摘要隨著成品木材雕刻市場需求的持續(xù)攀升，科學技術與制造技術的日新月異，傳統(tǒng)的手工雕刻技藝正逐步被自動化雕刻系統(tǒng)所取代，基于數(shù)控技術的木工雕刻機已成為木工雕刻行業(yè)的首選工具，引領著行業(yè)發(fā)展的潮流。傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)雕刻機在工件加工過程中需多次裝夾才能完成，這不僅影響了加工精度，還導致了效率低下和速度緩慢等問題，限制了其在木工雕刻領域的進一步發(fā)展，因此本文開展了基于滑臺模組的數(shù)控木工雕刻機的研究。文章首先闡述數(shù)控雕刻機研究背景與意義，綜合比較國內(nèi)外木工雕刻機現(xiàn)狀及數(shù)控技術的內(nèi)容，研究了基于滑臺模組的四軸聯(lián)動數(shù)控木工雕刻機的設計、應用及其性能優(yōu)勢?；_模組作為一種高效的自動化生產(chǎn)組件，通過精確控制和穩(wěn)定運動，為木工雕刻提供了更高的效率和精度。數(shù)控木工雕刻機則通過圖形設計及計算機數(shù)控掃描方式，實現(xiàn)了木工雕刻的自動化操作，提升了生產(chǎn)效率并降低了人力成本。通過將滑臺模組與數(shù)控木工雕刻機相結合，本文利用solidworks軟件設計了一種新型木工雕刻設備，該設備結合了滑臺模組的高效性和數(shù)控技術的精確性，能夠實現(xiàn)復雜精細的木工雕刻。同時，本文還探討了該設備的工作原理、機械結構及選型計算等，并進行了性能分析和優(yōu)化。關鍵詞：木工雕刻；四軸數(shù)控；結構；有限元分析

AbstractWiththecontinuousriseofthemarketdemandforfinishedwoodengraving,therapiddevelopmentofscienceandtechnologyandmanufacturingtechnology,thetraditionalmanualengravingtechnologyisgraduallybeingreplacedbyautomaticengravingsystem.Woodworkingengravingmachinebasedonnumericalcontroltechnologyhasbecomethepreferredtoolofwoodworkingengravingindustry,leadingthetrendofindustrydevelopment.ThetraditionalCNCsystemengravingmachineneedstobeclampedmanytimesintheprocessofworkpieceprocessing,whichnotonlyaffectstheprocessingaccuracy,butalsoleadstoproblemssuchaslowefficiencyandslowspeed,whichlimitsitsfurtherdevelopmentinthefieldofwoodcarving.Therefore,thispapercarriedouttheresearchofCNCwoodcarvingmachinebasedonslidemodule.Firstly,thispaperexpoundstheresearchbackgroundandsignificanceofCNCengravingmachine,comprehensivelycomparesthecurrentsituationofwoodworkingengravingmachineathomeandabroadandthecontentofnumericalcontroltechnology,andstudiesthedesign,applicationandperformanceadvantagesoffour-axisCNCwoodworkingengravingmachinebasedonslidemodule.Asanefficientautomatedproductioncomponent,theslidingtablemoduleprovideshigherefficiencyandaccuracyforwoodworkingengravingthroughprecisecontrolandstablemovement.Thenumericalcontrolwoodworkingengravingmachinerealizestheautomaticoperationofwoodworkingengravingthroughgraphicdesignandcomputernumericalcontrolscanning,whichimprovestheproductionefficiencyandreducesthelaborcost.Bycombiningtheslidingtablemodulewiththenumericalcontrolwoodworkingengravingmachine,thispaperdesignsanewtypeofwoodworkingengravingequipmentbyusingsolidworkssoftware.Theequipmentcombinesthehighefficiencyoftheslidingtablemoduleandtheaccuracyofthenumericalcontroltechnology,andcanrealizethecomplexandfinewoodworkingengraving.Atthesametime,thispaperalsodiscussestheworkingprinciple,mechanicalstructureandselectioncalculationoftheequipment,andcarriesoutperformanceanalysisandoptimization.Keywords:Woodworkingcarving;four-axisCNC;structure;finiteelementanalysis緒論課題研究背景及意義制造業(yè)是國民經(jīng)濟的基石，不僅承載著社會發(fā)展的重任，更是經(jīng)濟迅猛增長的強勁引擎，推動產(chǎn)業(yè)結構不斷優(yōu)化升級。而制造業(yè)的繁榮，離不開先進的生產(chǎn)設備作為堅實支撐。這些設備的性能與水平，直接關系到制造業(yè)的整體效率、質量及效益。隨著經(jīng)濟技術日新月異的發(fā)展，大型、專用、精密、小型等各類設備在經(jīng)濟建設和國防建設中的需求愈發(fā)迫切，這就要求我們采用更先進的加工技術來應對。數(shù)控機床的誕生與不斷進化，使數(shù)控加工技術躍升為裝備制造領域的核心技術。這種高效、精密的加工技術，為各類裝備在功能、水平、質量、品種、動力利用率和成本等多個方面帶來了顯著的技術性能提升。它滿足了現(xiàn)代CAD/CAM、FMS（柔性制造系統(tǒng)）、CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）以及敏捷制造和智能制造等先進制造模式的需求，為制造業(yè)的自動化、柔性化、集成化生產(chǎn)奠定了堅實基礎。雕刻工藝是一種承載著深厚傳統(tǒng)底蘊的加工技藝，無論是用于珠寶的細致雕琢，還是手工藝品的創(chuàng)作，都充分展現(xiàn)了雕刻者精湛的手工技藝和獨特的藝術魅力。然而在當下這個高速發(fā)展的社會，傳統(tǒng)手工雕刻方式所面臨的生產(chǎn)效率低下和勞動強度大等問題，已逐漸無法滿足人們?nèi)找嬖鲩L的物質需求。面對這一挑戰(zhàn)，雕刻行業(yè)正積極尋求創(chuàng)新與發(fā)展——精湛的雕刻加工技術和現(xiàn)代化的加工生產(chǎn)方式，無疑成為行業(yè)未來的重要發(fā)展方向。其中，現(xiàn)代銑床和數(shù)控加工中心的廣泛應用，以其高效、精準的特點，正在逐步取代傳統(tǒng)的手工雕刻方式，極大地提高了雕刻效率。通過引入這些現(xiàn)代化設備，我們不僅能夠保留傳統(tǒng)雕刻藝術的精髓，還能實現(xiàn)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量的雙重提升，不僅滿足了市場對于雕刻產(chǎn)品的需求，也為雕刻行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展注入了新的活力。自九十年代中起，雕刻機開始進軍中國市場。但當時國產(chǎn)設備在加工范圍上相對狹窄，任務類型也較為單一，無法實現(xiàn)對材料的大幅面及多樣化加工。這一局限使得企業(yè)在生產(chǎn)過程中受到了極大的束縛，制約了其發(fā)展和創(chuàng)新，因此提升木工雕刻機的市場適應性和靈活性已成為當務之急。鑒于此，研制基于滑臺模組的數(shù)控木工雕刻機將具有重要意義。論文將以現(xiàn)有的加工機械數(shù)控木刻機為原型，設計一種四軸聯(lián)動的數(shù)控雕刻裝置。本文能從以下幾個方面體現(xiàn)該研究的意義：首先，滑臺模組作為自動化生產(chǎn)中的重要組成部分，具有高效、精確和穩(wěn)定的特性。通過不同的搭建方式，滑臺模組可以組合成多軸機械手，實現(xiàn)多軸直角坐標機械手、XYZ三軸機械手臂等多樣化組合模式。將其應用于數(shù)控木工雕刻機中，可以大幅提升木工雕刻的效率和精度。滑臺模組的自動化生產(chǎn)速率通常比人工操作快，且可以非常容易地結合質量檢測和驗證，降低不合格零部件的數(shù)量，從而節(jié)約生產(chǎn)成本。此外，滑臺模組還可以在極端環(huán)境下工作，如極端溫度或放射性物質和有毒自然環(huán)境的風險工作環(huán)境，從而擴展了木工雕刻的應用范圍。其次，數(shù)控木工雕刻機本身具有顯著的優(yōu)勢。它利用圖形設計及計算機數(shù)控（CNC）掃描的方式來控制操作，實現(xiàn)了木工雕刻的自動化。這不僅可以提高生產(chǎn)效率，降低人力成本，還能確保運動的穩(wěn)定性和加工的精確性，使平面和立體的精細雕刻成為可能。此外，數(shù)控木工雕刻機還具有良好的穩(wěn)定性和多樣性，可以根據(jù)不同需求選擇不同型號和配置，滿足各種復雜和多樣的加工要求。將滑臺模組與數(shù)控木工雕刻機相結合，可以實現(xiàn)更高效、更精確的木工雕刻。這不僅可以提升木材加工的效率和精度，還可以降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質量。同時，這種結合也為木工雕刻行業(yè)注入了新的活力，推動了木材加工領域的創(chuàng)新和發(fā)展。綜上所述，基于滑臺模組的數(shù)控木工雕刻機研究具有重要的理論和實踐意義，有助于推動木工雕刻行業(yè)的技術進步和產(chǎn)業(yè)升級。具體技術路線圖如圖1-1所示。圖1-SEQ圖\*ARABIC1木工數(shù)控雕刻機技術路線國內(nèi)外數(shù)控雕刻機研究現(xiàn)狀國外的數(shù)控雕刻機研究機構和生產(chǎn)廠家在數(shù)控系統(tǒng)技術上已相當成熟，其數(shù)控系統(tǒng)在精度、性能及人機界面方面均優(yōu)于國內(nèi)同類產(chǎn)品。近年來，國外數(shù)控系統(tǒng)在精度控制上取得了顯著進展，這主要得益于像FANUC、SIEMENS等頂尖數(shù)控系統(tǒng)制造商的持續(xù)創(chuàng)新。例如，F(xiàn)ANUC公司近年來推出的最新數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了納米級的高精度控制和執(zhí)行NURBS插補能力，顯著提升了加工質量。而西門子展出的SINUMERIK828D數(shù)控系統(tǒng)，憑借80位高精度浮點運算能力，大幅提高了加工精度。由于國外數(shù)控系統(tǒng)具備高精度控制、穩(wěn)定性能和優(yōu)異的人機交互性，它們在高端數(shù)控機床控制系統(tǒng)市場占據(jù)了主導地位。我國的數(shù)控系統(tǒng)領域起步相對較晚，因此與國外頂尖的數(shù)控機床制造商相比，確實存在一定的技術差距REF_Ref29568\r\h[1]。近年來，我國數(shù)控系統(tǒng)制造企業(yè)展現(xiàn)出了驚人的發(fā)展勢頭。華中數(shù)控、沈陽數(shù)控、廣州數(shù)控等一批優(yōu)秀企業(yè)相繼涌現(xiàn)，它們以迅猛的速度收復了部分市場份額?，F(xiàn)在國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)在經(jīng)濟型數(shù)控機床市場的占有率已高達95%，成為市場上的主導力量。我國數(shù)控系統(tǒng)制造商還積極向高端市場發(fā)起挑戰(zhàn)，通過持續(xù)的技術攻關，取得了令人矚目的成果。國家層面對數(shù)控系統(tǒng)的研發(fā)也給予了高度重視，將其列為科技領域的重大專項，為行業(yè)發(fā)展提供了有力支持。盡管我國數(shù)控系統(tǒng)制造企業(yè)已取得顯著進步，但仍需繼續(xù)加強技術創(chuàng)新和市場拓展，以進一步提升國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的競爭力和市場占有率。常見的國外雕刻機如圖1-2所示。（a）麥迪克雕刻機（b）羅蘭雕刻機圖1-SEQ圖\*ARABIC2國外生產(chǎn)的數(shù)控雕刻機國產(chǎn)的數(shù)控雕刻機大多聚焦于三軸經(jīng)濟型產(chǎn)品，其驅動元件主要依賴于步進電機。與國外的優(yōu)秀雕刻機相比，國產(chǎn)數(shù)控雕刻機在加工產(chǎn)品質量、精度以及應用范圍等方面存在明顯的不足。國產(chǎn)雕刻機在加工產(chǎn)品時，質量參差不齊，精度難以達到國外同類產(chǎn)品的高標準。其應用范圍相對有限，難以滿足更多元化的市場需求。更為關鍵的是，國產(chǎn)數(shù)控雕刻機在人機接口設計方面不夠友好，使得操作體驗不夠順暢，影響了用戶的使用體驗。這些缺點限制了國產(chǎn)數(shù)控雕刻機在市場上的競爭力，也制約了其進一步的發(fā)展。國內(nèi)常見的雕刻機如圖1-3所示。（a）“北京精雕”五軸聯(lián)動雕刻中心（b）“上海啄木鳥”帶刀庫木工雕刻機圖1-SEQ圖\*ARABIC3國內(nèi)數(shù)控雕刻機主要研究內(nèi)容文章主要包括以下五個章節(jié)來呈現(xiàn)本文的主要內(nèi)容。第一章是本文的緒論部分，深入探討了數(shù)控木工雕刻機的研究背景及其重要性，通過廣泛研讀相關文獻資料，對木工雕刻機以及數(shù)控技術在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀與發(fā)展動態(tài)進行了詳盡的介紹，概述了本研究所涉及的關鍵技術，為后續(xù)研究提供堅實的理論基礎。第二章在闡述工作原理的基礎上，比較確定兩個方案及所需技術參數(shù)，取最優(yōu)方案解為本文的研究方法。在此方案上，詳細說明了所使用的坐標系及總體框架結構、進給運動方案、主運動方案等。第三章是基于滑臺模組的數(shù)控木工雕刻機的具體三維設計，包括X、Y、Z軸的傳動結構設計、刀具設計及底座支架部分的裝配。第四章說明了傳動機構的選型及校核，主要包括滑臺模組、刀具、電機的選型，以及相關計算，如稼動率及切削力等。第五章是關鍵部分的仿真與分析，使用SolidWorks的Simulation插件進行氣缸支撐立柱、底座的靜力學分析等。方案選擇工作原理數(shù)控雕刻機由多個核心組件構成，主要包括工控機、控制器以及雕刻機機床本體等。機床本體作為數(shù)控雕刻機的機械結構主體，承擔著雕刻加工的最終執(zhí)行任務，是實現(xiàn)精細雕刻的關鍵部件REF_Ref26998\r\h[2]。工控機作為上位機開發(fā)的平臺，具備出色的圖形顯示資源和強大的并行處理能力，使得人機交互變得更為流暢與高效。而控制器則主要負責數(shù)控雕刻機的運動控制、信息采集等重要功能，常見的控制器類型包括PLC和單片機等，它們共同協(xié)作，確保雕刻機能夠精準、高效地完成任務。雕刻機的工作原理是，先將專業(yè)雕刻軟件通過精細的設計和排版，雕刻圖案或文字的相關信息傳輸至計算機。隨后計算機將這些信息發(fā)送至雕刻機控制器，控制器接收到信息后，迅速將其轉換為脈沖信號，這些信號能夠精準地驅動步進電機或伺服電機。在控制器的精確控制下，雕刻機按照X、Y、Z三軸方向精確形成雕刻走刀路徑。雕刻機利用高速旋轉的刀具，沿著生成的走刀路徑，對工作臺上的加工材料進行切削。這一自動化的操作過程高效精確，能夠雕刻出各種精美的圖案或文字。設計參數(shù)和總體方案四維雕刻機的設計參數(shù)四維雕刻機的整體設計參數(shù)如表2-1所示。表2-SEQ表\*ARABIC1雕刻機參數(shù)表規(guī)格型號X,Y軸雕刻范圍700×500進給速度（mm/s）工作1~1200快速1200機械精度(mm)0.01Z軸最大行程200進給速度(mm/s)工作1~1256快速1256機械精度(mm)0.01R軸雕刻角度360°雕刻長度(mm)150機械精度0.01加減速度為0.3G額定負載質量(kg)2.0加減速度為0.1G最大負載質量(kg)6.0指令精度(mm)0.001主軸轉速(mm)0~10000空轉值(mm)0.02以下加工工件厚度(mm)180~380原點精度(mm)±0.2重復定位精度(mm)0.01電纜長度(mm)3雕刻機總體布局要求首先為確保雕刻精度，必須著重于整體結構的穩(wěn)定性和剛性。我們應合理規(guī)劃各部件的布局，力求使重心降低，增強穩(wěn)定性，采用有效的加強和支撐結構，以最大限度減少振動和變形。其次傳動系統(tǒng)的布局亦需精心設計，力求簡潔高效，旨在減少能量損失并提升運動響應速度。在布置傳動部件時，需充分考慮到維護和調整的便捷性，同時兼顧散熱和防塵等實際需求。此外雕刻機的操作界面和手動操作區(qū)域亦需合理規(guī)劃，控制面板應設計得清晰易懂，按鈕和開關的布局應符合人體工程學原理，旨在減少誤操作，提升操作效率。綜上所述，雕刻機的總體布局設計是一個復雜且綜合性的過程，它涉及穩(wěn)定性、傳動效率、操作便捷性、安全性、可擴展性與兼容性以及美觀性等多個關鍵要素。通過精心規(guī)劃和布局，我們可以確保雕刻機在性能上達到卓越水平，同時在操作體驗上也能為用戶帶來極大的便利和舒適感。因此，在雕刻機的設計過程中，我們必須全面考慮這些要素，以實現(xiàn)最佳的布局效果。雕刻機總體方案確定經(jīng)過對相關資料的詳細查閱，我們了解到數(shù)控木工雕刻機的基本布局形式主要有兩種，具體如圖2-1所示。這兩種方案各具特色，適用于不同的加工需求和環(huán)境條件。（2）圖2-1雕刻機總體方案在方案(1)中，工作臺被固定，而雕刻機頭負責在X方向和Z方向上移動，立柱則負責Y方向的移動。這種設計使得雕刻機易于變形以適應不同縱向長度的需求，工作臺保持靜止具有出色的承載能力，尤其適合加工較重的工件REF_Ref2616\n\h[3]。支架的調整簡單方便，但是雕刻頭的運動精度較難保證，同時立柱的移動可能顯得較為笨重。在方案(2)方案中，立柱保持固定，雕刻機頭在X方向和Z方向上移動，而工作臺則負責Y方向的移動。工作臺需要移動，所以其承載能力相較于布局(1)方案稍遜一籌。但如果設計的雕刻機主要用于承載較輕的工件，這種布局所需的電機功率和傳動件尺寸都會較小，移動起來也會更加輕便REF_Ref29314\n\h[4]。支架的調整依然方便，但支架結構可能會比布局(1)方案稍微復雜一些。不過該方案的最大優(yōu)勢在于雕刻頭的運動精度更容易得到保證。經(jīng)過比較，以及考慮到本次設計布局的基本要求、影響布局的基本因素和四維聯(lián)動數(shù)控木工雕刻機的設計參數(shù)，采用布局(1)與滑動模組相結合的方案設計。雕刻機運動系統(tǒng)方案設計坐標系統(tǒng)的確定木工雕刻機的坐標系統(tǒng)使用直角笛卡爾坐標系統(tǒng)，本坐標軸為X、Y、Z直角坐標，對相應每個旋轉運動符號為A、B、CREF_Ref30009\n\h[5]，如圖2-2所示。X、Y兩軸為平行于雕刻機主軸的坐標軸，Z軸垂直于工件臺面。圖2-2坐標系統(tǒng)總體框架結構雕刻機本體作為整個雕刻機的主體結構，包含了滑臺模組、底座、立柱、工作臺、機頭以及主軸組件等重要組成部分。在保障系統(tǒng)機械剛性充足的同時，致力于優(yōu)化結構設計，力求減輕整機重量，并縮短產(chǎn)品的設計與制造周期，以實現(xiàn)更高的效率與經(jīng)濟效益。本文采用了鋁合金和結構鋼作為主要材料來制造主體框架；為了進一步提高裝配效率和精度，部分連接處采用了標準的緊固件和定位銷進行連接。本數(shù)控木工雕刻機采用了機床結構設計簡潔且剛性出色的特點，確保了機器在加工過程中的穩(wěn)定性和高效性。雕刻機整機設計尺寸為1200×1000×1300mm，主要結構設計有工作臺、電機、固定座、電纜、底座、氣缸、立柱及電氣系統(tǒng)部分組成。其中工作臺設計尺寸1000×800mm，有效加工行程為500×700mm，主軸轉速為10000r/min，不會過分磨損刀具，也不會過度損傷工件表面?？傮w結構機械部分是雕刻機的核心組件，集支撐與執(zhí)行部件的精髓于一身，是雕刻加工任務得以順利完成的堅實基石。其構成涵蓋了地腳、底座機架、工作臺以及X、Y、Z、R四個方向的進給裝置等關鍵元素。在確保機械系統(tǒng)剛性需求的同時，我們致力于簡化設計結構，以縮短研發(fā)和生產(chǎn)周期，從而實現(xiàn)更高效、更經(jīng)濟的生產(chǎn)效益。機床的支撐結構選用了優(yōu)質的結構鋼，各部件通過螺栓連接與焊接工藝緊密結合，形成穩(wěn)固的整體；底座部分特別采用鋁合金設計，既輕便又耐用；防塵件則選用金屬板或塑料等材質，同時采用易替換的標準緊固件進行緊固和連接，便于后續(xù)的維護與升級。在工件加工臺面上，我們巧妙地設計了T型槽，以便大型工件能夠穩(wěn)固裝夾，確保加工過程的精確與高效。整體結構的三維示意圖如圖2-3所示。圖2-3總體結構設計進給運動方案綜合前述內(nèi)容，采用了如下工作方式：將工作臺固定，雕刻頭負責Z方向的移動和R方向的旋轉，而機頭整體則沿X方向移動，從而實現(xiàn)雕刻的寬度調整。機頭與X軸整體在Y軸上固定移動，確保雕刻長度的精確控制。通過主軸R軸組件的上下移動，實現(xiàn)雕刻深度的調整，而R軸還能帶動工件進行360度旋轉實現(xiàn)外圓周的雕刻。伺服電機直接與滾珠絲杠副連接，確保動力的高效傳遞。在各運動鏈的導軌支撐件中，統(tǒng)一采用標準規(guī)格的鋁制基座，既保證了結構的穩(wěn)定性，又降低了整機的重量。主運動方案通常情況下，雕刻機進行加工時，主運動方案主要采取以下兩種形式。首先，可以直接安裝專業(yè)的雕刻機刀具，這種方案既簡單又實用，配合相應的變頻調速裝置，能夠滿足雕刻所需的精度和速度要求。其次，可以利用直流電動機驅動主軸旋轉，盡管直流電機成本較低且能滿足主軸速度需求，但在執(zhí)行復雜雕刻任務時可能會增加機械結構的復雜性，這種方案更適合于簡單的雕刻任務或預算有限的場景。經(jīng)過全面評估，本設計決定采用電機驅動主軸的方案。在連接方式的選擇上，雖然電機與主軸直接相連的剛性連接在理論上能夠實現(xiàn)，但考慮到電機啟動時產(chǎn)生的強大沖擊力可能對機床主軸和齒輪造成潛在損害，最終選擇了一種更為普遍且成本較低的柔性連接方式——皮帶連接。皮帶類型的選擇以及施加在皮帶上的力量，將直接影響所產(chǎn)生的扭矩大小，因此需經(jīng)過精心挑選和計算。為縮短原點復位動作時間在左右兩側特別設置了蠕變傳感器。在原點復位動作執(zhí)行時，滑塊會以低速狀態(tài)逐步向機械終端移動。然而當驅動軸的行程較長時，這一過程會耗費較多的時間。因此蠕變傳感器的設置旨在優(yōu)化這一流程，提升整體工作效率。所以在機械終端附近設置傳感器，原點復位時滑塊先以高速移動，接觸傳感器后傳感器動作，滑塊減速后以再以低速做正常的原點復位作業(yè)。本章小結本章主要聚焦于四軸聯(lián)動數(shù)控木工雕刻機的方案選擇，旨在確立基本的設計路線與實施方案。根據(jù)木工雕刻的三維加工工藝要求和應用領域的廣泛性，深入分析了雕刻機所需的主要技術參數(shù)。在此基礎上明確了木工雕刻機的整體框架結構、主軸傳動方式以及進給傳動系統(tǒng)等關鍵部分的初步設計方案，為后續(xù)的詳細設計與制造奠定了堅實基礎。機械結構設計傳動結構設計傳動機構選用基于滑臺模組的ICSA4直交機械手，采用可更換的Z-R軸，需要加工這種類型的產(chǎn)品時，可以安裝進行加工，提高工作臺的加工空間和使用率，十分方便。且X、Y軸內(nèi)置滾珠絲桿副，具有精度高、可逆性強，加工效率高、發(fā)熱小，可實現(xiàn)高速進給的優(yōu)點。X、Y軸使用線性導軌副，相對直線光軸導軌副，定位精度高、磨損小，適應高速運動且大幅降低驅動功率、承載能力強、易組裝，具有互換性REF_Ref3423\n\h[6]。通過將AQ封圈頂住在導軌以及滾珠絲桿的表面（鋼球滾動面），可以持續(xù)提供潤滑油，與潤滑脂一起使用，潤滑效果加倍，可以實現(xiàn)長期免加油免維護。圖3-1初始設計圖圖3-2螺栓連接方式確定雕刻機的整機為：X、Y、Z、R軸傳動機構與機架通過螺栓固定在一起的整體結構，經(jīng)評估后質量約為43kg，與四個氣缸經(jīng)螺栓連接后約重45kg。四軸聯(lián)動結構初始設計如圖3-1所示，螺栓連接方式如圖3-2所示。具體參數(shù)如表3-1所示。表3-1傳動機構基本參數(shù)配置軸數(shù)4軸固定方式Y軸固定接線方法/類型在X軸和Y軸之間電纜軌道在Y軸和ZR軸之間電纜軌道X軸滾珠絲桿滾珠絲桿φ20mm滾扎C10Y軸滾珠絲桿滾珠絲桿φ16mm滾扎C10導軌基座一體型基座材料：鋁表面白色耐酸鋁處理X軸馬達輸出/導程400W/20mmY軸馬達輸出/導程400W/20mmZ軸馬達輸出/導程400W/20mm旋轉軸馬達輸出200W旋轉軸允許轉動慣量0.03kg?m2旋轉軸允許扭矩3.8N?m機架結構設計機架作為數(shù)控機床床身的關鍵支撐部件，對機床的整體精度起著舉足輕重的作用REF_Ref3642\n\h[7]。在眾多的數(shù)控機床中，臥式和立式結構是兩種常見的類型，而數(shù)控雕刻機主要傾向于采用立式結構。當加工材料為硬質材料或需要進行快速雕刻時，切削力會顯著增大，這可能導致機床產(chǎn)生較大的振動。對于數(shù)控雕刻機來說，機架的設計和制造需要格外注重其穩(wěn)定性和剛性，以確保機床在高負荷下仍能保持優(yōu)異的加工精度和穩(wěn)定性。本文采用“四立柱式”橋梁支撐結構。這種結構由四根立柱和Y軸固定的橫梁組件組成，形成一個堅固的框架，用于支撐和固定整體機械加工設備。立柱與氣缸支架垂直安裝，Y軸橫梁則利用螺栓連接氣缸支架，形成一個穩(wěn)定的支撐體系REF_Ref32400\n\h[8]。機架用來支撐進給結構，并且保證進給結構與工作臺的相對位置精度，且承載著各種動態(tài)力和靜態(tài)力，以保證雕刻機整體的穩(wěn)定性。本次數(shù)控雕刻機的機架結構如圖3-3所示。圖3-3機架結構設計氣缸支架設計支臂是機床支撐的主要零件，刀具系統(tǒng)的重力、主軸的重力及切削力等都會通過其進行傳遞。一旦支臂發(fā)生變形，它將會放大因橫梁變形和振動所導致的加工精度誤差，嚴重影響加工質量。因此設計支臂時必須確保其具備足夠的剛度、強度和良好的抗振性能，以保證機床在高負荷和振動環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定和精準的加工。氣缸支架設計如圖3-4所示，具體結構如3-5所示，具體尺寸為150×80×405mm。圖3-4氣缸設計三維視圖圖3-5氣缸結構底座結構設計在雕刻加工過程中，底座作為機床的核心支撐部件，對機床的整體穩(wěn)定性具有至關重要的影響，是機床結構設計的基石。本設計采用了矩形實心底座，支臂牢固地固定在底座之上，確保能夠承受較大的彎矩?？紤]到鑄件的生產(chǎn)成本較低且生產(chǎn)周期較短，選擇鑄造作為機床底座的加工方式。為了進一步提升雕刻機在加工過程中的穩(wěn)定性，在機床床身上添加了矩形截面地腳，便于進行穩(wěn)固的固定，確保加工過程的順利進行。底座三維視圖如圖3-6所示，具體結構如圖3-7所示。圖3-6底座設計三維視圖圖3-7底座結構工作臺設計工作臺的作用是用來放置并固定工件的，在設計工作臺的時候，從整體的剛度和經(jīng)濟性來考慮，按照機床的工作臺、絲杠、導桿長度決定雕刻機整體的大小，選用鋁型材800X1000mm的T型工作臺。其特點是穩(wěn)定不易變形，耐磨性好，價格便宜，容易實現(xiàn)工件裝夾。工作臺面的示意圖如圖3-8所示，結構如圖3-9所示。圖3-8工作臺設計三維視圖圖3-9工作臺結構刀具設計在銑削加工中，通常將刀具安裝在機器主軸的銑刀架上，通過旋轉刀具從坯料上銑掉多余的材料。銑刀的切削刃通常位于刀具的端面或周邊。本文設計的是立式銑刀，它的側面和端面都有切削齒，可以軸向和橫向切削材料；底部通常是平的，并有一個或多個凹槽。刀具設計如圖3-10所示，結構如圖3-11所示。圖3-10刀具設計三維視圖圖3-11刀具結構本章小結本章將滑臺模組與雕刻機相關特性相結合，利用solidworks軟件設計創(chuàng)新木工數(shù)控雕刻機的三維建模與裝配，主要包括氣缸、底座、工作臺及刀具的設計等。在建立雕刻機機械框架結構的虛擬樣機的基礎上，用CAD軟件完成相關工程圖的繪制，具體圖紙已寫在附錄中。傳動機構選型及計算滑臺模組選擇X軸選型基于實際應用場景對定位精度和重復定位精度的具體要求，以及考慮到工作周期和生產(chǎn)效率等關鍵因素，經(jīng)過詳細查閱IAI產(chǎn)品目錄ISB_SSPA_CC0172-1A，我們最終選定ISB_ISPB-LXM-WA400-500-A3S-11_(9)_.body型號，其寬度為加長寬180mm。Y軸選型根據(jù)所需移動的負載重量以及工作空間的實際大小，認真查閱了IAI產(chǎn)品目錄ISB_SSPA_CC0172-1A，并經(jīng)過慎重考慮，最終選用ISB_ISPB-MXM-WA200-700-A1S-11_(4)_.body這一型號，其寬度為標準寬120mm。這一選擇旨在確保負載的穩(wěn)定移動和高效作業(yè)，以滿足實際工作空間的需求，并確保設備的穩(wěn)定運行和高效性能。ZR軸選型在需要承受外力或振動的應用中，選擇剛性和穩(wěn)定性好的Z-R軸可以確保設備的穩(wěn)定運行和長壽命。文章選擇ZE-M。具體規(guī)格如表4-1所示。表4-1Z-R軸參數(shù)表項目內(nèi)容軸構成上下軸旋轉軸導程滾珠絲桿導程(mm)20-負載質量最大負載質量6速度/加減速度最高速度1256mm/s2200度/s額定加減速度(G)0.30.3最高加減速度(G)0.30.3推力最大推力(N)171-推壓最大推壓力(N)120-推壓最高速度(mm/s)20-剎車剎車規(guī)格無勵磁動作電磁剎車剎車保持力(kgf)66行程200mm±360度驅動方式同步帶+滾珠絲桿花鍵軸同步帶+齒輪減速器+花鍵軸重復定位精度±0.010mm±0.005度耐震性、耐沖擊4.9m/s2編碼器選擇由于X、Y軸都是ISB單軸機械手類型，經(jīng)查閱IAI網(wǎng)站相關產(chǎn)品目錄catalogue07，編碼器選擇免電池絕對型。即使關閉電源，免電池絕對型編碼器（已申請專利）也會保存原點位置數(shù)據(jù)，因此接通電源時無需進行原點復位動作，并且無需用于保存原點位置數(shù)據(jù)的電池。X、Y軸適用控制器有T1：XSEL-J/K、T2：XSEL-P/Q、SSEL、SCON，具體參數(shù)如表4-2所示。表4-SEQ表\*ARABIC2XY軸適用控制器適用控制器最大控制軸數(shù)可能連接的編碼器種類操作方法電源電壓X-SEL-P/Q6軸絕對/增量可編程式單相/三相AC200VX-SEL-J/K4軸單相AC100/200VSSEL2軸SCON1軸定位點式脈沖列控制式ZR軸適用控制器有X-SEL-P/Q和XSEL-RA/SA，具體參數(shù)如表4-3所示。表4-SEQ表\*ARABIC3ZR軸適用控制器名稱最多可連接軸數(shù)電源電壓控制方法最大定位點數(shù)X-SEL-P/Q6單相AC200V三相AC200V程序/現(xiàn)場網(wǎng)絡20000XSEL-RA/SA855000結合XYZR四軸所適用的編碼器類型及技術參數(shù)，選擇XSEL-P/Q型編碼器。執(zhí)行器和控制器通過電機電纜和編碼器電纜(原裝部件)使用連接器連接，布線圖如圖4-1所示。圖4-1與XSEL控制器連接的示例電機的選擇木工雕刻機的主軸電機可根據(jù)所加工木料的硬度進行選擇其功率，一般在2.2~4.5kW左右，這種搭配也最為合理。根據(jù)表3-1所示，本文的主軸電機采用的分別采用400w、200w的AC伺服馬達，均接200v電源。相較于市面上的木工雕刻機高效節(jié)能、穩(wěn)定可靠。主要特征是將電動機用電纜與滑臺模組相連，直接驅動主軸，實現(xiàn)電動機、主軸一體化的功能，有效提高了傳動效率。EC電缸選型為保證木工雕刻加工高可靠性、高穩(wěn)定性以及高精度運行，根據(jù)第二章的主要設計參數(shù)，選擇合適的四軸聯(lián)動木工數(shù)控雕刻機電機，主要考慮：是否屬于高速輕負荷加工、具有較高穩(wěn)定性、電主軸密封性高REF_Ref1026\n\h[9]。由于X軸選用大型標準滑塊型單軸機械手，Y軸選用中型標準滑塊型單軸機械手，查閱IAI產(chǎn)品目錄EC綜合目錄2021，經(jīng)比較選擇最大負載質量51kg、最長行程800mm、最高速度1440mm/s滾珠絲桿驅動的EC電缸，型號為EC-S6-S。稼動率計算稼動率作為衡量設備實際創(chuàng)造價值時間與可提供時間的比例，直觀反映了機器設備實際生產(chǎn)量與潛在生產(chǎn)量的對比關系。具體來說，稼動率的計算可以細化為兩個主要方面：一是實際稼動時間與日歷日期理想時間的對比，二是實際稼動時間與生產(chǎn)計劃可投入時間的對比。通過提升稼動率，企業(yè)能夠顯著減少停機時間，實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置和高效利用，從而有效降低生產(chǎn)成本，提升整體運營效率。在保持原有生產(chǎn)排期和生產(chǎn)規(guī)模不變的前提下，提高設備稼動率無疑是提升產(chǎn)能效率的最有效策略。。稼動率代表機械手在1個工作周期中的運行時間與整個工作周期的比值，如公式（4-1）所示。機械手的最大可能稼動率因動作條件（負載質量、加減速等）不同而不同。實際稼動率根據(jù)右式算出，機械手的最大稼動率則需先計算負荷率LF與加減速時間比率tod，然后根據(jù)圖表對應。（4-SEQ（\*ARABIC\s11）使用了AC伺服馬達的驅動軸，根據(jù)動作條件的不同，稼動率會有所限制。（1）負載率LF計算因選用的IS(P)B類型的加減速度可超過額定值使用。根據(jù)指令加減速度決定使用的計算公式。若指令加減速度在額定加減速度以下，使用下述計算公式（4-2）。其中M1為額定加速時的負載質量，α1為額定加減速度，M為實際的負載質量，α為指令加減速度。（4-SEQ（\*ARABIC\s12）若指令加減速度超過額定加減速度，使用下述計算公式（4-3）。其中M為實際的負載質量，α為指令加減速度，M2為指令加速時的負載質量。（4-SEQ（\*ARABIC\s13）本文ZR軸選型為選擇ZE-M。由表4-1可知上下軸指令加減速度沒有超過額定加減速度，選用公式（4-2）。當使用指令加減速度α=0.1G時，此時實際負載質量最大M=6kg，額定加減速度α1=0.3G，額定加減速度時的負載質量M1=2.0kg，得出負載率為100％。由下列兩個公式計算出加減速時間比率tod，其中加/減速度=加/減速度(G)×9800mm/s2。（4-SEQ（\*ARABIC\s14）（4-SEQ（\*ARABIC\s15）由于上下軸最高速度為1256mm/s，設速度200mm/s，加/減速度0.3G，得出加速時間和減速時間均為0.068s，又已知運行時間T=根據(jù)計算出的負荷率LF與加減速時間比率tod，從表4-4中找到對應的大致稼動率。例如負載率LF=80％，加減速度時間比率tod=80％時，最大稼動率約為75%。表4-4稼動率經(jīng)過計算，得出負載率LF=100％，加減速度時間比率tod=13.6％時，最大稼動率為100%。刀具的選擇本文所研究的四軸聯(lián)動數(shù)控雕刻機，其核心技術基于滑臺模組，主要應用于膠合板等復合木質材料的切削加工。這類材料具備較高的表面硬度和優(yōu)越的彈性模量，因此在加工過程中需要選用適當?shù)牡毒咭员ＷC加工效果。通常情況下，針對此類材料的雕刻加工，我們會選擇硬質合金直柄立銑刀作為切削工具。本文將采用此類型刀具，對銑削力、扭矩及功率等關鍵參數(shù)進行計算，以確保雕刻機在加工過程中的高效性和穩(wěn)定性。主切削力及其切削分力計算在雕刻機的實際加工過程中，銑削方式按時間分布主要可分為以下四種：首先是強力銑削，約占工作時間的10%，主要是對工件進行初步處理，由于切削余量較大，因此需要較大的切削力；接下來是一般銑削，約占工作時間的30%，雕刻機會對工件進行粗雕，去除大部分多余材料；然后是精細銑削，占據(jù)工作時間的50%，這是雕刻過程中的關鍵階段，對工件進行精細加工，以達到預期的雕刻效果，因此所需時間最長，對工件的雕刻質量具有直接影響；最后是快速進給階段，約占工作時間的10%，主要是完成雕刻后的退刀動作，沒有加工余量，旨在快速完成加工循環(huán)REF_Ref24974\n\h[10]。機床主軸電機選用775ER，額定功率P=120w，采用雕刻銑刀進行強力切削，選取銑刀直徑D=3.175mm，主軸轉速n=10000r/min，切削狀況如表4-5。表SEQ表\*ARABIC4-5數(shù)控雕刻機的切削狀況切削方式進給速度(m/min)時間比例(％)備注強力切削0.610主電動機滿功率條件下切割一般切削0.830粗加工精加工切削150精加工快速進給1510空載條件下工作臺快速進給計算主切削力根據(jù)桌面級數(shù)控雕刻機雕刻加工非金屬材料，采用雕刻銑刀在主軸理論轉速下進行強力切削雕刻刀具直徑大約取10mm時，主軸具有最大扭矩，并能傳遞主電動機的全部功率。此時，銑刀的切削速度為：（4-SEQ（\*ARABIC\s16）若主傳動鏈的機械效率η=0.8，可計算主切削力Fz為：（4-SEQ（\*ARABIC\s17）依據(jù)前兩計算得到的銑刀切削速度為0.53m/s，主切削力181N。計算各切削分力工作臺縱向切削力F1、橫向切削力Fc和垂向切削力Fv分別為：FFF本章小結本章是數(shù)控木工雕刻機的相關選型計算，結合第二章的路線與方案與相關技術參數(shù)，設計雕刻機床身整體結構，確定主軸傳動方式與布置形式等進行產(chǎn)品目錄等選型；并在確定電機和刀具的選型基礎上，進行了數(shù)控木工雕刻機的相關計算，包括稼動率、切削力等。關鍵部分仿真與分析solidworkssimulation簡介SolidWorksSimulation作為一個先進的虛擬測試環(huán)境，旨在深度分析設計方案，精準評估產(chǎn)品性能，并為提升產(chǎn)品質量提供決策依據(jù)。自SolidWorks2009版本起，原本的FEA軟件COSMOSWorks經(jīng)過品牌升級，正式更名為SolidWorksSimulation，這標志著設計仿真一體化解決方案的誕生。此次升級在界面設計上實現(xiàn)了無縫集成，使得仿真界面與仿真流程能夠自然融入SolidWorks的設計過程中，為工程師們提供了更加流暢與高效的工作體驗。SolidWorksSimulation功能強大，支持靜態(tài)分析、動態(tài)分析、熱傳導分析、流體流動仿真以及疲勞分析等多種分析類型。這些豐富的分析手段使得工程師們能夠從多角度、全方位地評估產(chǎn)品在各種復雜工況下的性能表現(xiàn)。例如，通過精細的應力分析，工程師們能夠精確判斷零件在特定設計工況下是否能承受力學負載，進而針對性地優(yōu)化零件的材料選擇與結構設計。在汽車工業(yè)領域，SolidWorksSimulation的應用尤為廣泛。它可以幫助工程師們精確評估汽車車身的結構強度、懸掛系統(tǒng)的運動特性以及碰撞安全性等重要指標。此外，該軟件還廣泛應用于航空、船舶、電子、醫(yī)療器械等眾多領域，為各類工程設計提供高效、精準的仿真與分析解決方案，從而推動各行業(yè)的持續(xù)創(chuàng)新與發(fā)展。靜力學分析靜力學分析是一種主要關注部件在靜態(tài)載荷作用下的應力分布和變形情況的研究方法，這種分析方法特別適用于那些阻尼和慣性對結構性能影響較小的部件。在機床設計的過程中，進給部件的支撐立柱承擔著支撐主要重量的重要任務。因此我們必須確保支撐立柱具備足夠的強度，以穩(wěn)定、可靠地支撐工作負載，從而保障機床的整體性能和穩(wěn)定性。為了維持機床的整體結構穩(wěn)定性和性能，立柱的質量又不能過大。因此需對支撐立柱進行詳盡的靜力學分析，以驗證其是否能夠滿足設計時的強度和質量要求，確保機床的安全、穩(wěn)定和高效運行。氣缸支撐立柱的靜力學分析三維建模是開展有限元分析不可或缺的基礎與先決條件。在本文中運用SolidWorks軟件，精準構建了機床Y方向進給部件的支撐立柱氣缸的三維實體模型。隨后將該模型導入至SolidWorksSimulation中，以便進行深入的靜力學分析，從而全面評估其結構性能與承載能力。氣缸模型使用材料結構鋼得普通碳鋼，使用網(wǎng)格的自動劃分功能設置基于曲率的網(wǎng)格。氣缸支撐立柱的有限元網(wǎng)格劃分圖見圖5-1。圖5-1氣缸網(wǎng)格劃分立柱所承受的力主要集中施加于頂部的鋼板上，同時設定立柱的下接觸面為全約束狀態(tài)。在完成加載后，所得到的分析結果詳見圖5.2。圖5-2氣缸分析結果從圖中可以清晰地觀察到結構的總變形情況。經(jīng)過精確計算，我們發(fā)現(xiàn)形變量的值主要集中在0.0255MPa至1.12MPa的范圍內(nèi)。值得注意的是，變形量的峰值達到了6.6MPa，這主要出現(xiàn)在立柱上板面的兩側。盡管存在這一峰值，但整體而言，變形量相對較小，符合強度要求，表明設計合理。底座的靜力學分析底座模型選用材料為鋁合金材料的6061合金，設置良好得曲率網(wǎng)格，底座劃分網(wǎng)格后如圖5-3所示。圖5-3底座網(wǎng)格劃分底座承受的力主要加載在最上面的四個立柱上，并且設定底座下接觸面夾具固定，加載完成后，分析結果如圖5-4所示。圖5-4底座分析結果可以看出底座的最大應力為0.0488MPa，且立柱與底座焊接部分受力最大，約在0.0203MPa~0.0488MPa之間，應適當增大底座立柱的設計面積。本章小結本章首先利用SolidWorks軟件建立了木工雕刻機機械框架結構的幾何模型，隨后將這一模型導入功能強大的Simulation插件中，進行了一系列的前處理工作，包括選擇分析類型、定義模型材料、固定模型位置、劃分網(wǎng)格以及施加外部載荷等。完成這些步驟后，運行了仿真分析，得出了相應的分析結果。通過對整體數(shù)據(jù)的整理與分析，進而對機械框架結構進行了優(yōu)化，并最終完成了木工數(shù)控雕刻機的設計工作。總結與展望基于滑臺模組的數(shù)控木刻機在現(xiàn)代木工行業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。通過結合數(shù)控技術與滑臺模組，木刻機實現(xiàn)了高精度、高效率的自動化加工，極大地提