材料的复杂曲面，尤其对于非金属精密零件等其他物品的雕刻加工很有市场前景。其电气控制方面可以采用mach3控制卡作为控制核心，驱动系统采用高精度步进电机，摇篮轴及回转轴采用皮带轮方式传动。
关键词：摇篮式；龙门结构；五轴联动雕刻机床；Mach3控制系统；步进电机
市面上出现的雕刻机产品，价格普遍非常昂贵，普通的雕刻机都是万元以上。美国“雕霸”、法国“嘉宝”和日本“御牧”是此行业的佼佼者，但价格更是昂贵，令一些小单位及个人用户望而却步。目前中国市场上雕刻机均以xyz三轴为主，难以加工一些复杂的曲面。但雕刻机主要进行工艺品、玉石等加工，简单的结构造型已经难以满足大众日益个性化的需求，五轴联动CNC雕刻机正是填补了这个市场。但目前市场上所提供的五轴联动CNC雕刻机大多成本很高，且以悬臂型为主，这就导致其加工面积相对较小，不易普及。
在这样的背景下，我们立足现状，面向经济发展的需求，开发出有自己特色的五轴联动CNC雕刻机来满足复杂雕刻加工的要求。我们对一种五轴联动CNC雕刻机进行了结构设计，该雕刻机包含龙门三维机架以及A、C双自由度摇篮式工作台，龙门架及刀头部分的移动采用电机带动滚珠丝杠副控制，实现沿XYZ方向移动；该工作台可实现绕着C轴的360°旋转，以及绕着A轴进行-90°～90°的摆动；该雕刻机可以结合刀头和工作台实现x轴、Y轴、Z轴、A轴、C轴共五个自由度方向的联动工作。笔者的设计研究立足于国内数控雕刻机发展的现状，对于开发新型的五轴联动CNC雕刻机及其普及有着重要的意义。
第一章雕刻机的研究现状与需求
（一）雕刻机的研究现状
国外的数控雕刻机研发公司众多，其研发产品的加工精度高、效率高、功能多而且人机界面良好便于操作。如日本的FANUC公司、德国西门子公司等。法国NUM公司的POWERl080数控系统能兼容CAD/CAM软件，可以实现复杂的图像加工；西班牙FAGOR公司的CNC8070数控系统能够实现28轴伺服控制；德国的WALTER公司研发的CNC设备HELIRONIC POWER配置上安装有FANUC31 01数控系统，并采用Windows系统作为操作系统，能够在线测量，其产品精度高、加工速度快，并且系统便于操作。然而国外的数控雕刻机虽然功能强大，但数控加工中心价格十分昂贵，维修成本也相当高。
国内数控雕刻机这一领域的研究虽然起步晚，但经过无数专家的刻苦钻研，数控雕刻机技术也是日趋成熟。如山东莱州市精密木工机械有限公司研制的三轴CNC雕刻机，配有方便、简单、易学的计算机操作系统，用户可以快速完成雕刻加工，质量可靠、成品率高；上海黑格数控科技有限公司研制的HELIXNC-5A五轴数控磨床，采用了武汉华中数控系统，可实现五轴联动；又如北京精雕科技有限公司的“精雕”及上海的“啄木乌”等品牌已在國内逐步发展壮大，并且拥有一定的市场，但是在加工精度、可靠性等方面与国外前沿技术仍存在一定的差距。
（二）雕刻机的需求
五轴联动CNC雕刻机集先进结构设计技术、计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，广泛应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工，在金属切削加工及木材加工领域，五轴联动CNC雕刻机精度高、速度快、效率高，逐渐成为主流技术。这种制造行业理想的加工技术是衡量一个国家在制造业领域地位和国际竞争力的重要标志，其技术水平和现代化程度对我们整个国民经济的水平和现代化程度有着巨大的影响。
伴随着科学制造技术、计算机技术的不断发展和进步，手工雕刻逐步被CNC雕刻所代替，CNC雕刻机逐渐成为雕刻等行业的专用工具。CNC雕刻机采用钻铣组合加工，是典型的一种机电一体化产品，在模具雕刻、工艺品制作、广告制作等行业有着广泛的市场应用。目前数字雕刻系统的技术和功能在现有雕刻系统基础上有了全方位的提升，复杂型面雕刻已不再长期依赖于少数手工艺人的传统作业方式，产品的艺术雕刻设计与制造更加数字化、精良化、敏捷化和智能化。随着人们个性化需求的日益增长，小型五轴CNC雕刻机具有良好的市场前景。
第二章雕刻机总体方案和设计参数
（一）雕刻机总体方案
为了让机器能加工复杂曲面，一次雕刻完成，而无需多次卸装工件，我们采用在三个直线运动轴的基础上加一个回转工作台和摇摆轴的五轴联动设计方案。如图1所示
AC摇篮式回转工作台设计方案如图2所示：
（二）雕刻机设计参数
摇篮式小型五轴联动雕刻机主要应用于精密零件及工艺品的雕刻、打孔等加工制作。根据工件的特点与加工要求，本雕刻机的设计参数如表1所示：驱动电机采用57步进电机，相关参数如表2所示：
第三章机械结构设计
框架可采用铝型材通过角铁组装而成，既经济又便于拆装调整，A轴、C轴回转工作台轴线平行X轴。采用同步带轮可以很好的控制传动机构的反向间隙，同时可提高输出扭矩…。同步带传动具有准确的传动比，无滑差，可获得恒定的速比，可精密传动，而且传动平稳，能吸震，噪音小。它的传动速比范围大，一般可达1：10，允许线速度可达50m/s，传动效率高，一般可达98%-99%，传递功率从几瓦到数百千瓦，结构紧凑还适用多轴传动，张紧力小，不需润滑，无污染。平动轴XYZ采用直线导轨导向，滚珠丝杆传动的方式，能够较好的保证加工中各方向的精度。旋转轴A，C采用同步带传动方式，增加空间的利用率，避免与机架发生干扰。步进电机与各轴联接均采用弹性联轴器联接。雕刻机的三维建模图如图3所示。
（一）X、Y、Z轴的设计
X、Y、z轴均含有底板、光杆滑块、滚珠丝杠螺母、步进电机、联轴器，除此之外，x轴安装在龙门架上，还含有龙门支架、连接板、摇动手柄等结构。Y轴在工作台的底部，还含有工作台、Y轴支架、摇动手柄等结构。Z轴安装在X轴上。
X轴是跟随Y轴移动的，下部固定在Y轴滑板上，其采用的步进电机和丝杠螺母与Y轴相同，光杆和滑块直径较Y轴稍小。
图4为X、Y、Z轴装配图。
（二）A/C轴的设计
A轴安装于工作台，主要由步进电机、同步带轮、C轴连接块、加高块等部分组成。
C轴安装于A轴上，主要由步进电机、同步带轮、C轴安装块等部分组成。
图5为A，C轴的装配示意图：
（三）主轴的设计
主轴安装在Z轴上，主要由主軸及其安装座、夹筒、雕刻刀等组成。主轴的功率为200 w，采用风冷的冷却方式。
第四章雕刻机CAE分析：通过结构的模块化设计，以有限元分析为核心，进行结构的静态、模态分析，优化结构，不仅使零部件的静力学性能得到改善，还能避免结构因共振产生变形，节省材料，获得最佳的结构尺寸。
下面以雕刻机龙门横梁CAE分析为例：结合机械结构，龙门横梁CAE分析的建模对象是龙门横梁及其所承载的部件，包括：横梁、滑块、Z轴箱体。首先采用UG-NX进行龙门横梁的基础建模，具体如图3所示。
（1）静态性能分析。五轴联动雕刻机的龙门横梁及相关承载部件主要是铝合金结构，龙门横梁及Z轴箱体均采用壁厚为2mm的空心铝合金型材。建立有限元力学模型，抽取模型中心面，采用带中节点的板壳单元SHELLl 81进行结构离散。SHELLl 81单元具有4个节点，每个节点具有6个自由度：沿坐标系X、Y、Z轴的平动以及沿坐标系X、Y、Z轴的转动。
对龙门横梁及其承载部件拓扑修复、简化细节，最终完成网格划分。因为单元的质量参数对分析结果影响重大，所以完成网格划分后还应进行单元质量检查。主要检查内容包括：是否有重复的节点、重复的或缺失的单元、高度畸变或翘曲的单元；离散单元尺寸应尽量均匀，要避免畸形或者特别小的单元。
龙门横梁及承载部件CAE网格划分模型具体如图6所示。
雕刻机龙门横梁具体约束边界条件如图6所示。龙门横梁及其承载部件采用铝合金，壁厚为2mm，其材料的弹性系数为68.9 GPa，泊松比u=0.330，弯曲极限强度228 MPa。
用ANSYS求解器对龙门横梁的变形云图具体如图7所示。通过比较，可以得出结论：在相同厚度的z轴箱体壁厚情况下采用合理的加强筋，发现最大变形量进一步减少，木工雕刻机的龙门横梁结构实现静刚度优化，大大提高了木材加工精度。由于木材雕刻精度相对金属切削精度要求低，通过电主轴、导轨等传动系统的补偿找平，可进一步提高木材雕刻的加工精度。因此通过结构静刚度优化设计，龙门横梁及其承载部件完全满足木工雕刻的加工要求，并且保证了合理的木工雕刻机加工制造成本。（2）模态性能分析。采用UG-NX建立五轴联动雕刻机的虚拟样机，在HyperMesh仿真平台上读入龙门横梁及其承载部件的几何模型，进行合理的简化处理。经过一系列参数设置，如单元、材料、属性设置，网格划分，建立运动控制卡等等，完成龙门横梁模态分析前处理工作。采用自由模态处理，利用Nastran求解器进行龙门横梁模态分析，得龙门横梁的固有频率和振型。用Hyper Mesh前后处理软件结合Nastran求解器对雕刻机的龙门横梁及其承载部件进行模态分析，得到龙门横梁前六阶的固有振动特性以及振型描述，需尽量避开引起龙门横梁等部件发生共振的振动源
五、结束语
本文深入分析目前国内外数控雕刻机的现状，研发了一种摇篮式小型五轴联动雕刻机的机械结构，利用UG NX10.0软件对雕刻机的整体架构及部分的详细结构进行了三维设计建模并仿真。所设计的摇篮式回转工作台扭矩较大，可实现双自由度方向的运动。它的机械本体部分结构设计紧凑、部件布局合理，可行性很高，为其他数控雕刻机的结构设计提供了很好的借鉴。
（作者单位：无锡职业技术学院）
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