多功能桌面迷你工廠的設計

周云津 陳國平 李葉鑫 胡興黔 黃茂梁

【摘要】該產品是為了解決創客在生產制作的時候，非標件難以購買和價錢昂貴的問題。該產品是一個集3D打印、數控機床、PCB雕刻與一體的多功能桌面迷你工廠，它成本低廉，能夠通過更換不同的工具頭，從而實現不同的功能以此滿足創客的各種需求。

【關鍵詞】3D打印、數控機床、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

國內的創客在生產制作的時候，往往會有很多零部件市場上無法買到，即非標件。而目前通常有兩種方法完成非標件的加工：一是通過數控機床（CNC）把塊狀物或板狀物切割雕刻成需要的形狀；二是通過3D打印[1]直接打印出需要的非標件。而無論是去找商家CNC加工還是3D打印，不僅過程麻煩耗時長，而且成本還是普通的創客難以接受的。

因為普通創客通過商家加工非標件非常麻煩，所以一個簡易價廉的集3D打印、數控機床、PCB雕刻與一體的多功能桌面迷你工廠就十分的具有價值。桌面迷你工廠它小巧易于操作，而且能夠通過更換不同的工具頭，實現不同的功能，是實現創客們創意的一大利器。

2 3D打印技術

2.3.1 FDM技術

熔積成型（FDM）法，該方法使用絲狀材料（石蠟、金屬、塑料、低熔點合金絲）為原料，首先使用建模軟件創建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（約比熔點高1℃），在計算機的控制下，噴頭作x-y平面運動，將熔融的材料涂覆在工作臺上，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，進行下一層涂覆，這樣逐層堆積形成三維工件。其中FDM技術的3D打印流程如圖 2所示。

該技術污染小，材料可以回收，主要用于塑料件、鑄造用蠟模、樣件或模型。

3 數控機床原理和運動方式

3.1 數控機床的原理

數控機床[3]一般由信息載體、數控裝置、伺服系統和機床本體等四部分組成。數控機床一般首先利用信息載體記錄程序編制的內容，并通過讀入裝置輸送給數控裝置。在數控裝置接受讀入裝置輸入的加工信息后，經過譯碼處理和運算，發出相應的指令脈沖給伺服系統，再驅動步進電機移動進行雕刻，最終完成零件加工。其中利用數控機床加工零件的流程圖如圖 3所示。

3.2 數控機床的運動方式

數控機床的控制運動的方式可分為點位控制、直線控制和輪廓控制三種。其中點位控制數控機床在加工平面內只控制刀具相對于工件的定位點的坐標位置，而對定位移動的軌跡不作要求。直線控制數控機床能控制刀具或工件的適當的進給運動，沿平行于坐標軸的方向進行直線移動和加工，或者控制兩個坐標軸以相同的速度運動，沿45°斜線進行切削加工。輪廓控制數控機床能同時控制兩個或兩個以上坐標軸，使刀具與工件作相對運動，加工復雜零件。單純的點位控制和直線控制機床很少，大部分為輪廓控制數控機床。輪廓控制數控機床能夠實現聯動加工，也能進行點位和直線控制。

4 PCB雕刻方案

利用PCB數字雕刻機[4]繪制PCB的一般過程主要包括：PCB繪圖、雕刻機運行參數設置、圖形到G代碼轉換、執行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。將圖像導入ArtCAM軟件，通過顏色生成路徑矢量，然后選擇刀具生成刀路。刀具設置中需要設置各種參數，如雕刻深度、進刀率、主軸轉速等。

其中采用雕刻機刻制PCB的一般流程如圖 4所示。

5多功能桌面迷你工廠的實現

裝置整體采用X-Y-Z結構，使用Arduino作為裝置主控，控制裝置夾頭做XYZ三軸運動。裝置配有3D打印頭、微型電磨頭、激光雕刻頭等三個效應器，分別實現3D打印功能、數控機床和PCB雕刻功能，效應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，一面固定在傳動裝置上，另一面上面有兩個圓形通孔。使用快拆穿過圓形通孔，夾緊效應器。該連接方法牢固可靠，能滿足不同效應器工作時對裝置的強度要求。同時，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

[1]古麗萍.蓄勢待發的3D打印機及其發展[J].數碼印刷，2011（10）：64-67.

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

[3]李偉. 數控機床的原理分類及數控技術的發展[J]. 湖南農機.2013（1）：94-95