小型搖籃式五軸聯(lián)動(dòng)雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳占富　江董玉　耿鑫鑫　趙陽

摘要：隨著木材、石材、玉器及貴金屬雕刻的市場需求持續(xù)增加，科學(xué)制造技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，傳統(tǒng)的手工雕刻逐漸被自動(dòng)化雕刻機(jī)器代替，基于數(shù)控系統(tǒng)的雕刻機(jī)已經(jīng)成為木工等雕刻行業(yè)的首選工具。而傳統(tǒng)的三軸雕刻機(jī)在工件加工時(shí)需多次裝夾完成.并且精度差、速度慢、效率低，所以本文開展了基于五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)的雕刻機(jī)的研究與設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)也為其他雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究提供了借鑒。

本文設(shè)計(jì)了一種以龍門結(jié)構(gòu)作為三軸基底，附加A搖擺軸和C旋轉(zhuǎn)軸組成的混聯(lián)搖籃式五軸CNC雕刻機(jī)。在同等重量和體積的前提下。本雕刻機(jī)床具有加工精度高、加工范圍大、結(jié)構(gòu)簡單、控制便捷、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。該雕刻機(jī)可加工軟金屬及各種非金屬材料的復(fù)雜曲面，尤其對(duì)于非金屬精密零件等其他物品的雕刻加工很有市場前景。其電氣控制方面可以采用mach3控制卡作為控制核心，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用高精度步進(jìn)電機(jī)，搖籃軸及回轉(zhuǎn)軸采用皮帶輪方式傳動(dòng)。

關(guān)鍵詞：搖籃式；龍門結(jié)構(gòu)；五軸聯(lián)動(dòng)雕刻機(jī)床；Mach3控制系統(tǒng)；步進(jìn)電機(jī)

市面上出現(xiàn)的雕刻機(jī)產(chǎn)品，價(jià)格普遍非常昂貴，普通的雕刻機(jī)都是萬元以上。美國“雕霸”、法國“嘉寶”和日本“御牧”是此行業(yè)的佼佼者，但價(jià)格更是昂貴，令一些小單位及個(gè)人用戶望而卻步。目前中國市場上雕刻機(jī)均以xyz三軸為主，難以加工一些復(fù)雜的曲面。但雕刻機(jī)主要進(jìn)行工藝品、玉石等加工，簡單的結(jié)構(gòu)造型已經(jīng)難以滿足大眾日益?zhèn)€性化的需求，五軸聯(lián)動(dòng)CNC雕刻機(jī)正是填補(bǔ)了這個(gè)市場。但目前市場上所提供的五軸聯(lián)動(dòng)CNC雕刻機(jī)大多成本很高，且以懸臂型為主，這就導(dǎo)致其加工面積相對(duì)較小，不易普及。

在這樣的背景下，我們立足現(xiàn)狀，面向經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，開發(fā)出有自己特色的五軸聯(lián)動(dòng)CNC雕刻機(jī)來滿足復(fù)雜雕刻加工的要求。我們對(duì)一種五軸聯(lián)動(dòng)CNC雕刻機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該雕刻機(jī)包含龍門三維機(jī)架以及A、C雙自由度搖籃式工作臺(tái)，龍門架及刀頭部分的移動(dòng)采用電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠副控制，實(shí)現(xiàn)沿XYZ方向移動(dòng)；該工作臺(tái)可實(shí)現(xiàn)繞著C軸的360°旋轉(zhuǎn)，以及繞著A軸進(jìn)行-90°～90°的擺動(dòng)；該雕刻機(jī)可以結(jié)合刀頭和工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)x軸、Y軸、Z軸、A軸、C軸共五個(gè)自由度方向的聯(lián)動(dòng)工作。筆者的設(shè)計(jì)研究立足于國內(nèi)數(shù)控雕刻機(jī)發(fā)展的現(xiàn)狀，對(duì)于開發(fā)新型的五軸聯(lián)動(dòng)CNC雕刻機(jī)及其普及有著重要的意義。

第一章雕刻機(jī)的研究現(xiàn)狀與需求

（一）雕刻機(jī)的研究現(xiàn)狀

國外的數(shù)控雕刻機(jī)研發(fā)公司眾多，其研發(fā)產(chǎn)品的加工精度高、效率高、功能多而且人機(jī)界面良好便于操作。如日本的FANUC公司、德國西門子公司等。法國NUM公司的POWERl080數(shù)控系統(tǒng)能兼容CAD/CAM軟件，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的圖像加工；西班牙FAGOR公司的CNC8070數(shù)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)28軸伺服控制；德國的WALTER公司研發(fā)的CNC設(shè)備HELIRONIC POWER配置上安裝有FANUC31 01數(shù)控系統(tǒng)，并采用Windows系統(tǒng)作為操作系統(tǒng)，能夠在線測(cè)量，其產(chǎn)品精度高、加工速度快，并且系統(tǒng)便于操作。然而國外的數(shù)控雕刻機(jī)雖然功能強(qiáng)大，但數(shù)控加工中心價(jià)格十分昂貴，維修成本也相當(dāng)高。

國內(nèi)數(shù)控雕刻機(jī)這一領(lǐng)域的研究雖然起步晚，但經(jīng)過無數(shù)專家的刻苦鉆研，數(shù)控雕刻機(jī)技術(shù)也是日趨成熟。如山東萊州市精密木工機(jī)械有限公司研制的三軸CNC雕刻機(jī)，配有方便、簡單、易學(xué)的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，用戶可以快速完成雕刻加工，質(zhì)量可靠、成品率高；上海黑格數(shù)控科技有限公司研制的HELIXNC-5A五軸數(shù)控磨床，采用了武漢華中數(shù)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)；又如北京精雕科技有限公司的“精雕”及上海的“啄木烏”等品牌已在國內(nèi)逐步發(fā)展壯大，并且擁有一定的市場，但是在加工精度、可靠性等方面與國外前沿技術(shù)仍存在一定的差距。

（二）雕刻機(jī)的需求

五軸聯(lián)動(dòng)CNC雕刻機(jī)集先進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制、高性能伺服驅(qū)動(dòng)和精密加工技術(shù)于一體，廣泛應(yīng)用于復(fù)雜曲面的高效、精密、自動(dòng)化加工，在金屬切削加工及木材加工領(lǐng)域，五軸聯(lián)動(dòng)CNC雕刻機(jī)精度高、速度快、效率高，逐漸成為主流技術(shù)。這種制造行業(yè)理想的加工技術(shù)是衡量一個(gè)國家在制造業(yè)領(lǐng)域地位和國際競爭力的重要標(biāo)志，其技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度對(duì)我們整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度有著巨大的影響。

伴隨著科學(xué)制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，手工雕刻逐步被CNC雕刻所代替，CNC雕刻機(jī)逐漸成為雕刻等行業(yè)的專用工具。CNC雕刻機(jī)采用鉆銑組合加工，是典型的一種機(jī)電一體化產(chǎn)品，在模具雕刻、工藝品制作、廣告制作等行業(yè)有著廣泛的市場應(yīng)用。目前數(shù)字雕刻系統(tǒng)的技術(shù)和功能在現(xiàn)有雕刻系統(tǒng)基礎(chǔ)上有了全方位的提升，復(fù)雜型面雕刻已不再長期依賴于少數(shù)手工藝人的傳統(tǒng)作業(yè)方式，產(chǎn)品的藝術(shù)雕刻設(shè)計(jì)與制造更加數(shù)字化、精良化、敏捷化和智能化。隨著人們個(gè)性化需求的日益增長，小型五軸CNC雕刻機(jī)具有良好的市場前景。

第二章雕刻機(jī)總體方案和設(shè)計(jì)參數(shù)

（一）雕刻機(jī)總體方案

為了讓機(jī)器能加工復(fù)雜曲面，一次雕刻完成，而無需多次卸裝工件，我們采用在三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)軸的基礎(chǔ)上加一個(gè)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)和搖擺軸的五軸聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)方案。如圖1所示

AC搖籃式回轉(zhuǎn)工作臺(tái)設(shè)計(jì)方案如圖2所示：

（二）雕刻機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

搖籃式小型五軸聯(lián)動(dòng)雕刻機(jī)主要應(yīng)用于精密零件及工藝品的雕刻、打孔等加工制作。根據(jù)工件的特點(diǎn)與加工要求，本雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示：驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用57步進(jìn)電機(jī)，相關(guān)參數(shù)如表2所示：

第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

框架可采用鋁型材通過角鐵組裝而成，既經(jīng)濟(jì)又便于拆裝調(diào)整，A軸、C軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)軸線平行X軸。采用同步帶輪可以很好的控制傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的反向間隙，同時(shí)可提高輸出扭矩…。同步帶傳動(dòng)具有準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，無滑差，可獲得恒定的速比，可精密傳動(dòng)，而且傳動(dòng)平穩(wěn)，能吸震，噪音小。它的傳動(dòng)速比范圍大，一般可達(dá)1：10，允許線速度可達(dá)50m/s，傳動(dòng)效率高，一般可達(dá)98%-99%，傳遞功率從幾瓦到數(shù)百千瓦，結(jié)構(gòu)緊湊還適用多軸傳動(dòng)，張緊力小，不需潤滑，無污染。平動(dòng)軸XYZ采用直線導(dǎo)軌導(dǎo)向，滾珠絲桿傳動(dòng)的方式，能夠較好的保證加工中各方向的精度。旋轉(zhuǎn)軸A，C采用同步帶傳動(dòng)方式，增加空間的利用率，避免與機(jī)架發(fā)生干擾。步進(jìn)電機(jī)與各軸聯(lián)接均采用彈性聯(lián)軸器聯(lián)接。雕刻機(jī)的三維建模圖如圖3所示。endprint

（一）X、Y、Z軸的設(shè)計(jì)

X、Y、z軸均含有底板、光桿滑塊、滾珠絲杠螺母、步進(jìn)電機(jī)、聯(lián)軸器，除此之外，x軸安裝在龍門架上，還含有龍門支架、連接板、搖動(dòng)手柄等結(jié)構(gòu)。Y軸在工作臺(tái)的底部，還含有工作臺(tái)、Y軸支架、搖動(dòng)手柄等結(jié)構(gòu)。Z軸安裝在X軸上。

X軸是跟隨Y軸移動(dòng)的，下部固定在Y軸滑板上，其采用的步進(jìn)電機(jī)和絲杠螺母與Y軸相同，光桿和滑塊直徑較Y軸稍小。

圖4為X、Y、Z軸裝配圖。

（二）A/C軸的設(shè)計(jì)

A軸安裝于工作臺(tái)，主要由步進(jìn)電機(jī)、同步帶輪、C軸連接塊、加高塊等部分組成。

C軸安裝于A軸上，主要由步進(jìn)電機(jī)、同步帶輪、C軸安裝塊等部分組成。

圖5為A，C軸的裝配示意圖：

（三）主軸的設(shè)計(jì)

主軸安裝在Z軸上，主要由主軸及其安裝座、夾筒、雕刻刀等組成。主軸的功率為200 w，采用風(fēng)冷的冷卻方式。

第四章雕刻機(jī)CAE分析：通過結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)，以有限元分析為核心，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜態(tài)、模態(tài)分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，不僅使零部件的靜力學(xué)性能得到改善，還能避免結(jié)構(gòu)因共振產(chǎn)生變形，節(jié)省材料，獲得最佳的結(jié)構(gòu)尺寸。

下面以雕刻機(jī)龍門橫梁CAE分析為例：結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)，龍門橫梁CAE分析的建模對(duì)象是龍門橫梁及其所承載的部件，包括：橫梁、滑塊、Z軸箱體。首先采用UG-NX進(jìn)行龍門橫梁的基礎(chǔ)建模，具體如圖3所示。

（1）靜態(tài)性能分析。五軸聯(lián)動(dòng)雕刻機(jī)的龍門橫梁及相關(guān)承載部件主要是鋁合金結(jié)構(gòu)，龍門橫梁及Z軸箱體均采用壁厚為2mm的空心鋁合金型材。建立有限元力學(xué)模型，抽取模型中心面，采用帶中節(jié)點(diǎn)的板殼單元SHELLl 81進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散。SHELLl 81單元具有4個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有6個(gè)自由度：沿坐標(biāo)系X、Y、Z軸的平動(dòng)以及沿坐標(biāo)系X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。

對(duì)龍門橫梁及其承載部件拓?fù)湫迯?fù)、簡化細(xì)節(jié)，最終完成網(wǎng)格劃分。因?yàn)閱卧馁|(zhì)量參數(shù)對(duì)分析結(jié)果影響重大，所以完成網(wǎng)格劃分后還應(yīng)進(jìn)行單元質(zhì)量檢查。主要檢查內(nèi)容包括：是否有重復(fù)的節(jié)點(diǎn)、重復(fù)的或缺失的單元、高度畸變或翹曲的單元；離散單元尺寸應(yīng)盡量均勻，要避免畸形或者特別小的單元。

龍門橫梁及承載部件CAE網(wǎng)格劃分模型具體如圖6所示。

雕刻機(jī)龍門橫梁具體約束邊界條件如圖6所示。龍門橫梁及其承載部件采用鋁合金，壁厚為2mm，其材料的彈性系數(shù)為68.9 GPa，泊松比u=0.330，彎曲極限強(qiáng)度228 MPa。

用ANSYS求解器對(duì)龍門橫梁的變形云圖具體如圖7所示。通過比較，可以得出結(jié)論：在相同厚度的z軸箱體壁厚情況下采用合理的加強(qiáng)筋，發(fā)現(xiàn)最大變形量進(jìn)一步減少，木工雕刻機(jī)的龍門橫梁結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)靜剛度優(yōu)化，大大提高了木材加工精度。由于木材雕刻精度相對(duì)金屬切削精度要求低，通過電主軸、導(dǎo)軌等傳動(dòng)系統(tǒng)的補(bǔ)償找平，可進(jìn)一步提高木材雕刻的加工精度。因此通過結(jié)構(gòu)靜剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)，龍門橫梁及其承載部件完全滿足木工雕刻的加工要求，并且保證了合理的木工雕刻機(jī)加工制造成本。（2）模態(tài)性能分析。采用UG-NX建立五軸聯(lián)動(dòng)雕刻機(jī)的虛擬樣機(jī)，在HyperMesh仿真平臺(tái)上讀入龍門橫梁及其承載部件的幾何模型，進(jìn)行合理的簡化處理。經(jīng)過一系列參數(shù)設(shè)置，如單元、材料、屬性設(shè)置，網(wǎng)格劃分，建立運(yùn)動(dòng)控制卡等等，完成龍門橫梁模態(tài)分析前處理工作。采用自由模態(tài)處理，利用Nastran求解器進(jìn)行龍門橫梁模態(tài)分析，得龍門橫梁的固有頻率和振型。用Hyper Mesh前后處理軟件結(jié)合Nastran求解器對(duì)雕刻機(jī)的龍門橫梁及其承載部件進(jìn)行模態(tài)分析，得到龍門橫梁前六階的固有振動(dòng)特性以及振型描述，需盡量避開引起龍門橫梁等部件發(fā)生共振的振動(dòng)源

五、結(jié)束語

本文深入分析目前國內(nèi)外數(shù)控雕刻機(jī)的現(xiàn)狀，研發(fā)了一種搖籃式小型五軸聯(lián)動(dòng)雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，利用UG NX10.0軟件對(duì)雕刻機(jī)的整體架構(gòu)及部分的詳細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維設(shè)計(jì)建模并仿真。所設(shè)計(jì)的搖籃式回轉(zhuǎn)工作臺(tái)扭矩較大，可實(shí)現(xiàn)雙自由度方向的運(yùn)動(dòng)。它的機(jī)械本體部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊、部件布局合理，可行性很高，為其他數(shù)控雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了很好的借鑒。

（作者單位：無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院）endprint