基于固高数控系统的雕刻加工程序设计

XX 工 学 院毕业设计说明书（论文）作 者: 学 号： 学 院:机械工程学院专 业:机械设计制造及其自动化题 目:基于固高数控系统的雕刻加工程序设计指导者： 评阅者： 20xx年5月毕业设计说明书（论文）中文摘要 数控编程是目前CAD/CAPP/CAM系统中最能明显发挥效益的环节之一，其在实现设计加工自动化、提高加工精度和加工质量、缩短产品研制周期等方面发挥着重要作用。在诸如航空工业、汽车工业等领域有着大量的应用。由于生产实际的强烈需求，国内外都对数控编程技术进行了广泛的研究，并取得了丰硕成果。雕刻加工是一种传统的手工工艺，在工艺品、广告、建筑装饰装潢等行业有着悠久的历史。随着计算机数控（CNC）技术及相关技术（CAD/CAM/CAPP等）的发展，这种传统的手工加工方法正逐步被数控加工方法所替代。数控雕刻系统是集成CAD/CAM技术、图像处理技术、高速铣削技术、计算机数控技术、精密机构设计和制造技术、电机驱动技术和精密高速主轴电机技术为一体发展起来的高新技术设备。雕刻加工程序设计是本文的主要目的，通过ArtCAM仿真，导出代码，然后在固高雕刻机上进行加工。关键词 固高数控系统，雕刻，ArtCAM浮雕模型，加工，仿真毕业设计说明书（论文）外文摘要Title Base on The Solid High CNC Engraving Processing Program Design AbstractThe numerical control programming is present CAD/CAPP/In the CAM system most can obviously display one of benefit links, it in the realization design processing automation, the enhancement processing precision and the processing quality, reduces aspect and so on product development cycle is playing the vital role. In such as domain and so on aviation industry, automobile industry has the massive applications. Because produces the actual intense demand, domestic and foreign has all conducted extensive research to the numerical control programming technology, and has yielded the substantial result. Engraving is kind of traditional manual craftwork. It has long history in business of craftwork, advertisement,architecture ornament and the like. However,with the development of the technology of CNC and CAD/CAM/CAPP, CNC processing is replacing this traditional manual processing gradually .The CNC Engrave-milling system is a high-tech equipment which integrates CAD/CAM, digital image processing, high-speed milling(HSM),CNC,precision mechanical design and manufacture, motor driver technology and build-in motor spindle technology. The main purpose of this dissertation is to Carving processing program design.Through ArtCAM simulation,we derive code and use the googol engraving machine for processing.Keywords googol nc system，engrave，artcam embossment model，working，emulation目 录1 引言12 概述22.1 数控雕刻机及其发展23 固高数控系统概述63.1 数控技术的地位63.2 固高数控系统的简介74 ArtCAM的仿真处理84.1 数控雕刻软件的选择84.2 浮雕建模115 固高雕刻机的简介205.1 固高雕刻机GXYZ303010VP介绍205.2 雕刻机所用刀具选择235.3 固高雕刻机G代码介绍256 雕刻机改装、代码验证和加工266.1 雕刻机的改装266.2 G代码的验证、修改和加工286.3 加工成品展示29结 论30致 谢31参 考 文 献321 引言装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产”。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最为核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外，世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：(1)机械制造技术；(2)信息处理、加工、传输技术；(3)自动控制技术；(4)伺服驱动技术；(5)传感器技术；(6)软件技术等。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。雕刻加工是一种传统的手工工艺，在工艺品、广告、建筑装饰装潢等行业有着悠久的历史。随着计算机数控（NCN）技术及相关技术（CAD/CAM/CAPP等）的发展，这种传统的手工加工方法正逐步被数控加工方法所替代。数控雕铣系统是集成CAD/CAM技术、图像处理技术、高速铣削技术、计算机数控技术、精密机构设计和制造技术、电机驱动技术和精密高速主轴电机技术为一体发展起来的高新技术设备。近年来，世界上各发达国家竞相发展机电一体化技术，以提高制造技术水平，实现生产系统向柔性化、智能化发展。机电一体化技术给传统的机械工业带来了革命性的变革和惊人的效益，使产业结构、生产方式和管理体制发生深刻的变化。机电一体化是当今世界机械工业技术和产品发展的主要趋势，也是我国机械工业发展的必由之路。2 概述2.1 数控雕刻机及其发展2.1.1 雕刻工艺与数控雕刻机 传统雕刻加工业是一门技术性要求很高的手工技艺，雕刻品的质量完全取决于雕刻师的技艺水平，所以生产的效率低、成本高，制品的随意性强、一致性差，严重制约了雕刻行业的发展。这使得雕刻机的发展成为必然。 雕刻机的功能决定了其使用范围。在工艺上，雕刻机可分为全自由度空间雕刻、三维立体雕刻和二维平面雕刻，如玉雕、木雕工艺品以及冰雕与沙雕等作品。此类制品往往注重艺术创作性，制品的构成形状复杂、随意性强、工艺性差。因此这类工艺迄今为止雕刻机尚无能为力，只能采用手工雕刻，制品的质量和艺术性完全依赖于雕刻师的技艺水平。相比之下，在三维立体雕刻和二维平面雕刻工艺中雕刻机则大有可为。三维立体雕刻类似于三维铣削加工，可以完成精密模具、艺术浮雕曲面等雕刻加工；而二维平面雕刻工艺主要用于标牌文字及平面几何图形的雕刻加工。目前，三维立体和二维平面雕刻大部分已采用雕刻机完成，克服了传统手工雕刻存在的缺陷。 根据控制原理的不同，雕刻机可分为仿形雕刻机和数控雕刻机（采用CNC系统）两大类型。仿形雕刻机的工作原理类似于仿形铣削，在加工前必须制作仿形模型，这一过程通常需手工完成，周期长、效率低。数控雕刻机是数控技术和雕刻工艺相结合的产物，是一种专用的数控机床。与通用数控机床类似，数控雕刻机通过数控系统根据程序代码控制雕刻机动作，实现雕刻加工的自动化。较传统的手工雕刻、仿形雕刻，数控雕刻具有生产效率高、加工精度高、成品率高、对零件的适应性强等显著优势；同时，借助于专用的雕刻CAD/CAM软件系统，加工控制程序的生成快捷、修改方便。因此，数控雕刻机现已成为实现雕刻加工自动化、高效率、高精度的有效手段，也是当今雕刻机的发展主流，广泛应用于机械工业、广告传媒、日常消费以及建筑装潢等众多领域。 根据雕刻对象和应用领域的不同，数控雕刻机可分为模具雕刻机、木工雕刻机、广告雕刻机、激光雕刻机等多种类型。它们的加工性能要求出入很大，对机床和数控系统的要求也各不相同。如模具雕刻机其加工材料为金属，所以对机床本体的刚性要求较高而且其加工对象是模具，所以对加工系统的精度高；而广告机加工的一般是塑胶板或有机玻璃等非金属材料，所以对机床刚性和加工系统的精度都没有很高要求。但各类雕刻机都有一个共同的特点，也是数控雕刻机与普通数控机床的一个显著区别，就是由于雕刻刀的特殊性，每次切削的有效程型面积小，所以零件雕刻的刀具运动轨迹很长，加工时间往往也较长。因此，提高雕刻机的刀具运动速度对缩短零件雕刻时间、提高加工效率具有特别重要的意义。 按照伺服驱动控制的类型不同，数控雕刻机又可分为步进驱动雕刻机和伺服驱动雕刻机。步进驱动属于开环控制，控制精度低，但价格便宜，适用于对加工要求不高的中低档雕刻机，如木工、广告业的雕刻加工。伺服驱动控制精度高，但价格较贵，主要用于模具加工等高精度雕刻机。 此外，还可根据运动坐标控制的轴动轴数，将数控雕刻机分为三坐标数控雕刻机、五坐标数控雕刻机等。三坐标数控雕刻机可以控制三个坐标联动，完成浮雕等常规雕刻加工；五坐标数控雕刻机可以联动控制X、Y、Z三个移动轴和两个旋转轴，用来完成复杂形状零件的雕刻加工。2.1.2 数控雕刻的应用与特点 数控雕铣机是CAD/CAM一体化的典型产品。计算机数控雕铣系统集扫描、建模、设计、后置、运动控制诸多功能于一体，能方便快捷地在各种软件材料（有机玻璃、双色板、多层板、工程硬塑、ABS沙盘模型板、PP、PVC、板材、亚克力、木材、橡胶等）和硬性材料（黄紫铜、铝、不锈钢、钛合金、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、三维立体浮雕及模具制造等。 数控雕铣机的应用领域十分广泛，例如：（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识模板制作及卷烟字轮制作。（7）印刷电路板（PCB）新产品开发中的电路制作，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）砚台艺术雕刻加工。（13）照相机光圈变焦零件及雕刻加工。（14）手表表面及表壳模具制造。（15）汽车工业、轮胎模具，车灯模具及装饰品模具加工。（16）首饰精细雕刻，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，使得计算机数控雕铣机有了更大的用武之地。所以，数控雕铣机的应用前景和范围将不断扩大。概括起来，数控雕铣机主要有以下几个特点：（1） 自动化程度高。具有的雕铣过程都是数控雕刻机自动完成。（2） 产品的尺寸精度高，一致性好。数控雕铣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） 应用领域广泛。只需改变控制程序，数控雕铣机便可以雕刻浮雕、各种复杂的曲面，支持各种刀具，改善雕刻表面质量，提高雕刻效率。数控雕铣机都有钻铣功能，既可以于模具的雕铣加工，又能做切割、钻孔、铰孔、攻螺纹等加工。另外，数控雕铣机还有些特殊应用：如蜂窝铣，窄槽、薄壁零件加工、石墨加工等；可替代抛光，但比抛光效率高，精度高；可替代电火花加工，但比电加工表面质量更好，效率更高，故使用雕铣机性价比更高。（4） 数控雕铣机可以实现强力铣削和高速高精雕刻之间切换。所以在同一台机床上，既可以完成零件的粗加工，又可以完成零件的精加工。我们可以灵活使用雕铣机，装细刀干精活，装粗刀干大活。（5） 一般，雕铣机数控系统要求具有样条插补功能和速度“前瞻”功能。因为数控雕铣机大多用于复杂曲面的加工，加工程序一般用手工编程是无法完成的。所以雕铣机数控系统接受的加工程序通常是由CAM软件自动生成的。但CAM软件生成的加工程序，一般是通过小段直线来逼近零件轮廓的，如果雕铣机数控系统不具备样条插补和速度“前瞻”功能，只能采用低速的直线插补，完成复杂曲面的加工。这样既降低了加工精度，用时效率也不高。样条插补功能和速度“前瞻”功能，能很好地保证加工精度和加工速度的平稳性。（6） 数控雕铣机加工精度高。数控雕铣机在精加工时采用高速加工，切削力小，变形小，切削热可由切削速度地带走，从而减少了零件的热变形误差。（7） 数控雕铣机不仅适合不同形状工件的单件小批生产，也适合大批量的工件加工。2.1.3 数控雕刻机的发展现状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，从而使雕铣机也有了质的飞跃。雕铣机经历了从2D到2.5D再到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铣机研制的基本要求。国外的雕铣机，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。近几年国内的雕铣机，如北京的“精雕”、上海的“啄木鸟”南京的“威克”在国内也有一定市场，价格也不菲。目前国内数控雕铣机的技术水平：（1） 数控雕铣机的CADCAM软件 大多数数控雕铣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知识版权的CADCAM软件JDpaint。（2） 数控装置 目前雕铣机的数控装置可分为三种类型，即基于IPC的控制器，基于DSP的控制器和基于单片机的控制器，单片机的处理功能较强，DPS控制器处理速度快。（3） 雕铣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,加工效率较低。美国麦迪克三维雕铣机(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35mmin,整体技术水平高于国产雕铣机，但价格也远高于国产雕铣机。（4） 控制软件方面 数控雕铣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。目前，通常选用的操作系统有很多，如DOS、WINDOWS98/2000/XP、LINUX、uC/OS等。2.1.4 数控雕刻机的发展趋势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不断发展，将持续改进和提高雕铣机的性能；随着计算机通信技术和网络技术的迅猛发展，也将给雕铣机带来一场革命。下面是数控雕铣系统的几个发展趋势：（1） CAD/CAM软件发展方向 目前雕铣机所采用的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、UG等也将逐渐应用于雕铣领域。（2） 刀具性能的提高 随着雕刻所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 现在国内的雕铣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。今后的雕铣机控制部分将向半闭环、全闭环系统发展，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）高效率可靠性 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，如采用面向对像技术等。 （5）多轴联动 多轴联动可以 完成更复杂的雕铣动作，雕刻出更复杂、更精密的图案。多轴联动将是数控雕铣机的一个重要发展方向。 （6）柔性化 开放式数控系统的概念逐渐应用于雕铣机中，软硬件的通用化、模块化和标准化，大大提高雕铣机的柔性，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铣机系统。3 固高数控系统概述3.1 数控技术的地位数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，它是集传统的机械制造技术、计算机技术、现代控制技术、传感检测技术，网络通信技术和光机电技术等于一体的现代制造业的基础技术，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化和智能化起着举足轻重的重要。数控装配则是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透而形成的机电一体化的产品。数控技术是制造自动化的基础，是现代制造装备的灵魂核心，是国家工业和国防工业现代化的重要手段，关系到国家战略，体现国家综合国力水平，其水平的高低和数控装配的开发研制，得到了国家有关部门和企业的高度重视和大力投入，且已取得了很大的进步，如基于PC机的开放式智能化数控系统，可实施多轴控制，并已具备网络化等功能。但是，国产数控技术在技术创新能力、商品化进程、市场占有率等方面尚有诸多不足。在中国进入WTO后，面对数控技术和数控装配的冲击，如何有效地解决这些问题，沿着可持续发展的道路，从整体上全面迈入世界先列，在国际竞争中占据一席之地，将是数控研发部门和企业所面临的重要课题。3.2 固高数控系统的简介 随着现代工业的发展，液压同步控制系统在多个领域得到应用。液压系统同步控制就是使得两个或者多个液压缸在运动过程中达到速度同步和位置同步。随着现代工业的发展，液压同步控制技术在金属加工、冶金机械、工程机械及航空航天等领域得到广泛的应用。 本次课题所用的固高雕刻机采用的是GT-400-SV，下面我们就针对这次所用的运动控制器来做个简单的了解。 GT-400-SV采用闭环结构实现同步控制。GT-400-SV运动控制器在机器人、数控机床、木工机械、印刷机械、装配生产线、电子加工设备及激光加工设备等领域都已得到应用。而本次介绍将GT-400-SV运动控制器运用于液压系统，有效克服了现有液压油缸同步运动控制的不足，大大提高了同步运动的控制精度。 下面我们就硬件和软件两方面做个简单的了解： （1）系统硬件 该系统由PC机、固高运动控制板、电液比例阀、编码器、通信电缆及液压缸等组成。其中PC机为上位主机，固高GT-400-SV运动控制器为下位机。通过PCI模式实现PC主机与GT-400-SV运动控制器的信息交换。PC机向运动控制器发出运动控制指令，并通过该接口获取运动控制器的当前状态和相关控制参数，运动控制器主要负责完成实时对电液比例阀的控制以实现对液压缸的行程位置的控制，并通过编码器接口控制获得运动位置反馈信息。 GT-400-SV运动控制器可实现四缸同步控制，系统工作时，四个调高油缸必须同步运动（包括速度同步和位置同步），且同步控制精度要求非常高。通过编码器实时采集与液压缸相连的编码器的数值，即四个液压缸的运动位移值。以四个液压缸运动位移值最大者为基准，其他液压缸的位移值与之相比较而得到各液压缸的偏差位移量，经过运动控制器相应的控制算法计算后，由控制程序发出相应的指令，驱动阀芯运动，控制电液比例阀流量的大小，进而控制液压缸的位移，消除位移误差，最终达到四缸同步。固高公司生产的GT系列运动控制器，可以实现四轴的同步控制，在工业生产中具有广泛的应用。本课题正是利用GT-400-SV运动控制器实现液压系统同步控制。GT-400-SV运动控制器核心由ADSP2181数字信号处理器FPGA组成，实现高性能的控制计算。它的应用领域相当广泛。GT-400-SV运动控制器以IBM-PC及其兼容机为主，提供标准的PCI总线产品。方便用户配置系统硬件。控制器在实现运动控制信号处理的同时，集成了编码器输入端口，通过编码器采集到的位移信号，可以直接反馈到运动控制器，从而简化了系统硬件的接线，减少了信号损失，提高了系统的工作效率。 （2）系统软件 系统采用VB来进行程序开发，而运动控制器配备了在windows环境下的功能强大的动态链接库（DLL）,在编写程序时只要对动态链接库进行调用即能够实现运动控制器的各种功能。VB为VisualBasic的缩写，是1991年美国微软公司推出的，目前的最新版本是VB2008Beta2（VB9）中文版，本系统采VisualBasic是一种可视化的、面向对象和采用事件驱动方式的结构化高级程序设计语言，可用于开发Windows环境下的各类应用程序。它简单易学、效率高，且功能强大可以与windows专业开发工具SDK相媲美。在VisualBasic环境下，利用事件驱动的编程机制、新颖易用的可视化设计工具，使用Windows内部的广泛应用程序接口（API）函数，以用动态链接库（DLL）、对象的链接与世隔嵌入（OLE）、开放式数据连接（ODBC）等技术，可以高效、快速地开发Windows环境下功能强大、图形界面丰富的应用软件系统。随着VB是一种可视化的、面向对象和采用事件驱动方式的结构化高级程序设计语言，可用于开发Windows环境下的各类应用程序。它简单易学、效率高，且功能强大可以与Windows专业开发工具SDK相媲美。VB是一种可视化的、面向对象和采用事件驱动方式的结构化高级程序设计语言，可用于开发Windows环境下的各类应用程序。它简单易学、效率高，且功能强大可以与Windows专业开发工具SDK相媲美。 介绍板卡软件即其提供的动态链接库，系统使用VB编程介绍VB。软件实现介绍动态链接库的调用控制算法和程序框图。硬件实现写板卡跳线的处理和连接线 。 我们这里的固高数控系统是三维教学雕刻机，是集雕、刻、铣、削为一体的多功能教学机床，是理想的教学设备。4 ArtCAM的仿真处理4.1 数控雕刻软件的选择4.1.1 数控雕刻软件现状 与一般的CAD/CAM软件相比，数控雕刻软件除了具有平面轮廓切割区域加工、三轴加工等功能外，还增加了字体加工、浮雕加工等功能。国外一些工业发达国家早在上世纪70年代就开始从事雕刻软件的研究开发工作，而国内的研究却一直到上世纪90年代才开始。目前，国内外都已经出现了一些雕刻软件。在国外，以色列Scanv公司开发Casemate软件包，具有图像矢量化、平面刀具轨迹生成、三维提笔加工等功能，其中图像矢量化功能是目前几种国外软件中较好的一个，只需要经过简单的修改，即可用于加工，但该软件没有浮雕生成和加工编程功能。法国Type3公司的Type3软件，具有图像矢量化、平面刀具轨迹生成、基于图像的浮雕加工等功能，平面刀具轨迹生成速度快、效果好。英国达尔康（Delcam）公司开发的ArtCAM软件，专业性强、功能丰富，其最强大的功能是浮雕功能。在国内，大连理工大学开发了只要针对标牌行业的文字图案雕刻软件，初步实现了雕刻业从手工劳动到数控加工的转化。另外，还有许多科研单位也正在从事有关的软件开发。北京精雕科技有限公司生产的精雕机进入市场较早，公司也开发一套软件JDPaint,提供了较为全面的浮雕设计功能，有自主定义的格式文件，但只能针对于自身的数控雕铣机床，可扩展性不强。北航海尔公司的CAXA雕刻2000，可与电脑雕刻机配套使用，给用户提供了产品设计平台，包含了灰度图像浮雕，浮雕加工等。4.1.2 ArtCAM的简介ArtCAM Pro软件系统广泛地用于雕刻产生、模具制造、珠宝生产、包装设计、纪念章和硬币制造以及标牌制作等。ArtCAM 软件产品系列是一独特的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。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。广泛地用于雕刻产生、模具制造、珠宝生产、包装设计、纪念章和硬币制造以及标牌制作等领域。ArtCAM 可通过输入由其它程序产生的矢量或位图数据设计三维产品，也可直接使用其自带的矢量和位图设计工具所绘制的数据设计三维产品。它具有先进的造型功能，如产生波纹图案、复杂扫面挤出以及三维文字功能等。强大的矢量修剪工具可以编辑和修剪读入的艺术图形。包络变形工具允许您随意拉伸和处理图形。支持由 PDF 文件产生 ArtCAM 浮雕模型，读入的 PDF 文件中的矢量和位图艺术图形可以分配到不同的层内。ArtCAM灵活方便的图层管理器可以在 ArtCAM 模型中产生三种不同类型的图层：矢量层、位图层和浮雕层。这些图层都可以由新的“层管理器”来控制。独特的三维面特点浮雕向导Face Wizard可直接、快捷地将人脸的数字化图像转化成高质量的三维浮雕模型。ArtCAM Pro 提供可靠、精确、快速、灵活的加工策略，包括多个2D和3D刀具路径策略，如3D斜雕、V-Bit雕刻、智能雕刻，三维余量加工策略等，从而方便您选择最有效的加工方案。自动镶块向导能确保加工后的浮雕镶块巧妙地结合在一起。真实形体排样策略可有效地减少原材料浪费，节省成本。以矢量为基础的加工策略能保证最复杂浮雕细节的加工质量。逼真的2D和3D刀具路径仿真。换刀支持功能允许您把不同刀具产生的多个刀具路径合并成单一文件。下面是几张ArtCAM操作界面见图4-1、图4-2和浮雕鉴赏见图4-3： 图4-1 刀具轨迹相关操作命令界面 图4-2 矢量命令相关操作命令界面 图4-3 漂亮浮雕鉴赏4.2 浮雕建模 4.2.1 模型熊实例 为了验证固高雕刻机的代码，准备用模型熊做为例子，来更好的阐述本课题的意义。模型熊的构建主要从这2大方面展开：（1）模型熊矢量图的绘制（2）模型熊浮雕的绘制。等模型熊的浮雕绘制出来后，我们就可以利用ArtCAM来对模型熊进行刀具轨迹的仿真加工，最后我们可以导出代码然后再在固高雕刻机上仿真加工，再对模型熊的G代码进行简单的修改和对其不足地方的补充。下面我们主要对模型熊浮雕的构建做个简单的说明。 （1）矢量图的构建 在数学上，矢量被定义为由一系列直线、弧、曲线和连接点构成的形状。在ArtCAM中，可以通过助手中的矢量工具或顶部的矢量工具栏直接产生矢量，矢量工具栏见上面的图4-2。矢量可以是矩形、正方形、圆形、椭圆、多边形、星形或矢量文字等。如果需要从矢量产生浮雕，可以编辑矢量。矢量图的绘制跟我们以前所用的画图软件的思想差不多，只要对ArtCAM上矢量绘制的命令熟悉，矢量图基本就没什么问题了。模型熊的矢量图也是由最基本的绘图命令（矩形、圆、椭圆）所构成。对于我们经常面对图纸的机械学生来说基本没问题。其浮雕构建的难度还是在第二步，浮雕的绘制上。跟我们以前绘图时所用的思路不一样，以前我们绘制三维图时，我们主要是通过拉伸，旋转，扫描等操作命令来完成。而ArtCAM则是另外一种思路，其实在ArtCAM中，由绘制矢量来产生浮雕只是其中的一种方法，我们也可以通过图来产生浮雕。这样就能制作出各种漂亮的浮雕了。导入位图的方法见图4-4，模型熊的矢量图见图4-5 图4-4 位图导入方法 图4-5 模型熊矢量图效果 （2）浮雕的绘制 在说明模型熊绘制之前，我们先对ArtCAM几个主要的浮雕绘制命令做个简单的了解。在了解之后看模型熊的浮雕绘制，会有更好的体会和理解。浮雕的绘制主要是通过形状编辑器来产生的，有三个主要的形状：穹形，棱锥和平面。选择其中一个形状后，其他选项就可以使用了。这6个选项分别是：相加、相减、最高拼合、最低拼合、置零和重设为零，形状编辑器见图4-6. 图4-6 形状编辑器图下面分别对这几个选项做个简单的图片举例见图4-7到4-12，有个更直观的了解： 图4-7 相加效果图 图4-8 置零效果图 图4-9 相减效果图 图4-10 最高拼合效果图 图4-11 最低拼合效果图 图4-12 重设为零效果图根据上面对浮雕构建基本命令的了解，下面我们就了解下模型熊浮雕的具体绘制步骤：（1） 双击选择选中的矢量地方，选择形状编辑器里面的穹形，角度为45度，无裁剪相加，然后关闭对话框。按下F3就可以查看三维浮雕图形了，模型熊肚子构建效果见图4-13。 图4-13 肚子浮雕图（2）用shift双选内外部两个耳朵，选择形状编辑器里面的穹形，无裁剪，角度为45，开始高度为0.5，点击相加，模型熊耳朵外圈浮雕构建见图4-14。 图4-14 耳朵外围浮雕图（3）双击选择内部耳朵，选择置零按钮，选择开始高度为0.5平面，并按下最高拼合，模型熊耳朵内部浮雕见图4-15。 图4-15 耳朵内部浮雕图 （4） 选择胳膊矢量，选择穹形，角度为45度，无裁剪，点击最高拼合，手臂浮雕构建见图4-16。 图4-16 手臂浮雕图（5） 选择脸部，点开形状编辑器，点击穹形，角度为60度，无裁剪，最高拼合。这样脸部就出来了，选择一个较大的角度是为了使脸部更高、更圆。脸部浮雕构建见图4-17。 图4-17 脸部浮雕图（6）选择圆形矢量，点击形状编辑器里面的穹形，无裁剪，角度为15度，开始高度为0，选择相加。这样模型熊就有了一个好看的圆形腹部了，腹部浮雕见图4-18。 图4-18 腹部浮雕图（7） 选择模型熊的两只脚，因为模型熊的两只脚要有一个倾斜的感觉，所以要用到浮雕编辑里面的一个叫产生倾斜平面的命令。这个命令主要是通过在脚上选3个点，给它们不同的Z轴高度来达到倾斜效果的，这里就不细细说明了。然后选择最高拼合即可产生一个倾斜的脚，然后继续添加浮雕，角度为15度，无裁剪的穹形，按下相加。模型熊脚部浮雕构建见图4-19。 图4-19 脚部浮雕图（8） 因为熊鼻子和脚趾头有相同的形状，所以它们可以同时产生。选择熊鼻子和脚趾头，选择角度为45度，无裁剪的穹形，然后按下相加。这样模型熊的模型就基本大功告成了。浮雕完整图见图4-20。 图4-20 脚趾头浮雕图4.2.2 模型加工仿真在ArtCAM中，两种主要的三维加工策略分别是Z平面粗加工和加工浮雕，它们可以运用到整个模型或者选择矢量的区域。刀具构建方法的大致方法为首先使用一个相对大的粗加工刀具（端铣刀）和Z轴粗加工策略尽快移除尽可能多的材料以展示出一个阶梯状的特大号组成表格。然后使用加工浮雕策略中一个合适的精加工刀具（球头刀）沿模型的加工路径作为半加工操作。由于该刀具太大，加工任何细致的或内部的角落时，将遇到困难，但是它将快速的将大多数残留毛坯向下移除0.5mm。使用小球头刀的加工浮雕策略被用来加工精细尺寸，并选取精致细节。下面我们就模型熊的刀具加工路径的步骤，来做个简单的说明。（1） 首先我们先要根据模型熊的尺寸大小来给模型熊给定一个合适的材料毛坯。在这里，毛坯的XY大小在最初创建模型时就已经给定了，材料设置的XY尺寸和设置模型尺寸中定义的值一样，这跟我们之前所学软件的不一样之处。其中浮雕高度为5.115mm，材料厚度为6mm。设置顶部偏置0.25mm来保证材料Z轴零点设置在材料顶部，最后点击接受，毛坯材料设置见图4-21。（2）粗加工 Z轴层粗加工将环绕浮雕删除多余材料到指定的材料公差和公差值。为了提高效率，使用一个相对大的刀具完成这个操作。Z轴层粗加工将M材料分为Z切面，然后对每个层执行选中的清除策略。粗加工用的刀具为直径为6mm的端铣刀（偶尔也用球头刀）其中设置行距为4mm，下切步距为2mm材料余量为1.0 安全高度为5mm 然后命名为粗加工，点击接受就完成了。粗加工设置见图4-22。 图4-22 粗加工设置界面（3）半精加工 采用的是X轴平行加工的方法，材料公差为 0.5 加工余量为0.5mm安全高度为5mm选择的刀具为直径为3mm的球头刀。刀具的行距为0.2mm，多Z轴层切削不打勾然后刀具路径名称半精加工。半精加工设置界面见图4-23。 在加工浮雕全部模型策略里面有这么几种加工方法可供选择：（1） X方向平行加工 沿着一个方向产生策略。（2） X和Y方向平行加工 以90度角度重复策略。 图4-23 半精加工设置界面（3） 螺旋加工 产生被模型限制的螺旋策略。（4） 方框螺旋加工 产生一个修剪模型的螺旋策略。（5） 带角度的平行加工 可以键入一个不同的角度确定平行加工策略的方向（4） 精加工 对精加工来说，通常使用一个小刀具，小行距，公差为0，这意味着在模型上不会留下任何多余的材料。在这里，我们使用的是方框螺旋加工，使用的刀具为直径1.5mm的球头刀，行距为0.1mm，命名刀具路径为精加工，点击现在计算，然后关闭，精加工刀具轨迹见图4-24。 图4-24 精加工刀具轨迹（5）细节加工 闭合的折线矢量沿着要被加工的区域刻画。首先选择眼睛和鼻子的闭合矢量区域，使用加工浮雕中已选矢量区域里面的偏置选项，在计算时，顺铣显示为粉色，逆铣显示为绿色。在偏置策略中，加工余量为0.0mm，公差为0.01选择顺铣，开始点为内部。加工安全Z高度和原始位置已经被设置了。在这里，我们使用的刀具为直径为6mm，倾角15度，平底半径为0.25mm的平底刻刀。细节加工的刀具轨迹和构建见图4-25。 图4-25 细节加工效果 这样，模型熊的刀具路径基本就出来了，下面我们进行的就是刀具的仿真加工， 刀具仿真我们首先要导出G代码，这里我们就可以利用ArtCAM的刀具保存功能来保存我们上面进行的粗加工、半精加工、精加工和对鼻子、眼睛的细节加工刀具代码的保存和导出。代码导出后，我们就可以利用固高雕刻机自带的实验软件来进行上述G代码的验证和加工实验。下面这幅图就是ArtCAM刀具路径G代码保存的界面，其中2个箭头可以更换2个方框内刀具路径名称的位置。这里我们保存刀具的格式选择的是G-Code(mm)(*.tap)。保存代码导出界面见图4-26。 图4-26 代码导出界面5 固高雕刻机的简介5.1 固高雕刻机GXYZ303010VP介绍5.1.1 GXYZ303010VP的操作界面本课题所用固高雕刻机对应的软件是固高公司所提供的一款运动控制平台实验软件Googol_MCE。打开运动控制平台软件，程序运行后，屏幕上将出现一个对话框，是让你选择板卡型号的。其内容将根据配置文件自动设置，一般无需用户自行设置。如确有必要，用户可根据所用板卡的实际型号在下拉列表框中进行相应选择，点击“确定”后，选择的结果将被保存至配置文件中。这里我们选择的是GT_400_SV。这款实验软件主要有这么几个功能：（1）直流伺服电机（2）单轴电机实验（3）二维插补实验（4）反向间隙实验（5）G代码实验（6）系统测试（7）参数设置。在这里，我们主要用的是其中的G代码实验功能。下面就这一功能，我们来对其操作界面做个简单的了解，主操作界面见图5-1。 图5-1 主控制界面 在G代码实验界面下，用户可实现包含基本G指令的数控G代码文件（只含X、Y、Z三轴）的编辑、保存、编译、运行；可模拟显示数控G代码的二维运动轨迹，实时显示G代码实际运行轨迹。G代码运行显示界面由左侧G代码运行轨迹显示区和右侧操作控制区组成。G代码运行轨迹显示区以二维方式显示G代码模拟运行及实际运行轨迹。操作控制区包括坐标显示、坐标映射设置、G代码文件处理及显示、通用控制以及显示图形操作等部分。 下面分别从界面的4个主要的操作命令来介绍下： （1）G代码运动轨迹显示区 显示区中，绿色线条为G代码模拟运行轨迹；红色线条为G代码运行轨迹当前位置；白色线条为坐标轴，坐标轴交点为原点，坐标轴名显示在相应坐标箭头附近。显示区根据设置不同，可选择XOY平面、ZOX平面和YOZ平面为显示平面，以便用户根据需要G代码运行轨迹。显示区内图形大小可根据用户需要进行缩放操作。（2） 坐标映射设置区 其用于选择X轴、Y轴及Z轴所对应的实际电机轴，用户可根据应用要求，在下拉列表中选择14轴中任意一轴。坐标映射设置完毕，点击坐标映射生效按钮使设置的坐标映射关系生效并同时将各轴伺服上电。下拉列表中可供选择的轴号将根据系统总轴数自动配置。对于XY平台，为1轴2轴，对于四轴运动平台为14轴，对于系统总轴数为2的XY平台，Z轴将自动变灰失效。（3） G代码操作区 G代码操作区可以自己编写G代码进行加工或者也可以打开已经写好的G代码，本版本软件只识别G00、G01、G02、G03、G04、G17、G18、G19、G90、G91、G90指令，并且G代码程序必须以M30或者M02指令结束。本软件中约定，G代码文件中M03指令对应于笔架下降，M05指令对应于笔架抬起。本软件不提供G代码检查功能，用户在编写及调用G代码时，应保证其无拼写、语法、或逻辑错误，符合标准数控代码规范和本软件约定。否则，将可能出现不正确的运行结果。（4） 运动控制区 G代码的运动控制区分别有：编译、运行、暂停、X回零、停止、关闭轴、卡复位、Y回零、Z回零。还包括三个平面的选择以及X、Y、Z单独的控制等。首先我们先了解下编译的功能，编译是将G代码编辑框中当前的G代码文件翻译成运动控制卡可识别的指令，在G代码运行轨迹显示区中显示G代码文件的模拟运动轨迹。然后我们了解下板卡复位功能，点击此按钮可将运动控制卡板卡复位，当由其他显示界面切换至G代码运行界面时，可点击此按钮将板卡复位，以确保各轴处于正确的初始工作状态。其他非确有必要情况，不要点击次按钮。