基于USB数控系统的雕刻加工研究

1 引言雕刻加工是一种很传统的手工工艺，在工艺品、标牌、首饰等行业具有悠久的历史。但传统的雕刻加工一般都是手工工艺，产品的质量主要取决于雕刻师傅的技艺水平，而且劳动生产率低，成本价格高，可重复性差。随着市场需求的不断扩大以及模具工业的迅速发展，除首饰、标牌和工艺品的模具制造需要雕刻以外，很多日常生活用品（如服饰用品、钟表零件）的模具也大量需要雕刻加工，导致了雕刻加工向自动化方向发展。随着 PC 在工业控制领域的广泛应用，基于 PC 的开放式数控系统成为一个研究热点。雕刻机作为一种典型的数控产品，在广告制作、模具制造、建筑装饰等行业中有着广阔的市场前景11 数控雕刻技术技术1.1.1 雕刻技术的国内外研究现状20世纪90年代以来，微电子技术的突飞猛进直接推动了微型计算机的迅速发展，而微电子技术和微型计算机技术又带动整个高技术群体飞速发展，从而使雕刻机有了质的飞跃。雕刻机经历了从2D- 2.5D -3D加工的变革，功能完善、性能稳定、造型美观和价格合理成为雕刻机研制的基本要求。国外的雕刻机，如美国的“雕霸” 、法国的“嘉宝”和日本的“御牧”是该行业的佼佼者，但价格昂贵。随着近年来我国制造业的迅速发展，数控雕刻机产业也获得了良好的发展机遇，有效地促进了我国数控雕刻机的生产和推广应用。我国数控雕刻机起步经济型数控机床，随着数控技术的进步，进过十多年的发展，已形成了多个国品牌的雕刻机，如上海洛克公司生产的啄木鸟数控雕刻机、北京槽雕公司生产精雕数控雕刻机和南京科能公司生产的威克数控雕刻机等。上述各类雕刻机机床本体结构比较简单，控制器大多借鉴国外新技术，采用基于高档的微控制或PC的数控系统，伺服部分以步进电机细分驱动为主，可获得中等控制精度，但价格比较便宜，因此整机的性价比高，适用于精度不太高的普及应用场合。对高精度雕刻加工，目前我国尚以进口数控雕刻机为主，如意大利的左日本的全量等品牌的数控雕刻机。这类数控雕刻机机床本体设计刚度好、精度高，采用伺服电机驱动，加工精度高，控制系统功能全，可靠性高，但价格昂贵，往往倍于国产产品，因此主要应用于模具等高精度加工场合。目前国内数控雕刻机的技术水平:1、数控雕刻机的CAD/CAM软件大多数数控雕刻机都声称能接收多种格式的刀具路径数据文件，包括通用机械CAD/CAM软件的输出格式，如MasterCAM, Cimatron, UG等，但采用文泰雕刻软件的居多，唯独精雕采用其自主版权的CAD/CAM软件JDPaint 。2、数控装置目前雕刻机的数控装置可分为三种类型，即基于IPC的控制器，基于DSP (Digital Signal Processing)的控制器和基于单片机的控制器，单片机的处理功能较强，DSP控制器处理速度快。3、雕刻机的加工效率和加工质量文泰雕刻软件采用微线段逼近轮廓曲线的技术方案，刀具在线段的交接点处停顿，加工表面不光滑，刀具运动速度变化频繁，进给速度3m/min，加工效率较低。美国麦迪克三维雕刻机(MultiCam)采用AMDSC520微处理器作为控制核心，具有1000行代码的前瞻功能，最大加工速度35米/分钟，整体技术水平高于国产雕刻机，但价格也高于国产雕刻机。4、控制软件方面数控雕刻机控制系统是典型的多任务实时系统，系统必须对多种任务进行实时控制。为了实现软件结构的模块化、可重用性、用户的易操作性，都采用通用的操作系统。1.1.2 计算机数控雕刻机的应用与特点计算机数控雕刻系统(又称电脑雕刻机、雕刻机器人)是CAD/CAM一体化的典型产品。计算机雕刻系统集扫描、编辑、排版、控制雕刻诸多功能于一体，能方便快捷地在各种软性材料(有机玻璃、双色板、多层板、工程硬塑、ABS沙盘模型板、PP, PVC、板材、亚可力、木材、橡胶等)和硬性材料(黄紫铜、铝、不锈钢、钦合金、工具钢、汉白玉、大理石等)上雕刻出逼真、精致、耐久的二维图形、文字及三维立体浮雕。计算机雕刻系统的应用领域广泛，举例如下:(1)广告及礼品制作业，用于雕刻各类双色板标牌、有机玻璃、三维广告牌、双色人物雕像、浮雕奖章、有机板浮雕、立体门头字等。(2)模型制作业，制作沙盘模型、房屋模型等。(3)模具制作业，雕刻纽扣浮雕模、印刷烫金模，注塑模、冲压模、鞋模等。(4)木器业，用于浮雕图案设计及制作。(5)印刷行业，用于凹凸板制作。(6)烟草行业，用于包装烟盒防伪标志模板制作及卷烟字轮制作。(7)印刷电路板的电路制作，钻孔、铣槽等。(8)印章业，各类字体各类材料的印章雕刻。(9)电火花加工机床电极雕刻加工。(10)机械加工业，刻度盘字轮及标尺刻度。(11)装饰制品雕刻。(12)照相机光圈变焦零件及刻度加工。(13)手表表面及表壳模具制造。(14)冰箱压缩机阀板等复杂零件加工。(15)砚台艺术雕刻加工。(16)汽车工业、轮胎模具，车灯模具及装饰品模具加工。(17)包装业等字模加工。(18)制作各种员工胸牌、各类门牌、指示牌。(19)首饰精细雕刻。(20)液压泵转子定子封油槽加工等等。而且，随着各种新型装饰材料的不断出现，能用于雕刻的材料越来越多，使得计算机数控雕刻机有了更大的用武之地。因此，计算机数控雕刻机的应用范围还将不断扩大。数控雕刻机的主要特点:1、自动化程度高。具体的雕刻过程都是数控雕刻机自动完成的。2、产品的尺寸精度高，一致性好。数控雕刻过程是由计算机控制完成，可以达到很高的精度和表面质量;批量加工时，产品的一致性好，这对于小模具行业十分重要。3、拓展了雕刻领域。只需改变控制程序，数控雕刻机便可以雕刻浮雕、各种复杂的曲面，支持各种刀具，改善了雕刻表面质量，提高了雕刻效率。4、数控雕刻机都有钻铣功能，可用于钻孔、切边、加工小模具，性价比局。1.1.3 计算机数控雕刻机发展方向依托现代计算机技术的不断创新，机构设计、电机应用、控制芯片、软件平台和程序设计等领域的发展，将持续改进和提高雕刻机的性能;而今后计算机通讯的网络的迅猛发展，也将给雕刻机带来一场革命。下面是数控雕刻的几个发展方向:1、CAD/CAM软件发展方向目前雕刻机所采用的CAD/CAM软件多数将雕刻图形轮廓离散成微小直线段，限制了雕刻精度的提高。因此，未来的雕刻机CAM软件必定会增加多种曲线(如抛物线、样条曲线等)逼近加工轮廓的方法，以提高加工精度。通用CAD/CAM软件如Pro/E等也将逐渐应用于雕刻领域。2、刀具性能的提高随着雕刻所使用的材料越来越广泛，对雕刻刀具的种类、材料以及性能的要求也越来越高，各种刀具材料如金属基陶瓷、聚晶金刚石等高速切削刀具将广泛应用于雕刻加工之中。3、高速高精度现在国内的雕刻机大多是采用步进电机控制进给的开环系统，位置控制精度和加工精度都不高。今后的雕刻机控制部分将向闭环、半闭环系统发展，通过反馈调节，对误差进行补偿，进给部分采用更高精度的滚珠丝杠和伺服电机，可进一步提高雕刻系统的精度和速度。 4、高效高可靠性高效来源于高速进给和高速切削，这取决于性能更好的电机和刀具的研究;为了提高可靠性，一方面控制电路将采用更稳定更可靠的DSP技术，另一方面进一步提高电机性能也是刻不容缓的。此外软件方面也要进一步提高，如采用面向对象技术等。5、多轴联动多轴联动可以完成更复杂的雕刻动作，雕刻出更复杂、更精密的图案。多轴的联动将是数控雕刻机的一个发展方向。6、柔性化开放式数控系统的概念逐渐应用于雕刻机中，软硬件的通用化、模块化和标准化，大大提高雕刻机的柔性，可以采用不同的软硬件模块，组成不同档次不同要求的数控雕刻系统。7、网络制造将雕刻机用网络连接起来，通过分布式系统，智能的选择当前空闲的雕刻机完成当前的任务。充分、高效地利用系统资源，实现多品种、大批量的生产。12 课题研究的意义及主要内容1.2.1 课题研究的意义目前制造业对数控人才需求较大，而数控技术涉及范围很广，短期内掌握并非易事。本次课题从实际雕刻入手，可以培养对知识的综合运用和工作实践的能力，提高自身专业素养，而且能够更加扎实掌握数控技术的基础部分：机床结构、数控编程、加工工艺，提高应用所学知识分析解决问题的能力，掌握操作软件，缩短与工厂实践的差距。1.2.2 课题研究的主要内容本课题充分利用计算机软、硬件技术、PLC 技术、数字信号处理器技术，实现了用于开放式三自由度数控雕铣机的计算机控制系统。研究雕刻机的加工原理，加工材料，刀具选择，以及加工过程。然后通过软件建模编程加工稍复杂的雕刻工件。1）三维建模目前主流的三维浮雕软件都可支持外部数据文件的利用，比如照片 、画册、印刷品、手绘稿、电脑图片文件等等，通过对这些文件进行数字化处理，使之能在电脑中进行编辑，如扫描、拍成数码照片等等，数控机床要加工出我们想要的浮雕产品，必须给它三维结构的数据，让机器的刀头在空间上运动切割，所以电脑三维建模是必须的一个步骤。它的优势在于，产品的设计“虚拟化”，可以不用加工样品，直接在电脑上观看效果，任意修改，缩短设计周期，避免了一些人为差错，另外设计思路更为广阔，设计师可发挥的随意性增大，产品造型的方案也更加多样化，这对于雕刻企业增值增效来说，无疑是一件利器。2）电脑编程有了三维浮雕模型之后，进入“刀具路径模块”，设置刀具库，选取我们所需要的刀具，让电脑来分析如何安排产生行刀路径，进行最优化计算，得出一个最省时的雕刻方案。在分析运算过程中，你可以实时进行三维刀路仿真，观看加工的过程，如果认为刀路不合理，可重新进行设置，再重新仿真。同时您可根据区域的不同，选用不同的刀具进行作业，这样可以有效地节省工时。（比如在雕铣较大平面时，用大直径的立铣刀要比用小尺寸的尖头雕刻刀省时得多，而且平面的平整性效果更好）。 3） 执行加工 进入软件传输系统后，调入已经生成的刀路文件，可以先预演一下，估算出加工时间，确认无误后，按“开始”进行加工，雕刻机就可以进行工作了。雕刻完成后，刀头会自动归位，主轴电机停转，一般让人动手干预的时候不多，工人的安全性有了极大的保障。 2 机床及软件简介21 雕刻机概述2.1.1 计算机数控雕刻系统的组成计算机数控雕刻系统由硬件和软件两大部分组成，硬件包括:控制计算机、雕刻机控制柜、雕刻机主机及加工刀具、辅助工具等五部分，其中计算机是核心;软件包括:计算机设计排版和雕刻控制软件两部分，其中雕刻控制软件是软件的核心，由它来协调、控制雕刻工作的进行，系统组成如图 2.1 所示：图 2.1 计算机数控雕刻系统组成图计算机数控雕刻系统各组成部分的功能简要介绍如下:硬件包括以下六个部分:1、雕刻机主机它是这个系统的加工主体，通过它完成图形雕刻、轮廓铣削等工作。2、控制柜它是雕刻机主机各运动轴的电机驱动部分。它将计算机产生的控制信息转化成能驱动 X,Y,Z 三轴步进电机或伺服电机的功率信号(脉冲串)，控制雕刻机主机的 X, Y, Z 三轴完成相应的运动，同时它还控制雕刻头的高速主轴电机。3、计算机一般是普通 PC 机，主要完成图形、文字的设计、排版和编辑工作。4、控制器这里我们采用的是 32 位 ARM 单片机，它是数控雕刻机的核心，完成插补控制、速度控制以及位置控制等任务。5、加工刀具装夹在雕刻机主轴上，完成具体切削任务。 6、辅助工具主要有装夹夹具等，完成雕刻工作的装夹等任务。软件包括以下两个部分:1、计算机设计排版软件是一个 CAD/CAM 系统，完成图形、文字的设计、排版编辑工作和数控雕刻程序的自动生成。2、计算机雕刻控制软件是一个 CNC 系统，它读入数控雕刻程序(数据)，将其转化为雕刻机的控制命令。2.1.2 雕刻机的工作原理雕刻机由计算机，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，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。计算机数控雕刻系统实际是一个三维数控系统，其工作原理如图2.2所示: 通用微型计算机内安装专用的设计排版软件进行图形、文字的设计、排版，自动生成加工路径信息，通过USB接口或其他数据传输接口将刀具路径数据传输给单片机，数控系统接收刀具路径数据，完成显示、和用户交互等一系列功能后，用特定的算法将输入的路径信息转化为数控信息，控制器把这些信息转化为驱动步进电机或伺服电机的信号(脉冲串)，控制雕刻机X, Y, Z三轴的走刀。同时，雕刻机的高速旋转主轴，通过按加工材质配备的刀具，对固定于主机工作台上的工件进行铣削，即可雕刻出在计算机上设计的各种平面或立体的图形文字，实现雕刻自动化加工。图2.2 计算机数控雕刻系统工作原理2.1.3 雕刻机刀具的选择雕刻作业最重要的元素之一就是刀具，不同的雕刻要求、雕刻造型、表面处理等需要不同的刀具。雕刻刀具有以下几种，如表 2.1 所示。表 2.1 雕刻刀具简介刀具名称 形状 加工特点 加工范围刀头端面较大平 底 刀（柱刀）效率高 侧刃进行雕刻，底刃主要用于平面修光，主要用于轮廓切割、铣平面、区域粗雕刻、曲面粗雕刻等。切削刃呈圆弧状球头刀 受力均匀，切削平稳适合于曲面雕刻，常用于曲面半精雕刻和曲面精雕刻，不适合于铣平面柱刀和球刀的混合体牛鼻刀 兼具柱刀和球刀的特点具有球刀的特点可以雕刻曲面，具有柱刀的特点可以用于铣平面。锥刀的底刃，俗称刀尖，类似于柱刀，侧刃倾斜一定的角度锥刀（锥度 平 底刀）应用范围最广，精细雕刻用于小平面的精修，在雕刻过程中形成倾斜的侧面，主要用于单线雕刻、区域精雕刻、区域粗雕刻、三维清角、投影雕刻、图像灰度雕刻等。锥刀和球刀的混合体锥 球 刀（锥度球头刀）兼具锥刀和球刀的特点可以雕刻比较精细的曲面，常用于浮雕曲面雕刻、投影雕刻、图像浮雕雕刻等。锥刀和牛鼻刀的混合体锥度牛鼻刀兼具锥刀和牛鼻刀的特点雕铣比较精细的曲面，常用于浮雕曲面雕刻。头部锥角较大大头刀 效率高 主要用于三维清角。钻孔刀具 特种刀具 主要用于钻孔本次设计应条件所限，只使用锥刀。22 ArtCAM Pro 介绍ArtCAM 软件产品系列是英国 Delcam 公司出品的独特的 CAD 造型和 CNC、CAM 加工解决方案，是复杂立体三维浮雕设计、珠宝设计和加工的首选 CAD/CAM 软件解决方案，可快速将二维构思转换成三维艺术产品。ArtCAM Pro 被广泛应用于木工、模具、造币、工艺礼品、建筑、陶瓷、包装、制鞋、玩具等多种行业。ArtCAM Pro 可充分发挥用户的创造力，根据二维艺术图案来设计三维浮雕。ArtCAM Pro 还可通过使用一系列强大、易使用、以矢量为基础的浮雕设计工具，来产生从最复杂的不对称三维浮雕到较简单的对称的三维浮雕。能自动从三维浮雕模型产生刀具路径数据来驱动 CNC 数控机床。ArtCAM Pro 具有比传统的手工雕刻方法更突出的效益设计的可重复性，减少了生产时间和成本，通过 ArtCAM Pro 制造出的所有浮雕都不会因为表面加工质量的问题而成为废品。ArtCAM Pro 允许用户产生一些通常只能依靠最先进的、复杂的CAD 系统才能设计的形体。通过 ArtCAM Pro，用户能够方便地进行形体设计、加工和雕刻。一系列独特的新功能减少了重复图案的设计时间，且大大地扩展了实用范围。ArtCAM 尤其适用于标牌制作和加工、木工雕刻设计和加工、模具雕刻、食品工业艺术设计、硬币和徽章制作和加工等领域。23 CNC USB Controller 介绍CNC 运动控制器是用来连接电脑与电机驱动器的设备。它通过电脑的 USB 端口来实现控制。控制卡与绝大部分电动机驱动器兼容，能代替并口驱动板。它全面支持雕刻机、雕铣机，广泛应用于工业模具、标牌、名牌、建筑模型、印章、广告切字、艺术品、PCB 板等产品的计算机辅助设计和加工代码生成。3 基于 USB 数控系统的雕刻过程分析本次雕刻加工主要是利用 ArtCAM 设计产品并转换生成 G 代码和利用 CNCUSB 软件和 NUT2 雕刻机加工产品两个部分。3.1 ArtCAM 建模及输出路径下面以图 3.1 为例，进行详细介绍。图 3.1 雕刻品1、打开 ArtCAM 软件，设置新模型尺寸。其操作步骤为：点击“产生新的模型”，指定模型尺寸，原点位置和分辨率。本模型高度 80，宽度 100，单位毫米，分辨率 962*770 点，然后点击“确定”，如图 3.2 所示。图 3.2 设置模型尺寸对话框2、利用 ArtCAM 自带的矢量工具画出模型的形状，如图 3.3 所示。图 3.3 二维查看图层3、点击“刀具路径操作”下拉菜单的“材料设置” ，设置模型加工材料厚度 8mm,材料 Z 轴零点，顶部偏置 1mm，如图 3.4 所示。在模型三维查看界面查看所设置的材料，如图 3.5 所示。图 3.4 材料设置对话框 图 3.5 三维查看4、在模型二维查看界面，选中所画矢量，点击“二维刀具路径”下的“沿矢量加工” ，设置加工深度、加工安全高度、刀具、雕刻顺序及路径名称，如图 3.6 所示。图 3.6 沿矢量加工路径对话框 图 3.7 模型加工路径5、设置好后点击“现在” ，生成刀具加工路径，路径可在“三维查看”窗口查看，如图 3.7 所示。6、路径设置好后进行仿真，点击“仿真刀具路径”下的“快速仿真刀具路径” ，弹出“刀具路径动态仿真-矩形块定义” ，点击“仿真刀具路径” ，查看仿真结果，如图 3.8 所示。图 3.8 模型仿真7、输出 G 代码，点击“刀具路径操作”下的“保存刀具路径” ，弹出窗口，选择要保存的刀具路径和路径输出加工文件格式，设置输出 G 代码保存所在的文件，本次设计路径输出加工文件全部选择“G-Code（mm）(*.tap)” ，如图 3.9 所示。图 3.9 保存刀具路径对话框3.2 CNC USB Controller 机床设置1、电脑通过控制板和 NUT-2 雕刻机连接，打开 CNC USB Controller,接通雕刻机电源。2、设置信号方向和脉冲。点击点动按钮，控制雕刻机刀具移动，查看所按按钮的方向是否和刀具移动方向相同，若不同点击文件下拉菜单的设置，选择“轴 2”，哪个轴方向反了，就在该轴下方“反向”处打钩，这样方向信号就设置好了。设置X 脉冲，在“轴 2”窗口 X 轴“步数/毫米”输入预定数值，点击确定。点击“基本”窗口，点击下方“校准设置”，在弹出窗口选择 X，按下一步，输入预计移动距离，按确定，刀具移动。测量实际移动距离与输入值作比较，从而来确定 X 轴脉冲，Y 轴、Z 轴也是如此，如图 3.10 所示。图 3.10 设置方向和脉冲窗口3、设置工作范围。点击设置中的“轴 3”窗口，输入正、负限位来确定刀具工作范围，我的设备有效工作范围为 600*600*200，如图 3.11 所示。图 3.11 设置工作范围窗口4、手动对刀。连续点动运动细调到加工表面，点击“当前位置-清零” ，设置零点。3.3 机床雕刻加工及零件处理1、读入 G 代码，点击“打开” 图标，找到代码双击，在主窗口中查看路径，副窗口查看代码，如图 3.12 所示。图 3.12 CNC USB 路径代码界面2、模拟雕刻，点击“视图”下拉菜单的“模拟” ，橙色小箭头代表刀具进行移动，红色线就是刀具正在走的那段路径。快速模拟雕刻可以拖动 G 代码窗口下的滚动条，这样就能迅速浏览刀具雕刻的顺序，查看有没有撞刀情况。3、打开电动机，移动到零点。点击开始按钮，进行加工，直至工件加工完毕。雕刻过程中如有需要可以适当调节速度，雕刻产生的废屑及时用吸尘器吸走，减小雕刻误差。4、雕刻完毕，关闭电动机，刀具移出，用工具卸下工件，雕刻成品进行祛除毛刺等完善工作，准备下一次雕刻。4 雕刻作品制造实例4.1 二维加工4.1.1 沿矢量加工沿矢量加工是沿已选矢量进行加工的加工策略。加工时，不对刀具半径进行补偿，刀具的中心将沿己选矢量。生成刀具路径时，选中二维窗口中的“淮阴工学院”矢量，再点击“二维刀具路径”下的“沿矢量加工” ，在弹出窗口中设置雕刻参数，如图 4.1 所示。点击“现在” ，生成刀具路径，在三维窗口查看，如图 4.2 所示。图 4.1 沿矢量加工对话框 图 4.2 刀具路径 1生成 G 代码，导入 CNC USB 进行雕刻，生成实物。雕刻实物如图 4.3 所示。图 4.3 实物 14.1.2 二维轮廓加工二维轮廓加工是产生沿己选矢量的内部或外部加工的加工策略。如果选取了锥 形（带角的）刀具，ArtCAM 将基于刀具直径计算结束深度处所需的偏罝值。生成刀具路径时，选中二维窗口中的“淮阴工学院”矢量，再点击“二维刀具路径”下的“二维轮廓加工” ，在弹出窗口中设置雕刻参数，如图 4.4 所示。点击“现在” ，生成刀具路径，在三维窗口查看，如图 4.5 所示。图 4.4 二维轮廓加工对话框 图 4.5 刀具路径 2生成 G 代码，导入 CNC USB 进行雕刻，生成实物。雕刻实物如图 4.6 所示。图 4.6 实物 24.1.3 区域清除加工二维区域清除是种基于当前己选矢量边界的区域清除加工策略。在此，需指定加工深度，一把或多把刀具以及和每把刀具相关的切削参数和策略。如果选取了一把以上的刀具，则将进行残留加工。残留加工是一种使用小刀具加工上一步骤中大刀具无法加工到的区域的加工策略。使用残留加工策略时，较小的刀具将仅加工前面工序大刀具不能加工到的区域。首先在“淮阴工学院”字体外部画一长方形矢量，如图 4.7 所示。生成刀具路径时，同时选中二维窗口中的“淮阴工学院”矢量及其外部长方形矢量，再点击“二维刀具路径”下的“区域清除” ，在弹出窗口中设置雕刻参数，如图 4.8 所示。点击“现在” ，生成刀具路径，在三维窗口查看，如图 4.9 所示。图 4.8 区域清除对话框 图 4.9 刀具路径 3生成 G 代码，导入 CNC USB 进行雕刻，生成实物。雕刻实物如图 4.10 所示。图 4.10 实物 34.1.4 V-Bit 雕刻加工V-Bit 雕刻允许使用 V 形刀具或球头刀对设计的浮雕进行快速加工。刀具的中心 将沿浮雕的中心线移动，切削深度将随浮雕的宽度而变化。生成刀具路径时，选中二维窗口中的“淮阴工学院”矢量，再点击“二维刀具图 4.7 二维界面图像路径”下的“V-Bit 雕刻” ，在弹出窗口中设置雕刻参数，如图 4.11 所示。点击“现在” ，生成刀具路径，在三维窗口查看，如图 4.12 所示。图 4.11 V-Bit 雕刻对话框 图 4.12 刀具路径 4生成 G 代码，导入 CNC USB 进行雕刻，生成实物。雕刻实物如图 4.13 所示。图 4.13 实物 44.2 三维建模加工玩具熊雕刻，如图 4.14 所示。图 4.14 玩具熊模型1、打开 ArtCAM 软件，新建模型，画出所要雕刻物品的二维平面图形，如图4.15 所示。图 4.15 玩具熊二维平面图2、产生熊身部分浮雕。先选取熊身矢量，用左键双击已选矢量，打开形状编辑器窗口。选取“穹形”并点取应用按钮，点击相加按钮，计算熊身浮雕。3、产生耳朵浮雕。同时选取外耳和内耳轮廓矢量，左键双击已选矢量，打开形状编辑器，选择穹形，无限制，角度 45 度，开始高度 0.5,点击相加，如图 4.16 所示。双击内耳轮廓矢量，选择平面，开始高度 0.5，点击相加，如图 4.17 所示。图 4.16 耳朵浮雕 1 图 4.17 耳朵浮雕 24、产生手臂浮雕。选 择 胳 膊 矢 量 ， 选择穹形，角度为 45 度，无剪裁，点击最高拼合，胳膊就产生了。 5、产生脸 部 和 腹 部 浮雕。选 择 脸 部 矢 量 ， 选 择穹形，角度为 60 度，无剪裁，最高拼合。选择一个较大的角度是为了 使脸部更高、更圆。选 择 腹 部 矢 量 ， 选择角度为 15 度，开始高度为 0，无剪裁的穹形，相加，泰迪熊就有了一个很好看的圆形腹部，如图 4.18 所示。图 4.18 脸 部 和 腹 部 浮雕6、产生脚 部 浮雕。用倾斜平面产生脚部矢量的浮雕，这将使脚倾斜，脚趾 向前倾斜，脚跟向后倾斜。选择产生倾斜平面图标, 要产生这个平面最少要选两个点，最多选择三个点。这些点最好从矢量中选择， 三个点都选好了，Z 矢量就可以根据需要改变。定义了平面后，可以选取平面和当前浮雕的组合方式：相加、相减，最高拼合和最低拼合。第 一 个 点 选 在 脚 部 矢 量 的 底 部 。 第 二 个 点 脚 部 矢 量 的 顶 部 。 一 条 虚 线 显 示 了第 一 个 点 到 第 二 个 点 的 距 离 。 第 三 个 点 选 在 脚 部 两 个 矢 量 的 中 间 。 设置每个位置的 Z 值，第一个为 1.5，第二个为 3.5，第三个为 2.75，选择最高拼合。双击脚部矢量。选择角度为 15 度，无剪裁的穹形，按下相加生成浮雕。如图 4.19 所示。图 4.19 脚 部 浮雕7、产生其余部位浮雕。参照上面方法用形状编辑器生成熊鼻子、爪子和眼睛。8、跟据雕刻材料的厚度，对所画模型高度进行缩放。点击浮雕操作下的缩放浮雕高度，输入新模型高度。9、完成浮雕，我们可对浮雕进行光顺处理，从而使模型表面比较光滑。光顺是一个逐渐的过程，光顺的次数越多，细节越模糊。点取浮雕操作工具栏中的“光顺浮雕”，生成浮雕，如图4.20所示。图 4.20 玩具熊三维模型10、生成刀具路径。先进行材料设置，再点击三维刀具路径菜单下“加工浮雕”，生成粗加工、精加工路径。粗加工行距 0.4mm,精加工 0.1mm。粗加工设置如图4.21。精加工设置如图 4.22。图 4.21 粗加工 图 4.22 精加工11、仿真刀具路径，导出 G 代码。仿真后模型如图 4.23 所示。图 4.23 玩具熊雕刻仿真12、将 G 代码导入 CNC USB Controller，控制雕刻机进行粗、精加工。加工完后对雕刻成品进行完善处理。雕刻实物如图 4.24 所示。图 4.24 玩具熊雕刻实物4.3 图片建模加工巨嘴鸟图 4.25图 4.25 巨嘴鸟图片1、打开图片。打开ArtCAM软件，点击“打开文件” ，文件类型选择“位图文件” ，双击雕刻所用图片，设置模型尺寸。2、巨嘴鸟身体的生成。鼠标左键单击第一个绿色方框，将它设置为初始颜色。对巨嘴鸟身体的主要部分，黄色的爪和红色的喙不需要，因此它们可以被连接到绿色的初始颜色。用鼠标右键双击黄色和红色，将它们连接为初始颜色。现在巨嘴鸟暂时被一种绿色的初始颜色环绕了。然后通过使用位图到矢量，可以沿着被连接的初始颜色的边界产生一个矢量。从位图编辑工具栏，点击“位图到矢量”图标。输入“像素公差”为1， “保留直线最小像素长度”为5，如图4.26所示。图 4.26 位图到矢量对话框矢量定义了巨嘴鸟的轮廓和最大浮雕区域。外部矢量删除，而巨嘴鸟矢量保留，并按需要编辑。从二维查看视窗的顶部点击“预览浮雕层”，可以清晰的查看矢量情况，如图4.27所示。图 4.27 鸟体的轮廓双击鸟形矢量，进入形状编辑器，选择“穹形”，角度为45度，按下“相加”。在三维查看中查看浮雕，如图4.28所示。图 4.28 身体模型3、爪和喙的生成。撤消所有颜色连接， 双击鸟喙红色区域，进入形状编辑器，选择“穹形”，角度为45度，按下“最高拼合”，得到鸟喙，同理画出鸟爪模型。4、眼部和翅膀的生成。左键双击眼睛周围的白色区域。选择“平面形状”，开始高度为1，按下“相减”，生成眼部。把翅膀代表的两种颜色连接起来，左键双击蓝色的翅膀，在形状编辑器设置“穹形”，角度为25 度，按下“相加”，生成翅膀。5、通过结合矢量和位图颜色，产生浮雕。跟据雕刻材料的厚度，对所画模型高度进行缩放，再对浮雕进行光顺处理就可以了，浮雕就完成了，如图 4.29 所示。图 4.29 巨嘴鸟模型6、生成刀具路径。点击三维刀具路径菜单下“加工浮雕”，生成粗加工、精加工路径，进行仿真，输出 G 代码文件。仿真图像如图 4.30 所示。图 4.30 巨嘴鸟模型仿真7、将 G 代码导入 CNC USB Controller，控制雕刻机进行粗、精加工。加工完后对雕刻成品进行完善处理。雕刻实物如图 4.31 所示。图 4.31 巨嘴鸟实物5 存在的问题1、雕刻机所配备的刀具种类单一，不能进行多种刀具加工。2、雕刻机电动机功率较小，雕刻速度较慢。3、雕刻机所配备的计算机在工作时间过长之后，会出现死机现象，影响产品质量。4、雕刻材料切削性不好，受热易融化，不易切削。结 论我的毕业设计目标非常明确：基于 USB 数控系统的雕刻加工研究。基于这个目标，我系统地学习 ArtCAM 软件、CNC USB Controller 和 NUT2 雕刻机的操作，在老师的指导下、同学们的帮助下，加上自身的钻研和努力，完成了雕刻作品的设计和作品的实物雕刻。在毕业设计的过程中，我对 ArtCAM 由浅到深，有了深入的了解。产品制造也由最初的试验到现在的自己设计作品、雕刻作品。通过阅读相关书籍，我对产品设计、制造工艺等工作流程有了初步的了解。但是由于实际操作经验的缺乏以及对软件某些概念的含糊不清，使设计一度处于停滞状态。这表明上看来是一个不利条件，但换一个角度来看，这对我能力的培养却是很有利的。这使我深刻地体会到在缺乏经验，缺乏外界帮助的情况下如何独立工作，比如，我自己独立地找资料，向有这方面工作经验的朋友请教，到社会调研市场等，我认为这能够很好地培养了我独立学习和独立工作的能力。 在这整个毕业设计过程中，我掌握了 ArtCAM 的基本操作能力，如二维建模、三维建模、刀具路径的生成等，同时，我还掌握了 CNC USB Controller 与 NUT2 雕刻机的操作，并制作出大量的产品。通过分析与研究，我对 CADCAM 技术有了更深的认识。这一切是在纯理论学习中学不到的。在整个毕业设计的过程中，我一边学习，一边进行实际操作，力求完善。由于时间及水平的原因，在此次设计中，一定存在一些错误和不足。例如我对相关软件的掌握还不够深入，效率也有待提高，这些都是难以避免的。但这次毕业设计使我对 ArtCAM 这个软件有了大体的了解，有了一定的实际经验，积累了一些工作方法和思路，我想这也是我们的毕业设计要达到的最根本的目的。毕业设计结束了，但我相信它更是一个开始。它使我获得了宝贵的经验，为我以后的工作、学习打下了一个坚实的基础。我将带着它走向今后的学习和工作岗位，追逐自己的理想和梦想，实现我的人生目标和价值。致 谢在此次毕业设计过程中，本人始终得到了指导老师许军的悉心指导。在设计过程中，我遇到许多自己不清楚的问题，并经过自己的努力仍不能获得答案的情况下，许军老师给予了我很大的帮助和指导，使我很快明确了问题的实质，理清了思路。在设计和论文编写期间，许军老师给我提供了很多思路，他的一丝不苟的态度给我留下了深刻的印象。我衷心地感谢许军老师，因为他对学生的严格要求，使学生懂得一丝不苟、刻苦钻研、独立自主的意义。同时，我还要感谢同组的梁欢同学，感谢他在这几个月里给予我的帮助。最后感谢机械工程系领导、老师和同学在我学习期间给予的关心、支持和帮助！参 考 文 献1 刘文信、孙学礼，机床数控技术M,机械工业出版社,19952 王青松、傅建中,面向对象的计算机数控雕刻控制软件J,机电一体化,2000(6)3 边海龙、贾少华，USB2. 0 设备的设计与开发M，北京，人民邮电出版社，20044 张昱、刘志峰，经济型三维机械雕刻机的开发J,机械制造与研究，2006, 35 (4)5 薛彦成，数控原理与编程M，北京，机械工业出版社，19946 陈亮、刘开华，通用 USB 总线接口设计与应用J电子测量技术，2006，29(3)7 王润孝、秦现生，机床数控原理M，西安，西北工业大学出版社，20008 康榜联、文怀兴，基于 PC 的雕铣机数控系统的研究 J.机械制造与自动化，20089 赖国庭、吴玉厚，富大伟，开放式数控系统的发展及性能研究J，机械与电子， 200310 马伟，计算机 USB 系统原理及其主/从机设计M，北京，北京航空航天大学出版社，2004