多功能桌面迷你工廠的設(shè)計(jì)

周云津 陳國(guó)平 李葉鑫 胡興黔 黃茂梁

【摘要】該產(chǎn)品是為了解決創(chuàng)客在生產(chǎn)制作的時(shí)候，非標(biāo)件難以購(gòu)買(mǎi)和價(jià)錢(qián)昂貴的問(wèn)題。該產(chǎn)品是一個(gè)集3D打印、數(shù)控機(jī)床、PCB雕刻與一體的多功能桌面迷你工廠，它成本低廉，能夠通過(guò)更換不同的工具頭，從而實(shí)現(xiàn)不同的功能以此滿足創(chuàng)客的各種需求。

【關(guān)鍵詞】3D打印、數(shù)控機(jī)床、PCB雕刻、桌面迷你工廠

Abtract： The product is intended to solve problems in production processes create customer when non-standard parts are difficult to buy and the price is expensive. This product is a set of 3D printing， CNC machine tools， PCB engraving called multifunctional Desktop mini factories， its low cost and can switch to a different tool head， in order to achieve different functions in and to meet the various needs of the customer's record.

Key words： 3D printing， CNC machine tools， PCB engraving， desktop mini plant

1 引言

國(guó)內(nèi)的創(chuàng)客在生產(chǎn)制作的時(shí)候，往往會(huì)有很多零部件市場(chǎng)上無(wú)法買(mǎi)到，即非標(biāo)件。而目前通常有兩種方法完成非標(biāo)件的加工：一是通過(guò)數(shù)控機(jī)床（CNC）把塊狀物或板狀物切割雕刻成需要的形狀；二是通過(guò)3D打印[1]直接打印出需要的非標(biāo)件。而無(wú)論是去找商家CNC加工還是3D打印，不僅過(guò)程麻煩耗時(shí)長(zhǎng)，而且成本還是普通的創(chuàng)客難以接受的。

因?yàn)槠胀▌?chuàng)客通過(guò)商家加工非標(biāo)件非常麻煩，所以一個(gè)簡(jiǎn)易價(jià)廉的集3D打印、數(shù)控機(jī)床、PCB雕刻與一體的多功能桌面迷你工廠就十分的具有價(jià)值。桌面迷你工廠它小巧易于操作，而且能夠通過(guò)更換不同的工具頭，實(shí)現(xiàn)不同的功能，是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)客們創(chuàng)意的一大利器。

2 3D打印技術(shù)

2.3.1 FDM技術(shù)

熔積成型（FDM）法，該方法使用絲狀材料（石蠟、金屬、塑料、低熔點(diǎn)合金絲）為原料，首先使用建模軟件創(chuàng)建STL模型，再用切片軟件切片。 再利用電加熱方式將絲材加熱至略高于熔化溫度（約比熔點(diǎn)高1℃），在計(jì)算機(jī)的控制下，噴頭作x-y平面運(yùn)動(dòng)，將熔融的材料涂覆在工作臺(tái)上，冷卻后形成工件的一層截面，一層成形后，噴頭上移一層高度，進(jìn)行下一層涂覆，這樣逐層堆積形成三維工件。其中FDM技術(shù)的3D打印流程如圖 2所示。

該技術(shù)污染小，材料可以回收，主要用于塑料件、鑄造用蠟?zāi)！蛹蚰Ｐ汀?/p>

3 數(shù)控機(jī)床原理和運(yùn)動(dòng)方式

3.1 數(shù)控機(jī)床的原理

數(shù)控機(jī)床[3]一般由信息載體、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機(jī)床本體等四部分組成。數(shù)控機(jī)床一般首先利用信息載體記錄程序編制的內(nèi)容，并通過(guò)讀入裝置輸送給數(shù)控裝置。在數(shù)控裝置接受讀入裝置輸入的加工信息后，經(jīng)過(guò)譯碼處理和運(yùn)算，發(fā)出相應(yīng)的指令脈沖給伺服系統(tǒng)，再驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)進(jìn)行雕刻，最終完成零件加工。其中利用數(shù)控機(jī)床加工零件的流程圖如圖 3所示。

3.2 數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)方式

數(shù)控機(jī)床的控制運(yùn)動(dòng)的方式可分為點(diǎn)位控制、直線控制和輪廓控制三種。其中點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床在加工平面內(nèi)只控制刀具相對(duì)于工件的定位點(diǎn)的坐標(biāo)位置，而對(duì)定位移動(dòng)的軌跡不作要求。直線控制數(shù)控機(jī)床能控制刀具或工件的適當(dāng)?shù)倪M(jìn)給運(yùn)動(dòng)，沿平行于坐標(biāo)軸的方向進(jìn)行直線移動(dòng)和加工，或者控制兩個(gè)坐標(biāo)軸以相同的速度運(yùn)動(dòng)，沿45°斜線進(jìn)行切削加工。輪廓控制數(shù)控機(jī)床能同時(shí)控制兩個(gè)或兩個(gè)以上坐標(biāo)軸，使刀具與工件作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，加工復(fù)雜零件。單純的點(diǎn)位控制和直線控制機(jī)床很少，大部分為輪廓控制數(shù)控機(jī)床。輪廓控制數(shù)控機(jī)床能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)動(dòng)加工，也能進(jìn)行點(diǎn)位和直線控制。

4 PCB雕刻方案

利用PCB數(shù)字雕刻機(jī)[4]繪制PCB的一般過(guò)程主要包括：PCB繪圖、雕刻機(jī)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置、圖形到G代碼轉(zhuǎn)換、執(zhí)行G代碼。PCB繪圖可以用常用的EDA軟件或者其他繪圖軟件，生成的圖形以矢量形式或者高保真的非壓縮形式存儲(chǔ)。將圖像導(dǎo)入ArtCAM軟件，通過(guò)顏色生成路徑矢量，然后選擇刀具生成刀路。刀具設(shè)置中需要設(shè)置各種參數(shù)，如雕刻深度、進(jìn)刀率、主軸轉(zhuǎn)速等。

其中采用雕刻機(jī)刻制PCB的一般流程如圖 4所示。

5多功能桌面迷你工廠的實(shí)現(xiàn)

裝置整體采用X-Y-Z結(jié)構(gòu)，使用Arduino作為裝置主控，控制裝置夾頭做XYZ三軸運(yùn)動(dòng)。裝置配有3D打印頭、微型電磨頭、激光雕刻頭等三個(gè)效應(yīng)器，分別實(shí)現(xiàn)3D打印功能、數(shù)控機(jī)床和PCB雕刻功能，效應(yīng)器與裝置夾頭連接方法采用快拆式連接。裝置夾頭為一塊L形的金屬板，一面固定在傳動(dòng)裝置上，另一面上面有兩個(gè)圓形通孔。使用快拆穿過(guò)圓形通孔，夾緊效應(yīng)器。該連接方法牢固可靠，能滿足不同效應(yīng)器工作時(shí)對(duì)裝置的強(qiáng)度要求。同時(shí)，快拆式連接方法安裝拆卸方便快捷，不需要使用任何工具。

參考文獻(xiàn)

[1]古麗萍.蓄勢(shì)待發(fā)的3D打印機(jī)及其發(fā)展[J].數(shù)碼印刷，2011（10）：64-67.

[2]張曼.3D打印技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展研究[J].電子世界.2013（13）：7-8

[3]李偉. 數(shù)控機(jī)床的原理分類(lèi)及數(shù)控技術(shù)的發(fā)展[J]. 湖南農(nóng)機(jī).2013（1）：94-95