阅读说明：本技术 一种空间六自由度小型雕刻机 (Small-size engraver of six degrees of freedom in space ) 是由 张春燕 任甲辉 张洋洋 陈雅洁 胡柏松 乔印虎 于 2020-04-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种空间六自由度小型雕刻机,包括底座架、龙门架、X向驱动机构、Y向驱动机构、Z向驱动机构、工作台组合及刀盘,底座架包括前支撑板、后支撑板及三角导轨,底座架固接大工作台,大工作台的下支撑板内嵌电磁环道,电磁环道磁性支撑旋转小工作台；Y向驱动机构包括第一步进电机、第一联轴器、丝杠螺母组I、圆导轨及双滚轮组合,左立柱和右立柱设X向驱动机构及Z向驱动机构；Z向驱动机构连接刀盘座,刀盘座设环形滑道、转向电机及刀座。可以实现对工件空间任意自由度的雕刻,减小工作台的震动,还可实现对刀具在倾斜状态下雕刻时进行固定保护,不易在工件上雕刻时受力偏移,提高雕刻精度。(The invention discloses a spatial six-degree-of-freedom small engraving machine which comprises a base frame, a portal frame, an X-direction driving mechanism, a Y-direction driving mechanism, a Z-direction driving mechanism, a workbench combination and a cutter head, wherein the base frame comprises a front supporting plate, a rear supporting plate and a triangular guide rail; the Y-direction driving mechanism comprises a first stepping motor, a first coupler, a lead screw nut group I, a circular guide rail and a double-roller combination, and the left upright post and the right upright post are provided with an X-direction driving mechanism and a Z-direction driving mechanism; the Z-direction driving mechanism is connected with a cutter head seat, and the cutter head seat is provided with an annular slideway, a steering motor and a cutter seat. The carving of arbitrary degree of freedom in work piece space can be realized, the vibrations of workstation are reduced, still can realize fixing the protection when the carving is carried out to the cutter under the tilt state, and atress skew when being difficult for carving on the work piece improves the sculpture precision.)

一种空间六自由度小型雕刻机

技术领域

本发明涉及雕刻设备技术领域，尤其涉及一种空间六自由度小型雕刻机。

背景技术

雕刻机适用于对各种材料进行雕刻加工的机械设备，相对于手工雕刻，雕刻机具有成本较低，质量稳定的特点，目前市面上比较先进的雕刻机当属于龙门式五轴雕刻机，但成本高，不适用于小型工艺雕刻，对于专门用于小型工艺雕刻的六轴雕刻机也有出现，但是少之甚少，六轴联动是指在一台机床上至少有六个坐标轴（三个直线坐标和三个旋转坐标），而且可在计算机数控(CNC)系统的控制下同时协调运动进行加工，加工精度高。

当前市场小型雕刻机多以三轴为主，雕刻自动化水平低，有部分的先进五轴雕刻虽然可以提高加工及装卸效率，进而提高雕刻机效率，但在对工件的雕刻过程中，因为摆动坐标的刚性较低，刀具在倾斜加工时容易受力发生偏移，从而降低雕刻精度，最终降低雕刻成品质量。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种空间六自由度小型雕刻机。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种空间六自由度小型雕刻机，包括底座架、龙门架、X向驱动机构、Y向驱动机构、Z向驱动机构、工作台组合及刀盘,其特征在于：底座架包括前支撑板、后支撑板以及连接前支撑板与后支撑板的三角导轨，三角导轨固连在前支撑板的下部位置，安装于左右两侧，前支撑板的顶边和后支撑板的顶边固接有大工作台，大工作台的下表面垂直连接有前后小支撑板，前后小支撑板的底边固接有下支撑板，下支撑板内嵌有电磁环道，电磁环道的正上方设有对应的电磁环，电磁环道通过电磁环支撑架设有旋转小工作台；

Y向驱动机构包括第一步进电机、第一联轴器、丝杠螺母组I、圆导轨及双滚轮组合，第一步进电机通过螺钉固连在后支撑板的外侧面，第一步进电机的输出轴通过第一联轴器连接在丝杠螺母组I的丝杆一端，丝杠螺母组I的螺母固连有底挡板，底挡板为横放的直角板，底挡板共有两组，其中一组底挡板内侧固接有左立柱并托住左立柱，另一组底挡板内侧固接有右立柱并托住右立柱，底挡板的外侧壁和外底壁均设有固接双滚轮组合，双滚轮组合由两组滑轮组成的V形滑轮结构，底挡板外侧壁的双滚轮组合滑动配合有圆导轨，圆导轨的两端分别通过轴承座安装在前支撑板和后支撑板上，底挡板外底壁双滚轮组合与三角导轨配合，三角导轨具体是截面为倒V型的角铁条并与双滚轮组合的V形滑轮结构配合滑动；

左立柱上部的侧边和右立柱上部的侧边固定连接于后挡板，左立柱和右立柱相对的侧壁上固定设置X向驱动机构，X向驱动机构包括固定设在左立柱上部的第二步进电机，第二步进电机也连接有第一联轴器和丝杠螺母组I，第二步进电机的丝杠螺母组I的螺母固连有横撑板，横撑板的一侧设有双滚轮组合，左立柱和右立柱架设有与横撑板滑动配合的圆导轨，两组水平放置的横撑板固接有一个竖直支撑板；

竖直支撑板远离横撑板一侧面的顶部和底部分别设有一个水平板，顶部的水平板固接有第三步进电机，第三步进电机也连接有第一联轴器和丝杠螺母组I，两个水平板架设有两根竖直放置的圆导轨，第三步进电机的丝杠螺母组I的螺母固接在内撑板上，内撑板设有与水平板的圆导轨滑动配合的双滚轮组合，竖直支撑板、水平板、第三步进电机及其组件构成Z向驱动机构；

两组内撑板架设有固定板，固定板的下部通过螺栓固定连接有刀架，刀架固连有刀盘座，刀盘座固定连接有同心设置的外环形电磁铁和内环形电磁铁，外环形电磁铁和内环形电磁铁之间形成环形滑道，刀盘座中心位置通过轴承套接有中心转轴，中心转轴靠近X向驱动机构方向的一端设有转向电机，且转向电机的外壳固接在刀架上，转向电机的输出轴通过第二联轴器与中心转轴固定连接，中心转轴远离第二联轴器的一端固定连接有刀座，刀座内连接有刀柄，刀柄一端固定连接有雕刻刀，刀座还设置有径向保护组件和一对切向保护组件。

优选地，旋转小工作台包括第四步进电机、小带轮I、小带轮II、电磁环、圆底板、第五步进电机、丝杠螺母组II及小工作台，电磁环道与电磁环为同心设置，电磁环的顶面固接有圆底板，圆底板上表面固定设有多组第五步进电机，第五步进电机顶面的输出轴固接有丝杠螺母组II，丝杠螺母组II中丝杠的顶端通过铰链连接有小工作台，电磁环的底面中心部位固接有第三联轴器，电磁环通过第三联轴器连接在小带轮II的中心轴上，小带轮II的中心轴垂直穿过下支撑板，小带轮II通过同步齿形带连接有小带轮I，小带轮I的中心轴通过另一第三联轴器与第四步进电机的输出轴连接；当电磁环旋转时，电磁环的正负极发生圆周性匀速变化，各部位与电磁环道垂直对应的部位进行磁性交替相吸或相斥，形成电动斥力机构，在本发明中起减震作用，可在电磁力的作用下减小工作台的震动，提高雕刻精确度度和稳定性。

另外，由丝杠螺母组II连接小工作平台，形成并联机构，此部分结构整体占用空间小，可实现工作台ABC三个自由度的同步运动，小工作台不用时可以和大操作台降至齐平。

优选地，双滚轮组合包括底板、三脚架和小滚轮，其中底板上固连三脚架，三脚架通过螺栓和螺母连接四组小滚轮，与导轨形成配合，采用四组小滚轮与导轨形成配合，导向性好，增大了支撑作用，减小摩擦，而且互换性较好。

优选地，径向保护组件包括C形连接板和第一弧形磁铁，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，C形连接板与刀座之间固定连接，第一弧形磁铁与刀盘座之间滑动连接，且第一弧形磁铁与滑道之间间隙配合，外环形电磁铁、内环形电磁铁均与第一弧形磁铁之间磁性连接，，利用外环形电磁铁对第一弧形磁铁的支撑力来抵消雕刻刀受到的径向推力。

优选地，一对切向保护组件对称设在刀座两侧，切向保护组件包括T形连接杆和第二弧形磁铁，且T形连接杆和第二弧形磁铁的中轴线与雕刻刀中轴线的延长线相垂直，T形连接杆与刀座之间固定连接，第二弧形磁铁与刀座盘之间滑动连接，且第二弧形磁铁与滑道之间间隙配合，外环形电磁铁、内环形电磁铁均与第二弧形磁铁之间磁性连接，利用外环形电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。

优选地，电磁环、小滚轮，第一弧形磁铁和第二弧形磁铁表面均涂有耐磨层，减少第一弧形磁铁和第二弧形磁铁长时间与外环形电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。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本方案可以实现对工件空间任意自由度的雕刻，减小工作台的震动，还可实现对刀具在倾斜状态下雕刻时进行固定保护，不易在工件上雕刻时受力偏移，提高雕刻精度。

（2）旋转小工作台是由第四步进电机、皮带、带轮、驱动盘、电磁环、小工作台，其中第四步进电机通过第三联轴器连接小带轮I，小带轮I通过同步齿形带连接小带轮II，所述小带轮II连接圆底板，带动圆底板旋转，其中所述电磁环位于整个圆底板底部，配合与电磁环道内，即有支撑工作台的作用，又可在电磁力的作用下减小工作台的震动，提高雕刻精确度度和稳定性。

（3）圆底板、第五步进电机、丝杠螺母组及小工作台构成并联机构，所述第五步进电机固连在圆底板上，第五步机电机连接丝杠螺母组，所述丝杠螺母中丝杠通过铰链连接小工作台，此部分结构整体占用空间小，可实现工作台ABC三个自由度的同步运动，小工作台不用时可以和大操作台降至齐平。

（4）双滚轮组合包括支撑板、三脚架和小滚轮，其中支撑板固连三脚架，三脚架通过螺栓和螺母连接四组小滚轮，采用四组小滚轮与导轨形成配合，导向性好，增大了支撑作用，减小摩擦，而且互换性较好。

（5）径向保护组件包括C形连接板和第一弧形磁铁，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，C形连接板与刀座之间固定连接，第一弧形磁铁与固定板之间滑动连接，且第一弧形磁铁与滑道之间间隙配合，外环形电磁铁、内环形电磁铁均与第一弧形磁铁之间磁性连接，利用外环形电磁铁对第一弧形磁铁的支撑力来抵消雕刻刀受到的径向推力。

（6）一对切向保护组件对称设在刀座两侧，切向保护组件包括T形连接杆和第二弧形磁铁，且T形连接杆和第二弧形磁铁的中轴线与雕刻刀中轴线的延长线相垂直，T形连接杆与刀座之间固定连接，第二弧形磁铁与固定板之间滑动连接，且第二弧形磁铁与滑道之间间隙配合，外环形电磁铁、内环形电磁铁均与第二弧形磁铁之间磁性连接，利用外环形电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。

（7）第一弧形磁铁和第二弧形磁铁表面均涂有耐磨层，减少第一弧形磁铁和第二弧形磁铁长时间与外环形电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。

附图说明

图1为本发明的一种空间六自由度小型雕刻机的立体外观图；

图2为本发明的主视图；

图3为本发明的左视图；

图4为本发明中旋转小工作台的内部结构示意图；

图5为本发明中刀盘的内部结构示意图；

图6为本发明中转向电机的连接结构示意图。

图中：刀盘A、旋转小工作台B、双滚轮组合C、底座架1、龙门架2、X向驱动机构3、Z向驱动机构4、Y向驱动机构5、左立柱6、后挡板7、固定板8、第二步进电机9、右立柱10、底板11、三脚架12、圆导轨13、小滚轮14、横撑板15、水平板16、三角导轨17、底挡板18、大工作台19、丝杠螺母组I20、第一联轴器21、第一步进电机22、后支撑板24、竖直支撑板23、前后小支撑板25、电磁环道26、下支撑板27、前支撑板28、第三步进电机29、内撑板30、小工作台101、铰链102、丝杠螺母组II103、第五步进电机104、圆底板105、电磁环106、第三联轴器107、小带轮II108、同步齿形带109、小带轮I110、第四步进电机111、刀架207、外环形电磁铁208、内环形电磁铁209、刀盘座210、转向电机211、第二联轴器212、中心转轴213、刀柄215、雕刻刀216、C形连接板217、第一弧形磁铁218、T形连接杆219、第二弧形磁铁220。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-4，一种空间六自由度小型雕刻机，包括底座架1、龙门架2、X向驱动机构3、Y向驱动机构5、Z向驱动机构4、工作台组合及刀盘A,其特征在于：底座架1包括前支撑板28、后支撑板24以及连接前支撑板28与后支撑板24的三角导轨17，三角导轨17固连在前支撑板28的下部位置，安装于左右两侧，前支撑板28的顶边和后支撑板24的顶边固接有大工作台19，大工作台19的下表面垂直连接有前后小支撑板25，前后小支撑板25的底边固接有下支撑板27，下支撑板27内嵌有电磁环道26，电磁环道26的正上方设有对应的电磁环106，电磁环道26通过电磁环106支撑架设有旋转小工作台B；Y向驱动机构5包括第一步进电机22、第一联轴器21、丝杠螺母组I20、圆导轨13及双滚轮组合C，第一步进电机22通过螺钉固连在后支撑板24的外侧面，第一步进电机22的输出轴通过第一联轴器21连接在丝杠螺母组I20的丝杆一端，丝杠螺母组I20的螺母固连有底挡板18，底挡板18为横放的直角板，底挡板18共有两组，其中一组底挡板18内侧固接有左立柱6并托住左立柱6，另一组底挡板18内侧固接有右立柱10并托住右立柱10，底挡板18的外侧壁和外底壁均设有固接双滚轮组合C，双滚轮组合C由两组滑轮组成的V形滑轮结构，底挡板18外侧壁的双滚轮组合C滑动配合有圆导轨13，圆导轨13的两端分别通过轴承座安装在前支撑板28和后支撑板24上，底挡板18外底壁双滚轮组合C与三角导轨17配合，三角导轨17具体是截面为倒V型的角铁条并与双滚轮组合C的V形滑轮结构配合滑动；左立柱6上部的侧边和右立柱10上部的侧边固定连接于后挡板7，左立柱6和右立柱10相对的侧壁上固定设置X向驱动机构3，X向驱动机构3包括固定设在左立柱6上部的第二步进电机9，第二步进电机9也连接有第一联轴器21和丝杠螺母组I20，第二步进电机9的丝杠螺母组I20的螺母固连有横撑板15，横撑板15的一侧设有双滚轮组合C，左立柱6和右立柱10架设有与横撑板15滑动配合的圆导轨13，两组水平放置的横撑板15固接有一个竖直支撑板23；竖直支撑板23远离横撑板15一侧面的顶部和底部分别设有一个水平板16，顶部的水平板16固接有第三步进电机29，第三步进电机29也连接有第一联轴器21和丝杠螺母组I20，两个水平板16架设有两根竖直放置的圆导轨13，第三步进电机29的丝杠螺母组I20的螺母固接在内撑板30上，内撑板30设有与水平板16的圆导轨13滑动配合的双滚轮组合C，竖直支撑板23、水平板16、第三步进电机29及其组件构成Z向驱动机构4；两组内撑板30架设有固定板8，固定板8的下部通过螺栓固定连接有刀架207，刀架207固连有刀盘座210，刀盘座210固定连接有同心设置的外环形电磁铁208和内环形电磁铁209，外环形电磁铁208和内环形电磁铁209之间形成环形滑道，刀盘座210中心位置通过轴承套接有中心转轴213，中心转轴213靠近X向驱动机构3方向的一端设有转向电机211，且转向电机211的外壳固接在刀架207上，转向电机211的输出轴通过第二联轴器212与中心转轴213固定连接，中心转轴213远离第二联轴器212的一端固定连接有刀座214，刀座214内连接有刀柄215，刀柄215一端固定连接有雕刻刀216，刀座214还设置有径向保护组件和一对切向保护组件。

X向驱动机构3、Y向驱动机构5及Z向驱动机构4构成三个自由度的平移，而小工作台101的并联机构的自由度为3（参考“空间并联机构的自由度分析”，百度百科，刘宏伟），即小工作台101的物体可进行旋转、摆动及高度的变化等三方面，再配合刀盘座210的旋转及径向保护组件和一对切向保护组件的保护，不仅雕刻的空间范围广，且雕刻的精度能够得到保证，此即所谓具有空间六自由度的一种小型雕刻机，属于本领域首次提出。

参照图1，旋转小工作台B包括第四步进电机111、小带轮I110、小带轮II108、电磁环106、圆底板105、第五步进电机104、丝杠螺母组II103及小工作台101，电磁环道26与电磁环106为同心设置，电磁环106的顶面固接有圆底板105，圆底板105上表面固定设有多组第五步进电机104，第五步进电机104顶面的输出轴固接有丝杠螺母组II103，丝杠螺母组II103中丝杠的顶端通过铰链102连接有小工作台101，电磁环106的底面中心部位固接有第三联轴器107，电磁环106通过第三联轴器107连接在小带轮II108的中心轴上，小带轮II108的中心轴垂直穿过下支撑板27，小带轮II108通过同步齿形带109连接有小带轮I110，小带轮I110的中心轴通过另一第三联轴器107与第四步进电机111的输出轴连接；当电磁环106旋转时，电磁环106的正负极发生圆周性匀速变化，各部位与电磁环道26垂直对应的部位进行磁性交替相吸或相斥，形成电动斥力机构，在本发明中起减震作用。

参照图1，双滚轮组合C包括底板11、三脚架12和小滚轮14，其中底板11上固连三脚架12，三脚架12通过螺栓和螺母连接四组小滚轮14，与导轨形成配合。

参照图5-6，径向保护组件包括C形连接板217和第一弧形磁铁218，且C形连接板217和第一弧形磁铁218的中轴线与雕刻刀216中轴线的延长线相重合，C形连接板217与刀座214之间固定连接，第一弧形磁铁218与刀盘座210之间滑动连接，且第一弧形磁铁218与滑道之间间隙配合，外环形电磁铁208、内环形电磁铁209均与第一弧形磁铁218之间磁性连接；一对切向保护组件对称设在刀座214两侧，切向保护组件包括T形连接杆219和第二弧形磁铁220，且T形连接杆219和第二弧形磁铁220的中轴线与雕刻刀216中轴线的延长线相垂直，T形连接杆19与刀座214之间固定连接，第二弧形磁铁220与刀座盘210之间滑动连接，且第二弧形磁铁220与滑道之间间隙配合，外环形电磁铁208、内环形电磁铁209均与第二弧形磁铁220之间磁性连接，电磁环106、小滚轮14，第一弧形磁铁218和第二弧形磁铁220表面均涂有耐磨层。

使用时，技术人员通过控制X向驱动机构3、Y向驱动机构5、Z向驱动机构4带动刀架207接近工件，启动转向电机211间接带动雕刻刀216转动至所需雕刻角度时，同时向外环形电磁铁208和内环形电磁铁209通电，利用外环形电磁铁208对第一弧形磁铁218和第二弧形磁铁220的吸附力，以及内环形电磁铁209对第一弧形磁铁218和第二弧形磁铁220的排斥力的共同作用下，增大外环形电磁铁208对第一弧形磁铁218和第二弧形磁铁220的支撑力以及相互之间的摩擦力，实现对第一弧形磁铁218和第二弧形磁铁220的固定，最终实现对雕刻刀216的刀具保护，与传统的龙门雕刻机相比，可以实现对刀具在倾斜状态下雕刻时进行固定保护，不易在工件上雕刻时受力偏移，提高雕刻精度。

与此同时，技术人员通过控制第四步进电机111控制皮带109和带轮110/108，从而控制圆底座105做旋转运动，同时启用第五步进电机104驱动丝杠螺母103组控制小工作台101做并联运动，联动雕刻的同时向电磁环106和电磁环道26通电，利用电磁环道26对电磁环106的吸附力，以及电磁环106对电磁环道26的排斥力的共同作用下，增大电磁环道26对电磁环106的支撑力以及抗震性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。