1、一种四轴立体雕刻机旋转轴同步性问题的探讨与解决摘要：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。 关键词：数控雕刻机；齿轮齿条传动；四轴同步控制 引言 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 20
2、0mm,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，
3、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
4、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。 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
5、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
6、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
7、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。 3 结语 针对 VC0212X4 四轴数控雕刻机加工中存在的问题，从机械结构设计，装配工艺要求，工装夹具等方面入手，综合考虑了各方面的影响因素，比较分析了齿轮齿条和蜗轮蜗杆传动的优缺点，同时查阅相关专利文件的技术说明和权力要求，提出了合理的解决方案，解决了实际生产中的问题。 通过这款机器的技术改进，带动了其他各类机器的质量整顿和技术改进，提高了管理水平，产品质量有了很大的提高，生产的产品获得了国内外客户的好评。 参考文献： 1龚志远.小型雕刻机的设计(J). 组合机床与自动化技术,2011(2):100-102. 2孙恒主编.机械原理第七版.北京：高等教育出版社，2005 3李士弘等.一种小型数控雕刻机机械结构优化设计(J). 数字技术与机械加工工艺装备,2010(2):11-14.
