CN111376630A - 一种智能三轴多功能雕刻机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能三轴多功能雕刻机，属于雕刻机技术领域，采用电机带动滚珠丝杆实现上下左右三个自由度的移动，电机的选型是通过雕刻机的载荷和整体系统的稳定性进行，精度等级能够达到0.01mm，震动的范围比较小，基本上能够实现字母，数字的识别与书写，整体效果良好，丝杆采用滚珠式，原因是能够大大减低雕刻过程中的摩擦力，并且能够提高雕刻机的位置精度，实现精美图案的雕刻，雕刻机的主轴采用电主轴，是传动链简单，大大简化了传动传动链的复杂性。

Description

一种智能三轴多功能雕刻机

技术领域

本发明涉及一种雕刻机，特别是涉及一种智能三轴多功能雕刻机，属于雕刻机技术领域。

背景技术

在上世纪90年代到如今的发展，机械雕刻机在国内来说技术也相当的成熟。从一开始的刻字机到三维雕刻机，雕刻制作工艺可谓生龙活虎，满足了人们生活的需要，其应用范围大到整个世界，小到我们的水杯都有雕刻机雕刻的痕迹。可以说雕刻机在我国是得到了前所未有的发展，在工业上更是少不了雕刻机的存在，雕刻机给人们的生活产生了不可忽略的影响。

现有技术的雕刻机载荷和整体的稳定性并不优良，其次在三轴运动的过程中摩擦力过大，且传动链过于复杂导致雕刻机整体的体积难以缩小，为此设计一种三轴运动的过程中摩擦力小，且传动链简单稳定性好的智能三轴多功能雕刻机来优化上述问题。

发明内容

本发明的主要目的是为了提供一种基智能三轴多功能雕刻机，采用电机带动滚珠丝杆实现上下左右前后三个自由度的移动，传动链简单、摩擦力小且定位精度高。

本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：

一种智能三轴多功能雕刻机，包括底座以及通过螺杆安装在所述底座两侧部一端的侧板，一组侧板外侧的顶部通过Y轴电机架安装有Y轴电机，所述Y轴电机的输出端安装有延伸至另一组侧板内壁上的Y轴丝杆，所述Y轴丝杆的一侧通过Y轴丝杆螺母副安装有C型结构的滑动架，该滑动架的顶部通过Z轴电机架安装有Z轴电机，所述Z轴电机的输出端安装有延伸至该滑动架内侧另一端的Z轴丝杆，所述Z轴丝杆的外侧套设有与其相互啮合的Z轴丝杆螺母，所述Z轴丝杆螺母侧部安装有电主轴基座，所述底座的顶板且位于所述侧板之间等间距设有位置传感器，所述底座靠近所述侧板处的侧部中间位置处通过X轴电机架安装有X轴电机，所述X轴电机的输出端安装有延伸至所述底座内壁远离所述侧板一侧的X轴丝杆，所述X轴丝杆的外侧套设有与所述X轴丝杆相互啮合的X轴丝杆螺母副，所述底座顶部远离所述侧板处通过第二滑块导轨设有夹具，所述底座内底部的一侧与通过螺杆固定有X轴光杆，且所述X轴光杆与所述X轴丝杆相互平行，所述X轴光杆的外侧套设有X轴光杆滑块，且所述X轴光杆滑块与所述X轴丝杆螺母副皆通过螺杆固定有同一组移动板，移动板与底座的顶板固定；所述侧板内侧的顶部与底部且远离所述夹具处焊接有与所述Y轴丝杆平行的Y轴光杆，所述Y轴光杆的外侧套设有Y轴光杆滑块，所述Y轴光杆滑块通过螺杆固定在所述C型结构的滑动架上，所述C型结构的滑动架内侧安装有与所述Z轴丝杆平行的Z轴光杆，且所述Z轴光杆的外侧套设有Z轴光杆滑块，该Z轴光杆滑块与所述Z轴丝杆螺母焊接。

优选的，所述侧板内侧远离所述夹具处焊接有Y轴挡板，所述Y轴挡板中部为长方形板体顶部与底部向两侧倾斜向外延伸一定距离，再以平行长方形板体侧边延展一定距离后与所述侧板内侧焊接。

优选的，X轴丝杆、Y轴丝杆和Z轴丝杆的丝杆公称直径d0为12mm，丝杆最大受压长度l为5m，滚珠直径Dw为3.381mm，丝杆进给轴向力最大工作载荷

。

优选的，所述底座的顶部平行于所述Y轴光杆且靠近所述Y轴光杆处安装有第一滑块导轨，所述第一滑块导轨的外侧套设有Y轴限位滑块，所述Y轴限位滑块远离所述Y轴光杆的一侧焊接有侧限位板，且所述侧限位板垂直与所述Y轴光杆。

优选的，所述第二滑块导轨设置有两组且相互平行并安装在远离所述Y轴光杆位置处，所述第二滑块导轨和所述第一滑块导轨剖面皆为型结构。

优选的，所述夹具包括套设在所述第二滑块导轨外侧的X轴限位滑块，所述X轴限位滑块的顶部通过螺杆安装有L型支撑架，所述L型支撑架内侧的顶部通过螺杆安装有横板，所述横板上垂直贯穿有两组螺杆，所述横板的顶部且位于所述螺杆的外侧套设有调节螺母，所述螺杆远离所述横板的端部焊接有压持板，所述压持板底部的两侧焊接有侧限位块。

优选的，所述电主轴基座面向所述夹具的一侧焊接有Z轴夹具支架，且所述Z轴夹具支架对称开设有多组通孔。

优选的，所述Z轴电机架、Y轴电机架和X轴电机架接为U型结构，所述底座、C型结构的滑动架、侧板、Y轴挡板、侧限位板、Z轴夹具支架皆采用铝合金材质。

优选的，所述Z轴电机的输出端安装有连轴器，且所述连轴器位于所述Y轴电机架的内侧并安装在所述C型结构的滑动架的顶部。

本发明的有益技术效果：

本发明提供的一种智能三轴多功能雕刻机，采用电机带动滚珠丝杆实现上下左右前后三个自由度的移动，丝杆采用滚珠式，原因是能够大大减低雕刻过程中的摩擦力，雕刻机的主轴采用电主轴，是传动链简单，大大简化了传动传动链的复杂性，通过Y轴电机和Y轴丝杆、Y轴丝杆螺母副相匹配、Z轴电机和Z轴丝杆、Z轴丝杆螺母副相匹配分别实现放置雕刻头的主轴基座的移动从而带动雕刻头进行Y轴和Z轴方向的移动，通过X轴电机、X轴丝杆和X轴丝杆螺母副配合带动移动板从而带动固定夹具的顶板移动，实现夹持物在X轴方向上的移动，另外由于采用两条Y轴光杆1和一条Y轴丝杆，这样的设计有利于定位，达到的水平定位精度更高，同时Y轴光杆滑块通过螺杆固定在所述C型结构的滑动架上，C型结构的滑动架方便拆卸且减少摩擦力。

附图说明

图1为按照本发明的一种智能三轴多功能雕刻机的一优选实施例的第一视角立体结构示意图；

图2为按照本发明的一种智能三轴多功能雕刻机的一优选实施例的第二视角立体结构示意图；

图3为按照本发明的一种智能三轴多功能雕刻机的一优选实施例的Y轴移动轴机构侧视图；

图4为按照本发明的一种智能三轴多功能雕刻机的一优选实施例的光杆滑块立体结构示意图；

图5为按照本发明的一种智能三轴多功能雕刻机的一优选实施例的丝杆螺母滑块立体结构示意图；

图6为按照本发明的一种智能三轴多功能雕刻机的一优选实施例的夹紧装置立体结构示意图；

图7为按照本发明的一种智能三轴多功能雕刻机的一优选实施例的侧板侧视图；

图8为按照本发明的一种智能三轴多功能雕刻机的一优选实施例的Z轴夹具支架侧视图。

图中：1-Y轴光杆，2-Y轴挡板，3-位置传感器，4-Y轴电机，5-侧板，6-第一滑块导轨，7-Z轴电机，8-连轴器，9-Z轴丝杆，10-Z轴丝杆螺母，11-电主轴基座，12-底座，13-夹具，14-X轴丝杆，15-X轴光杆，16-X轴丝杆螺母副，17-X轴光杆滑块，18-X轴电机，19-Z轴光杆，20-Y轴丝杆螺母副，21-Z轴电机架，22-Y轴光杆滑块，24-L型支撑架，25-螺杆，26-横板，27-侧限位块，28-压持板，29-Z轴夹具支架，30-第二滑块导轨，31-X轴限位滑块，32-侧限位板，33-Y轴限位滑块。

具体实施方式

为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1-图8所示，本实施例提供的一种智能三轴多功能雕刻机，包括底座12以及通过螺杆安装在底座12两侧部一端的侧板5，一组侧板5外侧的顶部通过Y轴电机架安装有Y轴电机4，Y轴电机4的输出端安装有延伸至另一组侧板5内壁上的Y轴丝杆，Y轴丝杆的一侧通过Y轴丝杆螺母副20安装有C型结构的滑动架，该滑动架的顶部通过Z轴电机架21安装有Z轴电机7，Z轴电机7的输出端安装有延伸至该滑动架内侧另一端的Z轴丝杆9，Z轴丝杆9的外侧套设有与其相互啮合的Z轴丝杆螺母10，所述Z轴丝杆螺母10侧部安装有电主轴基座11，电主轴基座11上安装有雕刻头，底座12的顶板且位于侧板5之间等间距设有位置传感器3，底座12靠近侧板5处的侧部中间位置处通过X轴电机架安装有X轴电机18，X轴电机18的输出端安装有延伸至底座12内壁远离侧板5一侧的X轴丝杆14，X轴丝杆14的外侧套设有与X轴丝杆14相互啮合的X轴丝杆螺母副16，底座12顶部远离侧板5处通过第二滑块导轨30设有夹具13。

通过启动Y轴电机4带动Y轴丝杆旋转进而带动Y轴丝杆螺母副20运动，通过Y轴丝杆螺母副20与有C型结构的滑动架螺杆固定进而带动有C型结构的滑动架在Y轴方向上滑动，通过启动Z轴电机7带动Z轴丝杆9旋转进而带动Z轴丝杆螺母10运动，通过Z轴丝杆螺母10带动电主轴基座11在Z轴上运动，通过启动X轴电机18带动X轴丝杆旋转进而带动X轴丝杆螺母副16运动通过X轴丝杆螺母副16带动移动板运动，通过夹具13对工件进行压持。

在本实施例中，侧板5内侧的顶部与底部且远离夹具13处焊接有与Y轴丝杆平行的Y轴光杆1，Y轴光杆1的外侧套设有Y轴光杆滑块22，Y轴光杆滑块22通过螺杆固定在C型结构的滑动架上，C型结构的滑动架内侧安装有与Z轴丝杆9平行的Z轴光杆19，且Z轴光杆19的外侧套设有Z轴光杆滑块，该Z轴光杆滑块与Z轴丝杆螺母10焊接。

两条Y轴光杆1和一条Y轴丝杆，这样的设计有利于定位，达到的水平定位精度更高，Y轴丝杆主要是由Y轴电机4驱动，中间通过联轴器连接，有利于Y轴丝杆的工作，Y轴丝杆与Y轴丝杆螺母副20配合移动，达到的精度也是非常高的，其次就是侧板5都采用5mm厘米厚铝板做支撑，牢固而使用。

采用电机带动滚珠丝杆实现上下左右前后三个自由度的移动，丝杆采用滚珠式，原因是能够大大减低雕刻过程中的摩擦力，雕刻机的主轴采用电主轴，是传动链简单，大大简化了传动传动链的复杂性，通过Y轴电机和Y轴丝杆、Y轴丝杆螺母副相匹配、Z轴电机和Z轴丝杆、Z轴丝杆螺母副相匹配分别实现放置雕刻头的主轴基座的移动从而带动雕刻头进行Y轴和Z轴方向的移动，通过X轴电机、X轴丝杆和X轴丝杆螺母副配合带动移动板从而带动固定夹具的顶板移动，实现夹持物在X轴方向上的移动，另外由于采用两条Y轴光杆1和一条Y轴丝杆，这样的设计有利于定位，达到的水平定位精度更高，同时Y轴光杆滑块通过螺杆固定在所述C型结构的滑动架上，C型结构的滑动架方便拆卸且减少摩擦力。

本实施例中，X轴丝杆、Y轴丝杆和Z轴丝杆满足以下条件：丝杆公称直径d0为12mm，丝杆最大受压长度l为5m，滚珠直径Dw为3.381mm，

时，采用这种尺寸设置能使得丝杆运行比较稳定；具体分析如下：

整体机械设备中细的长的丝杆在承受载荷压缩时，为不会发生失稳的最大压缩载荷的临界，公式如下（1）所示，

式中：

为实际丝杆承受压缩载荷的能力，单位：N；

为维持压杆稳定的支撑系数，由于本申请是采用双杆的方式，

故取；

I为滚珠丝杆的抗弯截面惯性，；

K—维持压杆的稳定安全系数，一般取2.5-4，垂直安装时取最小值K=4；

l —丝杆最大受压长度，单位：m；

—丝杠公称直径，单位：m；

—滚珠直径，单位：m；

代入数据得：

\

\

维持压杆的稳定性安全系数nk，

当nk≥[nk]，则压杆稳定，[nk]为许用稳定性安全系数，一般[nk]=2.5-4。

此时

其中

丝杆进给轴向力最大的工作载荷；计算公示如下：

式中：K为考虑垫付力矩影响的实验系数，K取1.4；

F为滑轨的摩擦系数，贴合导轨的系数一般是0.03-0.05，F取0.03；

分别为X轴进给抗力、Y轴的进给抗力以及Z轴的进给抗力，

G—机架上主要部分的重量，

则：

从而

\

在上述关系时，此丝杆稳定。

在本实施例中，侧板5内侧远离夹具13处焊接有Y轴挡板2，Y轴挡板2中部为长方形板体顶部与底部向两侧倾斜向外延伸一定距离，再以平行长方形板体侧边延展一定距离后与侧板5内侧焊接。

通过在侧板5内侧安装Y轴挡板2进一步提高稳固性。

在本实施例中，底座12内底部的一侧与通过螺杆固定有X轴光杆15，且X轴光杆15与X轴丝杆14相互平行，X轴光杆15的外侧套设有X轴光杆滑块17，且X轴光杆滑块17与X轴丝杆螺母副16皆通过螺杆固定有同一组移动板，移动板与底座（12）的顶板固定。

通过X轴光杆15和X轴丝杆14同样起到了定位的作用，且通过X轴丝杆14主要是由X轴电机18驱动，中间通过联轴器连接，有利于X轴丝杆14的工作，X轴丝杆14与X轴丝杆螺母副16配合移动，达到的精度也是非常高的。

在本实施例中，底座12的顶部平行于Y轴光杆1且靠近Y轴光杆1处安装有第一滑块导轨6，第一滑块导轨6的外侧套设有Y轴限位滑块33，Y轴限位滑块33远离Y轴光杆1的一侧焊接有侧限位板32，且侧限位板32垂直与Y轴光杆1。

通过设置第一滑块导轨6使其Y轴限位滑块33可以在第一滑块导轨6上滑动通过侧限位板32实现限位功能。

在本实施例中，第二滑块导轨30设置有两组且相互平行并安装在远离Y轴光杆1位置处，第二滑块导轨30和第一滑块导轨6剖面皆为

型结构。

在本实施例中，夹具13包括套设在第二滑块导轨30外侧的X轴限位滑块31，X轴限位滑块31的顶部通过螺杆安装有L型支撑架24，L型支撑架24内侧的顶部通过螺杆安装有横板26，横板26上垂直贯穿有两组螺杆25，横板26的顶部且位于螺杆25的外侧套设有调节螺母，螺杆25远离横板26的端部焊接有压持板28，压持板28底部的两侧焊接有侧限位块27。

通过调节螺母与螺杆25的相互配合而改变压持板28与底座12的间距，从而实现不同工件的压持，且通过X轴限位滑块31带动夹具13在第二滑块导轨30的移动进一步实现不同工件的压持。

在本实施例中，电主轴基座11面向夹具13的一侧焊接有Z轴夹具支架29，且Z轴夹具支架29对称开设有多组通孔。

在本实施例中，Z轴电机架21、Y轴电机架和X轴电机架接为U型结构，底座12、C型结构的滑动架、侧板5、Y轴挡板2、侧限位板32、Z轴夹具支架29皆采用铝合金材质。

雕刻机机身采用铝板材料制作，能过承受比较重的毛坯进行雕刻，也保证了雕刻机在工作过程当中不会产生晃动和振动等影响雕刻机加工的精度。正面铝板和侧边连铝板采用螺栓进行连接，这样设计的目的即能够保证载物台承受足够重的毛坯，也能够抵抗雕刻机进行雕刻产生的外加压力和推力，还能在制作的成本上有效减低。

在本实施例中，Z轴电机7的输出端安装有连轴器8，且连轴器8位于Y轴电机架的内侧并安装在C型结构的滑动架的顶部。

以上所述，仅为本发明进一步的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种智能三轴多功能雕刻机，包括底座（12）以及通过螺杆安装在所述底座（12）两侧部一端的侧板（5），其特征在于：一组侧板（5）外侧的顶部通过Y轴电机架安装有Y轴电机（4），所述Y轴电机（4）的输出端安装有延伸至另一组侧板（5）内壁上的Y轴丝杆，所述Y轴丝杆的一侧通过Y轴丝杆螺母副（20）安装有C型结构的滑动架，该滑动架的顶部通过Z轴电机架（21）安装有Z轴电机（7），所述Z轴电机（7）的输出端安装有延伸至该滑动架内侧另一端的Z轴丝杆（9），所述Z轴丝杆（9）的外侧套设有与其相互啮合的Z轴丝杆螺母（10），所述Z轴丝杆螺母（10）侧部安装有电主轴基座（11），所述底座（12）顶部且位于所述侧板（5）之间等间距设有位置传感器（3），所述底座（12）靠近所述侧板（5）处的侧部中间位置处通过X轴电机架安装有X轴电机（18），所述X轴电机（18）的输出端安装有延伸至所述底座（12）内壁远离所述侧板（5）一侧的X轴丝杆（14），所述X轴丝杆（14）的外侧套设有与所述X轴丝杆（14）相互啮合的X轴丝杆螺母副（16），所述底座（12）的顶板上远离所述侧板（5）处通过第二滑块导轨（30）设有夹具（13），所述底座（12）内底部的一侧与通过螺杆固定有X轴光杆（15），且所述X轴光杆（15）与所述X轴丝杆（14）相互平行，所述X轴光杆（15）的外侧套设有X轴光杆滑块（17），且所述X轴光杆滑块（17）与所述X轴丝杆螺母副（16）皆通过螺杆固定有同一组移动板，移动板与底座（12）的顶板固定；

所述侧板（5）内侧的顶部与底部且远离所述夹具（13）处焊接有与所述Y轴丝杆平行的Y轴光杆（1），所述Y轴光杆（1）的外侧套设有Y轴光杆滑块（22），所述Y轴光杆滑块（22）通过螺杆固定在所述C型结构的滑动架上，所述C型结构的滑动架内侧安装有与所述Z轴丝杆（9）平行的Z轴光杆（19），且所述Z轴光杆（19）的外侧套设有Z轴光杆滑块，该Z轴光杆滑块与所述Z轴丝杆螺母（10）焊接。

2.根据权利要求1所述的一种智能三轴多功能雕刻机，其特征在于：所述侧板（5）内侧远离所述夹具（13）处焊接有Y轴挡板（2），所述Y轴挡板（2）中部为长方形板体顶部与底部向两侧倾斜向外延伸一定距离，再以平行长方形板体侧边延展一定距离后与所述侧板（5）内侧焊接。

3.根据权利要求1所述的一种智能三轴多功能雕刻机，其特征在于：X轴丝杆、Y轴丝杆和Z轴丝杆的丝杆公称直径d0为12mm，丝杆最大受压长度l为5m，滚珠直径Dw为3.381mm，丝杆进给轴向力最大工作载荷F_m≤337.5925。

4.根据权利要求1所述的一种智能三轴多功能雕刻机，其特征在于：所述底座（12）的顶部平行于所述Y轴光杆（1）且靠近所述Y轴光杆（1）处安装有第一滑块导轨（6），所述第一滑块导轨（6）的外侧套设有Y轴限位滑块（33），所述Y轴限位滑块（33）远离所述Y轴光杆（1）的一侧焊接有侧限位板（32），且所述侧限位板（32）垂直与所述Y轴光杆（1）。

5.根据权利要求4所述的一种智能三轴多功能雕刻机，其特征在于：所述第二滑块导轨（30）设置有两组且相互平行并安装在远离所述Y轴光杆（1）位置处，所述第二滑块导轨（30）和所述第一滑块导轨（6）剖面皆为型结构。

6.根据权利要求1所述的一种智能三轴多功能雕刻机，其特征在于：所述夹具（13）包括套设在所述第二滑块导轨（30）外侧的X轴限位滑块（31），所述X轴限位滑块（31）的顶部通过螺杆安装有L型支撑架（24），所述L型支撑架（24）内侧的顶部通过螺杆安装有横板（26），所述横板（26）上垂直贯穿有两组螺杆（25），所述横板（26）的顶部且位于所述螺杆（25）的外侧套设有调节螺母，所述螺杆（25）远离所述横板（26）的端部焊接有压持板（28），所述压持板（28）底部的两侧焊接有侧限位块（27）。

7.根据权利要求1所述的一种智能三轴多功能雕刻机，其特征在于：所述电主轴基座（11）面向所述夹具（13）的一侧焊接有Z轴夹具支架（29），且所述Z轴夹具支架（29）对称开设有多组通孔。

8.根据权利要求7所述的一种智能三轴多功能雕刻机，其特征在于：所述Z轴电机架（21）、Y轴电机架和X轴电机架接为U型结构，所述底座（12）、C型结构的滑动架、侧板（5）、Y轴挡板（2）、侧限位板（32）、Z轴夹具支架（29）皆采用铝合金材质。

9.根据权利要求1所述的一种智能三轴多功能雕刻机，其特征在于：所述Z轴电机（7）的输出端安装有连轴器（8），且所述连轴器（8）位于所述Y轴电机架的内侧并安装在所述C型结构的滑动架的顶部。

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