一种四轴立体雕刻机旋转轴同步性问题的探讨与解决

2016-06-12南京增材制造研究院发展有限公司王闯道

中国机械 2016年2期

南京增材制造研究院发展有限公司|王闯道

四轴立体雕刻机主要应用于圆柱形木材的花纹雕刻。由计算机，控制器和主机三部分组成。雕刻机上的雕刻头，通过按加工材质配置的刀具，对固定于主机旋转轴上的加工件进行切削，即可雕刻出各种立体浮雕图形及文字。本文结合VC0212X4四轴数控立体雕刻机的结构特点，对四个旋转轴不同步的原因进行分析，提出了齿轮齿条的结构以及对质量控制的方法。数控雕刻机；齿轮齿条传动；四轴同步控制

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VC0212X4数控木工雕刻机是一种四轴三维立体雕刻机，适用于楼梯扶手，花形立柱等木材的加工,具有加工效率高，装夹便捷，适用范围广等特点，最大可以加工直径200mm,长度1200mm的工件。该机床的四轴结构如图1所示。

1原雕刻机的结构特点和存在的问题

最初设计的该型号雕刻机是通过四个步进电机各自带动传动比为1:3的同步带结构，从而实现控制四个旋转轴旋转的动作。该结构中4个步进电机各自独立控制4个轴运动，步进电机的运动由数控系统控制。但是在实际加工中经常会遇到客户反映四个旋转轴不同步的问题，具体表现在加工的零件花纹深浅不一，圆周结合处有隔挡等情况。根据客户反映的情况结合现场调试人员和工程师的分析，大致可以从以下几个方面来说明四个轴产生不同步的原因：

1.1步进电机本身存在的误差。由于考虑成本的原因，该机床所配的电机比

较低端，从数控系统发出信号到步进电机动作的过程中，由于电机自身的误差，无法保证四台电机的启动速度、转动角度，转动惯量都同步，这是产生四个旋转轴不同步的首要原因。

1.2同步带结构的误差。电机与主动带轮连为一体，电机动作时带动同步带

并通过同步带带动与从动带轮连为一体的旋转轴旋转。由于带轮和同步带加工的误差，在传动的过程中无法保证传动比和理论上完全一致。此外在机床进行加工的过程中，电机需要不断的变换正反转的动作，由于同步带与带轮之间的间隙导致了动作的滞后性，并产生反向间隙。这是产生四个旋转轴不同步的主要原因。

1.3机床装配过程中产生的误差。由于装配工人的水平有高低、装配方式各

有不同、配套零部件的误差等原因都会导致机床的精度降低，就有可能无法保证四个轴的同步性。

1.4加工件装夹的误差。VC0212X4四轴数控雕刻机加工的对象是柱形木材

装夹时木材的一端抵住旋转轴的顶尖，另外一端用尾架顶住。木材材质较软，加工变形大，装夹时产生的误差也比较大。

图1

2旋转轴技术问题的探讨与解决方案

综上所述，为解决VC0212X4四轴数控雕刻机旋转轴不同步的问题，我们需要从前面分析的几个方面来考虑解决方案，具体如下：

2.1重新设计旋转轴的机械结构。利用齿轮齿条结构代替四个电机通过同步

带带动旋转轴的结构，新的结构如图2所示。

新设计的结构只需要一个步进电机，步进电机通过同步带结构带动主动旋转轴旋转，主动旋转轴上的齿轮和齿条啮合，齿条安装在线性导轨上，齿条左右运动，从而带动其余三个从动旋转轴旋转。在新的结构中，电机和同步带结构从原来的四套减少到一套，这就避免了因为电机和同步带结构带来的同步性不一致问题。同时我们根据市场导向，结合国内国外市场的特点，选择合适的电机，控制电机自身的精度，同步带和同步带轮也选用国内知名厂家的产品，线性导轨选用台湾知名品牌，齿轮齿条选用进口高精度的产品。这些措施从根本上改善了机床的精度，保证了四个旋转轴的同步性。

在设计的过程中综合考虑了各种传动机构，选定了齿轮齿条和涡轮蜗杆两种传动机构，针对该雕刻机的加工特点和精度要求，在查阅专利文件同时分析比较了两者的优缺点后选择了齿轮齿条的传动结构。

涡轮蜗杆机构特点：传动比大，结构紧凑，工作平稳，冲击小，无噪音；蜗杆传动具有自锁性；涡轮蜗杆齿面滑动速度大，摩擦与磨损严重，传动效率低。发热量大，齿面容易磨损，成本高，为了散热和减小磨损，常需贵重的抗磨材料和良好的润滑装置，成本较高；蜗杆的轴向力较大。

齿轮齿条机构特点：承载力大，传动速度高，齿条可以长距离安装并且高速运转，齿条齿轮传动结构简单。加工安装精度差，传动噪音大，磨损大。

2.2提高装配质量的控制，制定严格的装配工艺文件，明确装配工艺要求，关键部件的装配选用熟练工人进行操作，严格检验装配精度。

2.3针对装夹工件产生的误差，我们在每个旋转轴的顶尖外围增加了三个小顶尖，从而增加木材与旋转轴的接触面积，尽量减少装夹误差。

通过一系列的技术改进和质量控制，VC0212X4四轴数控雕刻机旋转轴同步性问题得到了很好的解决，产品质量有了很大的提高。