五轴联动数控雕刻机结构设计
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摘 要：五轴联动数控雕刻机具有高效率、高精度的特点。配上五轴联动的高级数控系统，就具备对造型复杂的曲面空间进行高精度加工，并且能够实现对机床零部件、飞机构件等现代磨具的加工。五轴联动雕刻机总体上结构紧凑，容易操作，安全性能好，刚度大，方便保养及维修，创新性高。
关键词：数控 五轴 雕刻机 结构
中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）11（c）-0057-02
Abstract： Five axis machining center with high efficiency， high accuracy. If with the five axis linkage CNC system， but also on the complex spatial curved surface for precision machining， can adapt the like machine parts， aircraft components and other modern abrasive processing.Five-axis linkage engraving machine generally meets the design requirements.On the whole， the five-axis linkage engraving machine has compact structure， easy operation， good safety performance， high stiffness， convenient maintenance and maintenance， and high innovation.
Key Words：CNC;five-axis;Engraving machine;Structure
1 五轴联动数控雕刻机的整体设计方案
1.1 五轴联动数控雕刻机的工作原理
五轴联动数控雕刻机是一个三维数控系统，与普通数控机床相似，系统将数据通过USB接口发送给单片机，刀具走刀刀位指令将传送到系统，系统会自动表达用户交互功能界面，系统将算出的刀具走位数据信息转化成数字信号，系统将这些信号转化为伺服电机的脉冲信号，使得雕刻机床沿X方向，Y方向，Z方向三根轴的刀具走位。同时雕刻出计算机上设计的平面和图形文字，实现自动化雕刻。
1.2 五轴联动数控雕刻机直线坐标轴的运动分配
雕刻机的运动分配不一样，其布局结构也不尽相同。在分配其运动时，需注意以下几点原则。
（1）轴头质量应尽可能轻。轴头的质量越轻，对应所需的伺服电机的功率要求越小、零部件的尺寸大小要求也小。
（2）要使得加工出的零部件加工精度高。
（3）机构布局要尽可能小，节省占地面积，并且机构刚度要满足。
常用雕刻机坐标轴布局形式有两种方案。
方案一，雕刻轴头在架子中做三个方向运动，分别是横向以及向上和向下三个方向，雕刻机的工作台不动，立柱做上下方向运动。因为雕刻机工作台不动，使得其整体承载被加工工件性能好，适合加工质量较大的工件。但是雕刻轴头运动精度难以保证，并且立柱上下纵向移动笨重，会导致加工精度有偏差，不利于精度的保证。
方案二，雕刻头运动与方案一一致，但是其立柱固定不动，工作台可以作上下运动。此方案所需电机的功率较小及传动件尺寸较小，移动方便。但是与方案一相比，承载能力较差，略显复杂。其最大优点是雕刻轴头运动精度高。
综合上述对比，基于加工件的精度、整体结构的布局分配和整机的设计要求三个重要因素作对比，采用方案二的设计标准。
1.3 五轴联动数控雕刻机回转坐标轴的运动分配
根据市场需求，不相同的整机结构将应用于不同的工作场合。提前横向，上下三个方向直线运动对应布局方案二，此方案最大不同在于整机两个回转坐标轴。两个回转运动配合三个直线运动能组成的整机布局结构样式多种多样，但是大致上可分为三大类：
Ⅰ型——两个回转运动由铣头驱使。
Ⅱ型——两个回转运动由工作台驱使。
Ⅲ型——两个回转运动分别由工作台和铣头驱使。
Ⅰ型—两个回转运动由铣头驱使。
（1）载重性能。因为工作台不动，那么工作台可以选择为大面积大规格的，此时工作台具有较强的载重能力，能适应大体积零件的加工制造。
（2）加工范围。因为两个回转运动由铣轴带动，而且回转工作台规格面积大，被加工回转零件体积小，因而具备加工空间可行性大。
（3）整机复杂性。因该机构具有三个直线和两个回转共五根轴运动，且主动部分和从动部分衔接在一块，且整机体校较小，所以导致其结构相对普通数控床复制多变。
（4）运动灵活性。因回转部件比较小，且由铣头带动回转，因此刀具的运动就需更加灵活。
（5）机构刚度。因机构空间体积小，且五轴结合运动多，导致机构整机刚性较差。
Ⅱ型—两个回转运动由工作台驱使。
（1）載重性能。因两个回转运动都需要用到工作台，且运动的环节多，因此载重性能低，无法适用于大体积零件的加工，但可用于规格较小零件的加工制造。 （2）加工范围。因工作台面积小，且两个回转坐标运动均需用到工作台，且工作台回转范围小，导致机构加工空间较小。因此，与Ⅰ型相比加工空间要小。
（3）整机复杂性。此主轴头不包含在整机内，且两个回转坐标运动衔接在一块，且整机空间布局较Ⅰ型相对大，所以比Ⅰ型结构简单，复杂性小。
（4）运动灵活性。因两个回转坐标运动都需要工作台和加工零件，工作台和加工零件又是较大的部件，导致刀具运动空间降低，运动不灵活。
（5）机构刚度。整机空间布局较Ⅰ型相对大，设计时可采用质量大的零部件，致使整机刚度强，所以与Ⅰ型相比结构刚度大。
Ⅲ型—两个回转运动分别由工作台和铣头驱使。
（1）载重性能。因为两个回转坐标运动分别由工作台和铣头驱使，所以较Ⅰ型载重性能小，较Ⅱ型比较载重性能大，所以Ⅲ型适用在加工中等体积的零部件。
（2）加工范围。因为两个回转坐标运动分别由工作台和铣头驱使，导致加工空间偏小一些，但是较Ⅱ型相比大一些，较Ⅰ型相比小一些。
（3）整机复杂性。Ⅰ型、Ⅱ型两个回转运动链接在一块，整机设计标准相对复杂，Ⅲ型与其相反，两回转运动不衔接，所以Ⅲ型在结构设计中最为简单。
（4）运动灵活性。因为两个回转坐标运动分别由工作台和铣头驱使，使得Ⅲ型的运动灵活性在Ⅰ型和Ⅱ型中间。
（5）机构刚度。Ⅲ型的结构刚度在Ⅰ型和Ⅱ型之间。
综上所述：由于本文所述的雕刻机适用于加工一小型、轻型零件。因此我们选择Ⅱ型结构的布局。
1.4 五轴联动数控雕刻机设计
根据五轴的运动分配，形成了五轴整机的设计标准，由四个部分组成五轴联动雕刻机。
（1）机架。
承载整机及加工零件的重量总和，所以对其刚度要求高。由四个支点与地面连接。
（2）工作台。
工作台在y方向运动，工作台挖有T形槽，由丝杠导轨及支架三部分组成，被加工零件放置在工作台上，由工作台支撑，工作室，导轨用以导向，丝杠用于驱使其运动。
（3）横梁。
与工作台相似，横梁也是由丝杠、导轨和支架三个部分构成，只是与工作台运动方向不一致，横梁在x方向进行运动。横梁用来支撑机头的全部重量。
（4）雕刻机主轴头。
机头支撑在横梁上，由丝杆驱使运动。
五轴联动雕刻机的运动分配方式如下：
X轴：横梁导轨内的主轴头作X方向运动;
Y轴：机架导轨内的工作台作Y方向运动;
Z轴：导轨上的主轴头还可以作Z方向的运动;
工作台还能绕B轴作-90°-90°的摆动。
因此雕刻机可以实现X轴、Y轴、Z轴、B轴、C轴共5个自由度方向的联动。
2 结语
五轴联动雕刻机总体上结构紧凑，容易操作，安全性能好，刚度大，方便保养及维修，创新性高。
参考文献
[1] 张曙，Heisel U.并联运动机床[M].北京：机械工业出版社，2003.
[2] 黄真，孔令富，方跃法.并联机器人机构学理论及控制[M].北京：机械工业出版社，1997.
[3] 唐晓强，黄鹏，杨建新.高加速度的柔性3-RRR并联机构尺度综合設计[J].清华大学学报：自然科学版，2008，48（2）：184-188.
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