简易型三维自由轨迹数控工具机的设计研究

张翔宇 冯锋 程越

摘 要：针对版画，木雕，等传统工艺品行业缺乏机械化加工而导致产量低下的现状，该设计为这类传统产业提供机械化方案，机器名为三维自由轨迹数控工具机，可用于雕刻，绘制。整机采用三轴龙门式设计，方便材料的运送；X以及Z轴采用单丝杠，双导轨布局；Y轴采用双级链轮布局，配合摆臂式上下料机构可与传送带相连接；夹具采用真空吸盘组成的2X2矩阵布局，方便快速装夹。采用CNC USB Controller软件，支持国际标准G代码，且拥有视觉处理系统，可将图片自动编码，在传统工艺品流水线上有着不可比拟的优势，非常值得推广使用。本文将阐述三维自由轨迹数控工具机的设计研究过程。

关键词：三维 ；数控 ；工具机

1 主要功能和性能指标

三维自由轨迹数控工具机主要功能：材料在候料区与流水线之间的取送；材料的传送与加工；平面雕刻；立体雕刻；平面绘画；声纳检测；激光测量；激光烧蚀；喷漆；点胶；图片直接编程加工。技术参数：尺寸：1000mm X 500mm X 680mm；重复定位精度：0.05mm；行程：X轴330mm Y轴470mm（加工）950mm（运送）Z轴53mm；控制系统：PC-CNC USB Controller-驱动器；电源：12V、24V、220V。

2 设计方案

2.1 机械结构设计

2.1.1 主体框架设计

为了实现上述工具机设计之要求，在总结加工对象特征后，我们发现，版画以及木雕以平面为主，主体尺寸不大，利用四轴或五轴工作坐标体系价格昂贵不利于产品开发，其次会造成使用者操作不便，所以三轴工作坐标体系为宜，基于上述理论基础提出了如下设计方案：直角坐标式工具机；关节式工具机；龙门式工具机。

直角坐标式工具机，具有高可靠性、高速度、高精度等特点，且拥有极强的结构刚度，可用于恶劣的环境，可长期工作，拥有便于操作维修的优点，但是为了保障结构刚度以及机构运行的稳定性，通常会利用多组轨道进行结构加强及运动约束。所以直角坐标式工具机工作范围较为固定，而且对工作区域改进难度较大；关节式工具机。具有高自由度，可加工复杂形状，精度高，末端可夹装多种工具等优点，但是关节式工具机回旋半径大，所以占地空间较大，且其结构复杂，有故障率较高的风险，关节式工具机的造价均较为昂贵，所以有较大弊端；龙门式工具机，具有加工区域大，可允许大尺寸的工件进行加工作业的特点，并且，严格的分类，龙门式属于直角坐标式中的一类，所以龙门式同样有高可靠性、高速度、高精度，拥有极强的结构刚度，便于操作维修的特点。

综上所述，由于龙门式工具机具有结构简单，便于设计及加工的特点，并且在实现设计要求的前提下拥有的优点远大于其结构局限性，因此我们决定采用龙门作为主体框架。

2.1.2工作轴及传送机构设计

基于实际需求，我们采用三轴工作坐标体系，由于这是一套非常成熟的设计，所以在机构设计方面借鉴了现有的设计，方案论证阶段，有如下两套方案：将三轴全部复合于龙门上；只复合X及Z轴于龙门上。

针对要并联或串联于流水线的需求，我们进行如下设计：带轮虽然有运送作用，但带轮传送机构会有打滑以及老化的缺点；而链轮有固定的齿数，有确定传动比，配合滚子链条，以及步进电机精确细分数，符合加工所需要的精度，此机构亦可起传送作用。X以及Z轴采用螺距为1mm的丝杆，配合细分数为4的步进电机（即400个脉冲，螺杆旋转360度），利用比例关系可知：一个脉冲旋转0.9度，转换为直线距离为0.0025mm，所以，复合需求。

基于上述设计及分析，最终决定X以及Z轴复合于龙门上，Y轴单独拿出。完成总体结构的设计。

2.2 上下料机构设计

上下料机构又称为给料机构是物料搬运机械化系统中的辅助设备。按工作构件的运动方式，给料机构可分为3种： 直线式机构，结构简单，适用于多种物料；但外形尺寸较大，给料的封闭性差，给料量精度底，且输送带易磨损，不宜工作于粒度大、粉尘大的工作环境；

回转式机构，其运转平稳可靠，可调节给料量，使用较为方便，并且耗能少，但结构比较笨重，只适用于粘性较小的粉粒状物料；往复式，利用回转偏摆进行物料的输送，其结构简单，制造方便。综合考虑各种因素后，我们采用了简单可靠往复式给料机构。具体设计如下：上下料机构由固定机架和活动连杆组成。机架与连杆通过螺杆相连，螺杆由直流12V电机带动作旋转运动，并带动连杆做180度摆动。

2.3 夹具设计

工件的加工有一定阻力，如果工件在加工时没有处于固定状态会造成加工精度差，甚至工件报废，所以需要有夹具固定。针对夹具的设计要遵循手动、气动、液压、伺服的依次优先选用原则所以有如下思路：机械夹具，利用手动操控，安装于链条上依靠夹具螺杆的旋转以及凸轮机构的锁紧作用控制夹板的张紧程度，实现工件的夹持；气动夹具，安装于链条上，利用汽缸推动夹板，利用汽缸内产生的高压产生气锁实现工件的夹持；液压夹具，安装于链条上，利用液压油产生推力，推动夹板，依靠液锁效应实现工件的夹持。通过思路整理，以及实际的需求，我们发现：机械夹具质量较重，要依靠手动操控，不适合自动上下料夹紧的需求；气动夹具依靠气压推动，可调节余地较差，且夹持力稳定性不佳；液压夹具由于需要利用液压传动，而液压管的密封性是一个技术性难题，可能会出现漏液的现象，且其附加的设备成本高，质量大。由于目标工件以板材为主，而吸盘对于平面的吸附能力极强，因此，使用真空吸盘，按2X2矩阵布局，既可以实现待加工材料的快速吸附，又可以产生足够的力防止工件的移动。

2.4 气动设计

采用真空吸盘，所以需要对气动管路进行设计，总体方案如下：

图1 气动系统原理

1—气源 2—气源处理二联件 3— 直流12V二位五通单控电磁阀 4—真空发生器A B 5—真空吸盘组C D

如图2-1为气动系统原理图，该系统采用0.7Mpa气源作为工作气压，采用8X5的PU气动软管，作为压缩气通路，二位五通电磁阀接口3、5及真空发生器的排气口均安装消声器，用以最大限度降低噪声。

该系统共含2个真空发生器，空气经过空压机过滤压缩以及气源处理后输送给电磁阀。通过二位五通单控电磁阀控制压缩空气的流向，将压缩空气分时分别的输送给两个真空发生器A和B，真空发生器B与真空吸盘组D连接，该吸盘组共含2个真空吸盘，作为上下料模块的抓取机构，并实现两套抓取机构的交替工作；而真空发生器A与真空吸盘组C连接，该吸盘组为2X2矩阵，共含4个真空吸盘，提供足够的吸力，使工作台上的工件固定。具体计算如下：

W ：吸力N； P：真空度kPa；C ：吸盘面积 cm2

通过查表最大真空度为-85.0kPa，真实真空度为-67.5kPa，吸盘面积为 ，通过计算可产生21.26N的吸力，由于是纵向加载因此还要加上待加工工件的重力。切割时不同材料所产生的力不同，从2N—15N不等，但均小于21.26N。启动气动系统依靠指令实现，具体原理如下：将气泵开关接于控制板之上，实现利用指令发送电脉冲开启电磁阀，进而开启气泵。

2.5 电路及控制系统设计

2.5.1 硬软件概括

三维自由轨迹数控工具机运动控制器与大部分电机驱动器兼容。使用电脑的USB端口。

通过实地分析，综合考虑连接便捷性，更换快捷性，检查简单的原则，我们采用了如图接法。

通过便携电脑将编辑好的数控程序通过usb传输至控制器，利用51单片机进行信号分送，分别送至X、Y、Z三轴驱动器上，对两台42步进电机以及一台57步进电机进行运动控制。

2.5.2 电源功能

NET-50D 51W +5V3A +24V1A +12V1A三路电源，合理分布产生+5V、+12V、+24V电压。

图2 电路接法

3 创新点及应用

3.1 创新点

本作品利用USB进行数据实时传输，方便且快捷；本作品利用合理人机交互系统，针对零基础人员设计，操作简便；本作品利用真空吸盘作为工作台夹具，不会对工件产生机械损伤；本作品利用多级链轮系统与Y轴复合，既可以进行物件传送又可以进行加工作业；本作品利用减速电机带动杆件摆动结合吸盘进行上下料，快速方便，安全可靠。本作品利用卡圈式综合夹具，可复合多种加工工作头实现一机多用。预留改造端口，可以通过实际需求进行改良。

3.2 应用

本作品可用于多数模型加工，尤其擅长平面绘制与雕刻。非常适合在版画，木雕，石膏模型等传统工艺品行业取代人力加工工艺产品。而且其3000元以内的低廉价格远远低于现在市场上类似的产品，并且三维自由轨迹数控工具机功能强大，可胜任多种加工，在具有市场前景的传统工艺品流水线上有着不可比拟的优势，非常值得推广使用。

图3 三维自由轨迹数控工具机

参考文献：

[1] 李庆军，许再富，夏永梅，等.山姜属植物花柱卷曲性传粉机制的研究[J].植物学报.2001（04）：364-369.

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