五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

解晨寧

摘? ?要：五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控雕刻機(jī)具有高效率、高精度的特點(diǎn)。配上五軸聯(lián)動(dòng)的高級(jí)數(shù)控系統(tǒng)，就具備對(duì)造型復(fù)雜的曲面空間進(jìn)行高精度加工，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)床零部件、飛機(jī)構(gòu)件等現(xiàn)代磨具的加工。五軸聯(lián)動(dòng)雕刻機(jī)總體上結(jié)構(gòu)緊湊，容易操作，安全性能好，剛度大，方便保養(yǎng)及維修，創(chuàng)新性高。

關(guān)鍵詞：數(shù)控? 五軸? 雕刻機(jī)? 結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TG659? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）11（c）-0057-02

Abstract： Five axis machining center with high efficiency， high accuracy. If with the five axis linkage CNC system， but also on the complex spatial curved surface for precision machining， can adapt the like machine parts， aircraft components and other modern abrasive processing.Five-axis linkage engraving machine generally meets the design requirements.On the whole， the five-axis linkage engraving machine has compact structure， easy operation， good safety performance， high stiffness， convenient maintenance and maintenance， and high innovation.

Key Words：CNC;five-axis;Engraving machine;Structure

1? 五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控雕刻機(jī)的整體設(shè)計(jì)方案

1.1 五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控雕刻機(jī)的工作原理

五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控雕刻機(jī)是一個(gè)三維數(shù)控系統(tǒng)，與普通數(shù)控機(jī)床相似，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)通過USB接口發(fā)送給單片機(jī)，刀具走刀刀位指令將傳送到系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)表達(dá)用戶交互功能界面，系統(tǒng)將算出的刀具走位數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，系統(tǒng)將這些信號(hào)轉(zhuǎn)化為伺服電機(jī)的脈沖信號(hào)，使得雕刻機(jī)床沿X方向，Y方向，Z方向三根軸的刀具走位。同時(shí)雕刻出計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)的平面和圖形文字，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化雕刻。

1.2 五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控雕刻機(jī)直線坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)分配

雕刻機(jī)的運(yùn)動(dòng)分配不一樣，其布局結(jié)構(gòu)也不盡相同。在分配其運(yùn)動(dòng)時(shí)，需注意以下幾點(diǎn)原則。

（1）軸頭質(zhì)量應(yīng)盡可能輕。軸頭的質(zhì)量越輕，對(duì)應(yīng)所需的伺服電機(jī)的功率要求越小、零部件的尺寸大小要求也小。

（2）要使得加工出的零部件加工精度高。

（3）機(jī)構(gòu)布局要盡可能小，節(jié)省占地面積，并且機(jī)構(gòu)剛度要滿足。

常用雕刻機(jī)坐標(biāo)軸布局形式有兩種方案。

方案一，雕刻軸頭在架子中做三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，分別是橫向以及向上和向下三個(gè)方向，雕刻機(jī)的工作臺(tái)不動(dòng)，立柱做上下方向運(yùn)動(dòng)。因?yàn)榈窨虣C(jī)工作臺(tái)不動(dòng)，使得其整體承載被加工工件性能好，適合加工質(zhì)量較大的工件。但是雕刻軸頭運(yùn)動(dòng)精度難以保證，并且立柱上下縱向移動(dòng)笨重，會(huì)導(dǎo)致加工精度有偏差，不利于精度的保證。

方案二，雕刻頭運(yùn)動(dòng)與方案一一致，但是其立柱固定不動(dòng)，工作臺(tái)可以作上下運(yùn)動(dòng)。此方案所需電機(jī)的功率較小及傳動(dòng)件尺寸較小，移動(dòng)方便。但是與方案一相比，承載能力較差，略顯復(fù)雜。其最大優(yōu)點(diǎn)是雕刻軸頭運(yùn)動(dòng)精度高。

綜合上述對(duì)比，基于加工件的精度、整體結(jié)構(gòu)的布局分配和整機(jī)的設(shè)計(jì)要求三個(gè)重要因素作對(duì)比，采用方案二的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控雕刻機(jī)回轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)分配

根據(jù)市場(chǎng)需求，不相同的整機(jī)結(jié)構(gòu)將應(yīng)用于不同的工作場(chǎng)合。提前橫向，上下三個(gè)方向直線運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)布局方案二，此方案最大不同在于整機(jī)兩個(gè)回轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸。兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)配合三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)能組成的整機(jī)布局結(jié)構(gòu)樣式多種多樣，但是大致上可分為三大類：

Ⅰ型——兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由銑頭驅(qū)使。

Ⅱ型——兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由工作臺(tái)驅(qū)使。

Ⅲ型——兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)分別由工作臺(tái)和銑頭驅(qū)使。

Ⅰ型—兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由銑頭驅(qū)使。

（1）載重性能。因?yàn)楣ぷ髋_(tái)不動(dòng)，那么工作臺(tái)可以選擇為大面積大規(guī)格的，此時(shí)工作臺(tái)具有較強(qiáng)的載重能力，能適應(yīng)大體積零件的加工制造。

（2）加工范圍。因?yàn)閮蓚€(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由銑軸帶動(dòng)，而且回轉(zhuǎn)工作臺(tái)規(guī)格面積大，被加工回轉(zhuǎn)零件體積小，因而具備加工空間可行性大。

（3）整機(jī)復(fù)雜性。因該機(jī)構(gòu)具有三個(gè)直線和兩個(gè)回轉(zhuǎn)共五根軸運(yùn)動(dòng)，且主動(dòng)部分和從動(dòng)部分銜接在一塊，且整機(jī)體校較小，所以導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)相對(duì)普通數(shù)控床復(fù)制多變。

（4）運(yùn)動(dòng)靈活性。因回轉(zhuǎn)部件比較小，且由銑頭帶動(dòng)回轉(zhuǎn)，因此刀具的運(yùn)動(dòng)就需更加靈活。

（5）機(jī)構(gòu)剛度。因機(jī)構(gòu)空間體積小，且五軸結(jié)合運(yùn)動(dòng)多，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)整機(jī)剛性較差。

Ⅱ型—兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由工作臺(tái)驅(qū)使。

（1）載重性能。因兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)都需要用到工作臺(tái)，且運(yùn)動(dòng)的環(huán)節(jié)多，因此載重性能低，無法適用于大體積零件的加工，但可用于規(guī)格較小零件的加工制造。

（2）加工范圍。因工作臺(tái)面積小，且兩個(gè)回轉(zhuǎn)坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)均需用到工作臺(tái)，且工作臺(tái)回轉(zhuǎn)范圍小，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)加工空間較小。因此，與Ⅰ型相比加工空間要小。

（3）整機(jī)復(fù)雜性。此主軸頭不包含在整機(jī)內(nèi)，且兩個(gè)回轉(zhuǎn)坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)銜接在一塊，且整機(jī)空間布局較Ⅰ型相對(duì)大，所以比Ⅰ型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，復(fù)雜性小。

（4）運(yùn)動(dòng)靈活性。因兩個(gè)回轉(zhuǎn)坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)都需要工作臺(tái)和加工零件，工作臺(tái)和加工零件又是較大的部件，導(dǎo)致刀具運(yùn)動(dòng)空間降低，運(yùn)動(dòng)不靈活。

（5）機(jī)構(gòu)剛度。整機(jī)空間布局較Ⅰ型相對(duì)大，設(shè)計(jì)時(shí)可采用質(zhì)量大的零部件，致使整機(jī)剛度強(qiáng)，所以與Ⅰ型相比結(jié)構(gòu)剛度大。

Ⅲ型—兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)分別由工作臺(tái)和銑頭驅(qū)使。

（1）載重性能。因?yàn)閮蓚€(gè)回轉(zhuǎn)坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)分別由工作臺(tái)和銑頭驅(qū)使，所以較Ⅰ型載重性能小，較Ⅱ型比較載重性能大，所以Ⅲ型適用在加工中等體積的零部件。

（2）加工范圍。因?yàn)閮蓚€(gè)回轉(zhuǎn)坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)分別由工作臺(tái)和銑頭驅(qū)使，導(dǎo)致加工空間偏小一些，但是較Ⅱ型相比大一些，較Ⅰ型相比小一些。

（3）整機(jī)復(fù)雜性。Ⅰ型、Ⅱ型兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)鏈接在一塊，整機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)復(fù)雜，Ⅲ型與其相反，兩回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)不銜接，所以Ⅲ型在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最為簡(jiǎn)單。

（4）運(yùn)動(dòng)靈活性。因?yàn)閮蓚€(gè)回轉(zhuǎn)坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)分別由工作臺(tái)和銑頭驅(qū)使，使得Ⅲ型的運(yùn)動(dòng)靈活性在Ⅰ型和Ⅱ型中間。

（5）機(jī)構(gòu)剛度。Ⅲ型的結(jié)構(gòu)剛度在Ⅰ型和Ⅱ型之間。

綜上所述：由于本文所述的雕刻機(jī)適用于加工一小型、輕型零件。因此我們選擇Ⅱ型結(jié)構(gòu)的布局。

1.4 五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控雕刻機(jī)設(shè)計(jì)

根據(jù)五軸的運(yùn)動(dòng)分配，形成了五軸整機(jī)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，由四個(gè)部分組成五軸聯(lián)動(dòng)雕刻機(jī)。

（1）機(jī)架。

承載整機(jī)及加工零件的重量總和，所以對(duì)其剛度要求高。由四個(gè)支點(diǎn)與地面連接。

（2）工作臺(tái)。

工作臺(tái)在y方向運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)挖有T形槽，由絲杠導(dǎo)軌及支架三部分組成，被加工零件放置在工作臺(tái)上，由工作臺(tái)支撐，工作室，導(dǎo)軌用以導(dǎo)向，絲杠用于驅(qū)使其運(yùn)動(dòng)。

（3）橫梁。

與工作臺(tái)相似，橫梁也是由絲杠、導(dǎo)軌和支架三個(gè)部分構(gòu)成，只是與工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向不一致，橫梁在x方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。橫梁用來支撐機(jī)頭的全部重量。

（4）雕刻機(jī)主軸頭。

機(jī)頭支撐在橫梁上，由絲桿驅(qū)使運(yùn)動(dòng)。

五軸聯(lián)動(dòng)雕刻機(jī)的運(yùn)動(dòng)分配方式如下：

X軸：橫梁導(dǎo)軌內(nèi)的主軸頭作X方向運(yùn)動(dòng);

Y軸：機(jī)架導(dǎo)軌內(nèi)的工作臺(tái)作Y方向運(yùn)動(dòng);

Z軸：導(dǎo)軌上的主軸頭還可以作Z方向的運(yùn)動(dòng);

工作臺(tái)還能繞B軸作-90°-90°的擺動(dòng)。

因此雕刻機(jī)可以實(shí)現(xiàn)X軸、Y軸、Z軸、B軸、C軸共5個(gè)自由度方向的聯(lián)動(dòng)。

2? 結(jié)語

五軸聯(lián)動(dòng)雕刻機(jī)總體上結(jié)構(gòu)緊湊，容易操作，安全性能好，剛度大，方便保養(yǎng)及維修，創(chuàng)新性高。

參考文獻(xiàn)

[1] 張曙，Heisel U.并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[2] 黃真，孔令富，方躍法.并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)理論及控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[3] 唐曉強(qiáng)，黃鵬，楊建新.高加速度的柔性3-RRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)尺度綜合設(shè)計(jì)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，48（2）：184-188.