用于CNC旋转轴的谐波旋转执行器：雕刻机的精密解决方案

数控雕刻机不再局限于平面或简单的三轴加工。随着应用范围扩展到圆柱形工件、曲面、多面体零件和复杂的三维结构，旋转轴已成为许多数控雕刻系统的重要组成部分。

旋转轴允许工件或刀具在加工过程中旋转，从而可以围绕圆柱面进行雕刻，无需手动重新定位即可到达多个面，并执行更复杂的多轴插补。

然而，增加旋转轴并非仅仅是安装电机那么简单。旋转传动装置必须能够承受工件惯性、切削载荷、定位要求、转速以及可用的安装空间，同时还要在整个加工过程中保持稳定的运动。

对于四轴和五轴数控雕刻机，谐波旋转执行器可为旋转轴提供紧凑且高精度的驱动解决方案。通过将电机、谐波传动装置、编码器反馈和配套机械部件集成到一个紧凑的组件中，它既简化了旋转轴的设计，又能提供精密雕刻所需的定位性能。

为什么数控雕刻机需要高精度旋转轴？

传统的三轴数控雕刻机控制沿 X、Y 和 Z 轴的运动。这种配置适用于平面加工和许多标准的三维加工操作。

当工件具有圆柱形、曲面形或多面体几何形状时，就会出现这种限制。

旋转轴引入了一个额外的旋转自由度，使得工件或刀具在加工过程中可以旋转。

这在机械加工中尤其有用：

• 圆柱形工件

• 圆棒和圆管

• 曲面

• 多面组件

• 工件周围的装饰图案

• 复杂三维表面

需要从多个方向进行加工的零件

对于这些应用而言，旋转轴直接影响最终的加工结果。

如果轴的反向间隙过大、刚度不足、重复性差或旋转不稳定，则在旋转轴和线性轴之间进行插值时可能会累积误差。

结果可能表现为轮廓不准确、雕刻深度不均匀、过渡痕迹明显或表面质量下降。

因此，旋转轴应该被视为整个加工系统的一部分，而不是仅仅被视为一个额外的电动轴。

旋转轴在数控雕刻机中的应用场景有哪些？

旋转轴的要求因机床配置和工件几何形状而异。实际上，四轴和五轴数控雕刻机是两种重要的应用类别。

四轴数控雕刻

在典型的四轴数控雕刻机中，额外的旋转轴通常用于使工件绕水平轴旋转。

这种配置对于圆柱形或细长形工件尤其有用。

旋转轴可以连续旋转工件，同时切削刀具沿所需的线性路径移动，而无需像传统方法那样加工一个表面并手动重新定位零件。

典型应用包括圆柱形雕刻、圆形金属部件、木柱、管材、圆柱形模具和装饰部件。

对于这类机器，旋转驱动装置需要在连续旋转过程中提供精确的角度定位，同时保持稳定的扭矩。

紧凑型谐波旋转执行器可以直接集成到旋转轴机构中，从而减少伺服电机和输出轴之间所需的机械传动量。

五轴数控雕刻

5轴雕刻机增加了一个旋转轴或倾斜轴，从而提供了更大的工具或工件方向自由度。

当加工表面曲率很大，或者刀具需要从不同方向接近工件时，这种配置非常有用。

旋转轴和倾斜轴必须与 X、Y 和 Z 线性轴协同工作。因此，在多轴同步插补过程中，旋转机构的误差会变得更加明显。

对于这些机器而言，旋转轴驱动需要平衡角度定位精度、重复性、扭转刚度、旋转平稳性、对控制指令的响应以及紧凑的机械集成。

用于数控雕刻的旋转工作台

旋转工作台是另一种常见的配置。

旋转工作台不是直接旋转小型主轴或刀具，而是旋转工件。

这样，机器就可以在不将工件从夹具中取出的情况下进行分度、连续旋转或多面加工。

对于旋转工作台应用，驱动系统不仅需要考虑所需的扭矩，还需要考虑工作台、夹具和工件的组合惯性。

雕刻圆柱形和复杂形状的工件

圆柱形雕刻是旋转轴增值的最明显例子之一。

旋转轴不断改变工件的角度位置，而线性轴控制刀具路径。

对于更复杂的几何形状，机器控制器可以同时协调多个轴。

在这些应用中，旋转轴的平滑度和定位精度变得越来越重要，因为即使是很小的角度误差也会影响刀具与工件表面之间的关系。

设计数控雕刻旋转轴时应考虑哪些因素？

没有一种旋转轴配置适用于所有数控雕刻机。

应根据工件、加工工艺、机器结构和运动要求选择合适的驱动装置。

工件重量和惯性

工件的重量只是计算的一部分。

它相对于旋转中心的位置也会影响所需的扭矩。

直径较大的工件或重心远离旋转轴的工件，其转动惯量可能比质量相同的紧凑型工件高得多。

因此，旋转轴尺寸设计应考虑工件质量、夹具质量、旋转工作台质量、重心、转动惯量以及加减速要求。

所需转速

不同的雕刻工艺需要不同的旋转速度。

用于分度定位的旋转轴与用于连续圆柱雕刻的旋转轴的运行方式可能截然不同。

因此，所需速度应与工件直径、切削速度、刀具直径、加工材料、插补要求和加速度一起考虑。

定位精度和重复性

当旋转轴用于分度或多轴插补时，角度定位精度至关重要。

生产过程中，机器可能需要移动到特定的角度位置，并反复返回到该位置。

对于连续加工，旋转位置与线性刀具路径之间的关系也必须保持稳定。

切削载荷下的刚度

CNC雕刻机的旋转轴并非在纯静态条件下运行。

切削力会给传动系统带来扭矩波动和振动。

如果旋转机构刚性不足，这些力可能会导致角度偏转、振动、刀具路径偏差和重复性降低。

因此，对于精密雕刻而言，应将执行器和支撑机械结构结合起来考虑。

安装空间和电缆布线

可用的安装空间是另一个重要因素。

紧凑型数控机床的旋转轴周围空间通常有限，而 5 轴系统可能需要电缆、气动管路或其他组件穿过或绕过旋转结构。

空心旋转致动器可以通过为电缆或其他组件提供中央通道来简化这种类型的机械集成。

谐波旋转执行器如何应用于数控雕刻旋转轴设计？

对于对尺寸紧凑、角度定位精确、背隙小有要求的数控雕刻应用而言，谐波旋转执行器可以提供集成驱动解决方案。

集成式执行器不是围绕单独的传动部件、电机、编码器和支撑机构来设计旋转轴，而是将关键的运动部件组合成一个组件。

典型的配置可以表示为：

伺服电机 → 谐波传动 → 旋转输出 → 工件

利用编码器反馈来监测运动并支持闭环控制。

这种方法可以简化旋转轴的机械设计，并减少需要单独对准的组件数量。

对于机械制造商而言，其主要价值不仅仅在于谐波传动本身，更在于能够在保持所需扭矩、精度和紧凑性的前提下，将精密旋转驱动装置集成到机械结构中。

适用于不同数控雕刻应用的谐波旋转执行器解决方案

不同的雕刻机对旋转轴的要求各不相同。因此，应根据实际运行条件选择执行器，而不是简单地选择尺寸最大的型号。

适用于四轴数控雕刻机

一台四轴雕刻机通常需要围绕一个额外的轴进行连续或分度旋转。

当应用需要精确的角度定位、低背隙、紧凑的集成、稳定的连续旋转和高扭矩密度时，可以使用谐波旋转执行器作为该旋转轴的驱动机构。

适用于五轴数控雕刻机

5轴机床通常对旋转机构有更高的要求，因为多个轴可能同时运动。

旋转轴和倾斜轴必须准确响应数控控制器的指令，同时保持与线性轴的同步。

对于这些应用，集成谐波旋转执行器可以帮助减小旋转轴传动装置的尺寸和复杂性。

在需要通过旋转中心进行电缆布线或机械集成的情况下，空心旋转致动器可以提供额外的结构优势。

适用于重型数控雕刻

重型工件和大型旋转工作台需要采用不同的方法。

工件惯性越大，所需的扭矩可能越大，尤其是当重心远离旋转轴时。

在这种情况下，机器设计人员应评估连续扭矩、峰值扭矩、输出承载能力、扭转刚度、加速度要求、占空比和热性能。

对于负载较高的应用，根据机器结构的不同，精密行星旋转执行器或其他高刚性传动解决方案可能更合适。

旋转轴性能如何影响数控雕刻质量？

旋转轴的质量会直接影响成品工件的质量。

反冲和轮廓精度

当旋转轴改变方向时，机械反冲会导致指令角位置与实际角位置之间产生差异。

在加工需要频繁改变旋转方向的轮廓时，这一点尤为重要。

低背隙传动有助于保持数控指令与实际旋转位置之间更可预测的关系。

刚性和切削稳定性

刚性旋转轴能够更好地抵抗加工过程中产生的扭矩。

如果刀具轴线在切削力的作用下发生偏转，则刀具相对于工件的位置会发生变化。

对于精密雕刻而言，这会导致尺寸误差和表面质量不一致。

定位重复性

对于索引应用，旋转轴可以在预定义的角度位置之间反复移动。

在加工同一工件的多个面时，高重复性尤为重要。

旋转平滑度

连续圆柱雕刻需要稳定的旋转，而不仅仅是精确定位。

扭矩波动、机械振动或伺服控制不稳定都会影响刀具路径的一致性。

编码器反馈和运动控制

编码器反馈使控制系统能够监控旋转轴的位置。

对于多轴数控应用而言，准确的反馈非常重要，因为数控控制器在协调旋转轴与 X、Y 和 Z 轴运动时需要可靠的位置信息。

为您的数控雕刻机选择合适的旋转轴解决方案

最佳旋转轴解决方案取决于机器的实际需求。

机器制造商在选择驱动器时，不应仅仅根据电机功率或减速比来决定，而应评估整个运动系统。

CNC雕刻要求关键旋转轴考虑因素

因此，对于机器制造商而言，选择过程应该从加工任务开始，而不是从执行器型号开始。

首先确定工件惯性、所需转速、扭矩、定位精度、占空比和安装限制。然后选择能够满足这些要求的传动装置和执行器配置。

HONPINE 为数控雕刻机提供的旋转运动解决方案

HONPINE 提供精密旋转运动解决方案，可配置用于数控机床、旋转工作台、4 轴和 5 轴设备以及其他自动化加工系统。

对于数控雕刻应用，可以根据旋转轴的要求选择解决方案，而不是在每台机器上应用一个执行器。

谐波旋转执行器适用于对结构紧凑、定位精确、背隙小、扭矩密度高要求的应用场合。

空心谐波旋转执行器可在电缆、气动管路或其他组件需要穿过旋转轴中心时提供额外的灵活性。

对于需要更高负载能力或不同速度、刚度和扭矩组合的应用，也可以考虑使用精密行星旋转执行器和其他旋转传动解决方案。

最终执行器的选择应基于实际工件惯性、所需扭矩、旋转速度、定位要求、占空比和机械安装条件。

结论

对于现代数控雕刻机而言，旋转轴的作用远不止提供额外的旋转运动那么简单。

在四轴机床中，它能够对圆柱形和多面体工件进行连续或分度加工。在五轴系统中，它成为协调多轴运动系统的一部分，用于加工复杂曲面和更复杂的加工路径。

随着这些应用变得越来越精确，旋转轴不仅要提供足够的扭矩，还要提供稳定的旋转、低背隙、高刚性、精确的定位和可靠的反馈。

谐波旋转执行器可为对上述特性要求较高的数控旋转轴提供集成解决方案。结合合适的机械结构、编码器反馈和数控系统，它可以帮助机械制造商打造紧凑而精准的旋转轴解决方案，适用于雕刻和精密加工应用。

然而，正确的解决方案始终始于应用：工件惯性、切削载荷、旋转速度、精度、刚性和安装要求都应决定旋转轴的配置。HONPINE 可协助机床制造商为其数控雕刻设备选择和配置合适的旋转运动解决方案。