簡易型三維自由軌跡數(shù)控工具機(jī)的設(shè)計(jì)研究

張翔宇 馮鋒 程越

摘 要：針對(duì)版畫，木雕，等傳統(tǒng)工藝品行業(yè)缺乏機(jī)械化加工而導(dǎo)致產(chǎn)量低下的現(xiàn)狀，該設(shè)計(jì)為這類傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)提供機(jī)械化方案，機(jī)器名為三維自由軌跡數(shù)控工具機(jī)，可用于雕刻，繪制。整機(jī)采用三軸龍門式設(shè)計(jì)，方便材料的運(yùn)送；X以及Z軸采用單絲杠，雙導(dǎo)軌布局；Y軸采用雙級(jí)鏈輪布局，配合擺臂式上下料機(jī)構(gòu)可與傳送帶相連接；夾具采用真空吸盤組成的2X2矩陣布局，方便快速裝夾。采用CNC USB Controller軟件，支持國際標(biāo)準(zhǔn)G代碼，且擁有視覺處理系統(tǒng)，可將圖片自動(dòng)編碼，在傳統(tǒng)工藝品流水線上有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)，非常值得推廣使用。本文將闡述三維自由軌跡數(shù)控工具機(jī)的設(shè)計(jì)研究過程。

關(guān)鍵詞：三維 ；數(shù)控 ；工具機(jī)

1 主要功能和性能指標(biāo)

三維自由軌跡數(shù)控工具機(jī)主要功能：材料在候料區(qū)與流水線之間的取送；材料的傳送與加工；平面雕刻；立體雕刻；平面繪畫；聲納檢測(cè)；激光測(cè)量；激光燒蝕；噴漆；點(diǎn)膠；圖片直接編程加工。技術(shù)參數(shù)：尺寸：1000mm X 500mm X 680mm；重復(fù)定位精度：0.05mm；行程：X軸330mm Y軸470mm（加工）950mm（運(yùn)送）Z軸53mm；控制系統(tǒng)：PC-CNC USB Controller-驅(qū)動(dòng)器；電源：12V、24V、220V。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 主體框架設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)上述工具機(jī)設(shè)計(jì)之要求，在總結(jié)加工對(duì)象特征后，我們發(fā)現(xiàn)，版畫以及木雕以平面為主，主體尺寸不大，利用四軸或五軸工作坐標(biāo)體系價(jià)格昂貴不利于產(chǎn)品開發(fā)，其次會(huì)造成使用者操作不便，所以三軸工作坐標(biāo)體系為宜，基于上述理論基礎(chǔ)提出了如下設(shè)計(jì)方案：直角坐標(biāo)式工具機(jī)；關(guān)節(jié)式工具機(jī)；龍門式工具機(jī)。

直角坐標(biāo)式工具機(jī)，具有高可靠性、高速度、高精度等特點(diǎn)，且擁有極強(qiáng)的結(jié)構(gòu)剛度，可用于惡劣的環(huán)境，可長期工作，擁有便于操作維修的優(yōu)點(diǎn)，但是為了保障結(jié)構(gòu)剛度以及機(jī)構(gòu)運(yùn)行的穩(wěn)定性，通常會(huì)利用多組軌道進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)及運(yùn)動(dòng)約束。所以直角坐標(biāo)式工具機(jī)工作范圍較為固定，而且對(duì)工作區(qū)域改進(jìn)難度較大；關(guān)節(jié)式工具機(jī)。具有高自由度，可加工復(fù)雜形狀，精度高，末端可夾裝多種工具等優(yōu)點(diǎn)，但是關(guān)節(jié)式工具機(jī)回旋半徑大，所以占地空間較大，且其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有故障率較高的風(fēng)險(xiǎn)，關(guān)節(jié)式工具機(jī)的造價(jià)均較為昂貴，所以有較大弊端；龍門式工具機(jī)，具有加工區(qū)域大，可允許大尺寸的工件進(jìn)行加工作業(yè)的特點(diǎn)，并且，嚴(yán)格的分類，龍門式屬于直角坐標(biāo)式中的一類，所以龍門式同樣有高可靠性、高速度、高精度，擁有極強(qiáng)的結(jié)構(gòu)剛度，便于操作維修的特點(diǎn)。

綜上所述，由于龍門式工具機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，便于設(shè)計(jì)及加工的特點(diǎn)，并且在實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的前提下?lián)碛械膬?yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)大于其結(jié)構(gòu)局限性，因此我們決定采用龍門作為主體框架。

2.1.2工作軸及傳送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于實(shí)際需求，我們采用三軸工作坐標(biāo)體系，由于這是一套非常成熟的設(shè)計(jì)，所以在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面借鑒了現(xiàn)有的設(shè)計(jì)，方案論證階段，有如下兩套方案：將三軸全部復(fù)合于龍門上；只復(fù)合X及Z軸于龍門上。

針對(duì)要并聯(lián)或串聯(lián)于流水線的需求，我們進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：帶輪雖然有運(yùn)送作用，但帶輪傳送機(jī)構(gòu)會(huì)有打滑以及老化的缺點(diǎn)；而鏈輪有固定的齒數(shù)，有確定傳動(dòng)比，配合滾子鏈條，以及步進(jìn)電機(jī)精確細(xì)分?jǐn)?shù)，符合加工所需要的精度，此機(jī)構(gòu)亦可起傳送作用。X以及Z軸采用螺距為1mm的絲桿，配合細(xì)分?jǐn)?shù)為4的步進(jìn)電機(jī)（即400個(gè)脈沖，螺桿旋轉(zhuǎn)360度），利用比例關(guān)系可知：一個(gè)脈沖旋轉(zhuǎn)0.9度，轉(zhuǎn)換為直線距離為0.0025mm，所以，復(fù)合需求。

基于上述設(shè)計(jì)及分析，最終決定X以及Z軸復(fù)合于龍門上，Y軸單獨(dú)拿出。完成總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

2.2 上下料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

上下料機(jī)構(gòu)又稱為給料機(jī)構(gòu)是物料搬運(yùn)機(jī)械化系統(tǒng)中的輔助設(shè)備。按工作構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)方式，給料機(jī)構(gòu)可分為3種： 直線式機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，適用于多種物料；但外形尺寸較大，給料的封閉性差，給料量精度底，且輸送帶易磨損，不宜工作于粒度大、粉塵大的工作環(huán)境；

回轉(zhuǎn)式機(jī)構(gòu)，其運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠，可調(diào)節(jié)給料量，使用較為方便，并且耗能少，但結(jié)構(gòu)比較笨重，只適用于粘性較小的粉粒狀物料；往復(fù)式，利用回轉(zhuǎn)偏擺進(jìn)行物料的輸送，其結(jié)構(gòu)簡單，制造方便。綜合考慮各種因素后，我們采用了簡單可靠往復(fù)式給料機(jī)構(gòu)。具體設(shè)計(jì)如下：上下料機(jī)構(gòu)由固定機(jī)架和活動(dòng)連桿組成。機(jī)架與連桿通過螺桿相連，螺桿由直流12V電機(jī)帶動(dòng)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)連桿做180度擺動(dòng)。

2.3 夾具設(shè)計(jì)

工件的加工有一定阻力，如果工件在加工時(shí)沒有處于固定狀態(tài)會(huì)造成加工精度差，甚至工件報(bào)廢，所以需要有夾具固定。針對(duì)夾具的設(shè)計(jì)要遵循手動(dòng)、氣動(dòng)、液壓、伺服的依次優(yōu)先選用原則所以有如下思路：機(jī)械夾具，利用手動(dòng)操控，安裝于鏈條上依靠夾具螺桿的旋轉(zhuǎn)以及凸輪機(jī)構(gòu)的鎖緊作用控制夾板的張緊程度，實(shí)現(xiàn)工件的夾持；氣動(dòng)夾具，安裝于鏈條上，利用汽缸推動(dòng)夾板，利用汽缸內(nèi)產(chǎn)生的高壓產(chǎn)生氣鎖實(shí)現(xiàn)工件的夾持；液壓夾具，安裝于鏈條上，利用液壓油產(chǎn)生推力，推動(dòng)夾板，依靠液鎖效應(yīng)實(shí)現(xiàn)工件的夾持。通過思路整理，以及實(shí)際的需求，我們發(fā)現(xiàn)：機(jī)械夾具質(zhì)量較重，要依靠手動(dòng)操控，不適合自動(dòng)上下料夾緊的需求；氣動(dòng)夾具依靠氣壓推動(dòng)，可調(diào)節(jié)余地較差，且夾持力穩(wěn)定性不佳；液壓夾具由于需要利用液壓傳動(dòng)，而液壓管的密封性是一個(gè)技術(shù)性難題，可能會(huì)出現(xiàn)漏液的現(xiàn)象，且其附加的設(shè)備成本高，質(zhì)量大。由于目標(biāo)工件以板材為主，而吸盤對(duì)于平面的吸附能力極強(qiáng)，因此，使用真空吸盤，按2X2矩陣布局，既可以實(shí)現(xiàn)待加工材料的快速吸附，又可以產(chǎn)生足夠的力防止工件的移動(dòng)。

2.4 氣動(dòng)設(shè)計(jì)

采用真空吸盤，所以需要對(duì)氣動(dòng)管路進(jìn)行設(shè)計(jì)，總體方案如下：

圖1 氣動(dòng)系統(tǒng)原理

1—?dú)庠?2—?dú)庠刺幚矶?lián)件 3— 直流12V二位五通單控電磁閥 4—真空發(fā)生器A B 5—真空吸盤組C D

如圖2-1為氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖，該系統(tǒng)采用0.7Mpa氣源作為工作氣壓，采用8X5的PU氣動(dòng)軟管，作為壓縮氣通路，二位五通電磁閥接口3、5及真空發(fā)生器的排氣口均安裝消聲器，用以最大限度降低噪聲。

該系統(tǒng)共含2個(gè)真空發(fā)生器，空氣經(jīng)過空壓機(jī)過濾壓縮以及氣源處理后輸送給電磁閥。通過二位五通單控電磁閥控制壓縮空氣的流向，將壓縮空氣分時(shí)分別的輸送給兩個(gè)真空發(fā)生器A和B，真空發(fā)生器B與真空吸盤組D連接，該吸盤組共含2個(gè)真空吸盤，作為上下料模塊的抓取機(jī)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)兩套抓取機(jī)構(gòu)的交替工作；而真空發(fā)生器A與真空吸盤組C連接，該吸盤組為2X2矩陣，共含4個(gè)真空吸盤，提供足夠的吸力，使工作臺(tái)上的工件固定。具體計(jì)算如下：

W ：吸力N； P：真空度kPa；C ：吸盤面積 cm2

通過查表最大真空度為-85.0kPa，真實(shí)真空度為-67.5kPa，吸盤面積為 ，通過計(jì)算可產(chǎn)生21.26N的吸力，由于是縱向加載因此還要加上待加工工件的重力。切割時(shí)不同材料所產(chǎn)生的力不同，從2N—15N不等，但均小于21.26N。啟動(dòng)氣動(dòng)系統(tǒng)依靠指令實(shí)現(xiàn)，具體原理如下：將氣泵開關(guān)接于控制板之上，實(shí)現(xiàn)利用指令發(fā)送電脈沖開啟電磁閥，進(jìn)而開啟氣泵。

2.5 電路及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.5.1 硬軟件概括

三維自由軌跡數(shù)控工具機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器與大部分電機(jī)驅(qū)動(dòng)器兼容。使用電腦的USB端口。

通過實(shí)地分析，綜合考慮連接便捷性，更換快捷性，檢查簡單的原則，我們采用了如圖接法。

通過便攜電腦將編輯好的數(shù)控程序通過usb傳輸至控制器，利用51單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)分送，分別送至X、Y、Z三軸驅(qū)動(dòng)器上，對(duì)兩臺(tái)42步進(jìn)電機(jī)以及一臺(tái)57步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。

2.5.2 電源功能

NET-50D 51W +5V3A +24V1A +12V1A三路電源，合理分布產(chǎn)生+5V、+12V、+24V電壓。

圖2 電路接法

3 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

3.1 創(chuàng)新點(diǎn)

本作品利用USB進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，方便且快捷；本作品利用合理人機(jī)交互系統(tǒng)，針對(duì)零基礎(chǔ)人員設(shè)計(jì)，操作簡便；本作品利用真空吸盤作為工作臺(tái)夾具，不會(huì)對(duì)工件產(chǎn)生機(jī)械損傷；本作品利用多級(jí)鏈輪系統(tǒng)與Y軸復(fù)合，既可以進(jìn)行物件傳送又可以進(jìn)行加工作業(yè)；本作品利用減速電機(jī)帶動(dòng)桿件擺動(dòng)結(jié)合吸盤進(jìn)行上下料，快速方便，安全可靠。本作品利用卡圈式綜合夾具，可復(fù)合多種加工工作頭實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。預(yù)留改造端口，可以通過實(shí)際需求進(jìn)行改良。

3.2 應(yīng)用

本作品可用于多數(shù)模型加工，尤其擅長平面繪制與雕刻。非常適合在版畫，木雕，石膏模型等傳統(tǒng)工藝品行業(yè)取代人力加工工藝產(chǎn)品。而且其3000元以內(nèi)的低廉價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)在市場(chǎng)上類似的產(chǎn)品，并且三維自由軌跡數(shù)控工具機(jī)功能強(qiáng)大，可勝任多種加工，在具有市場(chǎng)前景的傳統(tǒng)工藝品流水線上有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)，非常值得推廣使用。

圖3 三維自由軌跡數(shù)控工具機(jī)

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