劉斌 李 瑋 王 鈞 郭志偉 魏新宇 王泰恒

（西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224）

上世紀(jì)90 年代，隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展促進(jìn)了雕刻機(jī)質(zhì)的飛躍發(fā)展，雕刻機(jī)完成了從二維加工到五軸加工的轉(zhuǎn)變。

國(guó)外雕刻機(jī)技術(shù)起步早，技術(shù)成熟，主要以歐美、日本等地區(qū)和國(guó)家為代表。在先進(jìn)的制造業(yè)發(fā)展環(huán)境下，其雕刻機(jī)生產(chǎn)研發(fā)廠商眾多、技術(shù)先進(jìn)，研發(fā)的機(jī)械具有很高的加工精度，并且具有良好的人機(jī)體驗(yàn)，功能強(qiáng)大，但是價(jià)格昂貴，售后維護(hù)成本也很高。國(guó)內(nèi)雕刻機(jī)的發(fā)展雖然較晚，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的雕刻機(jī)大多是三軸雕刻機(jī)，五軸數(shù)控雕刻機(jī)的數(shù)量較少。韓凌等[1]對(duì)龍門式木工雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，利用三維虛擬建模技術(shù)，設(shè)計(jì)雕刻機(jī)橫梁、床身等機(jī)械框架結(jié)構(gòu)；完成雕刻機(jī)進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)等主要功能部件的設(shè)計(jì)。南京林業(yè)大學(xué)張曉等[2]設(shè)計(jì)了新型五軸聯(lián)動(dòng)木工數(shù)控雕刻機(jī)，以方型空心型鋼組合焊接形式建立數(shù)控雕刻機(jī)整體機(jī)架結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的五軸木工數(shù)控雕刻機(jī)能夠高速、高精度完成復(fù)雜的木工雕刻任務(wù)。張曉等[3]還對(duì)五軸龍門木工雕刻機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與剛度分析，對(duì)龍門橫梁等關(guān)鍵部件進(jìn)行三維建模與CAE 靜剛度分析。林礪宗等[4]對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)BC 型木工雕刻機(jī)床結(jié)構(gòu)與數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一種經(jīng)濟(jì)型五軸聯(lián)動(dòng)BC 型木工雕刻機(jī)床及其數(shù)控系統(tǒng)。但是他們都只涉及到木材雕刻，并且在結(jié)構(gòu)上為雙擺頭或者BC軸形式，本文設(shè)計(jì)了一款龍門式AC軸的五軸雕刻機(jī)，并且可以支持對(duì)木材、玉石和低硬度金屬的雕刻。

與三軸雕刻機(jī)相比，五軸雕刻機(jī)的優(yōu)勢(shì)是一次裝夾可以完成全部或大部分的加工任務(wù)，大大提高了加工精度、質(zhì)量和效率。但是國(guó)內(nèi)五軸數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展慢、硬件成本高、機(jī)床結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這些因素一直是制約五軸機(jī)床快速發(fā)展的瓶頸[5]。雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，機(jī)架結(jié)構(gòu)選擇是很重要的一環(huán)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的三軸、四軸和五軸雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)方案和技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析調(diào)查。已有的雕刻機(jī)的相關(guān)技術(shù)資料顯示，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的龍門結(jié)構(gòu)加工中心以固定梁式結(jié)構(gòu)為主，因?yàn)樵谥圃炀群椭圃斐杀痉矫?，活?dòng)梁和立柱式加工中心都比固定梁高。最終選擇固定梁龍門架結(jié)構(gòu)。

1 雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，CAE 仿真模擬技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和科研領(lǐng)域，有效地幫助企業(yè)減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期和成本。本文采用UG 對(duì)雕刻機(jī)進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)參數(shù)的確定，并且建立其關(guān)鍵部件和雕刻機(jī)的整體的整體有限元模型，對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行靜力學(xué)分析，整體有限元模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的合理性和靜剛度，是否滿足其機(jī)械特性的需求。

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

五軸雕刻機(jī)整體結(jié)構(gòu)為定梁式龍門結(jié)構(gòu)，龍門架結(jié)構(gòu)是指主軸和工作臺(tái)彼此正交的機(jī)械結(jié)構(gòu)，根據(jù)龍門架結(jié)構(gòu)是否移動(dòng)而分為3 種類型[6]：第一種類型是采用梁固定、工作臺(tái)移動(dòng)的方式；第二種是采用梁上下移動(dòng)，工作臺(tái)前后移動(dòng)的方式；第三種是采用工作臺(tái)固定，龍門移動(dòng)的方式[7]。主體結(jié)構(gòu)有底座、支撐架、左右立柱、工作臺(tái)、橫梁、水箱、X軸、Y軸、Z軸和A/C軸等部分，如圖1 結(jié)構(gòu)爆炸圖和圖2 總體結(jié)構(gòu)圖所示。

圖1 結(jié)構(gòu)爆炸圖

圖2 五軸雕刻機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)確定

本次設(shè)計(jì)的五軸雕刻機(jī)主要面向木材、玉石和金屬切削，通過(guò)查閱相關(guān)機(jī)械切削手冊(cè)，確定了加工中部分切削參數(shù)的取值范圍，如表1 所示。

表1 雕刻機(jī)加工中部分切削參數(shù)的取值范圍表

基于設(shè)計(jì)，獲得了對(duì)應(yīng)該雕刻機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)。如表2 所示。

表2 雕刻機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

1.3 有限元模型建立

首先，建立直線導(dǎo)軌的三維模型，其靜剛度性能直接影響機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度及使用壽命[8]。在UG建模環(huán)境下對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行建模裝配后，進(jìn)入前后處理環(huán)境，建立sim 和fem 理想化模型i-prt 文件，選擇求解器NX Nastran 和計(jì)算方案（SOL 101 線性靜態(tài)），對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化和網(wǎng)格劃分。材料指派為steel；彈性模量為2.07×10-11Pa，泊松比為0.3，密度為 7.829×10-6kg/mm3。

在實(shí)際工作環(huán)境中，為了增強(qiáng)仿真與工作情況的吻合性，導(dǎo)軌與滑塊之間選擇摩擦接觸，摩擦系數(shù)取值f=0.01，設(shè)置剛度為0.05 N/m，防止產(chǎn)生剛性位移。根據(jù)實(shí)際需求將直線導(dǎo)軌劃分為15 693 個(gè)節(jié)點(diǎn)，8 008 個(gè)網(wǎng)格單元，最終得到的有限元模型如圖3 所示。

圖3 直線導(dǎo)軌有限元模型

其次，導(dǎo)入整體雕刻機(jī)的模型，在進(jìn)行有限元模型劃分之前，為了提高解算時(shí)的計(jì)算效率，在網(wǎng)格劃分前對(duì)該雕刻機(jī)的幾何模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。本次主要分析雕刻機(jī)的主體結(jié)構(gòu)，所以去除了鈑金、支架等一些其他部件。在主體結(jié)構(gòu)上對(duì)模型簡(jiǎn)化時(shí)去除一些不必要特征（圓角、倒角和孔），重新定義連接方式，不影響總體效果[9]。各部件之間的結(jié)合部使用仿真對(duì)象區(qū)域里的面對(duì)面粘連模擬。

最后，在劃分網(wǎng)格時(shí)根據(jù)實(shí)際情況將五軸雕刻機(jī)劃分為695 418 個(gè)節(jié)點(diǎn)，377 840 個(gè)網(wǎng)格單元，得到的有限元網(wǎng)格模型如圖4 所示。

圖4 雕刻機(jī)整體有限元模型

2 靜力學(xué)分析

2.1 施加約束

對(duì)五軸雕刻機(jī)進(jìn)行靜態(tài)分析時(shí)，需要根據(jù)雕刻機(jī)的實(shí)際工作情況將各個(gè)零部件的約束情況進(jìn)行設(shè)置，其中螺栓和孔之間的結(jié)合部選擇螺栓連接；導(dǎo)軌滑塊之間選擇接觸摩擦；在軸承與絲杠之間選擇固定約束。具體的設(shè)置形式如表3 所示。

表3 各個(gè)零部件的約束形式

2.2 施加載荷

作用在五軸雕刻機(jī)上的載荷主要包括切削力、重力以及力矩等3種[10]。該龍門式雕刻機(jī)承受的外部載荷主要來(lái)切削力和各零部件的自重。因此，首先要計(jì)算出機(jī)床的切削力。采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行銑削力的計(jì)算。查閱機(jī)械加工工藝手冊(cè)可知[11]，機(jī)床切削力的經(jīng)驗(yàn)公式如式（1）所示。

式中：F為圓周切削力，ap=10 mm 為銑削深度、Z=1為銑刀齒數(shù)，fz=0.2 mm 為每齒進(jìn)給量、ae=1 mm為銑削寬度、d0=2 mm 為銑刀直徑。查閱機(jī)械加工工藝手冊(cè)可得CF=788，xF=0.95，yF=0.8，uF=1.1，qF=1.1，ωF=0。代入式（1）中可計(jì)算得銑削力為Fc=903.910 5 N 。計(jì)算得到X、Y、Z方向各切削分力的大小，如式（2）所示。

2.3 直線導(dǎo)軌靜力學(xué)分析

本次仿真基于UG 為平臺(tái)，將五軸雕刻機(jī)的三維模型導(dǎo)入U(xiǎn)G，在仿真環(huán)境下，設(shè)定好相關(guān)參數(shù)后，按照前述參數(shù)設(shè)置和受力分析，在直線導(dǎo)軌作用面上施加約束與載荷，由于滑塊可沿著直線導(dǎo)軌左右移動(dòng)，故只約束其余兩個(gè)方向的自由度，在這兩個(gè)方向增加固定約束，經(jīng)過(guò)計(jì)算切削力為903.910 5 N，所以在導(dǎo)軌上施加大于切削力的載荷對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)分別施加1 000 N、2 000 N、3 000 N、4 000 N 和5 000 N 載荷，得出其應(yīng)變?cè)茍D如圖5～9 所示。

圖5 載荷為1 000 N 時(shí)仿真結(jié)果

圖6 載荷為2 000 N 時(shí)結(jié)果

圖7 載荷為3 000 N 時(shí)仿真結(jié)果

圖8 載荷為4 000 N 時(shí)結(jié)果

圖5 至圖9 分別表示載荷為1 000 N、2 000 N、3 000 N、4 000 N、5 000 N 時(shí)的位移云圖，通過(guò)云圖可知，施加不同載荷時(shí)直線導(dǎo)軌發(fā)生的不同位移和應(yīng)力值如表4 所示，位移隨力的變化對(duì)比圖如圖10所示，位移隨力的變化對(duì)比圖如圖11 所示。

圖9 載荷為5 000 N 時(shí)仿真結(jié)果

圖10 位移隨力的變化對(duì)比圖

圖11 應(yīng)力隨力的變化對(duì)比圖

通過(guò)對(duì)云圖分析得知直線導(dǎo)軌最大的應(yīng)變發(fā)生在滑塊與導(dǎo)軌接觸處；通過(guò)對(duì)表4 分析發(fā)現(xiàn)最大位移和最大應(yīng)力都發(fā)生在5 000 N 時(shí)，最大變形量為0.000 199 8 mm，最大應(yīng)力為2.669 MPa；通過(guò)對(duì)圖10 位移隨力的變化對(duì)比圖發(fā)現(xiàn)，隨著力的增加，位移量也相應(yīng)增加，呈正比關(guān)系。

表4 導(dǎo)軌不同載荷結(jié)果

通過(guò)對(duì)圖11 可知隨著力的增加，應(yīng)力值也相應(yīng)增加，呈正比關(guān)系。直線導(dǎo)軌的應(yīng)力集中發(fā)生在導(dǎo)軌螺孔及與滑塊面的結(jié)合處，許用應(yīng)力[σ]=σs/n=497/1.4=355 MPa（安全系數(shù)取n=1.4），2.669 MPa＜355 MPa 從應(yīng)力角度分析，直線導(dǎo)軌完全足夠能抵抗其斷裂變形。

2.4 龍門結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

對(duì)橫梁和龍門立柱進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析。首先在仿真環(huán)境下建立橫梁、立柱和底座的有限元模型，進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)提升、模型簡(jiǎn)化、劃分網(wǎng)格和其他相關(guān)參數(shù)設(shè)置，材料設(shè)置為steel，載荷選擇重力，方向設(shè)置為豎直向下，之后進(jìn)行后處理運(yùn)算，可以得到龍門結(jié)構(gòu)X、Y、Z這3 個(gè)方向的位移應(yīng)變圖。如圖12～14 所示。

圖12 龍門結(jié)構(gòu)X 向應(yīng)變圖

圖13 龍門結(jié)構(gòu)Y 向應(yīng)變圖

圖14 龍門Z 向應(yīng)變圖

在龍門結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析中，載荷設(shè)置為重力，得到了X、Y、Z這3 個(gè)方向的應(yīng)變?cè)茍D，通過(guò)對(duì)云圖分析可得到如表5 所示結(jié)果。

表5 龍門結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

通過(guò)對(duì)龍門結(jié)構(gòu)的分析得到結(jié)論：整個(gè)龍門結(jié)構(gòu)發(fā)生位移部位在橫梁與立柱的連接處，最大位移發(fā)生在Z方向，最大為0.001 203 mm，最大應(yīng)力發(fā)生在Y方向，應(yīng)力值為0.135 MPa；文獻(xiàn)[1]也對(duì)橫梁進(jìn)行了分析，其龍門應(yīng)力集中最大值為12.0 MPa，變形主要發(fā)生在Z軸箱體端部，最大值為47.2 μm（0.047 2 mm），通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后為29 μm（0.029 mm）。本文雕刻機(jī)應(yīng)力集中和變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)一雕刻機(jī)（0.001 203 mm＜0.029 mm），說(shuō)明本文龍門結(jié)構(gòu)的橫梁剛度遠(yuǎn)大于文獻(xiàn)一雕刻機(jī)。

橫梁以及立柱也會(huì)發(fā)生不同程度的位移變化，相對(duì)連接處的位移較?。粦?yīng)力集中和變形都在橫梁和立柱的連接處，整個(gè)結(jié)構(gòu)效應(yīng)力分布均勻，大部分區(qū)域在0.1 MPa 以下，最大等效應(yīng)力為0.135 MPa，遠(yuǎn)小于其許用應(yīng)力σb=355 MPa。文獻(xiàn)[2]與文獻(xiàn)[3]也對(duì)所設(shè)計(jì)的雕刻機(jī)橫梁進(jìn)行分析，其在橫梁連接部等應(yīng)力集中的局部區(qū)域應(yīng)力較大，最大值為119.4 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有超過(guò)材料屈服極限210 MPa。而本文雕刻機(jī)的橫梁應(yīng)力0.135 MPa＜119.44 MPa。從力學(xué)角度分析，該龍門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理并且優(yōu)于文獻(xiàn)二中的雕刻機(jī)，符合實(shí)際要求。

3 動(dòng)態(tài)特性分析

3.1 模態(tài)分析

動(dòng)態(tài)分析有很多類型，比如模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析等，當(dāng)外部激振力頻率與雕刻機(jī)固有頻率相接近時(shí)，會(huì)引起共振，影響雕刻機(jī)的工作精度，因此模態(tài)分析是十分重要的[12]。本節(jié)使用UG12 對(duì)整機(jī)進(jìn)行模態(tài)理論分析，該主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量及彈性均勻，在理論上具有無(wú)窮階模態(tài)，考慮到低階模態(tài)分析結(jié)果對(duì)整個(gè)動(dòng)態(tài)分析影響較大[13]，因此本節(jié)計(jì)算了整機(jī)的前六階模態(tài)頻率和振型，找出結(jié)構(gòu)變形最大的位置。雕刻機(jī)的模態(tài)分析一、二、三、四、五和六階的位移云圖分別如圖15～20 所示。

圖15 整體一階位移云圖

圖16 整體二階位移云圖

圖17 整體三階位移云圖

通過(guò)對(duì)雕刻機(jī)前六階模態(tài)的位移云圖和應(yīng)力云圖分析，得到如表6 所示模態(tài)結(jié)果。

表6 模態(tài)分析結(jié)果

通過(guò)對(duì)于雕刻機(jī)的六階模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)最大的變形位置在水箱，固有頻率分別為29.983 8 Hz、67.380 4 Hz、83.225 5 Hz、86.322 1 Hz、93.970 6 Hz、117.764 Hz。對(duì)變形位置應(yīng)力進(jìn)行進(jìn)一步分析，應(yīng)力集中在4.353～50.91 MPa。

圖18 整體四階位移云圖

圖19 整體五階位移云圖

圖20 整體六階位移云圖

結(jié)合雕刻機(jī)的位移云圖和應(yīng)力變化分析，最終表明：雕刻機(jī)整體未發(fā)生較大位移和應(yīng)力集中，整體剛性好。發(fā)生位移變形和應(yīng)力較為集中部位為水箱，這是由于水箱結(jié)構(gòu)較薄造成的，在實(shí)際使用并不會(huì)因使用發(fā)生變形或者位移，滿足設(shè)計(jì)需求。并且最大應(yīng)力50.91 MPa 遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力355 MPa（50.91 MPa＜355 MPa）。在實(shí)際應(yīng)用中，水箱的設(shè)計(jì)厚度和材料選用完全符合使用要求，總體上五軸數(shù)控雕刻機(jī)剛度強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 諧響應(yīng)分析

在模態(tài)分析完成后，將前面中求得的切削力合力施加在滑塊對(duì)應(yīng)導(dǎo)軌面上[14]。在機(jī)床主軸端部X、Y、Z方向分別施加813.519 5 N、271.173 2 N、497.150 7 N 的簡(jiǎn)諧力。由模態(tài)分析結(jié)果得到橫梁的前 6 階固有頻率范圍為29.983 8～117.764 Hz。雕刻機(jī)主軸的轉(zhuǎn)速為0～24 000 r/min，根據(jù)切削力對(duì)橫梁的激振頻率范圍公式f=nz/60=(0～400) Hz[15]，雕刻機(jī)實(shí)際工作頻率為0～400 Hz，在諧響應(yīng)分析中為了盡可能分析出更多的可能性，故設(shè)定激振力的頻率范圍為 0～3 000 Hz，分 150 步進(jìn)行該頻率段內(nèi)五軸雕刻機(jī)整體的無(wú)阻尼動(dòng)態(tài)諧響應(yīng)求解。在整體分析完成后發(fā)現(xiàn)導(dǎo)軌安裝面的振動(dòng)對(duì)加工精度影響較大，故對(duì)導(dǎo)軌安裝面進(jìn)行進(jìn)一步分析，得到其在X、Y、Z方向的幅頻響應(yīng)曲線，如圖21～23 所示。

圖21 X向

圖22 Y向

圖23 Z向

由圖21～23 可以看出：（1）在雕刻機(jī)工作頻率0～800 Hz 范圍內(nèi)X和Y2 個(gè)方向的振動(dòng)幅值呈上升趨勢(shì)但是幅值很小，不到0.001 mm，而Z 方向的振動(dòng)幅值在0～800 Hz 無(wú)限趨近于0 mm，說(shuō)明五軸雕刻機(jī)在0～800 Hz 范圍內(nèi)不會(huì)發(fā)生共振，具有良好的動(dòng)態(tài)性能；（2）激振力頻率達(dá)到900 Hz 和1 950 Hz附近時(shí)，五軸雕刻機(jī)的X向頻響應(yīng)最大，振動(dòng)幅值分別為0.008 mm 和0.5 mm；激振力頻率達(dá)到900 Hz和1 950 Hz 附近時(shí)，橫梁Y向頻響應(yīng)最大，振動(dòng)幅值為0.07 mm 和0.5 mm；激振力頻率達(dá)到900 Hz、1 950 Hz 附近時(shí)，橫梁Z向頻響應(yīng)最大，振動(dòng)幅值分別為 0.05 mm、0.008 mm；（3）由雕刻機(jī)的整體模態(tài)分析結(jié)果可知，雕刻機(jī)的第1～6 階固有頻率分別為29.983 8 Hz、67.380 4 Hz、83.225 5 Hz、86.322 1 Hz、93.970 6 Hz、117.764 Hz。

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)切削力頻率與雕刻機(jī)前6 階固有頻率都相差較大，整個(gè)雕刻機(jī)位移響應(yīng)較??；在雕刻機(jī)的實(shí)際加工過(guò)程中，在工作頻率0～800 Hz 范圍內(nèi)不會(huì)發(fā)生共振，因此所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有效避開了結(jié)構(gòu)共振區(qū)域，不會(huì)因?yàn)楣舱穸l(fā)生破壞。在實(shí)際加工中應(yīng)合理選擇工藝參數(shù)（刀具 齒數(shù)、主軸轉(zhuǎn)速），使激振力的頻率在0～800 Hz、1 000～1 800 Hz、2 100～3 000 Hz 這3 個(gè)范圍內(nèi)，避免發(fā)生共振破壞雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)或控制。

4 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

4.1 樣機(jī)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的開發(fā)，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、建模、分析、加工、裝配和調(diào)試等一系列的工作后，最終試制出第一臺(tái)樣機(jī)。經(jīng)過(guò)各類實(shí)驗(yàn)和檢測(cè)，具體測(cè)試參數(shù)如表7 所示，加工測(cè)試如圖24 所示。

圖24 加工測(cè)試圖

測(cè)試結(jié)果表明，該五軸雕刻機(jī)可以對(duì)玉石、木材和硬度較低的金屬等材料進(jìn)行雕刻，已實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的功能要求和精度要求。根據(jù)前文仿真分析，結(jié)合樣機(jī)的實(shí)際加工測(cè)試分析，表明可以滿足加工要求，與有限元分析結(jié)果基本吻合，說(shuō)明建立的有限元模型的正確性，可以對(duì)實(shí)際的結(jié)構(gòu)優(yōu)化起到指導(dǎo)效果。具體實(shí)物圖展示如圖25。

圖25 樣機(jī)圖(樣機(jī)圖為實(shí)物拍攝)

圖25 是五軸雕刻機(jī)實(shí)物圖。該雕刻機(jī)樣機(jī)已成為教學(xué)設(shè)備，在學(xué)校實(shí)驗(yàn)中心供本科生實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)，在進(jìn)行基礎(chǔ)的使用過(guò)程中收集切削數(shù)據(jù)，以便于后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.2 樣機(jī)對(duì)比分析

對(duì)小型五軸雕刻機(jī)的各實(shí)驗(yàn)參數(shù)與文獻(xiàn)中的其他五軸雕刻機(jī)的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析。主要從有限元分析結(jié)果、結(jié)構(gòu)、加工精度和加工材料幾個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析如表8 所示。

（1）有限元結(jié)果分析對(duì)比

如表8 所示，通過(guò)對(duì)同類雕刻機(jī)的橫梁進(jìn)行有限元結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)：文獻(xiàn)[1]的雕刻機(jī)龍門應(yīng)力集中最大值為12.0 MPa，變形主要發(fā)生在Z軸箱體端部，最大值為47.2 μm（0.047 2 mm），通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后為29.0 μm（0.029 mm）。應(yīng)力集中和變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)[1]雕刻機(jī)（0.001 203 mm＜0.029 mm），說(shuō)明本文龍門結(jié)構(gòu)的橫梁剛度遠(yuǎn)大于文獻(xiàn)[1]雕刻機(jī)。文獻(xiàn)[2] 與文獻(xiàn)[3] 所設(shè)計(jì)的雕刻機(jī)在橫梁連接部等應(yīng)力集中的局部區(qū)域應(yīng)力較大，最大值為119.4 MPa，材料屈服極限210 MPa。而本文雕刻機(jī)的橫梁應(yīng)力0.135 MPa＜12.0 MPa＜119.44 MPa，材料屈服強(qiáng)度355 MPa。說(shuō)明在本文雕刻機(jī)優(yōu)于其他文獻(xiàn)雕刻機(jī)。

（2）結(jié)構(gòu)對(duì)比

如表8 所示，通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)中其他雕刻機(jī)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)：其他雕刻機(jī)在結(jié)構(gòu)上多 采用龍門式，只有文獻(xiàn)[4 是懸臂梁式，這是優(yōu)于龍門結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定；在四五軸文獻(xiàn)[1] 中四五軸采用雙擺頭A/C，文獻(xiàn)[2-3] 為雙回轉(zhuǎn)B/C，文獻(xiàn)[4] 為懸臂梁B/C，雙擺頭A/C的四五軸相較于搖籃A/C,在穩(wěn)定性和機(jī)床剛度上搖籃式更優(yōu)。文獻(xiàn)中的雕刻機(jī)在XYZ的行程和工作臺(tái)的面積上都大于本文雕刻機(jī)，可以加工更大的材料的產(chǎn)品，而本文雕刻機(jī)更加注重小型零件的雕刻和加工，注重精度。

（3）加工精度對(duì)比

如表8 所示，通過(guò)對(duì)比文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]的新型木工雕刻機(jī)發(fā)現(xiàn)，本文雕刻機(jī)的加工精度較文獻(xiàn)[2]的新型木工雕刻機(jī)提升了±0.02 mm，較文獻(xiàn)[4]提升了0.03 mm。重復(fù)定位精度提升±0.01 mm。本文的小型五軸雕刻機(jī)加工精度更優(yōu)。

（4）加工材料對(duì)比

如表8 所示，在進(jìn)行樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)中，雕刻機(jī)可對(duì)多種材料進(jìn)行雕刻加工，試驗(yàn)表明可以對(duì)玉石、木材和硬度較低的金屬等材料進(jìn)行雕刻。而文獻(xiàn)中的雕刻機(jī)均只進(jìn)行木材的雕刻加工，在加工材料的范圍上優(yōu)于其他文獻(xiàn)中的雕刻機(jī)。

表8 雕刻機(jī)橫梁有限元結(jié)果對(duì)比表

但是加工硬度較高的材料時(shí)，X軸、Y軸和Z軸正常，四五軸存在輕微的顫振。引起四五軸顫振的因素有很多，可能是機(jī)械結(jié)構(gòu)，可能是控制，也可能是其他原因，接下來(lái)將繼續(xù)進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步探索減小顫振的原理和方法。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了小型五軸雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)，使用UG 建立了其三維模型和仿真模型，分析了主要結(jié)構(gòu)和整體模型的靜動(dòng)態(tài)特性，試制出第一臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)。通過(guò)分析得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)對(duì)導(dǎo)軌靜力學(xué)分析，得到導(dǎo)軌最大應(yīng)力大小為1.034 MPa，總變形量最大值為 1.838×10-6mm，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）通過(guò)對(duì)雕刻機(jī)床身進(jìn)行模態(tài)分析，獲得雕刻機(jī)床身的六階固有頻率及振型，通過(guò)對(duì)雕刻機(jī)的六階固有頻率和振型的分析，得到結(jié)果表示整體未發(fā)生較大位移和應(yīng)力集中，整體剛性好。

（3）通過(guò)對(duì)雕刻機(jī)床身的諧響應(yīng)分析，找到床身發(fā)生共振的頻率和幅值，發(fā)現(xiàn)切削力頻率與900 Hz 和1 950 Hz 兩個(gè)固有頻率接近時(shí)，床身容易發(fā)生共振，在雕刻機(jī)的實(shí)際加工時(shí)應(yīng)合理選擇工藝參數(shù)使激振頻率避開共振頻率，以免發(fā)生共振。

（4）通過(guò)對(duì)直線導(dǎo)軌和龍門結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析和對(duì)整體機(jī)身的模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析表明，該雕刻機(jī)符合設(shè)計(jì)要求。

（5）通過(guò)與文獻(xiàn)中其他同類雕刻機(jī)從有限元分析結(jié)果、結(jié)構(gòu)、加工精度和加工材料幾個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析。最終表明：小型五軸雕刻機(jī)在加工精度、加工材料范圍等方面優(yōu)于其他類型雕刻機(jī)。

（6）理論與實(shí)驗(yàn)均表明：小型五軸雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)合理，運(yùn)行精度能夠滿足加工需求，床身結(jié)構(gòu)靜剛度滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，為雕刻機(jī)的床身下一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及輕量化設(shè)計(jì)提供了一定的理論基礎(chǔ)。