四轴四联动雕刻机的创新设计

四轴四联动雕刻机的创新设计

朱乐恒 栾加航

（山东协和学院  山东济南  250107）

摘要：

这些年来，随着我国工业技术和科学技术的日益迅猛发展，很多NC智能化设备如今已从我们的工作的各个方面大量渗透出来。尤其在数控装备为人类提供了极大的便利条件。多轴联动数控机床随着制造业的快速发展，在加工领域的应用日益广泛。作为其中一种，四轴联动雕刻机具有精度高等优势，因而广受欢迎。四轴联动雕刻机的出现，为现代人对材料质量要求越来越高、品种越来越多、产品更小更精提供了加工条件。

关键词：四轴联动、结构设计、优化设计

一、四轴联动雕刻机的介绍

中国古代尤其是传统宫殿的华丽装饰，往往是一些能工巧匠倾其一生之力打造而成的工艺品。雕刻工具传统的手工雕刻是用凿子，铁锹，锤锯，线锯等手工工具进行雕刻，可以对各种图案进行造型。通常完成一件大型的工艺品需要花费非常长的时间，而这些产品往往都是以独特的风格和方式筹备而成。它们虽然具有特殊而独特的工艺技术价值，但产品精度低、品质差、生产率低、生产成本高。这些问题都需要解决。小型的金属和木材的加工都是用普通机床完成，也能满足一般的要求，但是生产效率太低、耗时又耗力，成本又高等缺点，没有办法满足市场上的需求。把传统的机械加工和数控自动化结合起来，一次装夹就能把大部分甚至所有的工序流程都做完，完成了金属小部件的代加工。四轴联动雕刻机的出现，使木材加工行业能够满足这一需求的大趋势。

二、设计思路

四轴联动雕刻机比三轴的数控雕刻机多了一个旋转轴A轴，工件可以单端夹持也可以两端对顶，夹在旋转轴A轴上，通过A轴转动，从而完成加工工件。它既可以完成平面的雕刻，又可以完成浮雕、阴雕、阳雕、线雕、镂空雕刻，随形雕刻，还可以完成立体圆雕，实现了加工制品的多样化和快速化。

表1 雕刻机参数对比

杨维发利用S3C2440单片机技术和NPM公司的专用运动控制芯片PCL6045B技术，开发了一种多功能控制系统，实现了一般四轴控制系统的设计和研制，并成功实现了该控制系统的研制。田华对四轴雕铣机床的控制和机构件等方面进行了研究，并得出了一些结论，认为其具有实际的应用价值。李健游开展了八头数控雕刻机关键部件的设计研究，重点对八头数控雕刻机的静力学进行了有限元计算，对加工精度和减振效果进行了优化。本次四轴联动雕刻机的特性见表1。

三、设计方案

四轴联动数控雕刻机的工作原理是：四轴联动数控雕刻机的主体框架由铸铁零件构成，龙门式结构，在机床X轴的左右移动也就是直线运动，运动最大行程为600mm，并带动 Z轴拖动板一起左右移动， Z轴拖板的上下运动，运动最大行程为220mm，带动主轴从而使刀具系统产生上下运动床身前后移动，龙门不动，最大行程为600mm， A轴旋转轴带动着工件进行旋转转动，定制水冷2.2kw电主轴驱动雕刻刀具的转动，与机床的前后、左右、上下移动，从而实现四轴四联动超级镂空雕刻加工。技术要求见下表。

表2 主要设计参数表格

1.四轴四联动雕刻机的可行性分析

该方案的基本原则是在吸收国外同类产品的基础上，按照高效、可靠、便捷的原则，开发出一种微型回转雕刻机。（1）机械部的工作是完成机器的支撑，类似于人的骨骼和内脏，它包括：可移动的零件、机头、主轴刀具系统等。框架大体主要由：横梁、立柱、拖板、底座和台面组成，其中刀具系统主要由6mm夹心、水天定制水冷2.2kw电主轴、刀具等部件，机动部件有丝杠、导轨、立柱、滑块、轴承和轴承座等。（2）控制器的作用相当于人类的神经系统，它完成了机床的进给和切割功能，它的作用相当于由伺服系统等组成的人类神经系统。伺服驱动器和运动控制卡、变频器，变压器等组成；在机床X、Y、Z、A轴方向，通过伺服电机衔接丝杠，伺服驱动器驱动电机旋转从而带动丝杠旋转，丝杠带动拖板协同作用，实现机床X、Y、Z轴的直线运动，A轴旋转运动，从而使工件雕刻完成。

2.四轴联动雕刻机机架设计

在数控机床中，车架是主要支撑床体的它的机床的加工精度有着直接的关系。普通的数控加工设备有水平和垂直两种结构形式，而数控雕刻设备多采用垂直结构。本机分为门架式和悬臂式两种，都是直立式的构筑物。龙门梁的设计方案是针对工件为硬质材料，防止在高速铣削过程中切削力过大引起振动。龙门梁结构可分为两种，一是台面固定在底座上，即龙门移动；二是龙门梁固定在底座上，也就是床身移动。针对移动式龙门梁结构机床的特点，提出了一种适用于大尺寸零件的数控铣削加工方式。采用固定的工作台面，增强抗振性能，减少加工时因振动产生的一些误差，是十分有必要的。在加工中、小型工件时，常采用固定龙门梁结构的工件加工方法，也就是床身移动。本项目研究的机床加工对象为小型工件，故采用床身移动的6060款水天T6型四轴雕刻机。此款雕刻机为立体平面两用雕刻机，立体雕刻最大尺寸为直径30公分，长度580公分，平面雕刻最大尺寸为60×60公分。可分为单头双头三头四头四种，单头双头立体雕刻直径不变，三头雕刻直径20公分，四头雕刻直径15公分。则机架结构初始设计如图1所示。

图1 方案示意图

参考文献

[1]董世建，孟振，时侠圣等.雕刻机系统数据驱动建模与容错跟踪控制[J].控制与决策，2023，38(09)：2569-2577.

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[4]栾陆杰，吴世雄，李健游等.四轴数控雕刻机控制系统的设计[J].林业机械与木工设备，2014，42(01).

[5]王嘉琦.基于STM32的浮雕CAD/CAM一体化系统研究设计[D].山东理工大学，2021.

项目支持：

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