學(xué)等)D生命科學(xué)(包括生物、食品等)E.能源化工(包括能源、材料、

4、生態(tài)、環(huán)保等)F.外觀設(shè)計(jì)(包括電腦藝術(shù)設(shè)計(jì)、機(jī)械CAD等)作品設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)CNC雕刻機(jī)是由計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化控制的機(jī)器，利用MACH3專業(yè)數(shù)控軟件控制，由外部步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路接收脈沖信號(hào)并驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制機(jī)器的精確運(yùn)轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工。傳動(dòng)方式是利用絲桿傳動(dòng)，由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲桿，由于步進(jìn)電機(jī)的角度可以精確控制，故帶動(dòng)絲桿傳動(dòng)的直線距離就可以精確的控制。整個(gè)控制過程由MACH3軟件來完成，外部電路只負(fù)責(zé)接收信號(hào)并驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從實(shí)現(xiàn)CNC控制。作品的科學(xué)性先進(jìn)性(必須說明與現(xiàn)有技術(shù)相比.該作品是否有突出的實(shí)質(zhì)性技術(shù)特點(diǎn)和顯著進(jìn)步。請(qǐng)?zhí)峁┘夹g(shù)性說明

5、和參考文獻(xiàn)資料)CNC機(jī)床有別于傳統(tǒng)的人工編程操作的機(jī)床。傳統(tǒng)的機(jī)床需要人為編程，花費(fèi)大量的時(shí)間，而且一旦需要加工的零件復(fù)雜，編程工作就很繁瑣，而且容易出錯(cuò)，效率不高。CNC機(jī)床是利用計(jì)算機(jī)控制，只要畫好圖紙，利用軟件生成刀路，再導(dǎo)入MACH3進(jìn)行控制，就可以實(shí)現(xiàn)高效率的自動(dòng)加工。由于刀路的生成和控制都由計(jì)算機(jī)來完成，大大提高了效率，而且可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床所無法加工的復(fù)雜零件?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】【1】 羅奇亮， 馬保吉基于 Mach3 軟件的經(jīng)濟(jì)型三維機(jī)械式雕刻機(jī)開發(fā). 西安工業(yè)大學(xué) 工業(yè)中心【2】 龔志遠(yuǎn)小型 CNC雕刻機(jī)設(shè)計(jì). 華東交通大學(xué), 南昌【3】 王黨利, 寧生科, 馬寶吉基于 TB65

6、60 的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì). 西安工業(yè)大學(xué) 工業(yè)中心作品所處階段A實(shí)驗(yàn)階段 B 中試階段 C 生產(chǎn)階段 D_(自填) 作品所展示的形式 實(shí)物 產(chǎn)品 模型圖紙 磁盤現(xiàn)場(chǎng) 演示圖片 樣品 錄像 使用說明及該作品的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),提供該產(chǎn)品的適應(yīng)范圍及推廣前景的技術(shù)性說明及市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)CNC機(jī)床的使用首先需要在電腦上畫好你要加工的零件的圖紙，有了圖紙之后利用ARTcam、UG等軟件生成刀路也就是G代碼，得到了G代碼就可以導(dǎo)入MACH3數(shù)控軟件進(jìn)行加工了。整個(gè)過程都是利用計(jì)算機(jī)完成，不再需要傳統(tǒng)手工編程，復(fù)雜而繁瑣。除了加工機(jī)械零件外，還可進(jìn)行浮雕，文字的雕刻，直接在軟件里輸入文字或灰度圖

7、就可以直接生成G代碼了，這是手工編程所無法達(dá)到的。而且可以利用AltiumDesigner等專業(yè)的PCB軟件生成的加工文件加工出PCB，這樣就可以免去傳統(tǒng)的打印，腐蝕，人工打孔的繁瑣過程，而且也不會(huì)出現(xiàn)斷線的情況，大大節(jié)約了實(shí)驗(yàn)室人員的開發(fā)時(shí)間，提高效率。學(xué)習(xí)機(jī)械制作的學(xué)生可以利用CNC雕刻機(jī)快速的加工出自己想要的零件，學(xué)電子的學(xué)生可以利用雕刻機(jī)制作PCB，對(duì)于其他用戶來說可以用來加工浮雕，廣告，文字的制作，加工工藝品，市場(chǎng)很大，推廣范圍廣。這是利用木板完成的樣機(jī)雕刻機(jī)的試雕的作品專利申報(bào)情況 提出專利申報(bào)申報(bào)號(hào)_ 申報(bào)日期： 年 月 日 已獲專利權(quán)批準(zhǔn)批準(zhǔn)號(hào)_批準(zhǔn)日期： 年 月 日 未提出專

8、利申請(qǐng)說明: 1、必須由申報(bào)者本人填寫；2、本表可以附有研究報(bào)告,并提供圖表、曲線、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、原理結(jié)構(gòu)圖、外觀圖(照片),也可以附鑒定證書和應(yīng)用證書；3、作品分類請(qǐng)按照作品發(fā)明或創(chuàng)新點(diǎn)所在類別填表。2015年桂林電子科技大第十四屆“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽校內(nèi)重點(diǎn)項(xiàng)目立項(xiàng)作品說明書目 錄一、數(shù)控技術(shù)的簡(jiǎn)介及發(fā)展現(xiàn)狀81.高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢(shì)82.五軸聯(lián)動(dòng)加工和復(fù)合加工機(jī)床快速發(fā)展93.智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢(shì)9二、數(shù)控機(jī)床的原理101.機(jī)械原理102.軟件控制10三、制作與調(diào)試101.三維建模102.加工及組裝123.刀路的生成及仿真134

9、.最終雕刻實(shí)驗(yàn)15四、升級(jí)與改進(jìn)16五、市場(chǎng)用途與推廣16一、數(shù)控技術(shù)的簡(jiǎn)介及發(fā)展現(xiàn)狀在數(shù)控機(jī)床中，電主軸通常采用變頻調(diào)速方法。主要有普通變頻驅(qū)動(dòng)和控制、矢量控制驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)和控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制三種控制方式。普通變頻為標(biāo)量驅(qū)動(dòng)和控制，其驅(qū)動(dòng)控制特性為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)，輸出功率和轉(zhuǎn)速成正比。普通變頻控制的動(dòng)態(tài)性能不夠理想，在低速時(shí)控制性能不佳，輸出功率不夠穩(wěn)定，也不具備C軸功能。但價(jià)格便宜、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般用于磨床和普通的高速銑床等。矢量控制技術(shù)模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向，用矢量變換的方法來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和控制，具有良好的動(dòng)態(tài)性能。矢量控制驅(qū)動(dòng)器在剛啟動(dòng)時(shí)具有很大的轉(zhuǎn)矩值，加之電主軸本身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，

10、慣性很小，故啟動(dòng)加速度大，可以實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)后瞬時(shí)達(dá)到允許極限速度。這種驅(qū)動(dòng)器又有開環(huán)和閉環(huán)兩種，后者可以實(shí)現(xiàn)位置和速度的反饋，不僅具有更好的動(dòng)態(tài)性能，還可以實(shí)現(xiàn)C軸功能；而前者動(dòng)態(tài)性能稍差，也不具備C軸功能，但價(jià)格較為便宜。直接轉(zhuǎn)矩控制是繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來的又一種新型的高性能交流調(diào)速技術(shù)，其控制思想新穎，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔明了，更適合于高速電主軸的驅(qū)動(dòng)，更能滿足高速電主軸高轉(zhuǎn)速、寬調(diào)速范圍、高速瞬間準(zhǔn)停的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性的要求，已成為交流傳動(dòng)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)技術(shù)。數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，他對(duì)國(guó)計(jì)民生的

11、一些重要行業(yè)（IT、汽車、輕工、醫(yī)療等）的發(fā)展起著越來越重要的作用，因?yàn)檫@些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢(shì)。從世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢(shì)來看，其主要研究熱點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：1.高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢(shì)效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。為此日本先端技術(shù)研究會(huì)將其列為5大現(xiàn)代制造技術(shù)之一，國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)將其確定為21世紀(jì)的中心研究方向之一。在轎車工業(yè)領(lǐng)域，年產(chǎn)30萬輛的生產(chǎn)節(jié)拍是40秒/輛，而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點(diǎn)問題之一；在航空和宇航工業(yè)領(lǐng)域，其加工的零部件多為薄壁和薄

12、筋，剛度很差，材料為鋁或鋁合金，只有在高切削速度和切削力很小的情況下，才能對(duì)這些筋、壁進(jìn)行加工。采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來制造機(jī)翼、機(jī)身等大型零件來替代多個(gè)零件通過眾多的鉚釘、螺釘和其他聯(lián)結(jié)方式拼裝，使構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和可靠性得到提高。這些都對(duì)加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要求。從EMO2001展會(huì)情況來看，高速進(jìn)給速度可達(dá)80m/min，甚至更高，空運(yùn)行速度可達(dá)100m/min左右，世界上許多汽車廠，包括我國(guó)的上海通用汽車公司，已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機(jī)床。美國(guó)CINCINNATI公司的HyperMach機(jī)床進(jìn)給速度最大達(dá)60m/min，快速為100m/

13、min，加速度達(dá)2g，主軸轉(zhuǎn)速已達(dá)60000r/min。加工一薄壁飛機(jī)零件，只用30min，而同樣的零件在一般高速銑床加工需3h，在普通銑床加工需8h；德國(guó)DMG公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達(dá)12*1000r/mm和1g。在加工精度方面，普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由10m提高到5m，精密級(jí)加工中心則從35m，提高到11.5m，并且超精密加工精度已開始進(jìn)入納米級(jí)(0.01m)。在可靠性方面，國(guó)外數(shù)控裝置的MTBF值已達(dá)6 000h以上，伺服系統(tǒng)的MTBF值達(dá)到30000h以上，表現(xiàn)出非常高的可靠性。為了實(shí)現(xiàn)高速、高精加工，與之配套的功能部件如電主軸、直線電機(jī)得到了快速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)

14、一步擴(kuò)大。2.五軸聯(lián)動(dòng)加工和復(fù)合加工機(jī)床快速發(fā)展采用5軸聯(lián)動(dòng)對(duì)三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進(jìn)行切削，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。一般認(rèn)為，1臺(tái)5軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的效率可以等于2臺(tái)3軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進(jìn)行高速銑削淬硬鋼零件時(shí)，5軸聯(lián)動(dòng)加工可比3軸聯(lián)動(dòng)加工發(fā)揮更高的效益。但過去因5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)、主機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因，其價(jià)格要比3軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床高出數(shù)倍，加之編程技術(shù)難度較大，制約了5軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的發(fā)展。當(dāng)前由于電主軸的出現(xiàn)，使得實(shí)現(xiàn)5軸聯(lián)動(dòng)加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，其制造難度和成本大幅度降低，數(shù)控系統(tǒng)的價(jià)格差距縮小。因此促進(jìn)了復(fù)合主軸頭類型5軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床和復(fù)

15、合加工機(jī)床（含5面加工機(jī)床）的發(fā)展。在EMO2001展會(huì)上，新日本工機(jī)的5面加工機(jī)床采用復(fù)合主軸頭，可實(shí)現(xiàn)4個(gè)垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5軸加工可在同一臺(tái)機(jī)床上實(shí)現(xiàn)，還可實(shí)現(xiàn)傾斜面和倒錐孔的加工。德國(guó)DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次裝夾下5面加工和5軸聯(lián)動(dòng)加工，可由CNC系統(tǒng)控制或CAD/CAM直接或間接控制。3.智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢(shì)21世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個(gè)方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過程的自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動(dòng)生成；為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接

16、方便的智能化，如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動(dòng)識(shí)別負(fù)載自動(dòng)選定模型、自整定等；簡(jiǎn)化編程、簡(jiǎn)化操作方面的智能化，如智能化的自動(dòng)編程、智能化的人機(jī)界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。二、數(shù)控機(jī)床的原理1.機(jī)械原理CNC雕刻機(jī)由計(jì)算機(jī)，雕刻機(jī)控制器，雕刻機(jī)主機(jī)三部分組成。工作原理：是通過計(jì)算機(jī)內(nèi)配置的專用雕刻軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和排版，并由計(jì)算機(jī)把設(shè)計(jì)與排版的信息自動(dòng)傳送至雕刻機(jī)控制器中，再由控制器把這些信息轉(zhuǎn)化成能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的帶有功率的信號(hào)(脈沖串)，控制雕刻機(jī)主機(jī)生成X，Y，Z三軸的雕刻走刀路基徑。同時(shí)，雕刻機(jī)上的高速旋轉(zhuǎn)雕刻頭，通過按加工材質(zhì)配置的刀具，

17、對(duì)固定于主機(jī)工作臺(tái)上的加工材料進(jìn)行切削，即可雕刻出在計(jì)算機(jī)中設(shè)計(jì)的各種平面或立體的浮雕圖形及文字，實(shí)現(xiàn)雕刻自動(dòng)化作業(yè)。2.軟件控制雕刻機(jī)多種數(shù)據(jù)輸入模式根據(jù)需要游刃有余。它可以兼容以色列的Castmate、英國(guó)的ARTCAM、法國(guó)的TYP3、北京文泰等國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的雕刻軟件，還可以兼容精雕機(jī)ENG格式的JD軟件。雕刻機(jī)圓弧優(yōu)化指令能根據(jù)加工工件的特點(diǎn)自動(dòng)消除速度振紋。傳統(tǒng)的CNC控制系統(tǒng)常常存在以下問題:曲線速度比直線速度慢，曲線精度比直線差，做三維浮雕時(shí)機(jī)器抖動(dòng)非常厲害且速度慢，精度差等。本控制系統(tǒng)的應(yīng)用徹底解決了這一難題，既提高了加工效率(加工時(shí)間可縮短30%-300%)，又可以消除速度振紋

18、，提高加工質(zhì)量。雕刻機(jī)采用加寬高精度圓柱形直線導(dǎo)軌，穩(wěn)定性好，精度高。加工行程大于160毫米，高于其他設(shè)備，特別適合制作吸塑模具，承攬半成品加工等，使得工作不像其他雕刻機(jī)那樣僅僅局限對(duì)PVC，亞克力等加工。雕刻機(jī)在加工過程中，可以動(dòng)態(tài)調(diào)整加工深度。在加工過程中，可以動(dòng)態(tài)調(diào)整加工速度和入刀速度。雕刻機(jī)完全由卡特自行設(shè)計(jì)的嵌入式CNC控制器，可在惡劣環(huán)境中使用。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的總線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。三、制作與調(diào)試1.三維建模這臺(tái)機(jī)子由于是樣機(jī)，所以采用的是竹菜板做的機(jī)架，相比普通木板，竹菜板的強(qiáng)度、硬度，防腐性能更佳。整個(gè)機(jī)子除了光軸、絲桿和軸承外，其他零部件和機(jī)架全部采用竹板自制。3軸的傳動(dòng)電機(jī)為57的加長(zhǎng)步進(jìn)電機(jī)，在高速的同時(shí)確保了扭力滿足要求。雕刻主軸為普通的300W直流電機(jī)，傳動(dòng)絲桿為普通的三角絲桿，M6,1mm螺距。三維建模軟件用的是大名鼎鼎的SolidWorks 畫好圖紙，對(duì)整個(gè)機(jī)器進(jìn)行建模2.加工及組裝 最終完成整機(jī)如下3.刀路的生成及仿真控制軟件采用的是專業(yè)數(shù)控軟件M