可移動式實用雕刻頭研究

劉衛陵

(大冶特殊鋼有限公司，湖北 黃石 435000)

0 引言

由專業電主軸廠家生產的雕刻頭一般為立式固定使用，且價格較高，其本質上是一種由變頻驅動控制的高速高剛度精密的電動機[1]，主要采用精密滾動軸承支承，油脂潤滑，外循環水冷卻。專業電主軸在實現雕刻運動時，往往需要增設進給運動機構實現雕刻深度控制，由于增設移動機構使得雕刻頭體積較大，在一些空間受限的場合應用受到一定限制。目前在市場上投放的多主軸雕刻機床，進給深度控制多采用龍門式結構。由于龍門結構本身的特點，在加工深度控制時，易造成龍門橫梁體的扭斜，控制精度不高，而且體積大；多電主軸的配備，使得價格也較高。故設計一個經濟實用的可移動式雕刻頭具有一定的意義。

1 可移動式實用雕刻頭研究的關鍵問題

1.1 設置移動機構實現高精度定位控制

針對一般電主軸只有一個旋轉運動需增設移動機構[2]帶來的體積大的問題，本設計中增設了一可實現50 mm運動范圍的移動機構，其在≥10 000 r/min高速旋轉運動時，重復定位精度為0.01 mm，定位精度為±0.01 mm；高精度的移動控制統一在一Φ110 mm×180 mm的機構內，主軸徑向跳動可達0.01 mm。移動機構的結構緊湊，形式新穎，控制、裝拆方便，特別適合于要求結構緊湊、多主軸雕刻情況下使用。

1.2 配備控制單元降低精度要求

雕刻機[3]實現對平面上的線、字、圖的雕刻相對較易，但對于軸(錐)類表面雕刻時，需要軸類零件在安裝后旋轉同軸度精度較高(特別是一些細長軸零件)，否則可能導致雕刻的深度不一致，而無法滿足雕刻工藝要求。

本雕刻頭采用導電檢測技術，雕刻頭與機床絕緣安裝；在雕刻時，雕刻頭控制單元每次接收到進給指令后，控制雕刻頭移動機構運動，直到與工件接觸后才由數控裝置接管控制。為保證對刀的精度和可靠性，在控制單元中采用一次對刀多次檢測的技術，且每次進刀均采用這種檢測技術，大大降低了對軸類零件安裝精度的要求，以及對刀具安裝(多主軸龍門雕刻機)精度一致性的要求，同時也使得雕刻頭移動機構的反向間隙對控制深度的影響可忽略。

高速主軸電機采用無刷直流電機[4]，與普通直流電機相比，其運行穩定可靠，基本沒有電磁干擾，同時采用附加銅刷檢測，極大減少了扎刀現象的發生。

2 雕刻頭設計

設計的移動式雕刻頭具有調速范圍寬、特性呈線性、反應快速等特點；另一方面較一般的直流電機具有轉速高、抗干擾性能強等優點，相比同轉速交流電主軸價格要便宜得多，選用無刷直流電動機作為主運動驅動可完全滿足需要。本雕刻頭中使用的無刷直流電機最大轉速為12 000 r/min，具體使用時速度可通過無刷直流電機驅動裝置調節；移動運動采用帶驅動模塊的步進電機實現。雕刻頭控制單元結構框圖如圖1所示，雕刻頭主軸單元裝配如圖2所示。

圖1 雕刻頭控制單元結構框圖

2.1 移動機構工作原理

如圖2所示，整個雕刻頭固定在安裝底板23上，進給運動和對刀時，步進電機2通過同步帶輪26、27和同步帶1帶動雕刻頭移動機構11的銅螺母10作旋轉運動，實現將同步帶輪26的回轉運動變換為移動機構11及無刷直流電機6的直線運動。當刀具接觸到工件表面時,導電檢測到的位信號[5-7]由安裝在電機軸上的銅套4經銅刷(圖中未畫出)反饋到雕刻頭控制單元指示對刀完成，計算機數控系統再接管雕刻頭的控制。移動機構11的徑向跳動精度由一對角接觸球軸承24保證，軸向竄動由軸承壓蓋8和銅螺母10共同保證；同時銅螺母10與移動機構11的接觸長度較大，具有較好的導向精度，并能保證移動機構11在移動中的直線度。同時雕刻頭套筒9和移動機構11間采用精密磨削加工，具有較好的精度。

步進電機步距角為1.8°，同步帶傳動比i=Z1/Z2=30/90(Z1為主動輪齒數，Z2為從動輪齒數)，方牙螺紋螺距S=3 mm，進給脈沖當量精度由下式計算：

δ=[S/(360/1.8)]×i=0.005 mm。

2.2 回轉機構工作原理

如圖2所示，高速無刷直流電機6[8]通過彈性聯軸器5與中心軸16相聯結，刀具采用體積較小的高精密日本HSK夾頭的錐套18、鎖緊螺帽17與中心軸相聯結。這種HSK夾頭剛性好、夾持牢靠，在使用中裝拆方便，同時轉動慣量較小，對主軸的回轉跳動影響可降到很低的水平。

工件的雕刻質量主要取決于雕刻頭的徑向跳動和進給精度，所以雕刻頭的雕刻精度直接決定了本雕刻頭的雕刻質量。為保證雕刻頭的徑向跳動不超過0.01 mm，采用了以下手段：

(1) 動平衡處理后的中心軸16與無刷直流電機通過彈性聯軸器5聯結，這樣中心軸的回轉精度將由中心軸下端的一對高精度角接觸球軸承24保證，軸向竄動則由中心軸下端迷宮式端蓋14和15保證。這種結構降低了對無刷直流電機安裝精度的要求，并隔斷了無刷直流電機振動對中心軸的影響；同時，彈性聯軸器還可起到過載保護作用。

(2) 雕刻頭裝配完成后，再對錐套18的安裝錐孔進行自磨，保證了刀具的安裝及其與中心軸的同軸度要求。同時為保證主軸的裝拆不會破壞刀具的安裝同軸度，在設計時對錐孔留有一定余量，可實現多次自磨。

2.3 冷卻和潤滑

由于雕刻頭工作時回轉速度較高，易使主軸升溫[9，10]，為保證高精密軸承21的使用壽命并避免溫度過高對雕刻頭精度的影響，設置循環冷卻回路22，并在高精密軸承21的外套中開有存水槽12，冷卻液經快速接頭7(采用活動式，便于主軸的裝拆)進入，在管道22內循環流動。為防止冷卻液的泄漏，采用了一對O型密封圈。對于高精密軸承21采用油脂潤滑。

2.4 可接收的指令信號

針對當前數控輸出信號特點，本雕刻頭控制單元現可接收采用差分方式的“指令+脈沖”、“AB相信號”，以及步進電機控制的“三相六拍”信號。還可根據特定要求定制輸入接口類型，并且接口匹配只需通過簡單參數設定即可。

本文中設計的雕刻頭實物如圖3所示。

1-同步帶;2-步進電機;3-冷卻密封套;4-銅套;5-彈性聯軸器;6-無刷直流電機;7-快速接頭;8-軸承壓蓋;9-套筒;10-銅螺母;11-雕刻頭移動機構;12-存水槽;13-軸承隔套;14，15-迷宮式端蓋;16-中心軸;17-HSK夾頭鎖緊螺帽;18-HSK夾頭錐套;19-O型密封圈;20-密封套;21-高精密軸承;22-冷卻液管道;23，25-安裝底板;24-角接觸球軸承;26，27-同步帶輪圖2 雕刻頭主軸單元裝配

圖3 五頭雕刻頭實物

3 結束語

本文設計了一套可移動式雕刻頭，已經在一種五頭雕刻機上得到應用。應用結果表明，雕刻頭結構剛度較好，受力變形量較小，溫升可通過冷卻系統進行有效遏制；動平衡處理后的雕刻頭高速旋轉平穩、噪聲小。工作一年多來運行平穩、可靠，完全滿足了零件加工工藝要求。

由于該款雕刻頭性價比高，控制、操作方便，且精度完全可滿足當前雕刻任務要求，具有很好的市場前景。