多功能雕銑機的設計

濰坊工商職業學院 濰坊市經濟學校 張紅 陳紀亭 徐利云

雕銑機是數控加工中最常用的設備之一，是一種效率高、功能多的中小型數控加工設備，它集成雕刻和加工功能于一體，既能實現低轉速、大功率輸出的銑削加工，又能實現高轉速的雕刻加工，既能用于工件的小批量生產，能適用于工件的大批量加工，具有十分廣泛的用途和較好的市場前景。通過雕銑機設計項目的開展可以讓機電類學生收獲很多在課本上學不到的知識，提高了學生的職業能力，同時也提高了教師的教學水平。

1 設計的雕銑機特點

目前市場上有各種規格型號的數控雕銑機，但絕大多數不能同時實現對大模具和中小模具的加工，能實現的價格也相當高。課題設計的多功能雕銑機正好解決了這一問題，它能廣泛應用于雕刻模具、電極、工業模型等方面，能實現大、中、小模具的加工，還能進行鏜孔、鉆孔、鉸孔和攻螺紋等加工。該雕銑機還設置有回轉工作臺，在加工小模具時，可把小模具放在回轉工作臺上，利用升降驅動機構控制刀具的運動來實現對中小模具的雕銑；在加工較大的模具時，可把模具固定，把刀具及升降驅動機構固定在回轉工作臺上，利用回轉工作臺控制刀具的移動回轉來實現對大型模具的加工。

2 設計工具簡介

設計工具采用的是美國EDS 公司的 UG 軟件，UG 是集CAD/CAM/CAE 一體的高端設計軟件，它可應用于產品的整個生命周期，設計中主要采用了UG 軟件超強的三維產品建模能力，裝配建模和工程圖繪制能力。利用UG 軟件的建模模塊進行床身、工作臺、底座、滑塊、導軌、電機等多個零件的三維實體建模，把零件建模全部完成之后，進入UG 軟件的裝配模塊，進行裝配建模，直至完成裝配體的設計。

在雕銑機裝配設計完成后，可以利用UG 軟件的旋轉功能，按住并拖動鼠標對雕銑機進行整體觀察，看看零件之間有無干涉，也可把某個零件隱藏，觀看其內部結構，也可利用UG 軟件的“剪切工作截面”功能來進行剖切觀察，還可以利用UG 軟件的“運動仿真”功能，進行雕銑機運動過程的模擬仿真，觀看其各部分結構是否滿足真實的工作需要。在雕銑機設計完成之后還可以進行各部件的體積檢測，計算出各部件的質量，方便進行滾珠絲杠螺母副的受力分析和校核。

3 雕銑機的整體結構

本設計中加工中小模具的機械結構為如圖1 所示，機床主體結構包括機床床身、工作臺、機床進給機構和主軸四部分。雕銑機的總長約為2230mm，總寬約為1000mm，總高約為1600mm。雕銑機數控系統采用三臺交流伺服電機實現X軸、Z軸、旋轉軸A軸的運動。

圖1 雕銑機的整體機構

機床床身的上表面一側設有一個環形的回轉工作臺，工件安裝在工作臺上進行加工。工作臺安裝在變速箱上，與變速箱的輸出軸同軸，變速箱結構如圖2 所示，變速箱通過兩級齒輪傳動實現減速，由伺服電機驅動齒輪減速箱來實現工作臺的旋轉即A軸的旋轉，從而使工件旋轉一定的角度。

圖2 機床變速箱的機構

機床在X軸方向的運動有兩級，工作時先用手輪控制X軸方向滑塊運動，實現在X軸方向上的整體移動，然后通過交流伺服電機帶傳動帶動滾珠絲杠螺母傳動機構實現主軸X軸滑塊的直線運動，Z軸方向的運動也是由交流伺服電機經過帶傳動驅動滾珠絲杠螺母副實現主軸Z軸滑塊的豎直位移，選定Z軸滾珠絲杠的直徑為25mm，導程為4mm，絲杠兩端的軸承采用角接觸球軸承，面對面組配方式。由滑塊帶動刀具的移動，由一個高速電機實現刀具的高速旋轉，從而實現對模具的雕銑。

在加工較大模具時的機械結構，如圖3 所示。可把模具固定，把刀具及升降驅動機構固定在回轉工作臺上，利用回轉工作臺通過進給機構控制刀具的移動和回轉來實現對大型模具的加工。

圖3 加工大模具時的床身布局

4 對教學工作的幫助

在教學工作中，學校可以依托此項目開展項目教學，進行“多功能雕銑機結構”設計的畢業設計，“滾珠絲杠螺母副的設計”課程設計和“多功能雕銑機電氣系統設計”畢業設計等項目。

對于機械類學生，開展雕銑機零件繪制，進行雕銑機裝配建模設計，雕銑機的二維工程圖繪制，雕銑機的數控加工程序編制，雕銑機典型零件的加工制造和雕銑機的3D 打印等項目，鞏固機械制圖、機械設計、機械制造、數控機床、數控編程、AutoCAD和UG 等課程的相關知識。對于電氣類學生，開展雕銑機的電氣系統設計、步進電機驅動系統開發、傳感器的選擇和使用、PLC編程等項目，鞏固機床電氣、傳感器、單片機和傳感器等課程的相關知識。

通過多功能雕銑機項目的開展和訓練，讓學生知行合一，理論與實踐相結合，從而提高學生的技能，畢業后更好地融入社會。

5 小結

多功能雕銑機的機械機構已基本完成，但是在細節方面還存在一些問題，后續會通過各種項目的開展繼續完善雕銑機的結構，優化雕銑機的性能，增加各種輔助裝置和數控裝置。在此過程中通過一些小項目的開展，使學生得到足夠的鍛煉，提高他們的專業核心能力，提高他們的就業競爭。