龍門式木工雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

韓 凌，張 曉，劉 英，緱斌麗

HAN Ling1, ZHANG Xiao2, LIU Ying1, GOU Bin-li1

(1.南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，南京 210037；2.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

0 引言

在雕刻、切削領(lǐng)域，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)具有高速、高精度加工能力，逐漸成為市場(chǎng)主流技術(shù)。木工數(shù)字雕刻系統(tǒng)在現(xiàn)有雕刻系統(tǒng)基礎(chǔ)上，技術(shù)和功能有全方位的提升，可徹底改變復(fù)雜型面雕刻長(zhǎng)期依賴于少數(shù)手工藝人的傳統(tǒng)作業(yè)方式，基本丟棄刻刀，使產(chǎn)品藝術(shù)雕刻設(shè)計(jì)與制造的數(shù)字化、精良化、敏捷化和智能化成為現(xiàn)實(shí)[1]。

本文所研究的龍門式木工數(shù)控雕刻機(jī)是國(guó)內(nèi)自主設(shè)計(jì)，采用方形空心型鋼組合焊接結(jié)構(gòu)，適應(yīng)于批量或高精度加工。綜合比較國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的雕刻技術(shù)，主軸采用雙擺動(dòng)電主軸，完成進(jìn)給導(dǎo)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)；并進(jìn)一步利用三維仿真軟件完成雕刻機(jī)關(guān)鍵部件靜剛度優(yōu)化，既滿足木工雕刻的精度，又保證合理的雕刻機(jī)生產(chǎn)成本。

1 龍門式木工雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 龍門式木工雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合國(guó)內(nèi)外木工雕刻機(jī)與五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)的研究技術(shù)，分析比較優(yōu)缺點(diǎn)，并依據(jù)客戶設(shè)計(jì)需求及產(chǎn)品定位，木工數(shù)控雕刻機(jī)選擇龍門定梁定柱、工作臺(tái)移動(dòng)式框架結(jié)構(gòu)，配合雙擺動(dòng)電主軸、高速精密的進(jìn)給單元技術(shù)，達(dá)到高速、高效、低成本完成木材復(fù)雜曲面雕刻的目的。

龍門式五軸聯(lián)動(dòng)木工數(shù)控雕刻機(jī)主要進(jìn)行大型板材的雕刻加工和復(fù)雜立體雕刻，龍門跨距、高度以及工作臺(tái)尺寸都較大。通過市場(chǎng)調(diào)研以及多種方案驗(yàn)證比較，綜合考慮木工雕刻機(jī)屬于高速輕載加工、切削性能要求比金屬切削低等特點(diǎn)，木工雕刻機(jī)機(jī)架采用方形空心型鋼堆疊焊接結(jié)構(gòu)。雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 龍門式木工雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)

雕刻機(jī)采用方形空心型鋼堆疊焊接機(jī)架結(jié)構(gòu)，節(jié)能效果好，通過合理布置肋板，可整體提高木工雕刻機(jī)機(jī)架零件的強(qiáng)度和剛度，減輕雕刻機(jī)重量。在機(jī)架三維建?；A(chǔ)上，采用有限元法對(duì)雕刻機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行CAE仿真分析，校核機(jī)架結(jié)構(gòu)是否滿足木工雕刻設(shè)計(jì)需求，提出改善方案，最終完成龍門式木工數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.2 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與校核

龍門式木工數(shù)控雕刻機(jī)的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)主要由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出程序指令（位移、速度等參數(shù)），經(jīng)驅(qū)動(dòng)裝置和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)木工雕刻機(jī)的工作臺(tái)、滑枕等末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)快速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，完成木工雕刻任務(wù)[2]。進(jìn)給系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2 進(jìn)給系統(tǒng)工作原理圖

為保證木工雕刻機(jī)的進(jìn)給精度，X、Y、Z三軸均采用大規(guī)格的滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)，由于龍門式雕刻機(jī)工作跨距較大，滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)均采用雙螺母預(yù)緊方式，搭配雙邊線性滾動(dòng)導(dǎo)軌副，使螺桿受載均勻，減少自重變形。

X、Y軸切削速度工況相近，采用同規(guī)格的滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)，利于實(shí)現(xiàn)雕刻機(jī)同步運(yùn)動(dòng)，方便木工雕刻機(jī)后期裝配。為阻止Z軸運(yùn)動(dòng)部件的下滑[3]，結(jié)合木工雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用高壓氣體配重系統(tǒng)。具體如圖3所示。

圖3 Z軸高壓氣體配重系統(tǒng)示意圖

根據(jù)絲杠設(shè)計(jì)公式，并查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，X、Y、Z三軸絲杠設(shè)計(jì)參數(shù)選擇具體如表1、2所示。

表1 Z軸絲杠參數(shù)選擇

表2 X、Y軸絲杠參數(shù)選擇

通過上述滾珠絲杠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、公式計(jì)算，確定X、Y、Z軸傳動(dòng)方案以及主要設(shè)計(jì)參數(shù)，并對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行靜動(dòng)載荷校核以及臨界轉(zhuǎn)速校核，所選滾珠絲杠型號(hào)滿足龍門式木工雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)要求。

1.3 電主軸設(shè)計(jì)

主軸采用雙擺動(dòng)（A/C）電主軸，主要特征是將電動(dòng)機(jī)置于主軸內(nèi)部，直接驅(qū)動(dòng)主軸，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)、主軸一體化的功能，實(shí)現(xiàn)“零傳動(dòng)”[4]。為保證木工雕刻加工高可靠性、高穩(wěn)定性以及高精度運(yùn)行，選擇意大利HSD公司的HS450雙擺頭與ES915電主軸組合，是HSD公司專門生產(chǎn)的木工系列電主軸。該產(chǎn)品C軸為垂直旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，可以執(zhí)行銑削、鏜孔等精加工。

扭矩和功率的計(jì)算：

其中，T=扭矩；W=功率；rpm=最低每分鐘轉(zhuǎn)速。

雙擺動(dòng)電主軸的主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 電主軸主要技術(shù)參數(shù)

2 雕刻機(jī)關(guān)鍵部件靜剛度優(yōu)化

采用有限元單元法對(duì)雕刻機(jī)進(jìn)行仿真分析，首先應(yīng)依據(jù)木工雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，建立雕刻機(jī)的幾何模型。龍門橫梁CAE分析的建模對(duì)象是龍門橫梁及其承載部件。

2.1 龍門橫梁CAE模型建立

采用Pro/E、HyperMesh、ANSYS 完成模型建模以及前后處理工作，結(jié)合各自優(yōu)缺點(diǎn)，可大大提高分析過程的效率，其求解也符合實(shí)際需要[5]。

初步設(shè)計(jì)：龍門橫梁及相關(guān)部件采用方形空心型鋼結(jié)構(gòu)，厚度為12mm；取龍門橫梁整體結(jié)構(gòu)建立模型，網(wǎng)格劃分采用智能劃分與手動(dòng)劃分相結(jié)合，得到最精準(zhǔn)的Mesh結(jié)果。螺栓采用RBE2以及BEAM單元進(jìn)行仿真。模型經(jīng)檢查沒有出現(xiàn)畸變單元。CAE模型如圖4所示。

2.2 龍門橫梁靜力學(xué)分析

1）工況分析

木工雕刻機(jī)電主軸精加工時(shí)切削力可用如下公式計(jì)算[6]：

圖4 龍門橫梁CAE模型圖

式中：F為切削力，單位N；

PZ為電機(jī)的額定功率，單位KW；

η 為主傳動(dòng)系統(tǒng)的效率，η=0.98；

nc為主軸轉(zhuǎn)速，單位r/min ；

DC為 計(jì) 算 直 徑，單 位m m，DC=(0.5～0.6)Dmax，Dmax-最大加工尺寸。

在恒定的重力作用下，根據(jù)木材切削力大小和方向的不同將龍門橫梁靜力學(xué)分析工況分為以下四種：

（1）工況1：X方向1000N的切削反力；

（2）工況2：Y方向1000N的切削反力；

（3）工況3：Z方向1000N的切削反力；

（4）工況4：根據(jù)典型木工精加工經(jīng)驗(yàn)得到的切削反力F2，其中可分解為FX、FY、FZ三個(gè)方向作用力，經(jīng)上述公式計(jì)算為900N。

在上述4種工況下分析龍門橫梁等關(guān)鍵部件的應(yīng)力變形情況。

2）計(jì)算結(jié)果分析

有限元模型在上述載荷作用下，采用ANSYS求解，對(duì)龍門橫梁進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析。得出結(jié)論：結(jié)構(gòu)采用12mm壁厚的空心型鋼時(shí)，結(jié)構(gòu)大部分節(jié)點(diǎn)應(yīng)力較小，主要出現(xiàn)在連接部等力集中的區(qū)域，最大值為12.0Mpa，變形量較大，主要發(fā)生在Z軸箱體端部，最大值為47.2μm。

為進(jìn)一步提高木工雕刻機(jī)加工精度，對(duì)龍門橫梁等結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)。在Z軸箱體空心型鋼壁厚為12mm的基礎(chǔ)上，合理布置加強(qiáng)筋，具體如圖5所示。

圖5 加強(qiáng)筋布置示意圖

在同等邊界約束、載荷工況下，進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜剛度分析。具體數(shù)據(jù)比較如表4所示。

表4 Z軸箱體優(yōu)化前后最大變形數(shù)據(jù)對(duì)比

通過數(shù)據(jù)比較，得出結(jié)論：在相同的12mmZ軸箱體壁厚情況下采用合理的加強(qiáng)筋，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。龍門橫梁及其承載部件的設(shè)計(jì)完全滿足木工雕刻的加工要求，并且保證合理的雕刻機(jī)加工制造成本。

3 結(jié)束語(yǔ)

龍門式木工雕刻機(jī)將先進(jìn)的雙擺動(dòng)電主軸技術(shù)引入到木工雕刻領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)木工雕刻高精度、高效率的運(yùn)行，提供了理論依據(jù)。

本文首先設(shè)計(jì)了雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，在Pro/E仿真平臺(tái)基礎(chǔ)上，建立龍門式木工數(shù)控雕刻虛擬樣機(jī)。應(yīng)用有限元技術(shù)完成雕刻機(jī)龍門橫梁的靜態(tài)性能分析。針對(duì)靜力學(xué)分析的薄弱環(huán)節(jié)，提出改善方案，為樣機(jī)試制提供理論依據(jù)。

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