一种小型数控雕刻机结构设计

　　· 242 ·8 2018 年 年 9 9 月 01 技术应用 工程技术 一种小型数控雕刻机结构设计 谢斌斌 郝静雅 毛玉辉 史金晶 霍晓佩 北方自动控制技术研究所，山西 太原 030006 摘要：数控雕刻机是运用现代加工技术进行雕刻加工的机电一体化设备。它具有消耗功率小，加工精度高，灵活性好，性价比高的优点。本文分析了数控雕刻机的常见结构形式的优缺点，针对设计要求，确定了一种小型数控雕刻机的结构设计方案。 关键词：龙门式；雕刻机；结构设计 中图分类号：J324 文献标识码：A 文章编号：1671-5586（2018）01-0242-01 1 1 引言 数控雕刻机是运用现代加工技术进行雕刻加...

　　 242 8 2018 年 年 9 9 月 01 技术应用 工程技术 一种小型数控雕刻机结构设计 谢斌斌 郝静雅 毛玉辉 史金晶 霍晓佩 北方自动控制技术研究所，山西 太原 030006 摘要：数控雕刻机是运用现代加工技术进行雕刻加工的机电一体化设备。它具有消耗功率小，加工精度高，灵活性好，性价比高的优点。本文分析了数控雕刻机的常见结构形式的优缺点，针对设计要求，确定了一种小型数控雕刻机的结构设计方案。 关键词：龙门式；雕刻机；结构设计 中图分类号：J324 文献标识码：A 文章编号：1671-5586（2018）01-0242-01 1 1 引言 数控雕刻机是运用现代加工技术进行雕刻加工的机电一体化设备。它具有消耗功率小，加工精度高，灵活性好，性价比高的优点，广泛地应用于模具雕刻、广告雕刻、木工与印章雕刻等行业。 常见的雕刻机有两种结构：悬臂式和龙门架式。悬臂式承载能力相对较好，但悬臂刚度低，加工精度不易保证，所以应用不广泛。龙门架式分为龙门架移动式和工作台移动式。龙门架移动式雕刻机由于工作台不动，加工范围大，承载能力好，适合加工较重的工件，但雕刻头的运动精度较难保证，且立柱移动较笨重。一般在大中型雕刻机上多采用此种结构。工作台移动式雕刻机的立柱固定，雕刻头作横向和上下移动，工作台作纵向移动。由于工作台移动，承载能力较差，加工范围相对较小，但是所需电机功率和传动件的尺寸较小，移动较轻便，雕刻运动精度较易保证。此种结构多见于小型雕刻机。 2 2 总体设计方案 数控雕刻机是一种典型的机电一体化设备，涉及机械系统、控制系统等部分。本课题只进行数控雕刻机机械结构部分的设计，具体参数要求如表 1 所示： 表 1 设计参数 加工范围 250×350mm 定位精度 0.01mm 最大移动速度 250mm/s 铣削速度 1~2m/min 本课题设计的数控雕刻机工作行程较小，加工的工件为铝合金及普通非金属材料，重量较轻，属于小型数控雕刻机。为保证雕刻精度，以及结构的轻便，综合考虑其它方面的因素，决定采用龙门架式中的工作台移动式的结构形式。 数控雕刻机的机械结构包括底座、立柱、工作台、横梁和主轴组件等部分。为了减轻整机重量，缩短产品的设计与制造周期，其主体框架采用铝合金制造，防护件用塑料件和钣金件制造，用标准的紧固件和定位销连接。 3 3 主运动方案 雕刻机的主运动系统（主轴系统）一般有三种形式： （1）主轴电机和主轴部件作平行布置，中间经一级传动副传递运动，该运动副可以是同步齿形带传动或其他传动形式。 （2）主轴电机和主轴部件同轴布置，用联轴器联接，采用直接驱动形式。 （3）主轴电机和主轴部件二合一，即采用无外壳电机，并将其空心转子用压配合的形式直接套装在雕刻机主轴上，带有冷却套的定子安装在主轴单元的壳体中。这样，电机的转子就是雕刻机的主轴，机床主轴单元的壳体就是电机座，从而实现了变频电机和机床主轴的一体化，称之为电主轴。 电主轴结构紧凑、重量轻、惯性小、响应性能好，可避免振动和噪声，是高速主轴单元的理想结构。现在的高速数控设备几乎都采用电主轴结构。本课题设计的雕刻机尺寸较小，采用电主轴结构的方案。 4 4 进给系统方案 4.1 传动件 采用步进电机通过联轴器直接与丝杠相连的形式，使进给系统轻便，可获得很高的进给速度。滚珠丝杠相对与滑动丝杠具有传动效率高（95%以上）、运动平稳、灵敏度高、低速无爬行、可预紧提高刚度、定位精度与重复定位精度高和使用寿命长（为滑动丝杠的 4 到 10 倍）的优点。而雕刻机需要较高的进给速度及精度。所以 X、Y、Z 三个方向的传动部分均采用步进电机+滚珠丝杠的形式。 滚珠丝杠的安装方式有很多种，本雕刻机的行程较小。考虑成本，结构的复杂程度等因素，决定采用一端固定，一端游动的安装方式。 4.2 导向与支撑 滚动直线导套副具有摩擦系数小、微量移动灵活、低速无爬行、润滑简单、移动速度快等优点。滚动直线导轨副的性能相对导套副更为优越，但价格较高。本雕刻机加工范围、各轴行程较小，采用滚动直线导套副可以满足精度等的要求。考虑成本，决定 X、Y、Z 三个轴的导向与支撑件均采用滚动直线导套副。 滚动直线导套副分为开放式与封闭式。封闭式导轨不能配用两个以上导轨轴支撑座，导轨轴自重以及加在直线轴承座上的载荷会对导轨轴的直线度，多个导轨间的平行度有影响。仅用于短行程或运动精度要求不大高的场合。开放式导轨可以配用两个以上导轨轴支撑座，或者定做不同长度的导轨轴支撑座。可以消除导轨轴自重及载荷对导轨轴的影响，多用于大行程。 本雕刻机的三个方向的行程均较小，采用封闭式导套副即可。但是参考文献[2]中对小型雕刻机机械结构进行了优化，依据其优化的结果，采用开放式导套副，雕刻机的刚度较高，整体性能有较大提高，而成本相对于封闭式导套副，仅增加 30%。为保证雕刻机的性能，X、Y 轴的导套副采用开放式结构。Z 轴由于行程很小，对系统性能影响较小，并考虑 Z 轴小车的重量与结构的简化，决定 Z 轴采用封闭式导套副。 5 5 刀具及工件装夹方案 雕刻机刀具的安装采用在主轴前端用弹性夹头夹持的方法，不同夹持直径的刀具可更换与之配套的弹性夹头。电主轴在出厂时已经安装好了弹性夹头。 雕刻机的工作台设计为有多条 T 形槽的形式，小工件可以用双面胶直接粘在工作台上，较大的工件，可以用压板固定于工作台上。 6 6 结论 使用 SolidWorks 软件对设计的数控雕刻机进行了三维建模，最终的装配图如图所示。 图 1 总体装配图 本课题设计的数控雕刻机在结构上能够实现预期的基本功能，但是还有可以改进的地方，如对于横梁、立柱等的结构还可进行优化。对雕刻机整体的动态特性没有进行分析。加工时，可能会由于雕刻机的固有频率与切削时主轴的切削激振频率接近，引起雕刻机共振，影响加工精度。 参考文献 [1]编委会.现代实用机床设计手册（上册）[M].北京：机械工业出版社，2006：189-192，937-957，1046-1047，1334-1341，1371. [2]李士弘，宁生科，马保吉，王党利，罗奇亮，赵志.一种小型数控雕刻机机械结构优化设计[J].新技术新工艺，2010，2，11-14.