一种用于红木家具加工的五轴联动雕刻机的制作方法

本发明主要涉及红木木雕的生产设备技术领域，特别是涉及一种用于红木家具加工的五轴联动雕刻机及其切削力的计算方法。

背景技术：

传统的红木家具在进行表面雕刻加工时一般是由木工进行手工雕刻，由于红木材料价格高昂，一旦木工出现失误将造成较大的损失，随着科学技术和制造技术的不断发展进步，木材手工雕刻逐步被数控雕刻所代替，数字控制雕刻机渐渐成为木工雕刻行业的专用工具。

而目前国内市场上销售的雕刻机都是基于传统的三轴数控技术，存在着精度差、功能单一、人机接口不友好等缺点。虽然目前已掌握五轴联动数控技术，但主要应用于金属切割、航空航天制造等方面，由于金属材质与红木材质的表面韧性、硬度相差极大，故直接将机加工领域的五轴数控设备应用到红木加工技术领域时，存在着如下几个问题：

1）、需要重新对切削力进行计算（金属切削力一般为10000n左右，木质材料切削力较小，低于1000n），木工雕刻机的加工对象是木质材料，木材的物理属性与金属的物理属性有很大的不同。木材具有不均匀性和各向异性等特点，在不同方向具有不同的物理性质和机械强度。在雕刻过程中必须提高木工雕刻机切削主轴的转速，避免切削过程中产生的切屑沿纤维方向劈裂。

2）、木工切削过程中会产生大量木屑、粉尘，且木材制品容易受液体污染，因此金属雕刻机的油或水循环系统冷却方式无法直接应用于木工雕刻机。

3）、目前市场上主流的五轴联动金属雕刻机机架结构庞大、工作台笨重。木工雕刻机属于轻载类加工，常规金属雕刻机的加工要求与木工雕刻机的设计需求不符，容易造成资源浪费，增加不必要的制造成本。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明旨在提供一种用于红木家具加工的五轴联动雕刻机及其切削力的计算方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案：

一种用于红木家具加工的五轴联动雕刻机，包括有龙门底架，在所述龙门底架的两端分别设置有一个支座，在所述支座的顶部支承有龙门立柱，所述龙门立柱底面与所述支座的顶面焊接在一起，所述两个支座上的龙门立柱相互正对且顶部的高度一致，在所述的两根龙门立柱之间架设有龙门横梁，在所述龙门横梁的侧部铺设有线性滚动导轨，在所述线性滚动导轨上滑动连接着滑枕，在所述滑枕上固定着z轴箱体，在所述z轴箱体的底部设置有双摆动电主轴，在所述z轴箱体的侧部设置了螺杆，在所述z轴箱体的顶部固定着气缸，在所述气缸底部连接着气缸杆，所述气缸杆穿设在所述滑枕中，由所述气缸驱动气缸杆做竖直升降，在所述气缸杆的底部固定着所述双摆动电主轴，所述双摆动电主轴能跟随所述气缸杆一起升降；所述双摆动电主轴包括有电机壳体，由所述电机壳体围成了安装腔，在所述电机壳体的前端面与后端面之间插接有主轴，所述主轴位于所述安装腔中，在所述主轴上套设有永磁体，在所述电机壳体的内壁上固定着一圈环形的定子铁芯，所述定子铁芯围绕着所述永磁体并且在所述定子铁芯与所述永磁体之间形成有间隙，在所述定子铁芯外部绕设着定子绕组。

作为本发明的优选，在所述电机壳体中嵌设有冷却管路，所述冷却管路在所述电机壳体的外壁上分别形成有冷却液进口和冷却液出口。

作为本发明的改进，所述主轴的前部延伸在所述电机壳体的前端面外部，在所述主轴的前部套设有反馈装置，当所述主轴转动时，能带动反馈装置转动，在所述主轴的前端固定着松刀气缸，所述松刀气缸用于夹持刀具。

作为本发明的进一步改进，所述主轴的后部延伸在所述电机壳体的后端面外部，在所述主轴的后部通过轴承套设有安装法兰，在所述安装法兰上固定着c轴伺服电机，在所述c轴伺服电机的电机轴上套设了齿轮，在所述主轴的后部也套设了齿轮，所述电机轴上的齿轮和主轴上的齿轮相互啮合，由所述c轴伺服电机驱动所述主轴转动。

作为本发明的更进一步改进，在所述主轴的齿轮与所述安装法兰之间夹持着弹性垫片，所述弹性垫片用于对所述主轴上的齿轮进行轴向预紧。

作为本发明的具体技术方案，所述线性滚动导轨包括了导轨本体，所述导轨本体通过保持架固定在所述龙门横梁的侧部，在所述导轨本体外部套设有滑块，在所述滑块与所述导轨本体之间形成有至少一道条形间隙，所述条件间隙的截面呈现为圆形，在所述条形间隙中设置有若干钢球，所述滑块通过所述钢球滑动连接在所述导轨本体上。

作为本发明的改进，在所述龙门横梁的侧部开设有安装槽，所述保持架一端埋设在所述导轨本体中，另一端卡接在所述安装槽中。

作为本发明的进一步改进，在所述滑块的两端均固定着密封端盖，所述密封端盖将所述条形间隙部分遮挡且与所述导轨本体的表面之间形成有空隙，所述密封端盖能阻止所述钢球从所述条形间隙中滚出，在其中一个密封端盖上固定着油杯，所述油杯通过油管与所述条形间隙内部连通，在所述油杯中填充有润滑油。

一种采用上述五轴联动雕刻机对红木家具进行加工时的切削力计算方法，其通过如下公式进行计算：

f=(2*955*10⁴ηpz)/dcnc

式中，f为切削力，pz为电机的额定功率，η为主传动系统的效率，nc为主轴转速，dc为计算直径。

作为本发明的改进，dc=（0.5-0.6）dmax，dmax为切削时的最大加工尺寸。

与现有技术相比，本发明的优点在于：采用方形空心型钢组合焊接结构，利用有限元软件仿真，进一步优化机械结构，提高雕刻机加工精度，后期维护费用低，有利于提高木工雕刻效率和精度，实现量化生产。

附图说明

图1为本发明实施例中五轴联动雕刻机的整体结构示意图；

图2为本发明实施例中双摆动电主轴的结构示意图；

图3为本发明实施例中z轴箱体的结构示意图；

图4为本发明实施例中线性滚动导轨的局部结构示意图；

图5为图4的侧视图；

图6为本发明实施例中滚珠丝杠的结构示意图。

具体实施方式

参照附图对本发明中五轴联动雕刻机的实施例做进一步说明。

如附图所示，本实施例为一种用于红木家具加工的五轴联动雕刻机，包括有由多根不锈钢方管相互紧靠而搭接成的龙门底架10，在龙门底架上方通过三角形的加强钢筋固定着两根方形的导条11，两根导条相互平行设置，在两根导条的上方架设有工作台5，导条是通过焊接的方式固定在龙门底架上，在焊接后需要进行二次回火处理，用于去除应力，随后由工人采用铣刀等对其焊接位置进行精加工，提高木工雕刻机机架结构刚度。工作台与导条之间通过滚珠丝杠12实现滑动连接，滚珠丝杠由位于工作台底部的y轴电机驱动其转动，该滚珠丝杠包括丝杆121、丝杠螺母122，在丝杆上设置有若干圈呈现螺旋排列的螺纹滚道，在螺纹滚道与丝杠螺母之间设置有滚珠123，在丝杠螺母中还设置有反向器124，反向器用于逆转滚珠的滚动轨迹，滚珠丝杠的具体工作原理可以参考由机械工业出版社发行的第五版《机械设计手册》第2卷，第7篇，第二章的螺旋传动（p7-15），它是工具机械和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。待加工的红木家具被螺杆等紧固件固定在工作台上，并且能随着工作台沿着导条往复滑动，由此实现了y轴方向的进给，在本实施例中,y轴的行程是2000mm。滚珠丝杠进给系统传动效率高、精度高、噪音低，这种传动形式可以满足复杂的进给要求，提高雕刻机的精度。滚珠丝杠最终选用台湾tbi-dfv03220双螺母滚珠丝杠。由于红木家具在加工过程中会产生大量的木屑、粉尘，木屑、粉尘等进入螺纹滚道，会加速滚道的磨损，严重影响丝杠的传动精度。因此丝杠螺母的外部包裹着密封圈来提高密封能力。

在龙门底架的两端分别设置有一个支座4，在支座的顶部支承有龙门立柱3，龙门立柱底面与支座的顶面也通过焊接的方式固定在一起，两个支座上的龙门立柱相互正对且顶部的高度一致，在两根龙门立柱之间架设有龙门横梁2，在龙门横梁的侧部铺设有上下两根间隔设置且相互平行的线性滚动导轨6，该线性滚动导轨包括了导轨本体61，导轨本体通过保持架62固定在龙门横梁的侧部，在导轨本体外部套设有滑块63，在滑块与所述导轨本体之间形成有多道条形间隙，这些条件间隙的截面呈现为圆形，在条形间隙中设置有若干钢球64，滑块通过钢球滑动连接在导轨本体上。在所述龙门横梁的侧部开设有安装槽，所述保持架一端埋设在所述导轨本体中，另一端卡接在所述安装槽中。在所述滑块的两端均固定着密封端盖65，所述密封端盖将所述条形间隙部分遮挡且与所述导轨本体的表面之间形成有空隙，所述密封端盖能阻止所述钢球从条形间隙中滚出，在其中一个密封端盖上固定着油杯66，油杯通过油管与条形间隙内部连通，在油杯中填充有润滑油，油杯中的润滑油可以通过油管进入到条形间隙的内部，对导轨本体的表面和钢球进行润滑。这里，润滑油优选采用润滑油脂，润滑油脂能在接触导轨本体表面时形成的油膜，该油膜除了起到润滑的作用以外，还有缓冲吸振、降低传动噪声的作用。木工雕刻机采用低粘度润滑油循环润滑，可以减少丝杠传动机构的热变形。

在线性滚动导轨上滑动连接着滑枕8，在滑枕上固定着z轴箱体1，在所述z轴箱体的底部设置有双摆动电主轴7，具体的，在所述z轴箱体的侧部设置了螺杆，在所述z轴箱体的顶部固定着气缸10，在所述气缸底部连接着气缸杆，所述气缸杆穿设在所述滑枕中，由所述气缸驱动气缸杆做竖直升降，在所述气缸杆的底部固定着所述双摆动电主轴7，所述双摆动电主轴能跟随所述气缸杆一起升降；所述双摆动电主轴包括有电机壳体71，由所述电机壳体围成了安装腔，在所述电机壳体的前端面与后端面之间插接有主轴72，主轴的主体部分位于安装腔中，主轴的前后两端部分延伸在电机壳体的前端面与后端面的外部，在主轴位于安装腔内部的部分上套设有永磁体73，永磁体外包裹着转子铁芯731，转子铁芯通过永磁体的吸附力进行固定。

在电机壳体的内壁上固定着一圈环形的定子铁芯74，定子铁芯环绕着永磁体设置并且在永磁体与定子铁芯之间形成有间隙，在定子铁芯外部绕设有定子绕组75，定子绕组是沿着主轴的轴向方向环绕在定子铁芯上的，即定子绕组是围绕着定子铁芯的前后两端设置的。由于定子铁芯和定子绕组固定在电机壳体的内壁上，定子绕组在通电后会产生大量的热量，为了防止电机壳体过热发烫，在电机壳体中嵌设有冷却管路76，冷却管路在电机壳体的前端面上分别开设了冷却液进口761和冷却液出口762，冷却液进口和冷却液出口同时与冷却液源连通，冷却液源内配置有增压泵，增压泵是一种市购的常用件，它的作用是促进冷却液在冷却管路中的循环，即由冷却液进口至冷却液出口的循环，由于冷却液长时间在电机壳体的壳壁中流动，这使得冷却液可以对电机壳体起到较好的冷却作用。

主轴的前部延伸在电机壳体的前端面外部，在主轴的前部套设有反馈装置77，当主轴转动时，能带动反馈装置跟随着主轴一起转动，反馈装置实质上就是一种市购的转速传感器，固定在主轴上，用于实时监测主轴的转速数据，在主轴的前端还固定着松刀气缸78，所述松刀气缸用于夹持刀具。具体的，在主轴的前端固定着夹具，夹具中夹持着刀具，而松刀气缸用于控制夹具的收紧或张开，从而实现对刀具的夹紧或张开，当夹具处于张开状态，可以便于将刀具取下，反之，当夹具处于收紧状态，则便于将刀具夹持。

主轴的后部延伸在电机壳体的后端面外部，在主轴的后部通过轴承套设有安装法兰79，在所述安装法兰上固定着c轴伺服电机9，在c轴伺服电机的电机轴上套设了齿轮，在主轴的后部也套设了齿轮91，所述电机轴上的齿轮和主轴上的齿轮相互啮合，由所述c轴伺服电机驱动所述主轴转动。在所述主轴的齿轮与所述安装法兰之间夹持着弹性垫片92，所述弹性垫片用于对所述主轴上的齿轮进行轴向预紧。

一种采用上述五轴联动雕刻机对红木家具进行加工时的切削力计算方法，其通过如下公式进行计算：

f=(2*955*10⁴ηpz)/dcnc

式中，f为切削力，pz为电机的额定功率，η为主传动系统的效率，nc为主轴转速，dc为计算直径。

作为上述算法的改进，dc=（0.5-0.6）dmax，dmax为切削时的最大加工尺寸。

木工雕刻机加工工况多为直线运动切削，根据木材切削经验，在z轴箱体有限元模型最下端分别施加x、y、z三个方向上切削反力f1以及任意假定方向的切削反力f2。根据典型木工加工切削经验参数，设定f2在三个方向的分力。在恒定的重力作用下，根据木材切削力大小和方向的不同将龙门横梁静力学分析工况分为以下四个：

（1）工况1：x方向1000n的切削反力；

（2）工况2：y方向1000n的切削反力；

（3）工况3：z方向1000n的切削反力；

（4）工况4：根据典型木工精加工经验得到的切削反力f2，其中可分解为fx、fy、fz三个方向作用力。

二、约束边界条件

雕刻机龙门横梁与立柱为全焊接结构，因此横梁下方两端联接部位视为完全不能相对运动，约束全部6个自由度；木工雕刻机装配z轴高压气体配重系统，实现z轴的平衡，同时避免z轴箱体受切削反力作用产生弯曲、扭转等变形。因此在静力学分析时，要约束z轴箱体z方向的平移自由度。木工雕刻机龙门横梁的门横梁及其承载部件采用q235方形空心型钢及钢板焊接而成，空心型钢壁厚为12mm，其材料的弹性模量e=2.08e+11pa，泊松比=0.277μ，而密度dens=7.86e+03kg/m³。

以上所述使本发明的优选实施方式，对于本领域的普通技术人员来说不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为本发明的保护范围。