龙门式木工雕刻机结构设计与优化

韩 凌，张 晓，刘 英，缑斌丽

HAN Ling1, ZHANG Xiao2, LIU Ying1, GOU Bin-li1

(1.南京林业大学 机械电子工程学院，南京 210037；2.农业部南京农业机械化研究所，南京 210014)

0 引言

在雕刻、切削领域，五轴联动数控系统具有高速、高精度加工能力，逐渐成为市场主流技术。木工数字雕刻系统在现有雕刻系统基础上，技术和功能有全方位的提升，可彻底改变复杂型面雕刻长期依赖于少数手工艺人的传统作业方式，基本丢弃刻刀，使产品艺术雕刻设计与制造的数字化、精良化、敏捷化和智能化成为现实[1]。

本文所研究的龙门式木工数控雕刻机是国内自主设计，采用方形空心型钢组合焊接结构，适应于批量或高精度加工。综合比较国内外先进的雕刻技术，主轴采用双摆动电主轴，完成进给导向系统设计；并进一步利用三维仿真软件完成雕刻机关键部件静刚度优化，既满足木工雕刻的精度，又保证合理的雕刻机生产成本。

1 龙门式木工雕刻机结构设计

1.1 龙门式木工雕刻机机械结构设计

综合国内外木工雕刻机与五轴联动数控系统的研究技术，分析比较优缺点，并依据客户设计需求及产品定位，木工数控雕刻机选择龙门定梁定柱、工作台移动式框架结构，配合双摆动电主轴、高速精密的进给单元技术，达到高速、高效、低成本完成木材复杂曲面雕刻的目的。

龙门式五轴联动木工数控雕刻机主要进行大型板材的雕刻加工和复杂立体雕刻，龙门跨距、高度以及工作台尺寸都较大。通过市场调研以及多种方案验证比较，综合考虑木工雕刻机属于高速轻载加工、切削性能要求比金属切削低等特点，木工雕刻机机架采用方形空心型钢堆叠焊接结构。雕刻机机械结构如图1所示。

图1 龙门式木工雕刻机机械结构

雕刻机采用方形空心型钢堆叠焊接机架结构，节能效果好，通过合理布置肋板，可整体提高木工雕刻机机架零件的强度和刚度，减轻雕刻机重量。在机架三维建模基础上，采用有限元法对雕刻机机架结构进行CAE仿真分析，校核机架结构是否满足木工雕刻设计需求，提出改善方案，最终完成龙门式木工数控雕刻机机械结构设计。

1.2 进给传动系统设计与校核

龙门式木工数控雕刻机的进给传动系统主要由数控系统发出程序指令（位移、速度等参数），经驱动装置和机械传动机构，驱动木工雕刻机的工作台、滑枕等末端执行机构，实现快速进给运动，完成木工雕刻任务[2]。进给系统工作原理如图2所示。

图2 进给系统工作原理图

为保证木工雕刻机的进给精度，X、Y、Z三轴均采用大规格的滚珠丝杠传动系统，由于龙门式雕刻机工作跨距较大，滚珠丝杠传动系统均采用双螺母预紧方式，搭配双边线性滚动导轨副，使螺杆受载均匀，减少自重变形。

X、Y轴切削速度工况相近，采用同规格的滚珠丝杠进给系统，利于实现雕刻机同步运动，方便木工雕刻机后期装配。为阻止Z轴运动部件的下滑[3]，结合木工雕刻机的结构特点，选用高压气体配重系统。具体如图3所示。

图3 Z轴高压气体配重系统示意图

根据丝杠设计公式，并查阅机械设计手册，X、Y、Z三轴丝杠设计参数选择具体如表1、2所示。

表1 Z轴丝杠参数选择

表2 X、Y轴丝杠参数选择

通过上述滚珠丝杠结构设计、公式计算，确定X、Y、Z轴传动方案以及主要设计参数，并对设计结果进行静动载荷校核以及临界转速校核，所选滚珠丝杠型号满足龙门式木工雕刻机的设计要求。

1.3 电主轴设计

主轴采用双摆动（A/C）电主轴，主要特征是将电动机置于主轴内部，直接驱动主轴，实现电动机、主轴一体化的功能，实现“零传动”[4]。为保证木工雕刻加工高可靠性、高稳定性以及高精度运行，选择意大利HSD公司的HS450双摆头与ES915电主轴组合，是HSD公司专门生产的木工系列电主轴。该产品C轴为垂直旋转结构，可以执行铣削、镗孔等精加工。

扭矩和功率的计算：

其中，T=扭矩；W=功率；rpm=最低每分钟转速。

双摆动电主轴的主要技术参数如表3所示。

表3 电主轴主要技术参数

2 雕刻机关键部件静刚度优化

采用有限元单元法对雕刻机进行仿真分析，首先应依据木工雕刻机的机械结构，建立雕刻机的几何模型。龙门横梁CAE分析的建模对象是龙门横梁及其承载部件。

2.1 龙门横梁CAE模型建立

采用Pro/E、HyperMesh、ANSYS 完成模型建模以及前后处理工作，结合各自优缺点，可大大提高分析过程的效率，其求解也符合实际需要[5]。

初步设计：龙门横梁及相关部件采用方形空心型钢结构，厚度为12mm；取龙门横梁整体结构建立模型，网格划分采用智能划分与手动划分相结合，得到最精准的Mesh结果。螺栓采用RBE2以及BEAM单元进行仿真。模型经检查没有出现畸变单元。CAE模型如图4所示。

2.2 龙门横梁静力学分析

1）工况分析

木工雕刻机电主轴精加工时切削力可用如下公式计算[6]：

图4 龙门横梁CAE模型图

式中：F为切削力，单位N；

PZ为电机的额定功率，单位KW；

η 为主传动系统的效率，η=0.98；

nc为主轴转速，单位r/min ；

DC为 计 算 直 径，单 位m m，DC=(0.5～0.6)Dmax，Dmax-最大加工尺寸。

在恒定的重力作用下，根据木材切削力大小和方向的不同将龙门横梁静力学分析工况分为以下四种：

（1）工况1：X方向1000N的切削反力；

（2）工况2：Y方向1000N的切削反力；

（3）工况3：Z方向1000N的切削反力；

（4）工况4：根据典型木工精加工经验得到的切削反力F2，其中可分解为FX、FY、FZ三个方向作用力，经上述公式计算为900N。

在上述4种工况下分析龙门横梁等关键部件的应力变形情况。

2）计算结果分析

有限元模型在上述载荷作用下，采用ANSYS求解，对龙门横梁进行有限元静力学分析。得出结论：结构采用12mm壁厚的空心型钢时，结构大部分节点应力较小，主要出现在连接部等力集中的区域，最大值为12.0Mpa，变形量较大，主要发生在Z轴箱体端部，最大值为47.2μm。

为进一步提高木工雕刻机加工精度，对龙门横梁等结构进行静刚度优化设计。在Z轴箱体空心型钢壁厚为12mm的基础上，合理布置加强筋，具体如图5所示。

图5 加强筋布置示意图

在同等边界约束、载荷工况下，进行结构静刚度分析。具体数据比较如表4所示。

表4 Z轴箱体优化前后最大变形数据对比

通过数据比较，得出结论：在相同的12mmZ轴箱体壁厚情况下采用合理的加强筋，龙门横梁结构实现静刚度优化，大大提高了木材加工精度。龙门横梁及其承载部件的设计完全满足木工雕刻的加工要求，并且保证合理的雕刻机加工制造成本。

3 结束语

龙门式木工雕刻机将先进的双摆动电主轴技术引入到木工雕刻领域，为实现木工雕刻高精度、高效率的运行，提供了理论依据。

本文首先设计了雕刻机的机械结构，在Pro/E仿真平台基础上，建立龙门式木工数控雕刻虚拟样机。应用有限元技术完成雕刻机龙门横梁的静态性能分析。针对静力学分析的薄弱环节，提出改善方案，为样机试制提供理论依据。

[1]陈宇拓,邓背介,韩旭里.木工数字化智能雕刻系统关键技术的研究[J].CAD/CAM与制造业信息化,2007,3:128-131.

[2]郭倩.数控铣床进给系统设计[J].信息技术,2012(3):187-189.

[3]彭云平,李莉敏,朱宁峰.立式机床垂直运动部件重力平衡创新设计[J].机械设计与制造,2009(3):12-14.

[4]Brandenburg.G,Bruckl.S,Dormann.J.Comparative investigation of rotary and linear motor feed drive systems for high precision machine tools[C].International Workshop on Advanced Motion Control,AMC,2000:384-389.

[5]蒋素清.综合应用Pro/E、HyperMesh 和ANSYS 软件进行有限元分析[J].南通职业大学学报2009,23(2):102-104.

[6]李黎.木材切削原理与刀具[M].北京:中国林业出版社,2005,8:30-32.