可移动式实用雕刻头研究

刘卫陵

(大冶特殊钢有限公司，湖北 黄石 435000)

0 引言

由专业电主轴厂家生产的雕刻头一般为立式固定使用，且价格较高，其本质上是一种由变频驱动控制的高速高刚度精密的电动机[1]，主要采用精密滚动轴承支承，油脂润滑，外循环水冷却。专业电主轴在实现雕刻运动时，往往需要增设进给运动机构实现雕刻深度控制，由于增设移动机构使得雕刻头体积较大，在一些空间受限的场合应用受到一定限制。目前在市场上投放的多主轴雕刻机床，进给深度控制多采用龙门式结构。由于龙门结构本身的特点，在加工深度控制时，易造成龙门横梁体的扭斜，控制精度不高，而且体积大；多电主轴的配备，使得价格也较高。故设计一个经济实用的可移动式雕刻头具有一定的意义。

1 可移动式实用雕刻头研究的关键问题

1.1 设置移动机构实现高精度定位控制

针对一般电主轴只有一个旋转运动需增设移动机构[2]带来的体积大的问题，本设计中增设了一可实现50 mm运动范围的移动机构，其在≥10 000 r/min高速旋转运动时，重复定位精度为0.01 mm，定位精度为±0.01 mm；高精度的移动控制统一在一Φ110 mm×180 mm的机构内，主轴径向跳动可达0.01 mm。移动机构的结构紧凑，形式新颖，控制、装拆方便，特别适合于要求结构紧凑、多主轴雕刻情况下使用。

1.2 配备控制单元降低精度要求

雕刻机[3]实现对平面上的线、字、图的雕刻相对较易，但对于轴(锥)类表面雕刻时，需要轴类零件在安装后旋转同轴度精度较高(特别是一些细长轴零件)，否则可能导致雕刻的深度不一致，而无法满足雕刻工艺要求。

本雕刻头采用导电检测技术，雕刻头与机床绝缘安装；在雕刻时，雕刻头控制单元每次接收到进给指令后，控制雕刻头移动机构运动，直到与工件接触后才由数控装置接管控制。为保证对刀的精度和可靠性，在控制单元中采用一次对刀多次检测的技术，且每次进刀均采用这种检测技术，大大降低了对轴类零件安装精度的要求，以及对刀具安装(多主轴龙门雕刻机)精度一致性的要求，同时也使得雕刻头移动机构的反向间隙对控制深度的影响可忽略。

高速主轴电机采用无刷直流电机[4]，与普通直流电机相比，其运行稳定可靠，基本没有电磁干扰，同时采用附加铜刷检测，极大减少了扎刀现象的发生。

2 雕刻头设计

设计的移动式雕刻头具有调速范围宽、特性呈线性、反应快速等特点；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，相比同转速交流电主轴价格要便宜得多，选用无刷直流电动机作为主运动驱动可完全满足需要。本雕刻头中使用的无刷直流电机最大转速为12 000 r/min，具体使用时速度可通过无刷直流电机驱动装置调节；移动运动采用带驱动模块的步进电机实现。雕刻头控制单元结构框图如图1所示，雕刻头主轴单元装配如图2所示。

图1 雕刻头控制单元结构框图

2.1 移动机构工作原理

如图2所示，整个雕刻头固定在安装底板23上，进给运动和对刀时，步进电机2通过同步带轮26、27和同步带1带动雕刻头移动机构11的铜螺母10作旋转运动，实现将同步带轮26的回转运动变换为移动机构11及无刷直流电机6的直线运动。当刀具接触到工件表面时,导电检测到的位信号[5-7]由安装在电机轴上的铜套4经铜刷(图中未画出)反馈到雕刻头控制单元指示对刀完成，计算机数控系统再接管雕刻头的控制。移动机构11的径向跳动精度由一对角接触球轴承24保证，轴向窜动由轴承压盖8和铜螺母10共同保证；同时铜螺母10与移动机构11的接触长度较大，具有较好的导向精度，并能保证移动机构11在移动中的直线度。同时雕刻头套筒9和移动机构11间采用精密磨削加工，具有较好的精度。

步进电机步距角为1.8°，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=3 mm，进给脉冲当量精度由下式计算：

δ=[S/(360/1.8)]×i=0.005 mm。

2.2 回转机构工作原理

如图2所示，高速无刷直流电机6[8]通过弹性联轴器5与中心轴16相联结，刀具采用体积较小的高精密日本HSK夹头的锥套18、锁紧螺帽17与中心轴相联结。这种HSK夹头刚性好、夹持牢靠，在使用中装拆方便，同时转动惯量较小，对主轴的回转跳动影响可降到很低的水平。

工件的雕刻质量主要取决于雕刻头的径向跳动和进给精度，所以雕刻头的雕刻精度直接决定了本雕刻头的雕刻质量。为保证雕刻头的径向跳动不超过0.01 mm，采用了以下手段：

(1) 动平衡处理后的中心轴16与无刷直流电机通过弹性联轴器5联结，这样中心轴的回转精度将由中心轴下端的一对高精度角接触球轴承24保证，轴向窜动则由中心轴下端迷宫式端盖14和15保证。这种结构降低了对无刷直流电机安装精度的要求，并隔断了无刷直流电机振动对中心轴的影响；同时，弹性联轴器还可起到过载保护作用。

(2) 雕刻头装配完成后，再对锥套18的安装锥孔进行自磨，保证了刀具的安装及其与中心轴的同轴度要求。同时为保证主轴的装拆不会破坏刀具的安装同轴度，在设计时对锥孔留有一定余量，可实现多次自磨。

2.3 冷却和润滑

由于雕刻头工作时回转速度较高，易使主轴升温[9，10]，为保证高精密轴承21的使用寿命并避免温度过高对雕刻头精度的影响，设置循环冷却回路22，并在高精密轴承21的外套中开有存水槽12，冷却液经快速接头7(采用活动式，便于主轴的装拆)进入，在管道22内循环流动。为防止冷却液的泄漏，采用了一对O型密封圈。对于高精密轴承21采用油脂润滑。

2.4 可接收的指令信号

针对当前数控输出信号特点，本雕刻头控制单元现可接收采用差分方式的“指令+脉冲”、“AB相信号”，以及步进电机控制的“三相六拍”信号。还可根据特定要求定制输入接口类型，并且接口匹配只需通过简单参数设定即可。

本文中设计的雕刻头实物如图3所示。

1-同步带;2-步进电机;3-冷却密封套;4-铜套;5-弹性联轴器;6-无刷直流电机;7-快速接头;8-轴承压盖;9-套筒;10-铜螺母;11-雕刻头移动机构;12-存水槽;13-轴承隔套;14，15-迷宫式端盖;16-中心轴;17-HSK夹头锁紧螺帽;18-HSK夹头锥套;19-O型密封圈;20-密封套;21-高精密轴承;22-冷却液管道;23，25-安装底板;24-角接触球轴承;26，27-同步带轮图2 雕刻头主轴单元装配

图3 五头雕刻头实物

3 结束语

本文设计了一套可移动式雕刻头，已经在一种五头雕刻机上得到应用。应用结果表明，雕刻头结构刚度较好，受力变形量较小，温升可通过冷却系统进行有效遏制；动平衡处理后的雕刻头高速旋转平稳、噪声小。工作一年多来运行平稳、可靠，完全满足了零件加工工艺要求。

由于该款雕刻头性价比高，控制、操作方便，且精度完全可满足当前雕刻任务要求，具有很好的市场前景。