CN112721513B - 一种环形旋转式空间立体雕刻机 - Google Patents

Abstract

一种环形旋转式空间立体雕刻机，包括底座、并联操作装置、工作台、弧形立柱、刀盘组件、带动刀盘组件在水平面内作圆周运动的圆周进给机构、带动刀盘组件作水平方向直线运动的Y向进给机构、带动刀盘组件做竖直方向直线运动的Z向进给机构；工作台通过并联操作装置连接在底座上，底座上设有环形的导轨，弧形立柱通过圆周进给机构与导轨连接，刀盘组件通过Y向进给机构和Z向进给机构与弧形立柱连接；圆周进给机构为三滚轮的圆周给进机构。本发明结构稳定，操作精度高，属于雕刻机领域。

Description

一种环形旋转式空间立体雕刻机

技术领域

本发明涉及雕刻机领域，具体涉及一种环形旋转式空间立体雕刻机。

背景技术

由于制造业的快速发展，传统雕刻技术已不再适应当今社会的发展，各种高性能的雕刻机应运而生，得到市场的广泛需求，但是由于我国雕刻机技术起步晚、投入少、自主研发能力薄弱，导致大多数高端雕刻机基本依赖进口，尤其是高性能的空间立体雕刻领域。

当前市场上的雕刻机大多以三轴为主，可满足平面雕刻机需求，高端设备有五轴雕刻，可满足空间雕刻，但价格昂贵，仅适合于工业领域，而且雕刻时刻刀受径向力和切向力作用，影响雕刻机精度；在环形空间立体雕刻技术领域，国内外更是一片空白。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种高精确度的环形旋转式空间立体雕刻机。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种环形旋转式空间立体雕刻机，包括底座、并联操作装置、工作台、弧形立柱、刀盘组件、带动刀盘组件在水平面内作圆周运动的圆周进给机构、带动刀盘组件作水平方向直线运动的Y向进给机构、带动刀盘组件做竖直方向直线运动的Z向进给机构。工作台通过并联操作装置连接在底座上，底座上设有环形的导轨，弧形立柱通过圆周进给机构与导轨连接，刀盘组件通过Y向进给机构和Z向进给机构与弧形立柱连接。采用这种结构后，在XY空间上，通过直线进给加圆周进给的方式，操作灵活，精度高。

作为一种优选，圆周进给机构包括第四电机、传动轮、左张紧轮、右张紧轮、导向紧固轮、传送带，第四电机安装于弧形立柱上并与传动轮连接，左张紧轮、右张紧轮和导向紧固轮均可转动地安装于环形立柱上，传送带的一端连接传动轮，另一端连接导向紧固轮，左张紧轮、右张紧轮分别位于传送带的左右两侧并从两侧挤压传送带，导轨上开有滚动槽，包括上滚动槽和下滚动槽，分别设于导轨的上下两面，左张紧轮和右张紧轮均与上滚动槽配合，导向紧固轮与下滚动槽配合。采用这种结构后，传动轮与传送带相配合，左张紧轮和右张紧轮可通过螺栓螺母固定于弧形立柱的内侧，沿上滚动槽进行滚动，并将传动轮左右两边的传送带压紧，导向紧固轮安装于弧形左立柱内侧，位于环形导轨下方的下滚动槽中，并沿下滚动槽滚动，可带动弧形立柱进行环形转动，稳定性强，控制精度高。

作为一种优选，并联操作装置包括3个并联运动件，并联运动件包括并联电机、主齿轮、副齿轮、主连杆、副连杆，并联电机安装在底座上且其输出轴与主齿轮连接，主齿轮与副齿轮啮合，主连杆的前端与副齿轮固定连接，主连杆的后端与副连杆的前端转动连接；副连杆的后端与工作台转动式连接；3个并联运动件的副齿轮的转轴处于同一竖直方向上。采用这种结构后，可独立控制3个并联运动件，对工作台进行空间操作。

作为一种优选，主连杆的前端通过主连接部与副齿轮连接，主连接部为开设有轴孔的柱状结构，副齿轮上设有副连接部，副连接部与轴孔相配合并固定连接。

作为一种优选，主连杆为L形杆，包括水平段和竖直段，主连接部与水平段连接，副连杆为梯形杆，包括依次连接的首段、中间段、末段，首段与末段呈八字形地分别与中间段的两端连接。

作为一种优选，主连杆的末端与副连杆的前端采用销轴连接，副连杆的末端与工作台的侧面采用销轴连接，工作台为圆形平板，3个并联运动件的后端与工作台侧面的连接处等距分布。

作为一种优选，弧形立柱的数量为2个，包括左立柱和右立柱，两个弧形立柱对称地安装在导轨的外侧。

作为一种优选，Y向进给机构包括第五电机、水平滚珠丝杠、水平滑杆，水平滚珠丝杠包括水平螺杆和套于水平螺杆上的第一螺母，Z向进给机构与第一螺母固定连接并可滑动地套于水平滑杆上，水平滑杆的两端均分别固定在两个弧形立柱上，第五电机固定在一个弧形立柱上并与螺杆的一端连接，螺杆的另一端可转动地安装在另一个弧形立柱上。

作为一种优选，Z向进给机构包括第六电机、竖直滚珠丝杠、挡板、支撑板、竖直滑杆，挡板为竖直方向的平板，支撑板为水平方向的平板，挡板与支撑板固定连接，支撑板包括位于挡板顶部的上支撑板和位于挡板底部的下支撑板，挡板与第一螺母固定连接。

竖直滚珠丝杠包括竖直螺杆和套于竖直螺杆上的第二螺母，竖直滑杆的两端分别固定在上支撑板与下支撑板上，刀盘组件与第二螺母固定连接并可滑动地套于竖直滑杆上，第六电机固定在上支撑板上且第六电机与竖直螺杆的一端连接，竖直螺杆的另一端可转动地安装在下支撑板上。

作为一种优选，刀盘组件包括刀架、主轴、雕刻刀、转向电机、底板、刀盘座、轴向保护组件、切向保护组件、内环形磁铁、外环形磁铁。

底板为竖直的平板，与第二螺母固定连接，刀盘座与底板固定连接，转向电机固定在底板上，内环形磁铁和外环形磁铁固定在刀盘座上且内环形磁铁和外环形磁铁的轴心位于同一直线上，内环形磁铁和外环形磁铁均为圆环形的电磁铁，从而内环形磁铁和外环形磁铁之间形成环形的滑道，刀盘座上在内环形磁铁与外环形磁铁的轴心处开设有转孔，转孔内设有轴承，刀架上固定安装有水平方向的转轴，转轴安装在轴承上并通过联轴器与转向电机的输出轴连接，主轴固定安装在刀架上，主轴上固定安装雕刻刀，雕刻刀的刀尖的初始方向向下。

轴向保护组件包括第一弧形磁铁和C形连接板，第一弧形磁铁的形状与滑道的形状相匹配并可滑动地设于滑道内，刀架的顶部通过C形连接板与弧形磁铁固定连接，且C形连接板和第一弧形磁铁的中轴线与雕刻刀中轴线的延长线相重合。采用这种结构后，对外环形磁铁和内环形磁铁进行通电后，外环形磁铁和内环形磁铁均与第一弧形磁铁之间磁性连接，可利用外环形磁铁对第一弧形磁铁的支撑力来抵消雕刻刀受到的轴向推力。

切向保护组件包括第二弧形磁铁和T形连接杆，第二弧形磁铁的形状与滑道的形状相匹配并可滑动地设于滑道内，T形连接杆分为头部和杆部，T形连接杆的头部与第二弧形磁铁的中部固定连接，T形连接杆和第二弧形磁铁的中轴线均与雕刻刀的中轴线垂直。采用这种结构后，对外环形磁铁和内环形磁铁进行通电后，外环形磁铁和内环形磁铁均与第二弧形磁铁之间磁性连接，可利用外环形磁铁对第二弧形磁铁的支撑力和相互之间摩擦力的共同作用，来抵消雕刻刀受到的切向作用力。

切向保护组件的数量为2个，2个切向保护组件通过T形连接杆的杆部与刀架连接并分别位于刀架的左右两侧。

第一弧形磁铁和第二弧形磁铁的表面均涂有耐磨层。采用这种结构后，可减少第一弧形磁铁和第二弧形磁铁长时间与外环形磁铁之间摩擦造成的损耗，延长第一弧形磁铁和第二弧形磁铁的使用寿命。

总的说来，本发明具有如下优点：

(1)在XY平面上，改变了现有技术中常用的仅通过直线进给的方式，采用圆周加直线的进给方式，可使雕刻刀在导轨为半径的圆柱形空间内任意移动。

(2)本发明采用了三滚轮的圆周进给结构与导轨配合的方式，三个滚轮卡进环形的滚动槽中，采用同步齿形带传动，此结构稳定，精确度高，制造安装方便，替换性好。

(3)本发明采用了并联操作装置，采用三对齿轮和杆组进行传动，使工作台可在三个120°方向上空间活动，整体结构紧凑，刚度好，承载力大，120°对称分布具有较好的各向同性，可带动圆形操作台进行大范围的空间活动。

(4)本发明可以实现对工件空间雕刻时，曲面上任意一点所做的公切面与刀具都是垂直的关系，不仅消除了偏转力，还抵消了部分轴向力，从而提高了雕刻精度。

附图说明

图1为一种环形旋转式空间立体雕刻机的立体图。

图2为一种环形旋转式空间立体雕刻机的正视图。

图3为图2的剖视图。

图4为一种环形旋转式空间立体雕刻机去掉左立柱的上半部分、Z向进给机构、Y向进给机构和刀盘组件后的俯视图。

图5为刀盘组件的正面结构示意图。

图6为刀盘组件的侧面结构示意图。

图7为并联操作装置的内部结构示意图。

其中，1为底座，2为并联操作装置，3为工作台，4为弧形立柱，5为刀盘组件，6为圆周进给机构，7为Z向进给机构，8为Y向进给机构。

101为导轨。

201为并联电机，202为主齿轮，203为副齿轮，204为主连杆，205为副连杆，206为主连接部，207为轴承，208为轴承套。

601为传动轮，602为导向紧固轮，603为左张紧轮，604为右张紧轮，605为传送带，606为第四电机。

701为第六电机，702为竖直滚珠丝杠，703为竖直滑杆，704为挡板，705为上支撑板，706为下支撑板，707为第二螺母。

708为底板，709为刀盘座，710为第一弧形磁铁，711为外环形磁铁，712为第二弧形磁铁，713为T形连接杆，714为刀架，715为内环形磁铁，716为雕刻刀，717为C形连接板，718为转向电机，719为联轴器，720为主轴。

801为第五电机，802为水平滚珠丝杠，803为水平滑杆。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。

一种环形旋转式空间立体雕刻机，包括底座1、并联操作装置2、工作台3、弧形立柱4、刀盘组件5、带动刀盘组件在水平面内作圆周运动的圆周进给机构6、带动刀盘组件作水平方向直线运动的Y向进给机构8、带动刀盘组件做竖直方向直线运动的Z向进给机构7。

工作台通过并联操作装置连接在底座上，底座上设有环形的导轨101，弧形立柱通过圆周进给机构与导轨连接，刀盘组件通过Y向进给机构和Z向进给机构与弧形立柱连接。

圆周进给机构包括第四电机606、传动轮601、左张紧轮603、右张紧轮604、导向紧固轮602、传送带605，第四电机安装于弧形立柱上并与传动轮连接，左张紧轮、右张紧轮和导向紧固轮均可转动地安装于环形立柱上，传送带的一端连接传动轮，另一端连接导向紧固轮，左张紧轮、右张紧轮分别位于传送带的左右两侧并从两侧挤压传送带，导轨上开有滚动槽，包括上滚动槽和下滚动槽，分别设于导轨的上下两面，左张紧轮和右张紧轮均与上滚动槽配合，导向紧固轮与下滚动槽配合。

并联操作装置包括3个并联运动件，并联运动件包括并联电机201、主齿轮202、副齿轮203、主连杆204、副连杆205，并联电机安装在底座上且其输出轴与主齿轮连接，主齿轮与副齿轮啮合，主连杆的前端与副齿轮固定连接，主连杆的后端与副连杆的前端转动连接，副连杆的后端与工作台转动式连接；3个并联运动件的副齿轮的转轴处于同一竖直方向上。

主连杆的前端通过主连接部206与副齿轮连接，主连接部为开设有轴孔的柱状结构，副齿轮上设有副连接部，副连接部与轴孔相配合并固定连接。

副连接部为轴承套208，轴承套通过轴承207与副齿轮连接，3个并联运动件的轴承套依次嵌套连接。

主连杆为L形杆，包括水平段和竖直段，主连接部与水平段连接，副连杆为梯形杆，包括依次连接的首段、中间段、末段，首段与末段呈八字形地分别与中间段的两端连接。

主连杆的末端与主连杆的前端采用销轴连接，副连杆的末端与工作台的侧面采用销轴连接。

工作台为圆形平板，3个并联运动件的后端与工作台侧面的连接处等距分布。

弧形立柱的数量为2个，包括左立柱和右立柱，两个弧形立柱对称地安装在导轨的外侧。

Y向进给机构包括第五电机801、水平滚珠丝杠802、水平滑803杆，水平滚珠丝杠包括水平螺杆和套于水平螺杆上的第一螺母，Z向进给机构与第一螺母固定连接并可滑动地套于水平滑杆上，水平滑杆的两端均分别固定在两个弧形立柱上，第五电机固定在一个弧形立柱上并与螺杆的一端连接，螺杆的另一端可转动地安装在另一个弧形立柱上。

Z向进给机构包括第六电机701、竖直滚珠丝杠702、挡板704、支撑板、竖直滑杆703，挡板为竖直方向的平板，支撑板为水平方向的平板，挡板与支撑板固定连接，支撑板包括位于挡板顶部的上支撑板705和位于挡板底部的下支撑板706，挡板与第一螺母固定连接。

竖直滚珠丝杠包括竖直螺杆和套于竖直螺杆上的第二螺母707，竖直滑杆的两端分别固定在上支撑板与下支撑板上，刀盘组件与第二螺母固定连接并可滑动地套于竖直滑杆上，第六电机固定在上支撑板上且第六电机与竖直螺杆的一端连接，竖直螺杆的另一端可转动地安装在下支撑板上。

刀盘组件包括刀架714、主轴720、雕刻刀716、转向电机718、底板708、刀盘座709、轴向保护组件、切向保护组件、内环形磁铁715、外环形磁铁711。

底板为竖直的平板，与第二螺母固定连接，刀盘座与底板固定连接，转向电机固定在底板上，内环形磁铁和外环形磁铁固定在刀盘座上且内环形磁铁和外环形磁铁的轴心位于同一直线上，内环形磁铁和外环形磁铁均为圆环形的电磁铁，从而内环形磁铁和外环形磁铁之间形成环形的滑道，刀盘座上在内环形磁铁与外环形磁铁的轴心处开设有转孔，转孔内设有轴承，刀架上固定安装有水平方向的转轴，转轴安装在轴承上并通过联轴器719与转向电机的输出轴连接，主轴固定安装在刀架上，主轴上固定安装雕刻刀，雕刻刀的刀尖的初始方向向下。

轴向保护组件包括第一弧形磁铁和C形连接板717，第一弧形磁铁的形状与滑道的形状相匹配并可滑动地设于滑道内，刀架的顶部通过C形连接板与弧形磁铁固定连接，且C形连接板和第一弧形磁铁的中轴线与雕刻刀中轴线的延长线相重合。

切向保护组件包括第二弧形磁铁和T形连接杆，第二弧形磁铁的形状与滑道的形状相匹配并可滑动地设于滑道内，T形连接杆分为头部和杆部，T形连接杆的头部与第二弧形磁铁的中部固定连接，T形连接杆和第二弧形磁铁的中轴线均与雕刻刀的中轴线垂直。

切向保护组件的数量为2个，2个切向保护组件通过T形连接杆的杆部与刀架连接并分别位于刀架的左右两侧。

第一弧形磁铁和第二弧形磁铁的表面均涂有耐磨层。

使用时，技术人员通过分别控制3个并联运动件中的并联电机，便可驱动工作台进行空间活动，使工作台上的工件转到所需雕刻的角度；技术人员分别控制第四电机、第五电机和第六电机，驱动刀盘组件在环形的导轨为半径的圆柱形空间内任意活动；技术人员控制转向电机，带动雕刻刀转动至所需雕刻角度，同时向外环形磁铁和内环形磁铁通电，利用外环形磁铁对第一弧形磁铁和第二弧形磁铁的吸附力，以及内环形磁铁对第一弧形磁铁和第二弧形磁铁的排斥力的共同作用下，增大外环形磁铁对第一弧形磁铁和第二弧形磁铁的支撑力以及相互之间的摩擦力，实现对第一弧形磁铁和第二弧形磁铁的固定，最终实现对雕刻刀的刀具保护。

技术人员通过上述方法控制所有的电机，使雕刻机的各部分同时联动，在各部分机构的相互配合下，可实现空间雕刻时，工件曲面上任意一点所做的公切面与刻刀都是保持垂直的关系，此时不仅消除了雕刻时偏转力的作用，在电磁铁的作用下还抵消了部分轴向力，从而提高了雕刻精度。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种环形旋转式空间立体雕刻机，其特征在于：包括底座、并联操作装置、工作台、弧形立柱、刀盘组件、带动刀盘组件在水平面内作圆周运动的圆周进给机构、带动刀盘组件作水平方向直线运动的Y向进给机构、带动刀盘组件做竖直方向直线运动的Z向进给机构；

工作台通过并联操作装置连接在底座上，底座上设有环形的导轨，弧形立柱通过圆周进给机构与导轨连接，刀盘组件通过Y向进给机构和Z向进给机构与弧形立柱连接；

并联操作装置包括3个并联运动件，并联运动件包括并联电机、主齿轮、副齿轮、主连杆、副连杆，并联电机安装在底座上且其输出轴与主齿轮连接，主齿轮与副齿轮啮合，主连杆的前端与副齿轮固定连接，主连杆的后端与副连杆的前端转动连接；副连杆的后端与工作台转动式连接；

3个并联运动件的副齿轮的转轴处于同一竖直方向上；

主连杆的前端通过主连接部与副齿轮连接，主连接部为开设有轴孔的柱状结构，副齿轮上设有副连接部，副连接部与轴孔相配合并固定连接；

主连杆为L形杆，包括水平段和竖直段，主连接部与水平段连接；副连杆为梯形杆，包括依次连接的首段、中间段、末段，首段与末段呈八字形地分别与中间段的两端连接；

主连杆的末端与副连杆的前端采用销轴连接，副连杆的末端与工作台的侧面采用销轴连接；工作台为圆形平板，3个并联运动件的后端与工作台侧面的连接处等距分布。

2.按照权利要求1所述的一种环形旋转式空间立体雕刻机，其特征在于：圆周进给机构包括第四电机、传动轮、左张紧轮、右张紧轮、导向紧固轮、传送带，第四电机安装于弧形立柱上并与传动轮连接，左张紧轮、右张紧轮和导向紧固轮均可转动地安装于弧形立柱上，传送带的一端连接传动轮，另一端连接导向紧固轮，左张紧轮、右张紧轮分别位于传送带的左右两侧并从两侧挤压传送带，导轨上开有滚动槽，包括上滚动槽和下滚动槽，分别设于导轨的上下两面，左张紧轮和右张紧轮均与上滚动槽配合，导向紧固轮与下滚动槽配合。

3.按照权利要求1所述的一种环形旋转式空间立体雕刻机，其特征在于：弧形立柱的数量为2个，包括左立柱和右立柱，两个弧形立柱对称地安装在导轨的外侧。

4.按照权利要求3所述的一种环形旋转式空间立体雕刻机，其特征在于：Y向进给机构包括第五电机、水平滚珠丝杠、水平滑杆，水平滚珠丝杠包括水平螺杆和套于水平螺杆上的第一螺母，Z向进给机构与第一螺母固定连接并可滑动地套于水平滑杆上，水平滑杆的两端均分别固定在两个弧形立柱上，第五电机固定在一个弧形立柱上并与螺杆的一端连接，螺杆的另一端可转动地安装在另一个弧形立柱上。

5.按照权利要求4所述的一种环形旋转式空间立体雕刻机，其特征在于：Z向进给机构包括第六电机、竖直滚珠丝杠、挡板、支撑板、竖直滑杆，挡板为竖直方向的平板，支撑板为水平方向的平板，挡板与支撑板固定连接，支撑板包括位于挡板顶部的上支撑板和位于挡板底部的下支撑板，挡板与第一螺母固定连接；

竖直滚珠丝杠包括竖直螺杆和套于竖直螺杆上的第二螺母，竖直滑杆的两端分别固定在上支撑板与下支撑板上，刀盘组件与第二螺母固定连接并可滑动地套于竖直滑杆上，第六电机固定在上支撑板上且第六电机与竖直螺杆的一端连接，竖直螺杆的另一端可转动地安装在下支撑板上。

6.按照权利要求5所述的一种环形旋转式空间立体雕刻机，其特征在于：刀盘组件包括刀架、主轴、雕刻刀、转向电机、底板、刀盘座、轴向保护组件、切向保护组件、内环形磁铁、外环形磁铁；

底板为竖直的平板，与第二螺母固定连接，刀盘座与底板固定连接，转向电机固定在底板上，内环形磁铁和外环形磁铁固定在刀盘座上且内环形磁铁和外环形磁铁的轴心位于同一直线上，内环形磁铁和外环形磁铁均为圆环形的电磁铁，从而内环形磁铁和外环形磁铁之间形成环形的滑道，刀盘座上在内环形磁铁与外环形磁铁的轴心处开设有转孔，转孔内设有轴承，刀架上固定安装有水平方向的转轴，转轴安装在轴承上并通过联轴器与转向电机的输出轴连接，主轴固定安装在刀架上，主轴上固定安装雕刻刀；

轴向保护组件包括第一弧形磁铁和C形连接板，第一弧形磁铁的形状与滑道的形状相匹配并可滑动地设于滑道内，刀架的顶部通过C形连接板与弧形磁铁固定连接，且C形连接板和第一弧形磁铁的中轴线与雕刻刀中轴线的延长线相重合；

切向保护组件包括第二弧形磁铁和T形连接杆，第二弧形磁铁的形状与滑道的形状相匹配并可滑动地设于滑道内，T形连接杆分为头部和杆部，T形连接杆的头部与第二弧形磁铁的中部固定连接，T形连接杆和第二弧形磁铁的中轴线均与雕刻刀的中轴线垂直；

切向保护组件的数量为2个，2个切向保护组件通过T形连接杆的杆部与刀架连接并分别位于刀架的左右两侧；

第一弧形磁铁和第二弧形磁铁的表面均涂有耐磨层。

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