可移動式實用雕刻頭研究

劉衛(wèi)陵

(大冶特殊鋼有限公司，湖北 黃石 435000)

0 引言

由專業(yè)電主軸廠家生產(chǎn)的雕刻頭一般為立式固定使用，且價格較高，其本質(zhì)上是一種由變頻驅(qū)動控制的高速高剛度精密的電動機[1]，主要采用精密滾動軸承支承，油脂潤滑，外循環(huán)水冷卻。專業(yè)電主軸在實現(xiàn)雕刻運動時，往往需要增設(shè)進(jìn)給運動機構(gòu)實現(xiàn)雕刻深度控制，由于增設(shè)移動機構(gòu)使得雕刻頭體積較大，在一些空間受限的場合應(yīng)用受到一定限制。目前在市場上投放的多主軸雕刻機床，進(jìn)給深度控制多采用龍門式結(jié)構(gòu)。由于龍門結(jié)構(gòu)本身的特點，在加工深度控制時，易造成龍門橫梁體的扭斜，控制精度不高，而且體積大；多電主軸的配備，使得價格也較高。故設(shè)計一個經(jīng)濟實用的可移動式雕刻頭具有一定的意義。

1 可移動式實用雕刻頭研究的關(guān)鍵問題

1.1 設(shè)置移動機構(gòu)實現(xiàn)高精度定位控制

針對一般電主軸只有一個旋轉(zhuǎn)運動需增設(shè)移動機構(gòu)[2]帶來的體積大的問題，本設(shè)計中增設(shè)了一可實現(xiàn)50 mm運動范圍的移動機構(gòu)，其在≥10 000 r/min高速旋轉(zhuǎn)運動時，重復(fù)定位精度為0.01 mm，定位精度為±0.01 mm；高精度的移動控制統(tǒng)一在一Φ110 mm×180 mm的機構(gòu)內(nèi)，主軸徑向跳動可達(dá)0.01 mm。移動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)緊湊，形式新穎，控制、裝拆方便，特別適合于要求結(jié)構(gòu)緊湊、多主軸雕刻情況下使用。

1.2 配備控制單元降低精度要求

雕刻機[3]實現(xiàn)對平面上的線、字、圖的雕刻相對較易，但對于軸(錐)類表面雕刻時，需要軸類零件在安裝后旋轉(zhuǎn)同軸度精度較高(特別是一些細(xì)長軸零件)，否則可能導(dǎo)致雕刻的深度不一致，而無法滿足雕刻工藝要求。

本雕刻頭采用導(dǎo)電檢測技術(shù)，雕刻頭與機床絕緣安裝；在雕刻時，雕刻頭控制單元每次接收到進(jìn)給指令后，控制雕刻頭移動機構(gòu)運動，直到與工件接觸后才由數(shù)控裝置接管控制。為保證對刀的精度和可靠性，在控制單元中采用一次對刀多次檢測的技術(shù)，且每次進(jìn)刀均采用這種檢測技術(shù)，大大降低了對軸類零件安裝精度的要求，以及對刀具安裝(多主軸龍門雕刻機)精度一致性的要求，同時也使得雕刻頭移動機構(gòu)的反向間隙對控制深度的影響可忽略。

高速主軸電機采用無刷直流電機[4]，與普通直流電機相比，其運行穩(wěn)定可靠，基本沒有電磁干擾，同時采用附加銅刷檢測，極大減少了扎刀現(xiàn)象的發(fā)生。

2 雕刻頭設(shè)計

設(shè)計的移動式雕刻頭具有調(diào)速范圍寬、特性呈線性、反應(yīng)快速等特點；另一方面較一般的直流電機具有轉(zhuǎn)速高、抗干擾性能強等優(yōu)點，相比同轉(zhuǎn)速交流電主軸價格要便宜得多，選用無刷直流電動機作為主運動驅(qū)動可完全滿足需要。本雕刻頭中使用的無刷直流電機最大轉(zhuǎn)速為12 000 r/min，具體使用時速度可通過無刷直流電機驅(qū)動裝置調(diào)節(jié)；移動運動采用帶驅(qū)動模塊的步進(jìn)電機實現(xiàn)。雕刻頭控制單元結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，雕刻頭主軸單元裝配如圖2所示。

圖1 雕刻頭控制單元結(jié)構(gòu)框圖

2.1 移動機構(gòu)工作原理

如圖2所示，整個雕刻頭固定在安裝底板23上，進(jìn)給運動和對刀時，步進(jìn)電機2通過同步帶輪26、27和同步帶1帶動雕刻頭移動機構(gòu)11的銅螺母10作旋轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)將同步帶輪26的回轉(zhuǎn)運動變換為移動機構(gòu)11及無刷直流電機6的直線運動。當(dāng)?shù)毒呓佑|到工件表面時,導(dǎo)電檢測到的位信號[5-7]由安裝在電機軸上的銅套4經(jīng)銅刷(圖中未畫出)反饋到雕刻頭控制單元指示對刀完成，計算機數(shù)控系統(tǒng)再接管雕刻頭的控制。移動機構(gòu)11的徑向跳動精度由一對角接觸球軸承24保證，軸向竄動由軸承壓蓋8和銅螺母10共同保證；同時銅螺母10與移動機構(gòu)11的接觸長度較大，具有較好的導(dǎo)向精度，并能保證移動機構(gòu)11在移動中的直線度。同時雕刻頭套筒9和移動機構(gòu)11間采用精密磨削加工，具有較好的精度。

步進(jìn)電機步距角為1.8°，同步帶傳動比i=Z1/Z2=30/90(Z1為主動輪齒數(shù)，Z2為從動輪齒數(shù))，方牙螺紋螺距S=3 mm，進(jìn)給脈沖當(dāng)量精度由下式計算：

δ=[S/(360/1.8)]×i=0.005 mm。

2.2 回轉(zhuǎn)機構(gòu)工作原理

如圖2所示，高速無刷直流電機6[8]通過彈性聯(lián)軸器5與中心軸16相聯(lián)結(jié)，刀具采用體積較小的高精密日本HSK夾頭的錐套18、鎖緊螺帽17與中心軸相聯(lián)結(jié)。這種HSK夾頭剛性好、夾持牢靠，在使用中裝拆方便，同時轉(zhuǎn)動慣量較小，對主軸的回轉(zhuǎn)跳動影響可降到很低的水平。

工件的雕刻質(zhì)量主要取決于雕刻頭的徑向跳動和進(jìn)給精度，所以雕刻頭的雕刻精度直接決定了本雕刻頭的雕刻質(zhì)量。為保證雕刻頭的徑向跳動不超過0.01 mm，采用了以下手段：

(1) 動平衡處理后的中心軸16與無刷直流電機通過彈性聯(lián)軸器5聯(lián)結(jié)，這樣中心軸的回轉(zhuǎn)精度將由中心軸下端的一對高精度角接觸球軸承24保證，軸向竄動則由中心軸下端迷宮式端蓋14和15保證。這種結(jié)構(gòu)降低了對無刷直流電機安裝精度的要求，并隔斷了無刷直流電機振動對中心軸的影響；同時，彈性聯(lián)軸器還可起到過載保護作用。

(2) 雕刻頭裝配完成后，再對錐套18的安裝錐孔進(jìn)行自磨，保證了刀具的安裝及其與中心軸的同軸度要求。同時為保證主軸的裝拆不會破壞刀具的安裝同軸度，在設(shè)計時對錐孔留有一定余量，可實現(xiàn)多次自磨。

2.3 冷卻和潤滑

由于雕刻頭工作時回轉(zhuǎn)速度較高，易使主軸升溫[9，10]，為保證高精密軸承21的使用壽命并避免溫度過高對雕刻頭精度的影響，設(shè)置循環(huán)冷卻回路22，并在高精密軸承21的外套中開有存水槽12，冷卻液經(jīng)快速接頭7(采用活動式，便于主軸的裝拆)進(jìn)入，在管道22內(nèi)循環(huán)流動。為防止冷卻液的泄漏，采用了一對O型密封圈。對于高精密軸承21采用油脂潤滑。

2.4 可接收的指令信號

針對當(dāng)前數(shù)控輸出信號特點，本雕刻頭控制單元現(xiàn)可接收采用差分方式的“指令+脈沖”、“AB相信號”，以及步進(jìn)電機控制的“三相六拍”信號。還可根據(jù)特定要求定制輸入接口類型，并且接口匹配只需通過簡單參數(shù)設(shè)定即可。

本文中設(shè)計的雕刻頭實物如圖3所示。

1-同步帶;2-步進(jìn)電機;3-冷卻密封套;4-銅套;5-彈性聯(lián)軸器;6-無刷直流電機;7-快速接頭;8-軸承壓蓋;9-套筒;10-銅螺母;11-雕刻頭移動機構(gòu);12-存水槽;13-軸承隔套;14，15-迷宮式端蓋;16-中心軸;17-HSK夾頭鎖緊螺帽;18-HSK夾頭錐套;19-O型密封圈;20-密封套;21-高精密軸承;22-冷卻液管道;23，25-安裝底板;24-角接觸球軸承;26，27-同步帶輪圖2 雕刻頭主軸單元裝配

圖3 五頭雕刻頭實物

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一套可移動式雕刻頭，已經(jīng)在一種五頭雕刻機上得到應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明，雕刻頭結(jié)構(gòu)剛度較好，受力變形量較小，溫升可通過冷卻系統(tǒng)進(jìn)行有效遏制；動平衡處理后的雕刻頭高速旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲小。工作一年多來運行平穩(wěn)、可靠，完全滿足了零件加工工藝要求。

由于該款雕刻頭性價比高，控制、操作方便，且精度完全可滿足當(dāng)前雕刻任務(wù)要求，具有很好的市場前景。