雕刻機的三維建模研究

王釗

摘要：由于小型雕刻機具有成本低，體積小，加工快捷方便，小型雕刻機已經(jīng)廣泛應用在多個領域。小型雕刻機的三維建模是設計雕刻機的關鍵內(nèi)容，通過對雕刻機機架部分的三維建?？梢灾庇^得到機架部分三維圖形，可以直觀地判斷該部分設計是否合理，顯著縮短時間，提高效率。

關鍵詞：三維建模；圖形；機架

小型旋轉雕刻機的出現(xiàn)為現(xiàn)代人對生活各個方面需求的物質質量要求越來越高、品種越來多樣化、產(chǎn)品越來越小型化和精密化提供了加工條件。

隨著社會的快速發(fā)展，人們對生活各個方面需求的物質質量要求越來越高、品種越來多樣化、產(chǎn)品越來越小型化和精密化，就要求制造業(yè)提供更好的加工條件和環(huán)境。在小型金屬產(chǎn)品的加工中，普通的機床（車床、銑床、磨床、鍵床等等）加工也能滿足要求，但是生產(chǎn)效率低、耗費時間長、勞務開銷高等而不能滿足市場需求，將傳統(tǒng)機械加工和數(shù)控自動化相結合進行一次裝夾就可以完成大部分工序甚至全部工序已成為小尺寸金屬零件加工行業(yè)發(fā)展的大趨勢，小型旋轉雕刻機的出現(xiàn)就可以滿足這種需求。

根據(jù)雕刻材料和運用領域的不同，雕刻機可分為木工雕刻機、廣告雕刻機、石材雕刻機、模具雕刻機、激光雕刻機等，它們的加工性能要求出入很大，對機床和數(shù)控系統(tǒng)的要求也各不相同。模具雕刻機的加工材料是金屬，機床剛性要求較高；廣告雕刻機加工料是塑膠板或有機玻璃等非金屬，對機床剛性要求相對較低。

根據(jù)運動控制聯(lián)動軸數(shù)的不同，雕刻機分為三軸、四軸、五軸等雕刻機。三軸雕刻機可以控制三個坐標軸聯(lián)動，完成常規(guī)曲面實體雕刻；四軸雕刻機可以聯(lián)動三個移動軸和一個旋轉軸（軸），用來完成形狀相對復雜產(chǎn)品的雕刻加工（1）；五軸雕刻機實現(xiàn)聯(lián)動三個移動軸、一個旋轉軸（軸）和一個擺動軸（軸），來完成更加復雜的雕刻加工。

數(shù)控雕刻機可用來加工木材、亞力克、塑料、伐木等軟質材料，雕刻加工過程中刀具的切削力較小，機床的剛性要求相對較低；數(shù)控雕刻機中的模具雕刻機、五金雕刻機等可以加工鍋、鋼材等金屬零件產(chǎn)品，但是他們多針對加工中、大型的零件開發(fā)，機床的剛性要求高，加工精度高。在本項目中設計的機床適合加工多種材料，工件規(guī)格多為中小型產(chǎn)品，機床的剛性和精度均有一定的要求。

小型旋轉雕刻機是一種三維的數(shù)控雕刻機床，用來完成小型五金件、小型零件、小型模具、小型玉器和小型工藝品的加工。雕刻機床身主要架構采用鑄造件，門式結構，機床軸方向的直線運動帶動軸拖動板進行左右移動，軸拖動板的直線運動帶動刀具系統(tǒng)進行上下移動，軸帶動工件旋轉運動，刀具系統(tǒng)中的電主軸帶動雕刻刀具進行旋轉切削，配合機床的前后、左右、上下移動從而完成雕刻加工。

根據(jù)市場需求，依照高效、可靠、方便的原則，同時借鑒國外同類產(chǎn)品設計的優(yōu)點進行小型旋轉雕刻機開發(fā)，它由機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分構成。（機械部分的任務是完成機床的支撐，就像人體的骨架和器官，主要包括：機架、刀具系統(tǒng)、運動部件等機械部件。

機架主要包括：橫梁、支臂、底座和工作平臺，刀具系統(tǒng)主要包括：夾持部件、電主軸、刀具和拖動板等部件，運動部件主要包括：絲杠、滑塊、導軌、軸承以及軸承座等部件。（控制部分的任務是完成機床的進給運動和切削加工，就像人體的神經(jīng)系統(tǒng)，主要包括：伺服系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)等部件。伺服系統(tǒng)主要包括：伺服電機、驅動器和運動控制卡，檢測系統(tǒng)主要包括位移傳感器。運動部件和伺服系統(tǒng)的配合實現(xiàn)機床一軸方向的直線移動，刀具系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)實現(xiàn)機床的切削加工，機架的支撐作用、切削加工和四個加工軸的移動共同配合實現(xiàn)機床的雕刻加工。

機架是數(shù)控機床床身重要的支撐部件之一，對機床的精度有著十分重要的影響。常見的數(shù)控機床有臥式和立式結構，對于數(shù)控雕刻機主要采用立式結構。在立式結構機床中有龍門式和懸臂梁式，根據(jù)加工材料是硬質材料和快速雕刻，會產(chǎn)生較大的切削力和機床振動，采用龍門橫梁式結構。龍門式橫梁結構可以分為工作平臺固定在底座上的移動式龍門橫梁和龍門橫梁固定在底座上的固定式龍門橫梁。由于移動式龍門橫梁結構機床主要用在加工大型工件上，它的切削量相對比較大，在加工時易產(chǎn)生較大振動，需要采用固定的工作平臺，來增強吸振性能，減小振動所帶來的加工誤差。固定龍門橫梁結構常用于中小型工件加工，本項目研究機床的加工對象是小型工件，所以采用固定式龍門橫梁的機架結構。

最終確定小型旋轉雕刻機的機架結構為：橫梁、支臂和底座三者通過螺栓固定在一起的整體機架，材料為鑄鐵。

橫梁屬于機床支撐部件，受刀具系統(tǒng)的重力和切削力的共同作用，空間受力復雜，橫梁的變形會影響加工精度，因此該部件設計要求具有足夠的剛度、強度和良好的抗振性，并且在滿足橫梁結構尺寸的前提下盡量減輕其質量。根據(jù)機床的加工特點進行設計，小型旋轉雕刻機的橫梁結構初步設計為類似于“工”字形式的結構。根據(jù)需要安裝軸方向的伺服電機和傳動系統(tǒng)，在橫梁的兩端進行封閉?？紤]鑄造件的結構特點，在橫梁的背面進行挖空處理。初始橫梁的基木尺寸如下：總體尺寸前面挖空尺寸，背面挖空尺寸經(jīng)過挖空處理橫梁的壁厚為，則橫梁結構設計如圖所示。

支臂屬于機床支撐部件，直接支撐橫梁，固定在底座上，刀具系統(tǒng)的重力、橫梁的重力以及切削力都傳遞到支臂上，如果支臂發(fā)生變形會放大由于橫梁變形和振動引起的加工精度誤差，因此該部件設計要求具有足夠的剛度、強度和良好的抗振性，并且在滿足支臂結構尺寸的前提下盡量減輕其質量?？紤]到整體機架是鑄造件，設計為如圖所示結構，具體尺寸為在支臂的上下兩端封口處都切除直徑的圓孔，便于控制線路安裝。

底座用來支撐整個機床，承受整個機床所有零部件的重力。刀具的切削力通過刀具、夾持件、橫梁、支臂最終傳遞到底座上；工件被加工時切削反作用力通過夾持件、工作平臺和滑塊導軌結構傳遞到底座上，致使空間受力復雜，這就要求底座要有很好的吸振和抗振性能。由于支臂固定在底座上，可在底座的兩邊進行固定支撐支臂，并在兩端設計螺栓裝配孔及過線孔。為了讓工作平臺有個很好的支撐，底座上加凸臺來支撐軸運動方向的導軌及導軌上滑動板；同時考慮軸傳動部件的安裝，對底座凸臺背面進行切除挖空處理，這樣有以下幾個好處：節(jié)約材料、便于安裝、鑄造便于起模。