基本信息
- 项目名称：
- 刻图机器人
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品是一款新型的雕刻产品，体积小、精度高、功耗低、价格低廉等优势，一经推广，可有效的推动雕刻行业中小型雕刻的发展。刻图机器人外表美观、大方、噪音小，非常适合中小企业及私人应用。可广泛应用到工艺礼品业、艺术模型业、PCB加工业、广告业、 印章业、木器加工业等行业。其强大的3D观测界面给开发带来极大的便利，减少开发过程中的环节，使开发更快速高效，大大降低了开发的成本。
- 详细介绍：
- 1 方案概述 1.1 课题来源 传统的手工雕刻是以“刀斧凿”为工具，无论从生产效率和精度上都难于适应工业生产的需要！机械雕刻的出现为“雕刻”进入工业起到了巨大的推动作用，尤其是图案和文字的雕刻能力加速了模具产业的发展速度！然而目前在国内市面上出现的雕刻机，虽然性能较好，但是价格也非常昂贵，而且功耗很大，体积庞大，普通的雕刻机都是万元以上，令一些小单位及个人用户望而却步。上述弱势阻碍着“雕刻”在现代工业中的应用广度。人们对一款新型的体积小、功耗低、价格低廉的雕刻机器的需要已经是迫在眉睫。所以想设计一款刻图机器人。其主要目的是用于工艺礼品业、艺术模型业、PCB加工业、广告业、 印章业、木器加工业等行业的小型、高精度、低功耗、价格低廉的雕刻工具。 1.2应用领域 该刻图机器人可以应用到立体广告制作中，而三维立体的、彩色的图案更受到人们的欢迎，满足现代人审美观的需要；在工艺品行业，可在工艺品、纪念品上刻制各类文字和图形；在PCB板制作中，可对其电路进行制作、钻孔铣槽等操作，而且精度相当高。在制鞋业，鞋材和鞋底加工是的主要生产环节，该刻图机器人可构造和加工以艺术曲面为主要形态的鞋底模型、鞋材高周波模具以及斩皮模具；在印章行业，可在牛角、塑料、有机板、木头、储置垫等材料上方便地刻制印章…… 1. 3技术指标 低速力矩大，可以保证低转速切削，输出平稳。 高性能矢量控制。 转矩动态响应快、稳速精度高。 加减速的时间尽量短。减速停车速度快。 全速度范围内速度波动小 重量轻、体积小，能适应多种要求比较严格的场合。 抗干扰能力强 2 上位机软件介绍 2.1 整体制作流程 刻图机器人雕刻产品简单易行，容易掌握，很适合小型用户使用。下面简单介绍一下制作流程。 1、要加工的灰度图如图2.1所示 图2.1 要加工的灰度图 2、将灰度图导入到ArtCAM软件中 图2.2 将灰度图导入到ArtCAM软件中 3、对灰度图进行3D处理 图2.3 对灰度图进行3D处理 4、对3D图进行仿真 图2.4 对3D图进行仿真 5、仿真出的3D效果，并将其生成G代码 图2.5 对3D图进行仿真 6、将G代码导入到MACH2软件中，控制刻图机器人的运行，雕出设计的作品 图2.6 将G代码导入到MACH2软件中 7、刻图机器人运行中 图2.7 刻图机器人正在雕刻 2.2 ArtCAM.2008.Pro 浮雕操作软件 ArtCAM 软件是一款功能强大的三维浮雕设计及加工的完整解决方案。她可快速将二维构思转换成三维艺术浮雕产品。全中文用户界面使您能更加方便、快捷、灵活地进行三维浮雕设计和加工。 ArtCAM有如下特点 1）ArtCAM 能够由二维线条快速生成的三维浮雕模型，速度之快超乎想像，此功能将大大缩减产品的设计时间，快速响应市场。 2）ArtCAM 能够将照片直接转化为三维浮雕模型，此功能可以快速给模型增加漂亮的纹理，增加产品的价值。 3）ArtCAM 独特的头像造型功能，能在十分钟内由照片得到栩栩如生的侧面像浮雕，特别适合于人像纪念币的设计。 4）ArtCAM 独有的浮雕层的功能，引领了浮雕类软件模型分层设计管理的先河，极大的提高了设计的灵活度。此功能可以轻松解决浮雕底面增加弧度的问题，并能任意控制浮雕及弧面的高度。 5）ArtCAM 提供了手工交互式雕刻工具，此功能可以让设计师在电脑里模拟手工雕刻，最大程度的提高了设计的灵活性。 6)ArtCAM 拥有500多个三维浮雕素材库，设计师可以调用浮雕库里的素材进行设计，同时也可以将自己设计的浮雕增加到库里，方便今后使用，大大提高工作效率。 7）ArtCAM提供了多种高效的加工策略以及加工模拟仿真功能。在进行模型实际加工之前，可以在ArtCAM 里进行加工过程的模拟，通过模拟，可以提前避免不必要的错误。 ArtCAM.2008.Pro打开三维浮雕文件的视图如图2.8。 图2.8 ArtCAM.2008.Pro打开三维浮雕文件的视图 图2.9 ArtCAM.2008.Pro打开三维浮雕文件仿真图 2. 3 match2雕刻机控制软件 MACH2软件是目前业余情况下使用较多的CNC 软件之一，它是一种使用PC机并口或USB口（需要专用驱动器）控制步进电机的CNC 软件，使用方便，但设置、功能较多。 该软件有如下特点： · 直接使用G代码文件 · 支持DXF BMP JPG 与 HPGL 直接导入 · 直观 G-代码 路线显示 · 可编辑G代码文件 · 主轴变频器控制 · 即时加工进度显示 · 手动控制功能 · 可使用并口或USB输出通过驱动器控制步进电机 · 可以运行在Windows 98/NT/2000/XP 等32 位操作系统上 mach2操作界面如图2.10。 图2.10 mach2操作界面 2. 4coppercamCAM——专业的PCB雕刻软件 COPPERCAM是个非常强的专业制作PCB雕刻软件，可以用PROTEL设计的电路GERBER文件转换成雕刻机认识的 G 代码。可以产生隔离，铣削，钻孔，铣边等功能，可以做双面板。使用简单，是电子爱好者不可多得的软件。 COPPERCAM是个非常强的专业制作PCB雕刻软件， 可以用PROTEL设计的电路GERBER文件转换成雕刻机认识的 G 代码。可以产生隔离，铣削，钻孔，铣边等功能，可以做双面板。使用简单，是电子爱好者不可多得的软件。加工的PCB仿真图如图2.11。 图2.11加工的PCB仿真图 3 系统工作原理 3.1三轴TA8435H主控板 步进电机是一种可将脉冲信号转变角位移或线位移的开环控制元精密电机。可以通过控制脉个数来控制角度位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为 100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。三轴步进电机驱动电路如图3.1所示。 图3.1 三轴步进电机驱动电路 3.2机械行程执行机构 X、Y工作台是用直线导轨滚珠丝杠做传动机构，外形尺寸小、工作载荷大、工作稳定、有很好的刚性，从而保证了良好的线性度和精度。Z轴动力部分，采用目前比较好的一种方法是直接采用专用的雕刻头——即一种加持刀具的部位与旋转轴做在一起的可实现及主轴动力部分的动力源采用具有优良的启动和调速性能直流电机，。通过皮带传动来使夹持刀具的钻头产生旋转运，同样可以保证刀具在旋转时有较好的同轴性。具有较高的切削速度、较好的同轴性及较大的切削力。Z轴动力部分如图图3.2所示。 图3.2 Z轴动力部分 4 部分雕刻作品赏析 下面是一些雕刻作品的欣赏。 图4.1 浮雕作品——牛 图4.2 浮雕作品——人头肖像 图4.3 浮雕作品——葡萄 图4.4 浮雕作品——蜥蜴 图4.5浮雕作品——单层板 5 结语 本系统充分利用了PC资源，实现了PC和机械结合的数控作品。给大家展示了一个智能雕刻设备——刻图机器人。各项功能都很好的完成，展现出一款体积小、精度高、功耗低、价格低廉的雕刻工具。是全新的小型雕刻设备。不需太大的空间即可制作自己想要的雕刻产品，适合中小企业及私人应用。而且这款刻图机器人有相当高的精度，满足用户对制作效果的高精度的要求，特别是雕刻工艺品和电路板等产品。应用先进的现代技术，制作出外表美观、大方、噪音小的产品，发展前景相当广泛。最深刻的感触是无论做什么事情都不可半途而废，坚持的魅力在于看似一切的平常在潜移默化中成就了偶然中的必然。
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作品专业信息
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
- 【基本思路】 1、制作一款价格低廉的雕刻工具，满足大部分行业的不同需求。 2、该刻图机器人应该小巧、低功耗，不需太大的空间即可制作自己想要的雕刻产品，适合中小企业及私人应用。 3、这款刻图机器人要有相当高的精度，满足用户对制作效果的高精度的要求，特别是雕刻工艺品和电路板等产品。 4、注入先进的现代技术，使刻图机器人呈现在人们面前的是一款美观、大方、噪音小、成本低的产品。 【创新点】 1、制作出3D的浮雕效果。满足广告商以“新”和“异”来表达自己的主题并吸引公众的注意！使广告行业有所突破。 2、设计方便，雕刻成功率高。3、精密高速主轴电机配合高精度的刻刀使刻图机器人具有精湛的雕刻工艺4、传动系统性能优越。X、Y轴均采用先进的技术产品，用直线导轨传动，精度高，刚性好，提高雕刻的精度。 5、控制软件支持多种数据格式。全面兼容UG、MASTERCAM、ArtCAM、AutoCAD、Type3、文泰、精雕等CAD/CAM生产的代码格式，增加了该刻图机器人的应用市场。 【技术关键】 1、低速力矩大，可以保证低转速切削，输出平稳。 2、高性能矢量控制。 3、转矩动态响应快、稳速精度高。 4、加减速的时间尽量短。减速停车速度快。 5、全速度范围内速度波动小。 6、抗干扰能力强。 【主要技术指标】 功耗、雕刻精度、体积、生产成本、3D效果。
科学性、先进性
- 1、使用精密高速主轴电机。使用精密高速主轴电机是小刀具高速雕刻的基本保证！高速精密主轴电机的“高转速、高精度、低噪音、低震动、高速恒功率”等特点，确保小刀具可获得较高的切削线速度、保持较高的旋转精度、产生足够的高速切削力、减少震动和跳动断刀。 2、采用先进的传动技术，提高雕刻精度。X、Y轴均采用先进的直线导轨传动，精度高，刚性好，提高雕刻的精度，极大的满足客户的需求。 3、采用先进的立体合成技术。可以通过摄像头拍摄物体正面图片、侧面图片和俯视图片，通过上位机处理得到其对应的3D模型转换成相应的代码控制刻图机器人的运行，制作出显示的物体模型。 4、强大的上位机软件支持。通过上位机可以看到雕刻出来的物体的3D模型、路径选择、自动换刀等各种参数的设置，使得雕刻机性能更稳定，更加人性化，给大批量生产前的测试提供了可靠的保障。 5、采用先进的驱动芯片，保障机器的高精度低功耗的运行。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物产品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 中国雕刻行业的发展是很迅速的，从前几年的手工雕刻转变到现在的机器雕刻。雕刻产品给人们带来了前所未有的变化，既节省了雕刻的时间，又使得雕刻工艺提高很多。然而目前在国内市面上出现的雕刻机，虽然性能较好，但是价格也非常昂贵。普通的雕刻机都是万元以上，令一些小单位及个人用户望而却步。所以我们设计了这款体积小、精度高、功耗低、价格低廉的雕刻工具--刻图机器人。极大的满足不同行业的对小型的高精度的雕刻需求，是中小企业私人等的最佳选择。 该刻图机器人可以应用到立体广告制作中，而三维立体的、彩色的图案更受到人们的欢迎，满足现代人审美观的需要；在工艺品行业，可在工艺品、纪念品上刻制各类文字和图形；在PCB板制作中，可对其电路进行制作、钻孔铣槽等操作，而且精度相当高。在制鞋业，鞋材和鞋底加工是主要生产环节，该刻图机器人可构造和加工以艺术曲面为主要形态的鞋底模型、鞋材高周波模具以及斩皮模具；在印章行业，可在牛角、塑料、有机板、木头、储置垫等材料上方便地刻制印章……
同类课题研究水平概述
- 中国雕刻行业的发展是很迅速的，从前几年的手工雕刻转变到现在的机器雕刻。1938年世界第一台手动雕刻机在法国“嘉宝”问世，1950年“嘉宝”生产出世界第一台真正意义的电动、可缩放比例的手动雕刻机。随后美国、日本和法国等国也开始研制。20世纪90年代，随着微电子技术的突飞猛进，直接推动微型计算机的急剧发展。微电子技术和微型计算机技术带动整个高技术群体飞速发展，从而使雕刻机产生了质的飞跃。自从有了人类的社会活动以后，就有了雕刻这一行业，伴随着人类社会的发展，雕刻机完成了从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。 雕刻加工涉及各行各业、分布很广，有礼品业、广告业、印章业、木器加工业、建筑业、艺术模型业、机械加工、工装模具等等。 雕刻产品给人们带来了前所未有的变化，既节省了雕刻的时间，又使得雕刻工艺提高很多。然而目前在国内市面上出现的雕刻机，虽然性能较好，但是价格也非常昂贵。普通的雕刻机都是万元以上，令一些小单位及个人用户望而却步。所以我们设计了这款体积小、精度高、功耗低、价格低廉的雕刻工具--刻图机器人。极大的满足不同行业的对小型的高精度的雕刻需求，是中小企业私人等的最佳选择。 该刻图机器人采用先进的立体合成技术、强大的上位机软件能制作出3D的浮雕效果；设计方便，雕刻成功率高；精密高速主轴电机再配合高精度的刻刀使刻图机器人具有精湛的雕刻工艺；其控制软件支持多种数据格式。全面兼容UG、MASTERCAM、ArtCAM、AutoCAD、Type3、文泰、精雕等CAD/CAM生产的代码格式，增加了该刻图机器人的应用市场。 采用控制集成化，连接分离化的设计理念、先进的传动技术保证雕刻的精度、精密高速的主轴电机使雕刻产品十分逼真、先进的立体合成技术、强大的上位机软件支持；还采用先进的驱动芯片、驱动控制电路采用高集成芯片且有一定防干扰措施、并且成本低、功耗小。从而彰显了刻图机器人的先进性。有利于刻图机器人的推广前景迅速发展。
