南京增材制造研究院發(fā)展有限公司|王闖道

?

一種四軸立體雕刻機(jī)旋轉(zhuǎn)軸同步性問(wèn)題的探討與解決

四軸立體雕刻機(jī)主要應(yīng)用于圓柱形木材的花紋雕刻。由計(jì)算機(jī)，控制器和主機(jī)三部分組成。雕刻機(jī)上的雕刻頭，通過(guò)按加工材質(zhì)配置的刀具，對(duì)固定于主機(jī)旋轉(zhuǎn)軸上的加工件進(jìn)行切削，即可雕刻出各種立體浮雕圖形及文字。本文結(jié)合VC0212X4四軸數(shù)控立體雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)四個(gè)旋轉(zhuǎn)軸不同步的原因進(jìn)行分析，提出了齒輪齒條的結(jié)構(gòu)以及對(duì)質(zhì)量控制的方法。數(shù)控雕刻機(jī)；齒輪齒條傳動(dòng)；四軸同步控制

南京增材制造研究院發(fā)展有限公司|王闖道

VC0212X4數(shù)控木工雕刻機(jī)是一種四軸三維立體雕刻機(jī)，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(diǎn)，最大可以加工直徑200mm,長(zhǎng)度1200mm的工件。該機(jī)床的四軸結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1原雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和存在的問(wèn)題

最初設(shè)計(jì)的該型號(hào)雕刻機(jī)是通過(guò)四個(gè)步進(jìn)電機(jī)各自帶動(dòng)傳動(dòng)比為1:3的同步帶結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)控制四個(gè)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的動(dòng)作。該結(jié)構(gòu)中4個(gè)步進(jìn)電機(jī)各自獨(dú)立控制4個(gè)軸運(yùn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)由數(shù)控系統(tǒng)控制。但是在實(shí)際加工中經(jīng)常會(huì)遇到客戶反映四個(gè)旋轉(zhuǎn)軸不同步的問(wèn)題，具體表現(xiàn)在加工的零件花紋深淺不一，圓周結(jié)合處有隔擋等情況。根據(jù)客戶反映的情況結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員和工程師的分析，大致可以從以下幾個(gè)方面來(lái)說(shuō)明四個(gè)軸產(chǎn)生不同步的原因：

1.1步進(jìn)電機(jī)本身存在的誤差。由于考慮成本的原因，該機(jī)床所配的電機(jī)比

較低端，從數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)到步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作的過(guò)程中，由于電機(jī)自身的誤差，無(wú)法保證四臺(tái)電機(jī)的啟動(dòng)速度、轉(zhuǎn)動(dòng)角度，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都同步，這是產(chǎn)生四個(gè)旋轉(zhuǎn)軸不同步的首要原因。

1.2同步帶結(jié)構(gòu)的誤差。電機(jī)與主動(dòng)帶輪連為一體，電機(jī)動(dòng)作時(shí)帶動(dòng)同步帶

并通過(guò)同步帶帶動(dòng)與從動(dòng)帶輪連為一體的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。由于帶輪和同步帶加工的誤差，在傳動(dòng)的過(guò)程中無(wú)法保證傳動(dòng)比和理論上完全一致。此外在機(jī)床進(jìn)行加工的過(guò)程中，電機(jī)需要不斷的變換正反轉(zhuǎn)的動(dòng)作，由于同步帶與帶輪之間的間隙導(dǎo)致了動(dòng)作的滯后性，并產(chǎn)生反向間隙。這是產(chǎn)生四個(gè)旋轉(zhuǎn)軸不同步的主要原因。

1.3機(jī)床裝配過(guò)程中產(chǎn)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(huì)導(dǎo)致機(jī)床的精度降低，就有可能無(wú)法保證四個(gè)軸的同步性。

1.4加工件裝夾的誤差。VC0212X4四軸數(shù)控雕刻機(jī)加工的對(duì)象是柱形木材

裝夾時(shí)木材的一端抵住旋轉(zhuǎn)軸的頂尖，另外一端用尾架頂住。木材材質(zhì)較軟，加工變形大，裝夾時(shí)產(chǎn)生的誤差也比較大。

圖1

2旋轉(zhuǎn)軸技術(shù)問(wèn)題的探討與解決方案

綜上所述，為解決VC0212X4四軸數(shù)控雕刻機(jī)旋轉(zhuǎn)軸不同步的問(wèn)題，我們需要從前面分析的幾個(gè)方面來(lái)考慮解決方案，具體如下：

2.1重新設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)。利用齒輪齒條結(jié)構(gòu)代替四個(gè)電機(jī)通過(guò)同步

帶帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)，新的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)只需要一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)同步帶結(jié)構(gòu)帶動(dòng)主動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，主動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸上的齒輪和齒條嚙合，齒條安裝在線性導(dǎo)軌上，齒條左右運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)其余三個(gè)從動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。在新的結(jié)構(gòu)中，電機(jī)和同步帶結(jié)構(gòu)從原來(lái)的四套減少到一套，這就避免了因?yàn)殡姍C(jī)和同步帶結(jié)構(gòu)帶來(lái)的同步性不一致問(wèn)題。同時(shí)我們根據(jù)市場(chǎng)導(dǎo)向，結(jié)合國(guó)內(nèi)國(guó)外市場(chǎng)的特點(diǎn)，選擇合適的電機(jī)，控制電機(jī)自身的精度，同步帶和同步帶輪也選用國(guó)內(nèi)知名廠家的產(chǎn)品，線性導(dǎo)軌選用臺(tái)灣知名品牌，齒輪齒條選用進(jìn)口高精度的產(chǎn)品。這些措施從根本上改善了機(jī)床的精度，保證了四個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的同步性。

在設(shè)計(jì)的過(guò)程中綜合考慮了各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，選定了齒輪齒條和渦輪蝸桿兩種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，針對(duì)該雕刻機(jī)的加工特點(diǎn)和精度要求，在查閱專利文件同時(shí)分析比較了兩者的優(yōu)缺點(diǎn)后選擇了齒輪齒條的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。

渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)特點(diǎn)：傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)緊湊，工作平穩(wěn)，沖擊小，無(wú)噪音；蝸桿傳動(dòng)具有自鎖性；渦輪蝸桿齒面滑動(dòng)速度大，摩擦與磨損嚴(yán)重，傳動(dòng)效率低。發(fā)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(rùn)滑裝置，成本較高；蝸桿的軸向力較大。

齒輪齒條機(jī)構(gòu)特點(diǎn)：承載力大，傳動(dòng)速度高，齒條可以長(zhǎng)距離安裝并且高速運(yùn)轉(zhuǎn)，齒條齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。加工安裝精度差，傳動(dòng)噪音大，磨損大。

2.2提高裝配質(zhì)量的控制，制定嚴(yán)格的裝配工藝文件，明確裝配工藝要求，關(guān)鍵部件的裝配選用熟練工人進(jìn)行操作，嚴(yán)格檢驗(yàn)裝配精度。

2.3針對(duì)裝夾工件產(chǎn)生的誤差，我們?cè)诿總€(gè)旋轉(zhuǎn)軸的頂尖外圍增加了三個(gè)小頂尖，從而增加木材與旋轉(zhuǎn)軸的接觸面積，盡量減少裝夾誤差。

通過(guò)一系列的技術(shù)改進(jìn)和質(zhì)量控制，VC0212X4四軸數(shù)控雕刻機(jī)旋轉(zhuǎn)軸同步性問(wèn)題得到了很好的解決，產(chǎn)品質(zhì)量有了很大的提高。

圖2

3結(jié)語(yǔ)

針對(duì)VC0212X4四軸數(shù)控雕刻機(jī)加工中存在的問(wèn)題，從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)查閱相關(guān)專利文件的技術(shù)說(shuō)明和權(quán)力要求，提出了合理的解決方案，解決了實(shí)際生產(chǎn)中的問(wèn)題。

通過(guò)這款機(jī)器的技術(shù)改進(jìn)，帶動(dòng)了其他各類(lèi)機(jī)器的質(zhì)量整頓和技術(shù)改進(jìn)，提高了管理水平，產(chǎn)品質(zhì)量有了很大的提高，生產(chǎn)的產(chǎn)品獲得了國(guó)內(nèi)外客戶的好評(píng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]龔志遠(yuǎn).小型雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)(J).組合機(jī)床與自動(dòng)化技術(shù),2011(2):100-102.

[2]孫恒主編.機(jī)械原理第七版.北京：高等教育出版社，2005

[3]李士弘等.一種小型數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)(J).數(shù)字技術(shù)與機(jī)械加工工藝裝備,2010(2):11-14.