五軸聯(lián)動數(shù)控雕刻機結(jié)構(gòu)設計

解晨寧

摘? ?要：五軸聯(lián)動數(shù)控雕刻機具有高效率、高精度的特點。配上五軸聯(lián)動的高級數(shù)控系統(tǒng)，就具備對造型復雜的曲面空間進行高精度加工，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對機床零部件、飛機構(gòu)件等現(xiàn)代磨具的加工。五軸聯(lián)動雕刻機總體上結(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? 結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TG659? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：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)動數(shù)控雕刻機的整體設計方案

1.1 五軸聯(lián)動數(shù)控雕刻機的工作原理

五軸聯(lián)動數(shù)控雕刻機是一個三維數(shù)控系統(tǒng)，與普通數(shù)控機床相似，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)通過USB接口發(fā)送給單片機，刀具走刀刀位指令將傳送到系統(tǒng)，系統(tǒng)會自動表達用戶交互功能界面，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，系統(tǒng)將這些信號轉(zhuǎn)化為伺服電機的脈沖信號，使得雕刻機床沿X方向，Y方向，Z方向三根軸的刀具走位。同時雕刻出計算機上設計的平面和圖形文字，實現(xiàn)自動化雕刻。

1.2 五軸聯(lián)動數(shù)控雕刻機直線坐標軸的運動分配

雕刻機的運動分配不一樣，其布局結(jié)構(gòu)也不盡相同。在分配其運動時，需注意以下幾點原則。

（1）軸頭質(zhì)量應盡可能輕。軸頭的質(zhì)量越輕，對應所需的伺服電機的功率要求越小、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）機構(gòu)布局要盡可能小，節(jié)省占地面積，并且機構(gòu)剛度要滿足。

常用雕刻機坐標軸布局形式有兩種方案。

方案一，雕刻軸頭在架子中做三個方向運動，分別是橫向以及向上和向下三個方向，雕刻機的工作臺不動，立柱做上下方向運動。因為雕刻機工作臺不動，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。但是雕刻軸頭運動精度難以保證，并且立柱上下縱向移動笨重，會導致加工精度有偏差，不利于精度的保證。

方案二，雕刻頭運動與方案一一致，但是其立柱固定不動，工作臺可以作上下運動。此方案所需電機的功率較小及傳動件尺寸較小，移動方便。但是與方案一相比，承載能力較差，略顯復雜。其最大優(yōu)點是雕刻軸頭運動精度高。

綜合上述對比，基于加工件的精度、整體結(jié)構(gòu)的布局分配和整機的設計要求三個重要因素作對比，采用方案二的設計標準。

1.3 五軸聯(lián)動數(shù)控雕刻機回轉(zhuǎn)坐標軸的運動分配

根據(jù)市場需求，不相同的整機結(jié)構(gòu)將應用于不同的工作場合。提前橫向，上下三個方向直線運動對應布局方案二，此方案最大不同在于整機兩個回轉(zhuǎn)坐標軸。兩個回轉(zhuǎn)運動配合三個直線運動能組成的整機布局結(jié)構(gòu)樣式多種多樣，但是大致上可分為三大類：

Ⅰ型——兩個回轉(zhuǎn)運動由銑頭驅(qū)使。

Ⅱ型——兩個回轉(zhuǎn)運動由工作臺驅(qū)使。

Ⅲ型——兩個回轉(zhuǎn)運動分別由工作臺和銑頭驅(qū)使。

Ⅰ型—兩個回轉(zhuǎn)運動由銑頭驅(qū)使。

（1）載重性能。因為工作臺不動，那么工作臺可以選擇為大面積大規(guī)格的，此時工作臺具有較強的載重能力，能適應大體積零件的加工制造。

（2）加工范圍。因為兩個回轉(zhuǎn)運動由銑軸帶動，而且回轉(zhuǎn)工作臺規(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）整機復雜性。因該機構(gòu)具有三個直線和兩個回轉(zhuǎn)共五根軸運動，且主動部分和從動部分銜接在一塊，且整機體校較小，所以導致其結(jié)構(gòu)相對普通數(shù)控床復制多變。

（4）運動靈活性。因回轉(zhuǎn)部件比較小，且由銑頭帶動回轉(zhuǎn)，因此刀具的運動就需更加靈活。

（5）機構(gòu)剛度。因機構(gòu)空間體積小，且五軸結(jié)合運動多，導致機構(gòu)整機剛性較差。

Ⅱ型—兩個回轉(zhuǎn)運動由工作臺驅(qū)使。

（1）載重性能。因兩個回轉(zhuǎn)運動都需要用到工作臺，且運動的環(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。因工作臺面積小，且兩個回轉(zhuǎn)坐標運動均需用到工作臺，且工作臺回轉(zhuǎn)范圍小，導致機構(gòu)加工空間較小。因此，與Ⅰ型相比加工空間要小。

（3）整機復雜性。此主軸頭不包含在整機內(nèi)，且兩個回轉(zhuǎn)坐標運動銜接在一塊，且整機空間布局較Ⅰ型相對大，所以比Ⅰ型結(jié)構(gòu)簡單，復雜性小。

（4）運動靈活性。因兩個回轉(zhuǎn)坐標運動都需要工作臺和加工零件，工作臺和加工零件又是較大的部件，導致刀具運動空間降低，運動不靈活。

（5）機構(gòu)剛度。整機空間布局較Ⅰ型相對大，設計時可采用質(zhì)量大的零部件，致使整機剛度強，所以與Ⅰ型相比結(jié)構(gòu)剛度大。

Ⅲ型—兩個回轉(zhuǎn)運動分別由工作臺和銑頭驅(qū)使。

（1）載重性能。因為兩個回轉(zhuǎn)坐標運動分別由工作臺和銑頭驅(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。因為兩個回轉(zhuǎn)坐標運動分別由工作臺和銑頭驅(qū)使，導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）整機復雜性。Ⅰ型、Ⅱ型兩個回轉(zhuǎn)運動鏈接在一塊，整機設計標準相對復雜，Ⅲ型與其相反，兩回轉(zhuǎn)運動不銜接，所以Ⅲ型在結(jié)構(gòu)設計中最為簡單。

（4）運動靈活性。因為兩個回轉(zhuǎn)坐標運動分別由工作臺和銑頭驅(qū)使，使得Ⅲ型的運動靈活性在Ⅰ型和Ⅱ型中間。

（5）機構(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)動數(shù)控雕刻機設計

根據(jù)五軸的運動分配，形成了五軸整機的設計標準，由四個部分組成五軸聯(lián)動雕刻機。

（1）機架。

承載整機及加工零件的重量總和，所以對其剛度要求高。由四個支點與地面連接。

（2）工作臺。

工作臺在y方向運動，工作臺挖有T形槽，由絲杠導軌及支架三部分組成，被加工零件放置在工作臺上，由工作臺支撐，工作室，導軌用以導向，絲杠用于驅(qū)使其運動。

（3）橫梁。

與工作臺相似，橫梁也是由絲杠、導軌和支架三個部分構(gòu)成，只是與工作臺運動方向不一致，橫梁在x方向進行運動。橫梁用來支撐機頭的全部重量。

（4）雕刻機主軸頭。

機頭支撐在橫梁上，由絲桿驅(qū)使運動。

五軸聯(lián)動雕刻機的運動分配方式如下：

X軸：橫梁導軌內(nèi)的主軸頭作X方向運動;

Y軸：機架導軌內(nèi)的工作臺作Y方向運動;

Z軸：導軌上的主軸頭還可以作Z方向的運動;

工作臺還能繞B軸作-90°-90°的擺動。

因此雕刻機可以實現(xiàn)X軸、Y軸、Z軸、B軸、C軸共5個自由度方向的聯(lián)動。

2? 結(jié)語

五軸聯(lián)動雕刻機總體上結(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

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