五轴联动木工数控雕刻机结构的仿真分析

宋丽莹

（山东省普拉特实验室科技有限公司，山东 聊城 252000）

目前，在工艺品设计、模具模型、印刷电路板、广告设计等多项领域中均运用了五轴联动雕刻机技术，数控雕刻机即CNC雕刻机，采用了机械化、自动化的生产运行方式，能够利用电脑式加工计算需要计算的字体以及任意图案等。

1 五轴联动木工数控雕刻机结构设计

本次研究的五轴联动木工数控雕刻机主要由执行机构、驱动装置、控制系统等组成，拥有强大的加工功能，不受产品的外形限制，可以在所需加工产品的任意表面进行任何形状的切割和打孔作业。该脱离传统，采取简单易学的编程模式。（如图1）。

图1 五轴联动木工数控雕刻机行业技术参数

要求外观完好，结构布局与接口设计合理。运动范围：X轴：1300mm；Y轴：2700mm；Z轴：570mm；C轴：±360°； B轴：±100°；最大速度：X轴：55m/min；Y轴：65m/min；Z轴：30m/min；C轴：37.5r/min；B轴：37.5r/min；重复精度：±0.05mm；负载：额定负载：10kg；最大负载：20kg；主机重量：2400kg；外形尺寸：4000×1780×2120mm最大工作范围：1500×700×430mm。技术参数见表1。

2 五轴联动木工数控雕刻机电气设计

2.1 电气系统

设备上电后，先用手持器对各轴进行手动测试；启动风机，观察出风口以确定电机的正反转，如果反转应立即调整；使用后请定期检查设备运行情况；启动主轴，检查旋转方向，如果反转应立即调整；开启吸盘，检查开关是否正常。周围环境温度：-10～45℃不结冰，周围环境湿度：50%RH以下，储存温度：-20～＋65℃，环境：室内无腐蚀性气体、可燃气体、油雾、尘埃等，海拔：高度海拔2000m以下。

2.2 电源设计

工厂电源电压不足的可能会影响马达的输出和控制器

表1 五轴联动木工数控雕刻机技术参数

的功能；连接这台机器到工厂电源的正确电压是非常重要的，只能使用独立的电源；电源要求如下：AC380V±10%50Hz±1%。设备使用电源为交流三相380V50HZ外接电源。

3 五轴联动木工数控雕刻机结构仿真分析

3.1 监控IO的输入输出状态

此界面下可以快速直观的了解各输入I点或输出O点的实时状况及监视。当对应的I，O点的字幕变为绿色时，就说明此信号已经有输入或已经输出。此界面下同时还可以监控伺服系统的实时状态。

3.2 参数查看或修改状态

在参数1状态按F4可以进入软体版本按F5可以进入。修改参数前快速双击自动/单节键进入，输入“密钥”，然后，按输入键，接着，按启动键开启参数修改功能，回到参数页面就可以进行参数修改。在报警说明内可以查询系统错误解说。

3.3 刀具长度补正

如果正常跑加工程序时系统有报Err.50警讯，就是加工程序里调用工作坐标系工件坐标系的修改：通过“∧”“∨”“＜”“＞”键来移动光标来缺定各组别及各轴的位置，然后，直接键入所需的坐标值，按输入键输入，以实现坐标系的微调。此次研究按照GB/T12642-2001工业机器人性能技术条件及其试验方法、JB/T10825-2008工业机器人产品验收实施技术条件中规定的相关规定进行设计与运行。

3.4 教导模式

使用多功能手摇轮摇动把机器移动到要钻圆孔的中心点，然后，把光标移动到钻圆孔指令的单节按F5按键，然后，再输入要钻圆孔的半径，就完成了钻圆孔取点的教导。

3.5 手动状态

单击手动/原点按键进入手动状态，从F1到F5来选择对应的轴向。然后，按上下翻页按键驱动所选的轴向来操作。也可以用多功能。手摇轮来选择对应的轴向，然后，通过顺时针或逆时针摇动来驱动轴向移动。通过操作面板的M键是风机启动与停止的切换，N键是主轴电机的启动与停止的切换，V键是左吸盘启动与停止的切换，W键是右吸盘启动与停止的切换。

3.6 加工程序编辑状态（如图2）

编辑模式下，可对当前程序进行编辑，修改。

图2 机器人的结构原理

在XY平面加工圆弧，如果是用三点坐标来教导得用G05，G06来编辑，G05为顺圆，G06为反圆。在XZ平面加工圆弧，如果是用三点坐标来教导得用G25，G26来编辑，G25为顺圆，G26为反圆。在YZ平面加工圆弧，如果是用三点坐标来教导得用G35，G36来编辑，G35为顺圆，G36为反圆。在XY平面加工圆弧，如果是用一点坐标来教导得用G09，G11来编辑，G09为顺圆，G11为反圆。在XZ平面加工圆弧，如果是用一点坐标来教导得用G29，G31来编辑，G29为顺圆，G31为反圆。在任意平面加工圆弧用G48指令，此条指令可以代替以上G05，G06，G25，G26，G35，G36指令以及终点圆弧G09，G11，G29，G31，G39，G41指令来进行圆弧加工作业。常用指令：G00：快速移动。G01：直线移动，G12 P15：左工位启动信号，G12 P16：右工位启动信号，M12：右吸盘开，M1右吸盘关，M14：左吸盘开，M15：左吸盘关，M30：程序结束，M99：程序循环，M18：计数开始，M19：计数清零。HUST H6D/H9D系列控制器，如果在执行上产生错误时，会在LCD画面上显示错误信息。以下仅就HUST H6D/H9D系列控制器，可能产生之错误信息及其排除方式做一解释。 ERROR讯息说明如表2。

表2 ERROR讯息说明

检查MCM参数设定值是否正确：或进入"MDI"模式，执行"G10 P1000"指令，清除参数后重新设定。伺服位置回路系统产生错误。控制器送的命令太快，伺服马达或主轴响应无法配合；控制器没有收到回授信号。排除方法：请检查参数533项，出厂设定值=4096，请检查程序中，F值设定是否过大；分辨率设定是否错误；检查机台或马达是否受阻。检查接线。

4 结语

本文提出了五轴联动数控雕刻机结构的设计与运行方式，双自由度转动工作台刚度具有较高的使用刚度，提升了其工作范围，可实现双自由度方向运动。五轴联动雕刻机机械本体布局设计较为合理，结构设计较为紧凑，可行性较强，运用价值较高。