基于MACH3的CNC雕刻机申报材料

1、编号：_2015年桂林电子科技大学第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛校内重点项目立项申报材料项目名称：基于MACH3的CNC雕刻机申报学院：桂林电子科技大学信息与通信学院项目申报成员：李桥鸣、叶茂添 二一四年十一月桂林电子科技大学第十四届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛重点项目申报书、申报者认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。、申报者必须填写申报者情况表和作品情况表。、申报者在填写申报作品情况时只须根据作品类别（自然科学类学术论文、社会科学类社会调查报告和学术论文、科技发明制作）分别填写。、表内项目一律用钢笔（或签字笔）填写或打印，字迹要端正、清楚，此申报书可复制。、序号

2、、编码由“挑战杯”大学生课外学术作品竞赛审查组填写。、作品申报书字体统一使用宋体小四，标题加粗；作品说明书、学术论文、社会调查报告及所附的有关材料必须是中文，请根据模板统一字体格式（包括一级标题、二级标题、正文、图标、参考文献等）。、作品申报书须按要求由各参赛者认真填写。、有关参赛事宜请向承办单位咨询。、该申请书打印稿交与组委会，另需向承办单位指定邮箱发送一份电子档。A、申报者情况申 报 者 情 况姓名李桥鸣性别男出生年月1995.8现学历A A大学本科 B硕士研究生申报单位桂林电子科技大学信息与通信学院专业电子信息工程学号1300220619学制 4 年作品全称基于MACH3的CNC雕刻机合

3、 作 者 情 况姓名性别学号电话所在单位备注叶茂添男130023042715296806397有无合作者请在此说明： 有 无说明：1、必须有申报者本人按要求填写，申报者情况栏内必须填写个人作品的第一作者（承担申报作品60%以上的工作者）或集体作品填写一文学历最高的代表。2、本部分中的各学院签章视为对申报者情况的确认。B、科技发明制作 申报作品情况作品全称作品分类（在选项上画）A. 信息技术(包括计算机.电信.通信.电子等)B. 机械与控制(包括机械、仪器仪表、自动化控制、工程、交通、建筑等)C.数理(包括数学、物理、地球与空间科学等)D生命科学(包括生物、食品等)E.能源化工(包括能源、材料、

4、生态、环保等)F.外观设计(包括电脑艺术设计、机械CAD等)作品设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标CNC雕刻机是由计算机进行自动化控制的机器，利用MACH3专业数控软件控制，由外部步进电机驱动电路接收脉冲信号并驱动电机转动，从而控制机器的精确运转，可以实现数控加工。传动方式是利用丝杆传动，由步进电机带动丝杆，由于步进电机的角度可以精确控制，故带动丝杆传动的直线距离就可以精确的控制。整个控制过程由MACH3软件来完成，外部电路只负责接收信号并驱动电机，从实现CNC控制。作品的科学性先进性(必须说明与现有技术相比.该作品是否有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性说明

5、和参考文献资料)CNC机床有别于传统的人工编程操作的机床。传统的机床需要人为编程，花费大量的时间，而且一旦需要加工的零件复杂，编程工作就很繁琐，而且容易出错，效率不高。CNC机床是利用计算机控制，只要画好图纸，利用软件生成刀路，再导入MACH3进行控制，就可以实现高效率的自动加工。由于刀路的生成和控制都由计算机来完成，大大提高了效率，而且可以加工出传统机床所无法加工的复杂零件。【参考文献】【1】 罗奇亮， 马保吉基于 Mach3 软件的经济型三维机械式雕刻机开发. 西安工业大学 工业中心【2】 龚志远小型 CNC雕刻机设计. 华东交通大学, 南昌【3】 王党利, 宁生科, 马宝吉基于 TB65

6、60 的步进电机驱动电路设计. 西安工业大学 工业中心作品所处阶段A实验阶段 B 中试阶段 C 生产阶段 D_(自填) 作品所展示的形式 实物 产品 模型图纸 磁盘现场 演示图片 样品 录像 使用说明及该作品的技术特点和优势,提供该产品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测CNC机床的使用首先需要在电脑上画好你要加工的零件的图纸，有了图纸之后利用ARTcam、UG等软件生成刀路也就是G代码，得到了G代码就可以导入MACH3数控软件进行加工了。整个过程都是利用计算机完成，不再需要传统手工编程，复杂而繁琐。除了加工机械零件外，还可进行浮雕，文字的雕刻，直接在软件里输入文字或灰度图

7、就可以直接生成G代码了，这是手工编程所无法达到的。而且可以利用AltiumDesigner等专业的PCB软件生成的加工文件加工出PCB，这样就可以免去传统的打印，腐蚀，人工打孔的繁琐过程，而且也不会出现断线的情况，大大节约了实验室人员的开发时间，提高效率。学习机械制作的学生可以利用CNC雕刻机快速的加工出自己想要的零件，学电子的学生可以利用雕刻机制作PCB，对于其他用户来说可以用来加工浮雕，广告，文字的制作，加工工艺品，市场很大，推广范围广。这是利用木板完成的样机雕刻机的试雕的作品专利申报情况 提出专利申报申报号_ 申报日期： 年 月 日 已获专利权批准批准号_批准日期： 年 月 日 未提出专

8、利申请说明: 1、必须由申报者本人填写；2、本表可以附有研究报告,并提供图表、曲线、实验数据、原理结构图、外观图(照片),也可以附鉴定证书和应用证书；3、作品分类请按照作品发明或创新点所在类别填表。2015年桂林电子科技大第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛校内重点项目立项作品说明书目 录一、数控技术的简介及发展现状81.高速、高精加工技术及装备的新趋势82.五轴联动加工和复合加工机床快速发展93.智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势9二、数控机床的原理101.机械原理102.软件控制10三、制作与调试101.三维建模102.加工及组装123.刀路的生成及仿真134

9、.最终雕刻实验15四、升级与改进16五、市场用途与推广16一、数控技术的简介及发展现状在数控机床中，电主轴通常采用变频调速方法。主要有普通变频驱动和控制、矢量控制驱动器的驱动和控制以及直接转矩控制三种控制方式。普通变频为标量驱动和控制，其驱动控制特性为恒转矩驱动，输出功率和转速成正比。普通变频控制的动态性能不够理想，在低速时控制性能不佳，输出功率不够稳定，也不具备C轴功能。但价格便宜、结构简单，一般用于磨床和普通的高速铣床等。矢量控制技术模仿直流电动机的控制，以转子磁场定向，用矢量变换的方法来实现驱动和控制，具有良好的动态性能。矢量控制驱动器在刚启动时具有很大的转矩值，加之电主轴本身结构简单，

10、惯性很小，故启动加速度大，可以实现启动后瞬时达到允许极限速度。这种驱动器又有开环和闭环两种，后者可以实现位置和速度的反馈，不仅具有更好的动态性能，还可以实现C轴功能；而前者动态性能稍差，也不具备C轴功能，但价格较为便宜。直接转矩控制是继矢量控制技术之后发展起来的又一种新型的高性能交流调速技术，其控制思想新颖，系统结构简洁明了，更适合于高速电主轴的驱动，更能满足高速电主轴高转速、宽调速范围、高速瞬间准停的动态特性和静态特性的要求，已成为交流传动领域的一个热点技术。数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的

11、一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面：1.高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会将其确定为21世纪的中心研究方向之一。在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄

12、筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。从EMO2001展会情况来看，高速进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右，世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达60m/min，快速为100m/

13、min，加速度达2g，主轴转速已达60000r/min。加工一薄壁飞机零件，只用30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需3h，在普通铣床加工需8h；德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12*1000r/mm和1g。在加工精度方面，普通级数控机床的加工精度已由10m提高到5m，精密级加工中心则从35m，提高到11.5m，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01m)。在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6 000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进

14、一步扩大。2.五轴联动加工和复合加工机床快速发展采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复

15、合加工机床（含5面加工机床）的发展。在EMO2001展会上，新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头，可实现4个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次装夹下5面加工和5轴联动加工，可由CNC系统控制或CAD/CAM直接或间接控制。3.智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接

16、方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。二、数控机床的原理1.机械原理CNC雕刻机由计算机，雕刻机控制器，雕刻机主机三部分组成。工作原理：是通过计算机内配置的专用雕刻软件进行设计和排版，并由计算机把设计与排版的信息自动传送至雕刻机控制器中，再由控制器把这些信息转化成能驱动步进电机或伺服电机的带有功率的信号(脉冲串)，控制雕刻机主机生成X，Y，Z三轴的雕刻走刀路基径。同时，雕刻机上的高速旋转雕刻头，通过按加工材质配置的刀具，

17、对固定于主机工作台上的加工材料进行切削，即可雕刻出在计算机中设计的各种平面或立体的浮雕图形及文字，实现雕刻自动化作业。2.软件控制雕刻机多种数据输入模式根据需要游刃有余。它可以兼容以色列的Castmate、英国的ARTCAM、法国的TYP3、北京文泰等国内外先进的雕刻软件，还可以兼容精雕机ENG格式的JD软件。雕刻机圆弧优化指令能根据加工工件的特点自动消除速度振纹。传统的CNC控制系统常常存在以下问题:曲线速度比直线速度慢，曲线精度比直线差，做三维浮雕时机器抖动非常厉害且速度慢，精度差等。本控制系统的应用彻底解决了这一难题，既提高了加工效率(加工时间可缩短30%-300%)，又可以消除速度振纹

18、，提高加工质量。雕刻机采用加宽高精度圆柱形直线导轨，稳定性好，精度高。加工行程大于160毫米，高于其他设备，特别适合制作吸塑模具，承揽半成品加工等，使得工作不像其他雕刻机那样仅仅局限对PVC，亚克力等加工。雕刻机在加工过程中，可以动态调整加工深度。在加工过程中，可以动态调整加工速度和入刀速度。雕刻机完全由卡特自行设计的嵌入式CNC控制器，可在恶劣环境中使用。工业标准的总线结构设计，保证控制系统稳定可靠。三、制作与调试1.三维建模这台机子由于是样机，所以采用的是竹菜板做的机架，相比普通木板，竹菜板的强度、硬度，防腐性能更佳。整个机子除了光轴、丝杆和轴承外，其他零部件和机架全部采用竹板自制。3轴的传动电机为57的加长步进电机，在高速的同时确保了扭力满足要求。雕刻主轴为普通的300W直流电机，传动丝杆为普通的三角丝杆，M6,1mm螺距。三维建模软件用的是大名鼎鼎的SolidWorks 画好图纸，对整个机器进行建模2.加工及组装 最终完成整机如下3.刀路的生成及仿真控制软件采用的是专业数控软件M