王釗

摘要：由于小型雕刻機(jī)具有成本低，體積小，加工快捷方便，小型雕刻機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域。小型雕刻機(jī)的三維建模是設(shè)計(jì)雕刻機(jī)的關(guān)鍵內(nèi)容，通過對(duì)雕刻機(jī)機(jī)架部分的三維建模可以直觀得到機(jī)架部分三維圖形，可以直觀地判斷該部分設(shè)計(jì)是否合理，顯著縮短時(shí)間，提高效率。

關(guān)鍵詞：三維建模；圖形；機(jī)架

小型旋轉(zhuǎn)雕刻機(jī)的出現(xiàn)為現(xiàn)代人對(duì)生活各個(gè)方面需求的物質(zhì)質(zhì)量要求越來越高、品種越來多樣化、產(chǎn)品越來越小型化和精密化提供了加工條件。

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，人們對(duì)生活各個(gè)方面需求的物質(zhì)質(zhì)量要求越來越高、品種越來多樣化、產(chǎn)品越來越小型化和精密化，就要求制造業(yè)提供更好的加工條件和環(huán)境。在小型金屬產(chǎn)品的加工中，普通的機(jī)床（車床、銑床、磨床、鍵床等等）加工也能滿足要求，但是生產(chǎn)效率低、耗費(fèi)時(shí)間長、勞務(wù)開銷高等而不能滿足市場(chǎng)需求，將傳統(tǒng)機(jī)械加工和數(shù)控自動(dòng)化相結(jié)合進(jìn)行一次裝夾就可以完成大部分工序甚至全部工序已成為小尺寸金屬零件加工行業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)，小型旋轉(zhuǎn)雕刻機(jī)的出現(xiàn)就可以滿足這種需求。

根據(jù)雕刻材料和運(yùn)用領(lǐng)域的不同，雕刻機(jī)可分為木工雕刻機(jī)、廣告雕刻機(jī)、石材雕刻機(jī)、模具雕刻機(jī)、激光雕刻機(jī)等，它們的加工性能要求出入很大，對(duì)機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)的要求也各不相同。模具雕刻機(jī)的加工材料是金屬，機(jī)床剛性要求較高；廣告雕刻機(jī)加工料是塑膠板或有機(jī)玻璃等非金屬，對(duì)機(jī)床剛性要求相對(duì)較低。

根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制聯(lián)動(dòng)軸數(shù)的不同，雕刻機(jī)分為三軸、四軸、五軸等雕刻機(jī)。三軸雕刻機(jī)可以控制三個(gè)坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)，完成常規(guī)曲面實(shí)體雕刻；四軸雕刻機(jī)可以聯(lián)動(dòng)三個(gè)移動(dòng)軸和一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸（軸），用來完成形狀相對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品的雕刻加工（1）；五軸雕刻機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)三個(gè)移動(dòng)軸、一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸（軸）和一個(gè)擺動(dòng)軸（軸），來完成更加復(fù)雜的雕刻加工。

數(shù)控雕刻機(jī)可用來加工木材、亞力克、塑料、伐木等軟質(zhì)材料，雕刻加工過程中刀具的切削力較小，機(jī)床的剛性要求相對(duì)較低；數(shù)控雕刻機(jī)中的模具雕刻機(jī)、五金雕刻機(jī)等可以加工鍋、鋼材等金屬零件產(chǎn)品，但是他們多針對(duì)加工中、大型的零件開發(fā)，機(jī)床的剛性要求高，加工精度高。在本項(xiàng)目中設(shè)計(jì)的機(jī)床適合加工多種材料，工件規(guī)格多為中小型產(chǎn)品，機(jī)床的剛性和精度均有一定的要求。

小型旋轉(zhuǎn)雕刻機(jī)是一種三維的數(shù)控雕刻機(jī)床，用來完成小型五金件、小型零件、小型模具、小型玉器和小型工藝品的加工。雕刻機(jī)床身主要架構(gòu)采用鑄造件，門式結(jié)構(gòu)，機(jī)床軸方向的直線運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)軸拖動(dòng)板進(jìn)行左右移動(dòng)，軸拖動(dòng)板的直線運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)刀具系統(tǒng)進(jìn)行上下移動(dòng)，軸帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，刀具系統(tǒng)中的電主軸帶動(dòng)雕刻刀具進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切削，配合機(jī)床的前后、左右、上下移動(dòng)從而完成雕刻加工。

根據(jù)市場(chǎng)需求，依照高效、可靠、方便的原則，同時(shí)借鑒國外同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行小型旋轉(zhuǎn)雕刻機(jī)開發(fā)，它由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。（機(jī)械部分的任務(wù)是完成機(jī)床的支撐，就像人體的骨架和器官，主要包括：機(jī)架、刀具系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)部件等機(jī)械部件。

機(jī)架主要包括：橫梁、支臂、底座和工作平臺(tái)，刀具系統(tǒng)主要包括：夾持部件、電主軸、刀具和拖動(dòng)板等部件，運(yùn)動(dòng)部件主要包括：絲杠、滑塊、導(dǎo)軌、軸承以及軸承座等部件。（控制部分的任務(wù)是完成機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和切削加工，就像人體的神經(jīng)系統(tǒng)，主要包括：伺服系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)等部件。伺服系統(tǒng)主要包括：伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和運(yùn)動(dòng)控制卡，檢測(cè)系統(tǒng)主要包括位移傳感器。運(yùn)動(dòng)部件和伺服系統(tǒng)的配合實(shí)現(xiàn)機(jī)床一軸方向的直線移動(dòng)，刀具系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的切削加工，機(jī)架的支撐作用、切削加工和四個(gè)加工軸的移動(dòng)共同配合實(shí)現(xiàn)機(jī)床的雕刻加工。

機(jī)架是數(shù)控機(jī)床床身重要的支撐部件之一，對(duì)機(jī)床的精度有著十分重要的影響。常見的數(shù)控機(jī)床有臥式和立式結(jié)構(gòu)，對(duì)于數(shù)控雕刻機(jī)主要采用立式結(jié)構(gòu)。在立式結(jié)構(gòu)機(jī)床中有龍門式和懸臂梁式，根據(jù)加工材料是硬質(zhì)材料和快速雕刻，會(huì)產(chǎn)生較大的切削力和機(jī)床振動(dòng)，采用龍門橫梁式結(jié)構(gòu)。龍門式橫梁結(jié)構(gòu)可以分為工作平臺(tái)固定在底座上的移動(dòng)式龍門橫梁和龍門橫梁固定在底座上的固定式龍門橫梁。由于移動(dòng)式龍門橫梁結(jié)構(gòu)機(jī)床主要用在加工大型工件上，它的切削量相對(duì)比較大，在加工時(shí)易產(chǎn)生較大振動(dòng)，需要采用固定的工作平臺(tái)，來增強(qiáng)吸振性能，減小振動(dòng)所帶來的加工誤差。固定龍門橫梁結(jié)構(gòu)常用于中小型工件加工，本項(xiàng)目研究機(jī)床的加工對(duì)象是小型工件，所以采用固定式龍門橫梁的機(jī)架結(jié)構(gòu)。

最終確定小型旋轉(zhuǎn)雕刻機(jī)的機(jī)架結(jié)構(gòu)為：橫梁、支臂和底座三者通過螺栓固定在一起的整體機(jī)架，材料為鑄鐵。

橫梁屬于機(jī)床支撐部件，受刀具系統(tǒng)的重力和切削力的共同作用，空間受力復(fù)雜，橫梁的變形會(huì)影響加工精度，因此該部件設(shè)計(jì)要求具有足夠的剛度、強(qiáng)度和良好的抗振性，并且在滿足橫梁結(jié)構(gòu)尺寸的前提下盡量減輕其質(zhì)量。根據(jù)機(jī)床的加工特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，小型旋轉(zhuǎn)雕刻機(jī)的橫梁結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)為類似于“工”字形式的結(jié)構(gòu)。根據(jù)需要安裝軸方向的伺服電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)，在橫梁的兩端進(jìn)行封閉?？紤]鑄造件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在橫梁的背面進(jìn)行挖空處理。初始橫梁的基木尺寸如下：總體尺寸前面挖空尺寸，背面挖空尺寸經(jīng)過挖空處理橫梁的壁厚為，則橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖所示。

支臂屬于機(jī)床支撐部件，直接支撐橫梁，固定在底座上，刀具系統(tǒng)的重力、橫梁的重力以及切削力都傳遞到支臂上，如果支臂發(fā)生變形會(huì)放大由于橫梁變形和振動(dòng)引起的加工精度誤差，因此該部件設(shè)計(jì)要求具有足夠的剛度、強(qiáng)度和良好的抗振性，并且在滿足支臂結(jié)構(gòu)尺寸的前提下盡量減輕其質(zhì)量?？紤]到整體機(jī)架是鑄造件，設(shè)計(jì)為如圖所示結(jié)構(gòu)，具體尺寸為在支臂的上下兩端封口處都切除直徑的圓孔，便于控制線路安裝。

底座用來支撐整個(gè)機(jī)床，承受整個(gè)機(jī)床所有零部件的重力。刀具的切削力通過刀具、夾持件、橫梁、支臂最終傳遞到底座上；工件被加工時(shí)切削反作用力通過夾持件、工作平臺(tái)和滑塊導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)傳遞到底座上，致使空間受力復(fù)雜，這就要求底座要有很好的吸振和抗振性能。由于支臂固定在底座上，可在底座的兩邊進(jìn)行固定支撐支臂，并在兩端設(shè)計(jì)螺栓裝配孔及過線孔。為了讓工作平臺(tái)有個(gè)很好的支撐，底座上加凸臺(tái)來支撐軸運(yùn)動(dòng)方向的導(dǎo)軌及導(dǎo)軌上滑動(dòng)板；同時(shí)考慮軸傳動(dòng)部件的安裝，對(duì)底座凸臺(tái)背面進(jìn)行切除挖空處理，這樣有以下幾個(gè)好處：節(jié)約材料、便于安裝、鑄造便于起模。