CN101195318A - 多工位数控雕刻机 - Google Patents

Abstract

本发明为多工位数控雕刻机，包括床身(1)、雕刻机械部分和电气部分，其中：电气部分包括硬件和软件部分，硬件采用以工业控制计算机和运动控制卡一起组成的控制核心，运动控制卡通过数据线连接由其控制的数字式伺服电机或多轴步进电机；软件是采用Visual C++编制Windows2000/XP下运行的应用程序以及51单片机应用程序；雕刻机械部分主要由雕刻头(10)、多工位工装装置(11)、对刀和进给装置组成，雕刻头采用无刷直流电动机(9)带动中心轴机构。多工位数控雕刻机能快速的在圆柱面、圆锥面、平面上同时多工位雕刻出各种双线体及单线体的文字、曲线和图样，并且雕刻的图形和字符可以由用户自己编辑和设计等。

Description

多工位数控雕刻机

技术领域

本发明涉及雕刻领域，尤其涉及一种多工位数控雕刻机。

背景技术

随着计算机数控(CNC)技术的发展，数控雕刻机已广泛地应用于平板材料上文字、图案的雕刻加工，而在圆柱面、圆锥面雕刻领域由于受到夹具设计制造、PC机运算算法等方面的影响，目前市场上很少有多轴设备的定型产品。

普通数控雕刻机只有一个雕刻头，能够在平面上雕刻出文字、曲线和图样，加工效率不高。采用多工位雕刻头和多工位夹具，可以以一台雕刻机成本实现5-8台数控雕刻的效率。目前已存在这样的多工位数控雕刻机，但是这种雕刻机只能解决在同一平面多头雕刻问题。如果工件不处于同一平面，雕刻就会出现深浅不一，零件质量得不到保证。现有多工位雕刻机多采用浮动主轴，手动微调Z轴方法校正平面，这种方法效率低，不适合于全自动数控雕刻，并且由于工件的各异性，不能保证精度。对于圆柱、圆锥面上的多工位雕刻，现在还未发现相关技术。

要研制和开发出新型的多工位数控雕刻机，除了需解决由图纸直接生成G代码加工程序、伺服运动控制等技术难题外，机床的机械性能、高速高精度雕刻头设计、多工位工装设计、多功位精确自动对刀设计等也非常重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种多工位数控雕刻机，以便在圆柱、圆锥和平面上雕刻复杂的图形和各种文字，同时能满足高效率批量生产和快速产品转型的要求，一台设备可达到5-8台普通数控雕刻机的工作效率。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：包括床身、雕刻机械部分和电气部分。

电气部分：包括硬件和软件部分，硬件采用以工业控制计算机和运动控制卡一起组成的控制核心，运动控制卡通过数据线连接由其控制的多轴步进电机或数字式伺服电机；软件是采用Visual C++编制Windows2000/XP下运行的应用程序以及51单片机应用程序。

雕刻机械部分主要由雕刻头、多工位工装装置、对刀和进给装置组成，其中：雕刻头采用无刷直流电动机带动中心轴机构；对刀装置采用以数控系统中多个独立控制系统分别控制多个雕刻头在每次雕刻进刀前自动对刀检测，对刀过程由数控系统全程监控并可以随时解除；在中心轴的下端采用一对高精度的角接触球轴承来约束雕刻头的径向跳动。

本发明与现有技术相比具有以下的主要优点：

其一.能够快速的在圆柱面、圆锥面、平面上雕刻出各种文字、曲线和图样，其控制系统采用计算机系统中的字库，能雕刻双线体及单线体的字符、汉字、英文字母、阿拉伯数字、日本汉字、直线、曲线、可雕刻用户自己编辑的图形和字符。编程软件与常用的绘图软件如AUTOCAD等有良好的接口功能。可以多轴例如五轴同时雕刻，当不需要同时雕刻时，除一轴工作外，其它轴以及主轴电机可屏蔽不工作。

其二.采用多雕刻头和多工位夹具可以大大提高雕刻效率。这就需要：一方面通过保证各个雕刻头之间的间距与相应的多工位夹具之间的间距相等，使零件加工的径向误差得到保证；另一方面采用多工位数控雕刻对刀系统，多个独立控制系统分别控制多个雕刻头在每次雕刻进刀前进行自动对刀检测。

其三.基于功能强大的工业控制机、19寸液晶显示屏并可由图形直接生成加工代码，同时能满足高效率批量生产和快速产品转型的要求。

其四.本机操作简单，用途广泛。一台设备可达到5-8台普通数控雕刻机的工作效率，因此具有很好的经济效益和应用价值，市场前景良好。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是图1的左视图。

图3是本发明电气控制柜主要部件布局示意图。

图4是本发明多工位工装结构示意图。

图中：1.床身；2.X向伺服电机；3.工作台；4.分油器；5.自动注油装置；6.分水器；7.横梁；8.步进电机；9.无刷直流电机；10.雕刻头；11.多工位工装装置；12.U向伺服电机；13.Y向伺服电机；14.手柄；15.旋转轴工装位；16.支撑架；17.弹簧消隙齿轮；18.伺服电机；19.主传动轮；20.涡轮蜗杆。

具体实施方式

本发明提供的多工位数控雕刻机，其结构如图1至图4所示：包括床身1、雕刻机械部分和电气部分。具体如下：

电气部分：包括硬件和软件部分，硬件采用以工业控制计算机和运动控制卡一起组成的控制核心，运动控制卡通过数据线连接由其控制的多轴步进电机或数字式伺服电机；软件是采用Visual C++编制Windows2000/XP下运行的应用程序以及51单片机应用程序。

雕刻机械部分主要由雕刻头10、对刀装置，以及包括有雕刻头自动进给机构的进给装置组成。其中：雕刻头10采用无刷直流电动机9带动中心轴机构；对刀装置采用以数控系统中多个独立控制系统分别控制多个雕刻头在每次雕刻进刀前自动对刀检测，对刀过程由数控系统全程监控并可以随时解除；X、Y向直线运动进给系统采用精密滚珠丝杠传动，其重复定位精度可达0.002mm，导轨采用进口精密直线导轨滚动副进给装置，雕刻头自动进给装置主要是在中心轴的下端采用一对高精度的角接触球轴承来约束雕刻头10的径向跳动。

所述的应用程序包括图像自动转换G代码、伺服运动控制和自动对刀单片机程序。

所述的无刷直流电机9与中心轴通过弹性联轴器联结。

所述的雕刻机械部分设有以支架支撑的工装夹具，该夹具是一种由伺服电机18通过主传动轮19、涡轮蜗杆20和齿轮机构带动多个工件同步旋转的旋转传动箱。涡轮蜗杆20可采用变导程蜗轮蜗杆传动。所述的齿轮机构，其传动齿轮均采用弹簧消隙齿轮17。

所述的雕刻头10和进给装置装在横梁7上。横梁7与床身1活动连接，并且该横梁设有使其升降的手柄14和锁紧的装置。

当需要时，可多轴同时雕刻。不需要同时雕刻时，除需要工作的轴外，其它轴以及主轴电机被屏蔽不工作。

下面结合具体实例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

本发明采用的技术方案是：将研华IPC-610P工业控制计算机作为主控机，大屏幕液晶显示器作为人机界面，编制图像自动转换G代码软件、伺服运动控制软件、自动对刀单片机程序等软件控制机床完成多工位高精度复杂图形和各种文字的雕刻。机械部分由床身1、雕刻头手动升降装置、雕刻头自动升降装置、高性能多工位工装装置11、自动润滑系统(包括分油器4和自动注油装置5)、冷却系统(包括分水器6)，以及X、Y、Z、U向进给装置等组成。电气硬件部分主要包括工业控制计算机、大屏幕液晶显示器、伺服驱动装置、步进驱动装置、高速无刷直流电机驱动装置、I/O接口控制板、自动对刀控制电路、电源系统等组成，电气软件部分由图像自动转换G代码软件、伺服运动控制软件、自动对刀单片机程序等组成。

工作台X、Y方向以及工件U向旋转采用三套伺服电机即X向伺服电机2、Y向伺服电机13、U向伺服电机12控制，五个主轴进给采用步进电机控制(可五轴单独控制)，五轴旋转采用直流电机(带驱动器)驱动，转速≥8000rpM，可无级调速且平稳运行。

1床身：

为了简化设计的结构，缩短产品的设计和制造的周期，根据加工零件的特征采用一台专用磨床床身作为雕刻机的床身1。为了提高系统精度，X、Y向直线运动进给系统采用精密滚珠丝杠传动，其重复定位精度可达0.002mm。导轨采用进口精密直线导轨滚动副，摩擦系数小，随动功能强，具有较高的导向精度和运动平稳性，非常适易于高速雕刻加工。

2横梁机构及手动升降装置：

横梁机构用于固定进给机构和雕刻头等部件。为了减轻横梁机构的重量，横梁7采用普钢焊接的结构件。由于自动升降行程比较短，为了达到加工各种零件的需要，我们设计了手动升降装置，由横梁机构升降手柄14控制雕刻头10的大范围移动，达到高度要求后，用锁紧装置锁紧，其后的雕刻头上下移动就由自动升降装置控制。锁紧装置的结构是：在横梁一块方块上有三个竖直排列的螺丝，对应床身上一条长竖槽，当横梁到位后，用螺栓将横梁和床身固定。

3雕刻头10：

雕刻机主运动结构方案通常有两种方案：直接采用专用的雕刻头或采用无刷直流电动机带动主轴机构。由于采用专用的雕刻头相对昂贵，因此不宜采用。由于无刷直流电动机一方面具有调速范围宽、特性呈线性、快速反应等特点，另一方面较一般的直流电机具有转速高，抗干扰性能强等优点，故优先选用无刷直流电动机9带动中心轴机构的方案。

雕刻头10机械结构紧凑合理，对刀时步进电机8通过同步带轮带动雕刻头10及无刷直流电机9一起向下运动，当接触到工件表面时电信号显示对刀完成，计算机再发出雕刻命令信号，驱动无刷直流电机9旋转及X、Y和U轴的伺服电机工作。工件的雕刻质量主要取决于雕刻头的径向跳动，所以雕刻头精度质量的好坏直接决定了本雕刻机研制的成败。我们通过以下三种方法保证雕刻头10的径向跳动不超过0.01mm：

(1)中心轴与无刷直流电机9通过弹性联轴器联结，这样刀具的回转精度和轴向窜动的控制则由中心轴下端保证，降低了对直流电动机转速和精度等性能的要求，同时也可隔断电动机振动的传递并起过载保护作用。

(2)中心轴的下端采用一对高精度的角接触球轴承来约束雕刻头的径向跳动。

(3)雕刻头装配完成后再对锥孔珩磨。

雕刻头的进给精度计算：步进电机8的步距角1.8度，同步带传动比i＝Z1/Z2＝30/90(Z1为主动轮齿数，Z2为从动轮齿数)，方牙螺纹螺距：S＝3mm，进给精度：δ＝[S/(360/1.8)]×i＝0.005mm。雕刻深度为0.03～0.05mm，所以可以达到精度要求。

本发明采用“带进给运动的雕刻头”，其由雕刻头控制系统和执行机械系统组成。

上述的雕刻头控制系统由单片机和电接触信号检测系统组成，单片机的输入接口接受由数控系统发出的“差分方式的指令+脉冲”的标准数控指令信号，经单片机内部电路处理后转化为步进电机的“三相六拍”专用控制信号，再经指令转换接口输出给步进电机的驱动电路，实现雕刻头的进给运动控制，对刀过程由电接触信号检测系统负责，并且由数控系统全程监控和随时解除。

上述的执行机械系统包括进给运动和高速旋转切削运动机构，二者一体化，其中：

进给运动机构：设有套筒螺旋副和支撑套筒，其右端套连处设有定向键，套筒螺旋副的左端有与之套连的且由同步驱动机构带动的主驱动铜螺母，该螺母由支撑套筒内腔中的角接触球轴承对定位，

高速旋转切削运动机构：设有对位于套筒螺旋副内腔中的主轴进行径向定位的高精密轴承对；还设有联轴器，其将安装在电机法兰上的高速直流无刷电机的轴和主轴联结。

上述的带进给运动的雕刻头，其详细技术方案见“带进给运动的雕刻头”专利申报资料。

4工装夹具

设计制作工件旋转传动箱，机械结构如附图4所示。支撑架16为整个夹具提供支撑，使工装装置成为一个可方便拆卸的整体。由伺服电机18驱动，通过主传动轮19、蜗轮蜗杆20、齿轮机构带动旋转轴工装位15上的五个工件同步旋转。这里主要解决的是对齿轮副的消隙。该问题采用以下两种解决方法：

(1)蜗轮蜗杆传动采用变导程蜗轮蜗杆传动。变导程蜗轮蜗杆传动的工作原理与普通圆柱蜗杆传动原理基本相同，沿蜗杆轴的中心剖面看，同样的蜗杆齿形相当于齿条，蜗轮相当于与它啮合的齿轮。当一对变导程蜗轮副运转很长时间后，因磨损造成齿面啮合侧隙加大而破坏了运动的平稳性，此时，将变导程蜗杆沿齿厚减薄的方向位移一段轴向距离，啮合侧隙则随之减小或完全消除，随之恢复了运动的平稳性。

(2)传动齿轮均采用弹簧消隙齿轮17。弹簧消隙齿轮的工作原理是将一对齿轮的从动轮17做成两片薄片，其中一块薄片A通过键固定在传动轴上，另一薄片B套在该齿轮的轮毂上，两片薄齿轮上分别装有螺钉，利用扭簧的张力，使一薄片齿轮的左侧和另一片齿轮的右侧分别紧贴在主动齿轮的齿槽左右两侧，这样错齿后就达到了消隙的目的。

通过以上消隙方法的综合应用可以很好的解决由于传动件之间间隙的影响而造成的工件旋转不同步问题。同时为了提高蜗轮蜗杆的耐磨性，蜗杆材料为20Cr，并经渗碳淬火。蜗轮材料为锡青铜，一方面锡青铜具有很好的耐磨性能和机械性能，另一方面一硬一软摩擦较小，较耐磨。

在旋转轴工装位15上装上不同的夹具(例如锥度或圆柱面夹具)，再配合自动雕刻程序即可实现在圆柱面工件或圆锥面工件上高效高精度雕刻各种文字和图形。

5控制系统：

多工位数控雕刻专用控制系统包括硬件和软件两部分。硬件采用以工业控制计算机、运动控制卡、多轴步进电机或数字式伺服电机构成的开放式数控系统，它们通过数据线依次相连，其中，工业控制计算机和运动控制卡一起组成控制核心，运动控制卡控制4轴步进电机或数字式伺服电机。软件是采用Visual C++编制Windows2000/XP下运行的应用程序以及51单片机应用程序。控制系统具有文件编辑管理、自动运行、MDI运行、参数设置等数控系统各项功能，还具有强大的CAD和CAM辅助设计和代码自动生成功能。

多工位数控雕刻控制系统与多工位数控雕刻对刀装置配合，实现对圆柱面或圆锥面进行多轴雕刻中的应用。

多工位数控雕刻对刀装置采用多个独立控制系统分别控制多个雕刻头在每次雕刻进刀前自动对刀检测(配备“多工位数控雕刻专用控制系统”，在进刀前由每个对刀控制系统独立工作，对刀完成后由数控系统统一发送运动指令)。对刀采用电接触检测，雕刻头和工件分别为5v电源正负极，接触后检测到相应电信号立即停止对刀。由于刀具处于高速旋转状态，为了要实现电信号可靠检测，在雕刻头外固定件与高速旋转主轴之间采用石墨碳刷压紧接触，保证电平信号可靠和连续性。该方法检测灵敏度高误差小于0.002mm，在实际使用中扎刀概率小于0.0001％。

多工位数控雕刻对刀装置，由控制系统和电接触信号检测系统组成，其中：控制系统包括单片机控制群、信号输入转换、信号输出转换四个电路，单片机控制群电路是一种由多个独立的单片机U4及其外围电路组成，其将信号输入转换电路传送过来的由数控系统指令再经信号输出转换电路发出Z轴脉冲，实现数控指令多轴分配，控制多个雕刻头按照指令程序统一进刀，并按照数控系统指令要求进行各轴自动进给对刀和返回完成对刀信号，对刀采用电接触检测，对刀过程由数控系统全程监控并可以随时解除；电接触信号检测系统为一种由床身1与工作台3、夹具和工件组成的良导体，其与电源“地”相接，电源正极与雕刻头相接，该雕刻头和主轴电机相连。所述的对刀装置，其详细内容可参见本申请人同日申请的发明专利文献“多工位数控雕刻对刀装置”。

雕刻机机座机体连同工作台、夹具、工件都为良导体接到5V电源的地上，雕刻头固定在机体上时中间采用一层特殊绝缘材料，在电路上与机体隔开，接5V电源正极。数控系统发出对刀指令后，对刀装置向Z轴进给电机发出向下步进一个脉冲(步距为0.001mm)然后检测雕刻头电信号是否为低电平，如为低电平表示雕刻头接触到工件，如为高电平表示雕刻头还未接触到工件，继续发出进刀指令。对刀精度不大于0.002mm。(详细对刀技术方案见多工位数控雕刻机对刀装置专利申报资料)

控制系统特点如下：

(1)除具备一般数控系统功能，加工中动态显示正在加工的图形图案，错误报警提示丰富，操作简便。

(2)目前几款主流雕刻设计软件格式可以读取分析coredraw、type3、文泰等雕刻绘图软件设计的图案、文字、线条，兼容数控标准G代码。识别“.PLT”、“.NC”、“.HPG”文件格式。打开图像后可以，根据加工需要对图像进行加工顺序设定、起始点设定、圆柱圆锥平面模版选取等操作，并最终生成控制软件可识别的G代码。

(3)文字图案雕刻特殊加工模块

解决多工位雕刻多个回转运动轴正反向间隙不一致问题。圆柱或圆锥面刻字或刻图形主要由雕刻头Z轴进给运动和工作台前后运动Y轴，旋转轴C轴联动来完成。由于前面所述原因，旋转轴C轴5个工件位正反向误差不一致。在插补运动中造成定位不精确出现文字或图形的不规则偏斜。解决方案如下：在刻文字或图像时，先运动到起刀点(Y、Z、C联动)，进刀后Y、Z、C联动转换为X(工作台左右运动)、Y、Z联动。转换数学依据是圆柱面或圆锥面上轨迹也可以由X、Y、Z三正交坐标系联动完成。把C轴坐标根据曲率半径换算为X、Z向移动距离。这样由于工装夹具(5个旋转轴)安装在工作台上其X、Y向间隙误差都一样不存在上述问题。文字或图案雕刻完毕后再恢复为Y、Z、C联动。

(4)可单头工作也可多头工作

只用选择电控柜上拨码开关，可以设定5轴中任意一轴工作或不工作。

6机床行程：

工作台面：350×800毫米。

行程范围：X＝160毫米  Y＝110毫米。

五轴Z向自动进给行程：50毫米。

横梁Z向手动进给行程：300毫米。

￠向：可任意角度旋转。

7精度：

伺服电机分辨率(XY向)0.001/脉冲。

步进电机分辩率(Z向)0.01/脉冲。

￠向：0.05度/脉冲。

主轴跳动≤0.005。

机床重复定位精度≤0.02。

最高雕刻走刀速度≥6米/分钟。

下面结合附图简述本发明的工作过程。

首先根据工件要求通过横梁机构的升降手柄14调整横梁7的高低，保证雕刻头10的自动行程能够符合加工需要，然后通过锁紧机构将横梁固定。

控制系统开机正常进入系统后，启动循环冷却水泵和油路润滑泵。在旋转轴工装位15安装好5个工件后，用鼠标左键点击数控系统界面“开始加工”按钮或按一下“加工外部启动”按钮，进行自动加工程序。系统首先启动无刷直流电机9带动雕刻刀高速旋转，然后将雕刻刀刀尖移动到工件起始点，按照指令发出对刀信号，单片机对刀装置开始对刀，达到工件表面后发出对刀完成指令，并停止运动，将运动指令权交还给数控系统。数控系统接受到全部对刀完成信号后，再按照程序指令发出统一的雕刻指令，控制刀具完成一次雕刻操作。雕刻完一段后，抬刀移至下一雕刻位，再重新开始对刀保证每次进刀都为工件表面。全部雕刻完毕后，抬刀回起始位，关闭无刷直流电机9。然后可用手取下加工好的零件，重新装上待加工零件。

总之，在旋转轴工装位15上装上不同的夹具(例如锥度或圆柱面夹具)，再配合自动雕刻程序即可实现在圆柱面工件或圆锥面工件上自动雕刻各种文字和图形，很好的解决了多工位雕刻工件误差造成的雕刻深度不一致问题，消除了工件圆周误差、圆柱度误差和其他误差，实现了高效高精度雕刻。通过实际测试，加工完成五个枪瞄镜刻线时间不到一分钟。

Claims (10)

1.多工位数控雕刻机，包括床身(1)、雕刻机械部分和电气部分，其特征是：

电气部分：包括硬件和软件部分，硬件采用以工业控制计算机和运动控制卡一起组成的控制核心，运动控制卡通过数据线连接由其控制的数字式伺服电机或多轴步进电机；软件是采用Visual C++编制Windows2000/XP下运行的应用程序以及51单片机应用程序；

雕刻机械部分主要由雕刻头(10)、多工位工装装置(11)、对刀和进给装置组成，其中：雕刻头(10)采用无刷直流电动机(9)带动中心轴机构；对刀装置采用以数控系统中多个独立控制系统分别控制多个雕刻头在每次雕刻进刀前自动对刀检测，对刀过程由数控系统全程监控并可以随时解除；在中心轴的下端采用一对高精度的角接触球轴承来约束雕刻头(10)的径向跳动。

2.如权利要求1所述的多工位数控雕刻机，其特征在于：应用程序包括图像自动转换G代码、伺服运动控制和自动对刀单片机程序。

3.如权利1要求所述的多工位数控雕刻机，其特征在于：无刷直流电机(9)与中心轴通过弹性联轴器联结。

4.如权利要求1所述的多工位数控雕刻机，其特征在于：雕刻机械部分设有以支架支撑的工装夹具，该夹具是一种由伺服电机(18)驱动，通过主传动轮(19)、涡轮蜗杆(20)和齿轮机构带动多个工件同步旋转的旋转传动箱。

5.如权利要求4所述的多工位数控雕刻机，其特征在于：涡轮蜗杆(20)采用变导程蜗轮蜗杆传动。

6.如权利要求4所述的多工位数控雕刻机，其特征在于：齿轮机构中的传动齿轮均采用弹簧消隙齿轮。

7.如权利要求1所述的多工位数控雕刻机，其特征在于：雕刻头(10)和进给装置装在横梁(7)上。

8.如权利要求7所述的多工位数控雕刻机，其特征在于：横梁(7)与床身(1)活动连接，并且该横梁设有使其升降的手柄(14)和锁紧的装置。

9.如权利要求1所述的多工位数控雕刻机，其特征在于：当需要时，可多轴同时雕刻；不需要同时雕刻时，除需要工作的轴外，其它轴以及主轴电机被屏蔽不工作。

10.如权利要求1所述的多工位数控雕刻机，其特征在于：在旋转轴工装位(15)上装上不同的夹具再配合自动雕刻程序即可实现在圆柱面工件或圆锥面工件上高效高精度雕刻各种文字和图形。

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