cnc雕刻机在pcb制作上的应用研究大学本科毕业论文.docx
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cnc雕刻机在pcb制作上的应用研究大学本科毕业论文
编号：
河南大学2015届本科毕业论文
CNC雕刻机在PCB制作上的应用研究
论文作者姓名：
作者学号：
所在学院：
物理与电子学院
所学专业：
网络工程
导师姓名职称：
耿涛副教授
论文完成时间：
2015年5月1日
目录
摘要：
1
Abstract:
1
1前言2
1.1雕刻机起源2
1.2数控雕刻机及其发展现状2
1.2.1数控雕刻机2
1.2.2研制雕刻机的目的和意义3
1.2.3数控雕刻机的特点4
1.2.4数控雕刻机的应用领域4
2雕刻机的机械结构4
2.1PCB线路板雕刻机概述5
2.2PCB线路板雕刻机产品和功能介绍5
2.3雕刻机的主要工作原理5
2.3.1关于空白线路板5
2.3.2计算机雕刻路径5
2.3.3指令传输6
2.3.4组合运动控制6
2.4PCB数控雕刻机基本参数6
3制作CNC雕刻机所用PCB文件7
3.1安装Protel99SE并制作电路图7
3.1.1设计电路图7
3.1.2生成加工文件9
3.2PCB文件转为G代码11
4CNC雕刻机刻制PCB板15
4.1配置CNC雕刻机15
4.2CNC雕刻机雕刻PCB板18
5结论21
参考文献21
CNC雕刻机在PCB制作上的应用研究
（河南大学物理与电子学院，河南开封，475004）
摘要：
CNC为Computernumericalcontrol（计算机数字控制）的英文缩写。
CNC雕刻机又称之为数控雕刻机。
随着微电子技术和微型计算机的飞速发展，数控雕刻机的应用越来越广泛。
机电一体化广泛地综合了机械、微电子、自动控制、信息、传感测试、电力电子、接口、信号变换和软件编程等技术，并将这些技术邮寄的结合成一体，它是当今世界机械工业技术和产品发展的主要趋势。
三维机械雕刻机是一种典型的机电一体化产品，在广告制作行业具有较大的市场前景。
本文简要的介绍了雕刻机的起源和发展状况，分析了雕刻机的特点说明雕刻机的特点说明雕刻机的功能和使用范围；详细的分析了雕刻机的总体布局和结构方案。
认识和接触雕刻机，来更加了解雕刻机的分析和实现过程以及起源、工作原理和未来发展状况。
本课题是在参考现有雕刻机和PCB（印刷电路板）的基础上，来设计CNC雕刻机在PCB电路板上进行精雕刻字研究课题。
关键词：
CNC雕刻机；PCB电路板；Protel99SE；CopperCAM；Mach3Mill
TheapplicationofComputernumericalcontrolengravingmachineanditsdevelopmentprospect
QinJi-yuan
（SchoolofPhysicsandElectronics,HenanUniversity,HenanKaifeng475004,China）
Abstract:
CNCIsComputernumericalcontrolofEnglishabbreviations.ComputernumericalcontrolengravingmachineknownasCNCengravingmachine.Alongwiththedevelopmentofmicro-electronicstechnologyandmicrocomputertechnology,NCcarerwillbewidelyused.ThesetechnologiesarewidelyusedinMechanics,includingmechanism,microelectronics，autocontrol,information,sensorandtest,powerandelectron,interface,signaltransform,softwareprogram.Ontheotherhand,Mechatronicsmakesthesetechnologiesintegratedclosely.Ttistheprimarytrendofthedevelopmentofmechanicalindustrialtechnologyandproductsintheworldnowadays.3D-mechanicalengravingplotterisatypicalmechatronicproduct.Ithasalargermarketprospectintheadvertisingindustry.
ThethesisinbriefintroducesthegenesisanddevelopmentstatusquoteofEngravingPlotter,analysescharacteristicsofinlandandoverseasPlotters,andexplainsitsfunctionanduesrange.Weanalysistheoverallarrangementsandframework.Understandingandcontactengravingmachine,inordertoachieveabetterunderstandingoftheanalysisofcarvingmachineandprocessaswellastheorigin,theworkingprincipleandthedevelopmentinthefuture.Thistopicisinreferenceto existingengravingmachineandPCB（Printedcircuitboard）,onthebasisofdesigningCNCengravingmachinefinecarvedcharactersonthePCB.
Keywords:
CNCengravingmachine；PCBcircuitboards；Protel99SE；CopperCAM；Mach3Mill
1前言
1.1雕刻机起源
雕刻机可以追溯到远古时期，母系氏族时期的半坡氏族的“人面网纹盆”便是雕刻的雏形。
在我国北宋时期便发明了活字印刷，《梦溪笔谈》有机：
“其法用胶泥刻字，薄为钱唇，每字为一印，火烧令竖···”。
这里的刻字应属于雕刻的范畴。
随着时代的发展，我国的雕刻艺术日益精深，玉雕、象牙雕、红木雕、篆刻泥人雕等手工雕刻技术都可堪称一绝。
上世纪90年代至今，机械雕刻获得了前所未有的发展。
从最初的刻字机，刻章机再到三维雕刻机，制作工艺也日渐成熟，应用范围也日渐广泛。
大到楼房建筑的装饰，小到商店门前的招牌，乃至很多产品的标识铭牌，可谓雕刻的使用范围无处不在。
雕刻机（EngravingPlotter），顾名思义就是用机器代替人工进行雕刻的设备。
1938年世界第一台手动雕刻机在法国“嘉宝”问世，1950年“嘉宝”生产出世界第一台真正意义的电动、可缩放比例的手动雕刻机。
随后美国、日本和法国等国也开始研制。
20世纪90年代，随着微电子技术的突飞猛进，直接推动微型计算机的急剧发展。
微电子技术和微型计算机技术带动整个高技术群体飞速发展，从而使雕刻机产生了质的飞跃。
雕刻机完成了从2D-2.5D-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刻机研制的基本要求
1.2数控雕刻机及其发展现状
1.2.1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。
这使得雕刻机的产生成为必然。
雕刻机的功能决定了其使用范围。
从工艺上，雕刻可分为全自由度空间雕刻、三维立体雕刻和二维平面雕刻。
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。
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演等众多领域。
此外，还可根据运动坐标控制的联动轴数，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轴联动，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。
1.2.2研制雕刻机的目的和意义
建国五十年来，我国的机械工业虽然已经有了较大的发展，具备了一定的基础和规模，初步满足国民经济和人民生活的需要。
但随着世界科学技术的迅速发展，我国机械工业的技术水平和生产能力与工业发达国家相比还存在相当大的差距。
因此，在我国以新技术改造传统产业和开发高技术含量的新产品，已成为当前机械工业以至各传统产业密切关注和改革的焦点。
机电一体化技术是机械技术是、子技术的有机结合，它包括机械、电子、计算机和自动控制技术。
它从系统工程的观点出发，使产品或系统实现整体优化。
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。
1.2.3数控雕刻机的特点
数控雕刻机的主要特点如下：
（1）自动化程度高。
具体的雕刻过程都是数控雕刻机自动完成的。
（2）产品的尺寸精度高，一致性好。
数控雕刻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）拓展了雕刻领域。
只需改变控制程序，数控雕刻机便可以雕刻浮雕、各种复杂的曲面，支持各种刀具，改善了雕刻表面质量，提高了雕刻效率。
（4）数控雕刻机都有钻铣功能，可用于钻孔、切边、加工小模具，性价比高。
1.2.4数控雕刻机的应用领域
数控雕刻机的应用领域广泛，举例如下：
（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）印刷电路板（PCB）新产品开发中的电路制作，钻孔、铣槽等。
（6）印章业，各类字体各类材料的印章雕刻。
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，使得计算机数控雕刻机有了更大的用武之地。
因此，计算机数控雕刻机的应用范围还将不断扩大。
2雕刻机的机械结构
本次论文课题主要是根据PCB线路板雕刻机D3040来完成本次试验。
2.1PCB线路板雕刻机概述
PCB线路板雕刻机可根据PCB线路设计软件（如PROTEL）设计生成的线路文件，自动、精确地制作单、双面印制电路板。
用户只需在计算机上完成PCB文件设计并据其生成加工文件后，通过USB通讯接口传送给雕刻机的控制系统，雕刻机就能快速的自动完成雕刻、钻孔、隔边的全部功能，制作出一块精美的线路板来，真正实现了低成本、高效率的自动化制板。
该设备操作简单，可靠性高，是高校电子、机电、计算机、控制、仪器仪表等相关专业实验室、电子产品研发企业及科研院所、军工单位等的理想工具。
2.2PCB线路板雕刻机产品和功能介绍
产品介绍：
主轴采用800W水冷主轴（标配），速度极快0-24000转。
软件开关。
手动调速。
平台式移动，床身整体15mm加厚高強度铝合金板材，坚固耐用，惯量小，动态性能好,长时间使用不变形，使定位精度更加精确。
三轴联动；均采用进口滚珠型丝杠，使定位更准确，重复加工更精确。
完全支持KCAM、MACH3、文泰、TYPE等常用CNC软件系统。
功能介绍：
线路板雕刻机是一种机电、软硬件互相结合的高新科技产品，它利用PCB线路设计软件（如PROTEL）生成的PCB文件信息，转换为国际通用的G代码加工文件，直接输出给雕刻机，来控制雕刻机自动完成雕刻、钻孔、切边等工作。
它利用物理雕刻方法，通过计算机控制，在空白的敷铜板上把不必要的铜箔铣去，形成用户设计的线路板。
使用简单、精度高、省时、省料。
2.3雕刻机的主要工作原理
2.3.1关于空白线路板
空白线路板是在绝缘基体上粘贴覆盖一层导电的铜。
从原理上看，制作一张线路板的过程，就是利用铣刻的原理，把线路板上多余的不必要覆铜部分铣去。
这一过程跟传统的雕刻过程相似，区别在于传统雕刻利用手工，本机则利用数控原理让机器自动完成。
2.3.2计算机雕刻路径
要完成一张线路板的制作，第一步首先是要知道哪些部分是要保留的，哪些部分是要铣去的，让刀具沿什么路线运动才能达到我们的目的。
在本系统中，我们利用个人计算机的高速运算性能，从保存的PCB文件中获取相关信息，经过算法的转换，获得主轴刀头运动的路线，这一过程称计算机雕刻路径。
2.3.3指令传输
控制软件从PCB文件获取线路板加工信息，将其自动转换、分解成线路板制作可以接受的一个个单独的动作指令，而这一个个动作指令集合起来就形成了机器的加工路径。
在收到用户指令时，比如用户按“隔离”按钮，控制软件将加工路径指令通过通讯接口传送给线路板雕刻机控制系统，线路板雕刻机的中央处理器根据运动控制原理，控制三个步进电机的转速、方向协调工作，按加工动作指令工作，完成所有工作以后，控制软件向机器传送停止信息，机器停止工作。
2.3.4组合运动控制
在本机中，三条互相独立的直线运动导轨互相垂直安装。
Ｙ轴滑车带动工作平台前后运动。
Ｘ轴滑车带动Ｚ轨及安装在Ｚ轨上的主轴电机左右运动。
Ｚ轴带动主轴电机上下运动。
三轴在ＣＰＵ的协调控制下，使主轴带动高速旋转的刀具相对工件做三维空间运动，从而把工件（线路板）加工成符合用户要求的成品。
例如，当Ｚ轴静止且刀尖略低于线路板表面时，Ｙ轴静止，X轴移动。
此时主刀具将在线路板上铣出一条Ｘ方向的直线，宽度相当于刀具的刀尖宽度。
Ｘ轴静止，Ｙ轴移动时，主刀具将在Ｙ方向上刻出一条直线，当Ｘ、Ｙ同时运动且速度相同时，刀具将在线路板上刻一条４５度的斜线。
控制Ｘ、Ｙ分别处于不同的运动速度，可在平面上刻出不同角度的直线，控制运动距离，通过各种组合可以在平面上刻出不同的形状。
当Ｚ轴静止且刀尖高于线路板表面时，刀具将通过Ｘ、Ｙ的运动移动到需要雕刻的点。
当ＸＹ静止，Ｚ轴向下移动线路板的厚度时，主轴电机带动钻头在线路板当前位置上钻孔。
2.4PCB数控雕刻机基本参数
产品型号
CNC雕刻机D3040实验型数控雕刻机
有效行程
300mmX400mmX80mm
产品用途
雕刻单面板
Z轴于平台
小于80mm（有效被加工物体高度）
机身材料
全铝合金机架厚度均为15mm（表面喷砂银色氧化处理）
步进电机
全新57步进电机
传动单元
国产1605滚珠丝杆
主轴电机
800W水冷主轴
雕刻精度
6mil
重复定位精度
0.03mm
空行速度
0-24000r/min
雕刻速度
0-24000r/min（视具体材料）
步进驱动器
8细分驱动器
雕刻指令
G代码
控制软件
Mach3
电脑通讯端口
并口
工作电压
220V/120V（购买时请说明工作电压）
净重
40KG
外形尺寸
610×510×460MM
PCB数控雕刻机D3040外观（图2.4）：
图：
2.4CNC雕刻机外观
3制作CNC雕刻机所用PCB文件
3.1安装Protel99SE并制作电路图
3.1.1设计电路图
安装完毕Protel99SE后，打开新建文件，在Documents文件下再次新建文件，选择PCBDocuments，然后生成PCB.PCB文件，开始绘制电路原理图*.Sch文件。
然后制作电路图*.PCB文件（232通信电路脉宽调制器，图3.1.1-1和图3.1.1-2）
图3.1.1-1原理图
图3.1.1-2电路图
3.1.2生成加工文件
打开制作完成的*.PCB文件，选择文件（File）菜单的新建选项（new）,产生下图，选择第一项CAMoutputconfiguration选项，如图3.1.2-1
图3.1.2-1选择CAMoutputconfiguration
然后连续选择OK，如图3.1.2-2
图3.1.2-2选择Ge
选择Gerber文件格式后，按NEXT出现下图3.1.2-3
图3.1.2-3选择mm制和4:
4格式
选择图示的mm制和4：
4格式（即保留小数点后四位精度），然后出现图3.1.2-4
图3.1.2-4选择图层
选择布线中使用的图层，（注意，一定要选择的有底层bottomlayer、顶层toplayer、禁止布线层keepoutlayer）,点击结束（finish）即生成线路板光绘文件Gerberoutput1。
用鼠标右键点击Gerberoutput1,选择GenerateCAMFiles选项，电脑会自动生成我们需要的有底层bottomlayer（*.GBL）、顶层toplayer（*.GTL）、禁止布线层keepoutlayer（*.GKO）,你可以鼠标左键点击Explorer下面的CAMfor文件名字；此时，电脑屏幕右侧就会显示出你所需要的*.GBL，*.GTL，*.GKO，*.TXT，然后导出文件保存。
3.2PCB文件转为G代码
下载安装CopperCAM软件，打开一个图层的文件yuan.GTL，如图3.2-1
图3.2-1添加GTL文件
然后在Parameters里面的Toollibrary添加刀具型号，如图3.2-2
图3.2-2添加刀具型号
在添加好所有的刀具后，点击Parameters里面的selectedtools.如下图3.2-3
图3.2-3添加刀具信息
点击OK，此时，可以对当前线路板进行隔离了，点击工具菜单的隔离功能，如下图：
只有在隔离完毕后，才可以再进行雕铣或者局部雕刻。
如图3.2-4
图3.2-4隔离
PCB线路板线路生成刀具路径了，这个时候您可以对在这个顶层线路板上加上钻孔文件了，如图3.2-5
图3.2-5添加钻孔文件
选择FILE里面的Drills.并选择2.GBL文件，,然后确认。
并生成钻孔加工的路径，如图3.2-6
图3.2-6点击钻孔按钮
软件自动实现你应该使用的刀具尺寸，然后分别确定，OK.
效果如下图3.2-7
图3.2-7生成钻孔文件
然后导出文件，如图3.2-8
图3.2-8导出文件
生成文件格式默认为*.iso文件，为了方便使用雕刻机，把文件改为CNC雕刻机可读*.ncc文件，如图3.2-9
图3.2-9生成ncc文件
4CNC雕刻机刻制PCB板
4.1配置CNC雕刻机
安装雕刻机Mach3Mill软件，打开设置—端口/针脚选项，进行如下配置如图4.1-1和图4.1-2：
图4.1-1端口配置
图4.1-2电机输出配置
配置完成后点确定，然后打开设置—电机调试选项，如图4.1-3
图4.1-3电机调试
X轴、Y轴和Z轴做以上配置，点击保存设置，确定。
然后机床上把PCB板用夹子固定，雕刻前先测试运行轨迹，确定电路图能覆盖所雕刻的PCB板，（如果电路图轨迹超过所雕刻的PCB板，重新打开点击调试按钮，把Stepsper范围调小一点，直到电路轨迹能完全覆盖PCB板为止）然后选取左上角设为机床原点，安装平底尖刀刀具，调动Z轴刀具与PCB板的距离，点击清零Z按钮，返回原点，准备雕刻。
如图4.1-4
图4.1-4准备雕刻
4.2CNC雕刻机雕刻PCB板
完成以上工作后，点击加载G代码按钮，选择配置好的G代码，打开，在右侧会出现你所制作的电路轨迹，如图4.2-1
图4.2-1加载G代码
将覆铜板放置在工作台上并用夹子固定，防止刻制过程中板子移动，根据自己覆铜板的大小调整刀具位置及图形大小。
调整完毕后点击“循环开始”，雕刻机自动开始雕刻，打孔。
进给率调到50%，拧转刀具旋动按钮，点击紧急复位按钮，使按钮为绿色长亮，然后开始进行雕刻，如遇紧急情况需立即点击停止按钮。
如图4.2-2和图4.2-3雕刻过程图为雕刻机正在覆铜板上按照设置及代码加工元件。
图4.2-2雕刻中
图4.2-2雕刻完成
注意事项：
因为雕刻机刻制完成后自动运行打孔文件，为避免刀具刻得太深划坏工作台，因此可以在覆铜板上垫一块略厚的板子。
所以需要注意，垫的板子必须有一定的硬度，因为要用固定架固定，硬度不够的话容易造成覆铜板中间略微凸起，并且要求表面完整。
如若板子表面不完整，就会影响覆铜板的水平度，会使雕刻出来的图形深浅不一。
切记，厚的海绵板不可使用，因硬度不够，会在四周使用固定架固定后导致四周低中间高，雕刻机刻制过程中完全按照自己所设置的刀具选择以及参数形成的代码设置走刀，不会自己根据材料的高低调整，所以刻出来的东西也是中间深四周浅。
并且根据经验所得，在设置刀具选择的时候，平底尖刀的主轴速度最好在8000-12000之间，角度为60，进给速度根据情况选择，大多为2，根据经验所知，PCB尺寸的默认值可以忽略设置为0，可以在生成G码后手动设置G代码中定位孔的深度。
如若需要原比例的PCB板雕刻时，由于雕刻机的进给度设置为步数，和我们用的英尺、毫米单位不一样，不能成功原比例换算，所以我们需要在CNC雕刻机上设置校准功能，就是把原点设为零点，然后手动控制雕刻机移动到所需PCB板大小的另一端，填入你算需要的大小数值，MACH3可以自动识别，就可以成功实现原比例雕刻了。
5结论
数控雕刻机技术广泛应用于模具模型、工艺品、印刷电路板的制作和广告。
本文详细讲述了CNC雕刻机的机械结构和操控方法，以及在实验室加工小型电路板（PCB）方面的实际应用。
本文使用的是三轴雕刻机，是典型的机电一体化产品，主要包括机械、电路、控制三大模块。
由MACH3软件控制，实现精准的自动雕刻。
是目前较为经济适用的小型CNC雕刻机。
文中讲述了电路板的文件制作，旨在更贴切的说明雕刻机旨在实验
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