一種四軸立體雕刻機旋轉軸同步性問題的探討與解決

南京增材制造研究院發展有限公司|王闖道

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一種四軸立體雕刻機旋轉軸同步性問題的探討與解決

四軸立體雕刻機主要應用于圓柱形木材的花紋雕刻。由計算機，控制器和主機三部分組成。雕刻機上的雕刻頭，通過按加工材質配置的刀具，對固定于主機旋轉軸上的加工件進行切削，即可雕刻出各種立體浮雕圖形及文字。本文結合VC0212X4四軸數控立體雕刻機的結構特點，對四個旋轉軸不同步的原因進行分析，提出了齒輪齒條的結構以及對質量控制的方法。數控雕刻機；齒輪齒條傳動；四軸同步控制

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VC0212X4數控木工雕刻機是一種四軸三維立體雕刻機，適用于樓梯扶手，花形立柱等木材的加工,具有加工效率高，裝夾便捷，適用范圍廣等特點，最大可以加工直徑200mm,長度1200mm的工件。該機床的四軸結構如圖1所示。

1原雕刻機的結構特點和存在的問題

最初設計的該型號雕刻機是通過四個步進電機各自帶動傳動比為1:3的同步帶結構，從而實現控制四個旋轉軸旋轉的動作。該結構中4個步進電機各自獨立控制4個軸運動，步進電機的運動由數控系統控制。但是在實際加工中經常會遇到客戶反映四個旋轉軸不同步的問題，具體表現在加工的零件花紋深淺不一，圓周結合處有隔擋等情況。根據客戶反映的情況結合現場調試人員和工程師的分析，大致可以從以下幾個方面來說明四個軸產生不同步的原因：

1.1步進電機本身存在的誤差。由于考慮成本的原因，該機床所配的電機比

較低端，從數控系統發出信號到步進電機動作的過程中，由于電機自身的誤差，無法保證四臺電機的啟動速度、轉動角度，轉動慣量都同步，這是產生四個旋轉軸不同步的首要原因。

1.2同步帶結構的誤差。電機與主動帶輪連為一體，電機動作時帶動同步帶

并通過同步帶帶動與從動帶輪連為一體的旋轉軸旋轉。由于帶輪和同步帶加工的誤差，在傳動的過程中無法保證傳動比和理論上完全一致。此外在機床進行加工的過程中，電機需要不斷的變換正反轉的動作，由于同步帶與帶輪之間的間隙導致了動作的滯后性，并產生反向間隙。這是產生四個旋轉軸不同步的主要原因。

1.3機床裝配過程中產生的誤差。由于裝配工人的水平有高低、裝配方式各

有不同、配套零部件的誤差等原因都會導致機床的精度降低，就有可能無法保證四個軸的同步性。

1.4加工件裝夾的誤差。VC0212X4四軸數控雕刻機加工的對象是柱形木材

裝夾時木材的一端抵住旋轉軸的頂尖，另外一端用尾架頂住。木材材質較軟，加工變形大，裝夾時產生的誤差也比較大。

圖1

2旋轉軸技術問題的探討與解決方案

綜上所述，為解決VC0212X4四軸數控雕刻機旋轉軸不同步的問題，我們需要從前面分析的幾個方面來考慮解決方案，具體如下：

2.1重新設計旋轉軸的機械結構。利用齒輪齒條結構代替四個電機通過同步

帶帶動旋轉軸的結構，新的結構如圖2所示。

新設計的結構只需要一個步進電機，步進電機通過同步帶結構帶動主動旋轉軸旋轉，主動旋轉軸上的齒輪和齒條嚙合，齒條安裝在線性導軌上，齒條左右運動，從而帶動其余三個從動旋轉軸旋轉。在新的結構中，電機和同步帶結構從原來的四套減少到一套，這就避免了因為電機和同步帶結構帶來的同步性不一致問題。同時我們根據市場導向，結合國內國外市場的特點，選擇合適的電機，控制電機自身的精度，同步帶和同步帶輪也選用國內知名廠家的產品，線性導軌選用臺灣知名品牌，齒輪齒條選用進口高精度的產品。這些措施從根本上改善了機床的精度，保證了四個旋轉軸的同步性。

在設計的過程中綜合考慮了各種傳動機構，選定了齒輪齒條和渦輪蝸桿兩種傳動機構，針對該雕刻機的加工特點和精度要求，在查閱專利文件同時分析比較了兩者的優缺點后選擇了齒輪齒條的傳動結構。

渦輪蝸桿機構特點：傳動比大，結構緊湊，工作平穩，沖擊小，無噪音；蝸桿傳動具有自鎖性；渦輪蝸桿齒面滑動速度大，摩擦與磨損嚴重，傳動效率低。發熱量大，齒面容易磨損，成本高，為了散熱和減小磨損，常需貴重的抗磨材料和良好的潤滑裝置，成本較高；蝸桿的軸向力較大。

齒輪齒條機構特點：承載力大，傳動速度高，齒條可以長距離安裝并且高速運轉，齒條齒輪傳動結構簡單。加工安裝精度差，傳動噪音大，磨損大。

2.2提高裝配質量的控制，制定嚴格的裝配工藝文件，明確裝配工藝要求，關鍵部件的裝配選用熟練工人進行操作，嚴格檢驗裝配精度。

2.3針對裝夾工件產生的誤差，我們在每個旋轉軸的頂尖外圍增加了三個小頂尖，從而增加木材與旋轉軸的接觸面積，盡量減少裝夾誤差。

通過一系列的技術改進和質量控制，VC0212X4四軸數控雕刻機旋轉軸同步性問題得到了很好的解決，產品質量有了很大的提高。

圖2

3結語

針對VC0212X4四軸數控雕刻機加工中存在的問題，從機械結構設計，裝配工藝要求，工裝夾具等方面入手，綜合考慮了各方面的影響因素，比較分析了齒輪齒條和蝸輪蝸桿傳動的優缺點，同時查閱相關專利文件的技術說明和權力要求，提出了合理的解決方案，解決了實際生產中的問題。

通過這款機器的技術改進，帶動了其他各類機器的質量整頓和技術改進，提高了管理水平，產品質量有了很大的提高，生產的產品獲得了國內外客戶的好評。

參考文獻：

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