多功能桌面迷你工厂的设计
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【摘要】该产品是为了解决创客在生产制作的时候，非标件难以购买和价钱昂贵的问题。该产品是一个集3D打印、数控机床、PCB雕刻与一体的多功能桌面迷你工厂，它成本低廉，能够通过更换不同的工具头，从而实现不同的功能以此满足创客的各种需求。
【关键词】3D打印、数控机床、PCB雕刻、桌面迷你工厂
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
国内的创客在生产制作的时候，往往会有很多零部件市场上无法买到，即非标件。而目前通常有两种方法完成非标件的加工：一是通过数控机床（CNC）把块状物或板状物切割雕刻成需要的形状；二是通过3D打印[1]直接打印出需要的非标件。而无论是去找商家CNC加工还是3D打印，不仅过程麻烦耗时长，而且成本还是普通的创客难以接受的。
因为普通创客通过商家加工非标件非常麻烦，所以一个简易价廉的集3D打印、数控机床、PCB雕刻与一体的多功能桌面迷你工厂就十分的具有价值。桌面迷你工厂它小巧易于操作，而且能够通过更换不同的工具头，实现不同的功能，是实现创客们创意的一大利器。
2 3D打印技术
2.3.1 FDM技术
熔积成型（FDM）法，该方法使用丝状材料（石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝）为原料，首先使用建模软件创建STL模型，再用切片软件切片。 再利用电加热方式将丝材加热至略高于熔化温度（约比熔点高1℃），在计算机的控制下，喷头作x-y平面运动，将熔融的材料涂覆在工作台上，冷却后形成工件的一层截面，一层成形后，喷头上移一层高度，进行下一层涂覆，这样逐层堆积形成三维工件。其中FDM技术的3D打印流程如图 2所示。
该技术污染小，材料可以回收，主要用于塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。
3 数控机床原理和运动方式
3.1 数控机床的原理
数控机床[3]一般由信息载体、数控装置、伺服系统和机床本体等四部分组成。数控机床一般首先利用信息载体记录程序编制的内容，并通过读入装置输送给数控装置。在数控装置接受读入装置输入的加工信息后，经过译码处理和运算，发出相应的指令脉冲给伺服系统，再驱动步进电机移动进行雕刻，最终完成零件加工。其中利用数控机床加工零件的流程图如图 3所示。
3.2 数控机床的运动方式
数控机床的控制运动的方式可分为点位控制、直线控制和轮廓控制三种。其中点位控制数控机床在加工平面内只控制刀具相对于工件的定位点的坐标位置，而对定位移动的轨迹不作要求。直线控制数控机床能控制刀具或工件的适当的进给运动，沿平行于坐标轴的方向进行直线移动和加工，或者控制两个坐标轴以相同的速度运动，沿45°斜线进行切削加工。轮廓控制数控机床能同时控制两个或两个以上坐标轴，使刀具与工件作相对运动，加工复杂零件。单纯的点位控制和直线控制机床很少，大部分为轮廓控制数控机床。轮廓控制数控机床能够实现联动加工，也能进行点位和直线控制。
4 PCB雕刻方案
利用PCB数字雕刻机[4]绘制PCB的一般过程主要包括：PCB绘图、雕刻机运行参数设置、图形到G代码转换、执行G代码。PCB绘图可以用常用的EDA软件或者其他绘图软件，生成的图形以矢量形式或者高保真的非压缩形式存储。将图像导入ArtCAM软件，通过颜色生成路径矢量，然后选择刀具生成刀路。刀具设置中需要设置各种参数，如雕刻深度、进刀率、主轴转速等。
其中采用雕刻机刻制PCB的一般流程如图 4所示。
5多功能桌面迷你工厂的实现
装置整体采用X-Y-Z结构，使用Arduino作为装置主控，控制装置夹头做XYZ三轴运动。装置配有3D打印头、微型电磨头、激光雕刻头等三个效应器，分别实现3D打印功能、数控机床和PCB雕刻功能，效应器与装置夹头连接方法采用快拆式连接。装置夹头为一块L形的金属板，一面固定在传动装置上，另一面上面有两个圆形通孔。使用快拆穿过圆形通孔，夹紧效应器。该连接方法牢固可靠，能满足不同效应器工作时对装置的强度要求。同时，快拆式连接方法安装拆卸方便快捷，不需要使用任何工具。
参考文献
[1]古丽萍.蓄势待发的3D打印机及其发展[J].数码印刷，2011（10）：64-67.
[2]张曼.3D打印技术及其应用发展研究[J].电子世界.2013（13）：7-8
[3]李伟. 数控机床的原理分类及数控技术的发展[J]. 湖南农机.2013（1）：94-95