【正文】 等多門學(xué)科而形成的高新技術(shù)，其本質(zhì)是感知、決策、行動和交互四大技術(shù)的綜合，是當代研究十分活躍、應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。 雕刻機 應(yīng)用水平是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。國際標準化組織 (ISO)對 雕刻機 的定義是這樣的：“ 雕刻機 是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能操作機，這種操作機具有幾個軸，能夠借助可編程操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行各種任務(wù)。工業(yè) 雕刻機 是 雕刻機 的主要研究類型，它并不是簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電 子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力。從某種意義上來說， 雕刻機 是機器進化過程的產(chǎn)物，是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。工業(yè) 雕刻機 由機械本體、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在二維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動設(shè)備，適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定和提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著重要的作用。 激光雕刻機 的國內(nèi)外發(fā)展狀況 一、國內(nèi)研究現(xiàn)狀： 目前，隨著激光雕刻設(shè)備在應(yīng)用技術(shù)、工藝上的開發(fā)推廣，激光平面打標、雕刻設(shè)備的制造銷售已呈現(xiàn)良好的上升態(tài)勢。國內(nèi)從事激光設(shè)備開發(fā)、制造、銷售的公司，以及代理國外激光設(shè)備的公司迅速增加。競爭也日趨激烈。但是，國內(nèi)市場的所有激光設(shè)備都停留在激光平面雕刻階段，尚沒有一家公司或科研單位能拿出一臺激光三維雕刻系統(tǒng)。一些精細的三維模具雕刻仍然依靠電腦機雕，或者是手雕。但是機雕和手雕都有極大的弱點和局限，制約了一些精細工藝的發(fā)展。國內(nèi)已有幾家激光科研機構(gòu)在對激光三維精雕機進 行研究。在精雕領(lǐng)域，國內(nèi)傳統(tǒng)機械精雕設(shè)備做得最好的是北京精雕，其在解決精細雕刻模具方面贏得了巨大的市場和成功。但由于機械刀雕的先天局限，仍有很多高精端雕刻無法實現(xiàn)。一部分領(lǐng)域，不得不借助高超的手工工藝，進行手雕或修模工作。在激光雕刻模具方面，則有桂林星辰激光，其主要是利用功率較強的激光打標機銷往模具制造行業(yè)，目前銷售態(tài)勢良好。但由于其雕刻技術(shù)只能雕刻平面文字與圖案，離激光三維雕刻還有一段距離，所以目前其在該領(lǐng)域還不能大展身手。激光三維精雕系統(tǒng)（英文名字： 3D laser engraving 江西理工大學(xué)（ 2021屆 ）本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 system）是 激光設(shè)備家族里的又一新成員，是激光技術(shù)進步的又一重要標志，是模具制造業(yè)的利器。激光三維精雕模具是指通過高能量激光束在模具材料上或者銅電極上雕刻出您需要的二維或三維形狀。同時它與目前水晶內(nèi)雕機有本質(zhì)的區(qū)別，水晶內(nèi)雕機的三維概念是一定密度的點云造成感覺上的立體圖像，而且只能應(yīng)用在水晶工藝品上。而激光三維精雕機是通過精確的 CAD軟件技術(shù)實現(xiàn)的三維立體實體空間的雕刻，因而它不僅可以應(yīng)用在一般產(chǎn)品精加工領(lǐng)域，還可以應(yīng)用的模具制造領(lǐng)域。 我國雕刻機市場上，有諸多的國內(nèi)外品牌，經(jīng)過多年的發(fā)展，形成了北京精雕、南京四開等 品牌，與國外的日本牧野、森精機以及美國哈斯的競爭。這些公司無論是在設(shè)計、制造，還是其雕刻質(zhì)量，都具有非常成熟的的技術(shù)，但對于中小型企業(yè)及個人來說，其產(chǎn)品高昂的價格在一定程度上阻礙了雕刻機技術(shù)的應(yīng)用推廣。這也正是目前小型雕刻機迅速在中小型企業(yè)和個人之間得以發(fā)展的原因之一。雕刻機在印刷領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使得雕刻機雕刻頭的研究也變得廣泛起來。張策 [1]在《杭州包裝工程》上發(fā)表的文章中介紹了常用的電雕系統(tǒng)雕刻頭的結(jié)構(gòu)原理和特點，包括轉(zhuǎn)動式和直動式電磁鐵，同時概述了正在研究的壓電陶瓷雕刻頭。 二、國外研究研究現(xiàn)狀： 國 際上工業(yè)發(fā)達國家都把激光加工技術(shù)作為提高生產(chǎn)效率和競爭能力的手段之一，將激光加工技術(shù)列為重點發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，希望能在光技術(shù)全盛時代的 21 世紀初期處于領(lǐng)先地位。 2021 年，激光在工業(yè)應(yīng)用方面飛速前進，激光系統(tǒng)設(shè)備市場銷售額突破 30億美元，其中工業(yè)激光超過 10 億美元，比上年增加 23%，激光在金屬加工市場應(yīng)用領(lǐng)域比上年增長 10%[2,3]。目前全球有超過 4000 家的激光加工站，按其銷售量分，美國、日本和歐洲約各占 1/3[4]。 日本激光加工技術(shù)的發(fā)展特點是，建立工業(yè)界、大學(xué)和官方的聯(lián)合開發(fā)體 制，在一些重要領(lǐng)域由國家選定發(fā)展目標，集國家和私人財團的力量加速發(fā)展激光加工技術(shù)。 1978 年日本通產(chǎn)省設(shè)立超高性能激光復(fù)合生產(chǎn)系統(tǒng)研究項目， 1985 年又設(shè)立了激光柔性加工系統(tǒng)大型研究項目。僅幾年時間，日本激光加工技術(shù)就進入世界先進行列。 90年代末，日本又開發(fā)出了半導(dǎo)體激光泵浦的大功率固體激光器及新型高性能裝置。大量引進技術(shù)是日本激光產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的重要原因之一，例如日本通過巨款收購居世界第三位的美國魯莫尼克斯公司，獲得了多軸激光加工機床制造等方面的重要技術(shù)，迅速發(fā)展了本國的激光加工技術(shù)能力。 德國大量投 資于商品化激光加工機的生產(chǎn)線。德國激光加工業(yè)成功的發(fā)展戰(zhàn)略是，先從研究開發(fā)激光加工技術(shù)和工藝入手，而不是從開發(fā)硬件入手。德國從 70 年代就開始建立了 6 個專門的激光應(yīng)用研究所，集中力量專門從事激光加工技術(shù)研究開發(fā)和工業(yè)應(yīng)用。目前在德國很多工科大學(xué)都開設(shè)激光加工課程并建立激光應(yīng)用研究所，其主要研究內(nèi)容是江西理工大學(xué)（ 2021屆 ）本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 激光技術(shù)在各工業(yè)部門的應(yīng)用，特別強調(diào)研究要面向企業(yè)與工業(yè)部門的需求。除承擔國家的科研項目外，還承接航空航天、汽車、造船等工業(yè)部門提出的各種激光加工課題，通過研究成果充分顯示激光加工的優(yōu)越性并解決工業(yè)生產(chǎn)中的 許多難題，不斷拓展激光加工市場。例如，德國奧迪汽車的底板所需的鋼板寬度超過市場供應(yīng)的最大寬度，采用其它方法焊接會破壞鍍鋅層，導(dǎo)致防銹性能和沖擊性能惡化，而采用激光焊接不降低鋼板韌性，可在焊接后沖壓成型 [5]；德國奔馳汽車廠用激光焊接車門，與過去傳統(tǒng)方法相比，變形明顯減小、焊縫平整，節(jié)約大量的打磨和整型時間，每輛汽車節(jié)約工時 70 min，成本降低 70 馬克。隨著激光加工技術(shù)在德國各工業(yè)部門的推廣應(yīng)用，一些制造大功率激光器的廠家迅速建立并逐步壯大。如德國西門子公司買下美國光譜物理公司在德國的分公司，建成洛芬 辛納公司，現(xiàn)在該公司已成為世界上最大的工業(yè)激光器廠商，銷售額在世界激光器市場中名列第一。 美國激光應(yīng)用已達到很高的水平，對激光應(yīng)用方面的投資也在逐年增加， 1992～ 1997年預(yù)算增長幅度約為 14%，其中 70%用于材料加工。美國激光加工應(yīng)用最多的工業(yè)部門有：航空、航天、電子、汽車等，直接或間接從事航空航天工業(yè)的 3000 多家公司均采用了激光加工技術(shù)，美國空軍材料研究所應(yīng)用 6KW 二氧化碳激光切割鋁合金，節(jié)約加工費 60～70%，美國激光加工機床產(chǎn)業(yè)在世界上也位居前列，美國通用汽車公司應(yīng)用激光切割系統(tǒng)切割 排氣管，消除了過去采用傳統(tǒng)方法切割，管子變形，且切口毛刺多的弊病 [6]。 國外，現(xiàn)在已經(jīng)有設(shè)備商開發(fā)出相應(yīng)的激光三維雕刻系統(tǒng)與應(yīng)用，并已將銷售觸角伸入國內(nèi)。有幾個商家代理該類設(shè)備，但尚無樣機，其售價在 100萬元以上。如加拿大 VIRTEK公司研制的 ，目前也主要應(yīng)用在模具雕刻行業(yè)。相信三維雕刻會是激光雕刻的一個很重要的發(fā)展方向 [7]。激光加工技術(shù)從最初的 Nd:YAG激光器、 2CO激光器，發(fā)展到大功率二極管模塊、半導(dǎo)體泵浦全固態(tài)激光器、光纖激光器、飛秒激光器等各種新興技術(shù)。其中，尤其以光 纖激光器最為關(guān)注。傳統(tǒng)激光行業(yè)中的大部分主要廠商都在 2021年宣布進軍光纖激光器市場，有的甚至推出了具體產(chǎn)品，這是行業(yè)內(nèi)發(fā)生的一個重大事件 [8]。 日本 牧野 [9]在 FANUC數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行了二次開發(fā)，控制系統(tǒng)增加了獨特的 功能 ，不僅縮短了工時，也保證了工件在高速加工的條件下精確的形狀精度。此外，開發(fā)的高速主軸和 CAD/CAM具有熱變形小、振動小以及適合小刀具加工的特點。而北京的精雕[10]針對小刀具，同樣開發(fā)了專業(yè)的高速電主軸以及精雕專用的數(shù)控系統(tǒng) JD45，并且，有效集成了 CAD/CAM軟件 JDPaint，能夠直接將零件表面加工成鏡面級的表面質(zhì)量。不僅如此，集光、機、電于一體的激光雕刻機則預(yù)示著雕刻技術(shù)的當代以及未來的發(fā)展方向。激光雕刻機不僅精度高、加工效率高和切縫窄且光滑 [11]，激光光筆更是與工件無接觸、不會劃傷江西理工大學(xué)（ 2021屆 ）本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 工件表面 ,保證了工件的加工質(zhì)量。對于雕刻機在傳統(tǒng)的木工領(lǐng)域內(nèi)，吳善旺 [12]歷經(jīng) 3年，通過不懈的努力，靠過硬的能力自主研發(fā)用于四軸木工立體雕刻機刻系統(tǒng)，并開發(fā)了專用的軟件。更重要的是，這兩大發(fā)明均申請了專利。他發(fā)明的用于雕刻人體塑像、佛像、仿古雕刻、夾具、石頭等的大型旋轉(zhuǎn)立體雕刻機、多 頭旋轉(zhuǎn)雕刻機、小型 112頭旋轉(zhuǎn)數(shù)控雕刻機，解決了高難度產(chǎn)品建模、工藝品加工行業(yè)的難題。電腦雕刻行業(yè)的發(fā)展，正是向著以市場細分為導(dǎo)向，規(guī)模化 ， 系統(tǒng)操作人性化、簡潔化發(fā)展 [13]。 激光雕刻機 自動控制技術(shù) 一個完善的 雕刻機 系統(tǒng)，必須由一個完善的機械系統(tǒng)和相應(yīng)的控制 系統(tǒng) 組成。一個完善的機械系統(tǒng)是 雕刻機 完成各種 任務(wù)工作 的必要條件： 激光器工作臺 能把 激光器移動 到 工作區(qū)域 中任意的預(yù)定位置， 并且 保持任意的預(yù)定姿態(tài)，末端 控制 器能完成諸如 X方向 、 Y方向移動 等操作。 雕刻機 控制器的功能是控制機械系統(tǒng)的運動和操作，以滿足 工作 要求。在各種 工作 中， 雕刻機 的運動主要表現(xiàn)為末端操作器沿著預(yù)定的路徑移動并保持預(yù)定的姿勢，在運動中或在預(yù)定的某些位置上完成 工作 規(guī)定的操作。為了實現(xiàn) 雕刻機 的上述各種功能，每個 雕刻機 都配有相應(yīng)的控制器。 雕刻機 控制器 [14]由一組硬件和軟件組成，相當于 雕刻機 的“大腦”。作為 雕刻機 系統(tǒng)不可分割的一部分， 雕刻機 控制系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)和 雕刻機 的功能、精度要求都有密切關(guān)系。隨著計算機科學(xué)和自動化水平的不斷提高，人們在各種領(lǐng)域內(nèi)大量采用計算機控制系統(tǒng)。計算機控制系統(tǒng)的應(yīng)用使得科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工藝實踐的效率大大提高 ，同時也大幅度提高了產(chǎn)品和成果的質(zhì)量?？删幊绦蚩刂破?(Programmable Logic Controller，簡稱 PLC)是應(yīng)控制領(lǐng)域的要求而出現(xiàn)的，具有功能強、可靠性高、容易維護、應(yīng)用靈活、體積小能耗低等優(yōu)點，適用于開關(guān)量邏輯控制、運動控制、順序控制和過程控制，可以進行數(shù)據(jù)處理 [15]，可以組成控制網(wǎng)絡(luò)，是具有完整控制功能和數(shù)據(jù)處理功能的工業(yè)控制計算機。 PLC 控制技術(shù)概述 PLC(可編程控制器 )是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)等現(xiàn)代科技而發(fā)展起來的一種新型工業(yè)自動 控制裝置 [16]。早期的可編程控制器主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制，隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代可編程控制器的功能已經(jīng)超過了邏輯控制的范圍?，F(xiàn)代的 PLC不僅能夠完全勝任對大量的開關(guān)量信號的邏輯控制功能，還具有了很強的數(shù)學(xué)運算、數(shù)據(jù)處理、運動控制、 PID控制等模擬量信號的處理能力。同時現(xiàn)代PLC的聯(lián)網(wǎng)通信能力大大增強，可以構(gòu)成功能完善的分布式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工廠自動化管理。 PLC 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) PLC是微機技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物，它按照用戶程序存儲器中預(yù)先江西理工大學(xué)（ 2021屆 ）本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 編制的控制程序，通過輸入接口采集現(xiàn)場 信息，執(zhí)行邏輯或數(shù)值運算，進而通過輸出接口控制各種執(zhí)行機構(gòu)動作。 圖 11 PLC系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) PLC系統(tǒng)主要由中央處理單元 (CPU模塊 )、信號輸入腧出模塊、電源和編程器等部分組成，如圖 11所示。 PLC 的特點、應(yīng)用領(lǐng)域 和發(fā)展趨勢 1． PLC的特點 作為一種新型的工業(yè)自動控制裝置， PLC具有以下特點： (1) 高可靠性和強抗干擾能力； (2) 豐富的 I／ O接口模塊； (3)絕大多數(shù) PLC模塊化結(jié)構(gòu)，靈活性好； (4) 編程簡單易學(xué)； (5) 系統(tǒng)安裝簡單，維修方便。 2． PLC 的主要應(yīng)用領(lǐng)域 由于 PLC自身的特點和優(yōu)勢，在工業(yè)控制中 PLC已得到了廣泛的應(yīng)用，包括機械、冶金、化工、電力、運輸、建筑等眾多領(lǐng)域，應(yīng)用范圍也在不斷擴大。 PLC主要應(yīng)用領(lǐng)域包括以下幾個方面： (1)邏輯控制 邏輯控制是 PLC最基本的應(yīng)用，它可以取代傳 統(tǒng)的繼電器控制裝置，如機床電氣控制、各種電機控制等，可實現(xiàn)組合邏輯控制、定時控制和順序邏輯控制等功能。 (2)運動控制 PLC使用專用的運動控制模塊，可對直線運動或圓周運動的位置、速度和加速度進行江西理工大學(xué)（ 2021屆 ）本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 控制，實現(xiàn)單軸、雙軸和多軸位置控制，并使運動控制和順序控制功能有機結(jié)合在一起。 (3)閉環(huán)過程控制 過程控制是對溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量的閉環(huán)控制。 PLC通過其模擬量I/O模塊，及數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)運算等功能，實現(xiàn)對模擬量的閉環(huán)控制。 (4)數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代 PLC具有數(shù)學(xué)運算、數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)換、排序和查表等功能， 可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理等操作。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值進行比較，也可以用通信功能傳送到其他智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票怼? (5)通信聯(lián)網(wǎng) PLC的通信包括主機與遠程 I／ O之間的通信、多臺 PLC之間的通信 [17]、