雕刻机的三维建模研究

王钊

摘要：由于小型雕刻机具有成本低，体积小，加工快捷方便，小型雕刻机已经广泛应用在多个领域。小型雕刻机的三维建模是设计雕刻机的关键内容，通过对雕刻机机架部分的三维建模可以直观得到机架部分三维图形，可以直观地判断该部分设计是否合理，显著缩短时间，提高效率。

关键词：三维建模；图形；机架

小型旋转雕刻机的出现为现代人对生活各个方面需求的物质质量要求越来越高、品种越来多样化、产品越来越小型化和精密化提供了加工条件。

随着社会的快速发展，人们对生活各个方面需求的物质质量要求越来越高、品种越来多样化、产品越来越小型化和精密化，就要求制造业提供更好的加工条件和环境。在小型金属产品的加工中，普通的机床（车床、銑床、磨床、键床等等）加工也能满足要求，但是生产效率低、耗费时间长、劳务开销高等而不能满足市场需求，将传统机械加工和数控自动化相结合进行一次装夹就可以完成大部分工序甚至全部工序已成为小尺寸金属零件加工行业发展的大趋势，小型旋转雕刻机的出现就可以满足这种需求。

根据雕刻材料和运用领域的不同，雕刻机可分为木工雕刻机、广告雕刻机、石材雕刻机、模具雕刻机、激光雕刻机等，它们的加工性能要求出入很大，对机床和数控系统的要求也各不相同。模具雕刻机的加工材料是金属，机床刚性要求较高；广告雕刻机加工料是塑胶板或有机玻璃等非金属，对机床刚性要求相对较低。

根据运动控制联动轴数的不同，雕刻机分为三轴、四轴、五轴等雕刻机。三轴雕刻机可以控制三个坐标轴联动，完成常规曲面实体雕刻；四轴雕刻机可以联动三个移动轴和一个旋转轴（轴），用来完成形状相对复杂产品的雕刻加工（1）；五轴雕刻机实现联动三个移动轴、一个旋转轴（轴）和一个摆动轴（轴），来完成更加复杂的雕刻加工。

数控雕刻机可用来加工木材、亚力克、塑料、伐木等软质材料，雕刻加工过程中刀具的切削力较小，机床的刚性要求相对较低；数控雕刻机中的模具雕刻机、五金雕刻机等可以加工锅、钢材等金属零件产品，但是他们多针对加工中、大型的零件开发，机床的刚性要求高，加工精度高。在本项目中设计的机床适合加工多种材料，工件规格多为中小型产品，机床的刚性和精度均有一定的要求。

小型旋转雕刻机是一种三维的数控雕刻机床，用来完成小型五金件、小型零件、小型模具、小型玉器和小型工艺品的加工。雕刻机床身主要架构采用铸造件，门式结构，机床轴方向的直线运动带动轴拖动板进行左右移动，轴拖动板的直线运动带动刀具系统进行上下移动，轴带动工件旋转运动，刀具系统中的电主轴带动雕刻刀具进行旋转切削，配合机床的前后、左右、上下移动从而完成雕刻加工。

根据市场需求，依照高效、可靠、方便的原则，同时借鉴国外同类产品设计的优点进行小型旋转雕刻机开发，它由机械系统和控制系统两部分构成。（机械部分的任务是完成机床的支撑，就像人体的骨架和器官，主要包括：机架、刀具系统、运动部件等机械部件。

机架主要包括：横梁、支臂、底座和工作平台，刀具系统主要包括：夹持部件、电主轴、刀具和拖动板等部件，运动部件主要包括：丝杠、滑块、导轨、轴承以及轴承座等部件。（控制部分的任务是完成机床的进给运动和切削加工，就像人体的神经系统，主要包括：伺服系统和检测系统等部件。伺服系统主要包括：伺服电机、驱动器和运动控制卡，检测系统主要包括位移传感器。运动部件和伺服系统的配合实现机床一轴方向的直线移动，刀具系统和伺服系统实现机床的切削加工，机架的支撑作用、切削加工和四个加工轴的移动共同配合实现机床的雕刻加工。

机架是数控机床床身重要的支撑部件之一，对机床的精度有着十分重要的影响。常见的数控机床有卧式和立式结构，对于数控雕刻机主要采用立式结构。在立式结构机床中有龙门式和悬臂梁式，根据加工材料是硬质材料和快速雕刻，会产生较大的切削力和机床振动，采用龙门横梁式结构。龙门式横梁结构可以分为工作平台固定在底座上的移动式龙门横梁和龙门横梁固定在底座上的固定式龙门横梁。由于移动式龙门横梁结构机床主要用在加工大型工件上，它的切削量相对比较大，在加工时易产生较大振动，需要采用固定的工作平台，来增强吸振性能，减小振动所带来的加工误差。固定龙门横梁结构常用于中小型工件加工，本项目研究机床的加工对象是小型工件，所以采用固定式龙门横梁的机架结构。

最终确定小型旋转雕刻机的机架结构为：横梁、支臂和底座三者通过螺栓固定在一起的整体机架，材料为铸铁。

横梁属于机床支撑部件，受刀具系统的重力和切削力的共同作用，空间受力复杂，横梁的变形会影响加工精度，因此该部件设计要求具有足够的刚度、强度和良好的抗振性，并且在满足横梁结构尺寸的前提下尽量减轻其质量。根据机床的加工特点进行设计，小型旋转雕刻机的横梁结构初步设计为类似于“工”字形式的结构。根据需要安装轴方向的伺服电机和传动系统，在横梁的两端进行封闭。考虑铸造件的结构特点，在横梁的背面进行挖空处理。初始横梁的基木尺寸如下：总体尺寸前面挖空尺寸，背面挖空尺寸经过挖空处理横梁的壁厚为，则横梁结构设计如图所示。

支臂属于机床支撑部件，直接支撑横梁，固定在底座上，刀具系统的重力、横梁的重力以及切削力都传递到支臂上，如果支臂发生变形会放大由于横梁变形和振动引起的加工精度误差，因此该部件设计要求具有足够的刚度、强度和良好的抗振性，并且在满足支臂结构尺寸的前提下尽量减轻其质量。考虑到整体机架是铸造件，设计为如图所示结构，具体尺寸为在支臂的上下两端封口处都切除直径的圆孔，便于控制线路安装。

底座用来支撑整个机床，承受整个机床所有零部件的重力。刀具的切削力通过刀具、夹持件、横梁、支臂最终传递到底座上；工件被加工时切削反作用力通过夹持件、工作平台和滑块导轨结构传递到底座上，致使空间受力复杂，这就要求底座要有很好的吸振和抗振性能。由于支臂固定在底座上，可在底座的两边进行固定支撑支臂，并在两端设计螺栓装配孔及过线孔。为了让工作平台有个很好的支撑，底座上加凸台来支撑轴运动方向的导轨及导轨上滑动板；同时考虑轴传动部件的安装，对底座凸台背面进行切除挖空处理，这样有以下几个好处：节约材料、便于安装、铸造便于起模。