簡易型三維自由軌跡數控工具機的設計研究

張翔宇 馮鋒 程越

摘 要：針對版畫，木雕，等傳統工藝品行業缺乏機械化加工而導致產量低下的現狀，該設計為這類傳統產業提供機械化方案，機器名為三維自由軌跡數控工具機，可用于雕刻，繪制。整機采用三軸龍門式設計，方便材料的運送；X以及Z軸采用單絲杠，雙導軌布局；Y軸采用雙級鏈輪布局，配合擺臂式上下料機構可與傳送帶相連接；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，支持國際標準G代碼，且擁有視覺處理系統，可將圖片自動編碼，在傳統工藝品流水線上有著不可比擬的優勢，非常值得推廣使用。本文將闡述三維自由軌跡數控工具機的設計研究過程。

關鍵詞：三維 ；數控 ；工具機

1 主要功能和性能指標

三維自由軌跡數控工具機主要功能：材料在候料區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；激光測量；激光燒蝕；噴漆；點膠；圖片直接編程加工。技術參數：尺寸：1000mm X 500mm X 680mm；重復定位精度：0.05mm；行程：X軸330mm Y軸470mm（加工）950mm（運送）Z軸53mm；控制系統：PC-CNC USB Controller-驅動器；電源：12V、24V、220V。

2 設計方案

2.1 機械結構設計

2.1.1 主體框架設計

為了實現上述工具機設計之要求，在總結加工對象特征后，我們發現，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體系價格昂貴不利于產品開發，其次會造成使用者操作不便，所以三軸工作坐標體系為宜，基于上述理論基礎提出了如下設計方案：直角坐標式工具機；關節式工具機；龍門式工具機。

直角坐標式工具機，具有高可靠性、高速度、高精度等特點，且擁有極強的結構剛度，可用于惡劣的環境，可長期工作，擁有便于操作維修的優點，但是為了保障結構剛度以及機構運行的穩定性，通常會利用多組軌道進行結構加強及運動約束。所以直角坐標式工具機工作范圍較為固定，而且對工作區域改進難度較大；關節式工具機。具有高自由度，可加工復雜形狀，精度高，末端可夾裝多種工具等優點，但是關節式工具機回旋半徑大，所以占地空間較大，且其結構復雜，有故障率較高的風險，關節式工具機的造價均較為昂貴，所以有較大弊端；龍門式工具機，具有加工區域大，可允許大尺寸的工件進行加工作業的特點，并且，嚴格的分類，龍門式屬于直角坐標式中的一類，所以龍門式同樣有高可靠性、高速度、高精度，擁有極強的結構剛度，便于操作維修的特點。

綜上所述，由于龍門式工具機具有結構簡單，便于設計及加工的特點，并且在實現設計要求的前提下擁有的優點遠大于其結構局限性，因此我們決定采用龍門作為主體框架。

2.1.2工作軸及傳送機構設計

基于實際需求，我們采用三軸工作坐標體系，由于這是一套非常成熟的設計，所以在機構設計方面借鑒了現有的設計，方案論證階段，有如下兩套方案：將三軸全部復合于龍門上；只復合X及Z軸于龍門上。

針對要并聯或串聯于流水線的需求，我們進行如下設計：帶輪雖然有運送作用，但帶輪傳送機構會有打滑以及老化的缺點；而鏈輪有固定的齒數，有確定傳動比，配合滾子鏈條，以及步進電機精確細分數，符合加工所需要的精度，此機構亦可起傳送作用。X以及Z軸采用螺距為1mm的絲桿，配合細分數為4的步進電機（即400個脈沖，螺桿旋轉360度），利用比例關系可知：一個脈沖旋轉0.9度，轉換為直線距離為0.0025mm，所以，復合需求。

基于上述設計及分析，最終決定X以及Z軸復合于龍門上，Y軸單獨拿出。完成總體結構的設計。

2.2 上下料機構設計

上下料機構又稱為給料機構是物料搬運機械化系統中的輔助設備。按工作構件的運動方式，給料機構可分為3種： 直線式機構，結構簡單，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、粉塵大的工作環境；

回轉式機構，其運轉平穩可靠，可調節給料量，使用較為方便，并且耗能少，但結構比較笨重，只適用于粘性較小的粉粒狀物料；往復式，利用回轉偏擺進行物料的輸送，其結構簡單，制造方便。綜合考慮各種因素后，我們采用了簡單可靠往復式給料機構。具體設計如下：上下料機構由固定機架和活動連桿組成。機架與連桿通過螺桿相連，螺桿由直流12V電機帶動作旋轉運動，并帶動連桿做180度擺動。

2.3 夾具設計

工件的加工有一定阻力，如果工件在加工時沒有處于固定狀態會造成加工精度差，甚至工件報廢，所以需要有夾具固定。針對夾具的設計要遵循手動、氣動、液壓、伺服的依次優先選用原則所以有如下思路：機械夾具，利用手動操控，安裝于鏈條上依靠夾具螺桿的旋轉以及凸輪機構的鎖緊作用控制夾板的張緊程度，實現工件的夾持；氣動夾具，安裝于鏈條上，利用汽缸推動夾板，利用汽缸內產生的高壓產生氣鎖實現工件的夾持；液壓夾具，安裝于鏈條上，利用液壓油產生推力，推動夾板，依靠液鎖效應實現工件的夾持。通過思路整理，以及實際的需求，我們發現：機械夾具質量較重，要依靠手動操控，不適合自動上下料夾緊的需求；氣動夾具依靠氣壓推動，可調節余地較差，且夾持力穩定性不佳；液壓夾具由于需要利用液壓傳動，而液壓管的密封性是一個技術性難題，可能會出現漏液的現象，且其附加的設備成本高，質量大。由于目標工件以板材為主，而吸盤對于平面的吸附能力極強，因此，使用真空吸盤，按2X2矩陣布局，既可以實現待加工材料的快速吸附，又可以產生足夠的力防止工件的移動。

2.4 氣動設計

采用真空吸盤，所以需要對氣動管路進行設計，總體方案如下：

圖1 氣動系統原理

1—氣源 2—氣源處理二聯件 3— 直流12V二位五通單控電磁閥 4—真空發生器A B 5—真空吸盤組C D

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

該系統共含2個真空發生器，空氣經過空壓機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，將壓縮空氣分時分別的輸送給兩個真空發生器A和B，真空發生器B與真空吸盤組D連接，該吸盤組共含2個真空吸盤，作為上下料模塊的抓取機構，并實現兩套抓取機構的交替工作；而真空發生器A與真空吸盤組C連接，該吸盤組為2X2矩陣，共含4個真空吸盤，提供足夠的吸力，使工作臺上的工件固定。具體計算如下：

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，真實真空度為-67.5kPa，吸盤面積為 ，通過計算可產生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。切割時不同材料所產生的力不同，從2N—15N不等，但均小于21.26N。啟動氣動系統依靠指令實現，具體原理如下：將氣泵開關接于控制板之上，實現利用指令發送電脈沖開啟電磁閥，進而開啟氣泵。

2.5 電路及控制系統設計

2.5.1 硬軟件概括

三維自由軌跡數控工具機運動控制器與大部分電機驅動器兼容。使用電腦的USB端口。

通過實地分析，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控程序通過usb傳輸至控制器，利用51單片機進行信號分送，分別送至X、Y、Z三軸驅動器上，對兩臺42步進電機以及一臺57步進電機進行運動控制。

2.5.2 電源功能

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

圖2 電路接法

3 創新點及應用

3.1 創新點

本作品利用USB進行數據實時傳輸，方便且快捷；本作品利用合理人機交互系統，針對零基礎人員設計，操作簡便；本作品利用真空吸盤作為工作臺夾具，不會對工件產生機械損傷；本作品利用多級鏈輪系統與Y軸復合，既可以進行物件傳送又可以進行加工作業；本作品利用減速電機帶動桿件擺動結合吸盤進行上下料，快速方便，安全可靠。本作品利用卡圈式綜合夾具，可復合多種加工工作頭實現一機多用。預留改造端口，可以通過實際需求進行改良。

3.2 應用

本作品可用于多數模型加工，尤其擅長平面繪制與雕刻。非常適合在版畫，木雕，石膏模型等傳統工藝品行業取代人力加工工藝產品。而且其3000元以內的低廉價格遠遠低于現在市場上類似的產品，并且三維自由軌跡數控工具機功能強大，可勝任多種加工，在具有市場前景的傳統工藝品流水線上有著不可比擬的優勢，非常值得推廣使用。

圖3 三維自由軌跡數控工具機

參考文獻：

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