一种多自由度石膏模型加工机床的制作方法[0002]在信息时代的当今，现代产品设计中的石膏模型制作已然是产品早期设计中不可替代的步骤，因为模型制作并不是简单地将二维图形转化成三维实体，而是要求设计师直接在三维中思考和创作。而传统模型制作具有方便、快速、经济等优点，至今仍然发挥着现代计算机技术所不可替代的作用和优势。但是截至目前为止，还没有专门的机床装置对石膏模型进行加工。众所周知，工业设计专业的学生几乎每天参与石膏模型制作，全手工的操作过程既浪费了学生的时间，又没能完全发挥学生的创新能力，导致模型制作简易、单一，无法实现更高要求模型制作的规定。因此迫切需要提供一种多自由度石膏模型加工机床，来完成产品石膏模型加工的工作，以积极推动设计专业水平的迅猛发展。
[0003]本发明针对工业设计、建筑工程专业、艺术雕塑、平面设计等专业特点，提供一种多自由度石膏模型加工机床，用机械代替全手工操作，实现多自由度铣、锯、雕刻、打磨、抛光于一体的石膏模型加工机床，合理利用不同类型的模型及模型制作过程的不同阶段，加工各种曲面及复杂模型，提高学生综合实践能力，重视对学生的实际操作技能和三维实体的造型经验培养。[0004]为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案:一种多自由度石膏模型加工机床，包括升降定位机构、螺母自锁机构、横向进给机构、夹持工作台、床身部分以及刀具部分，所述升降定位机构与螺母自锁机构连接，螺母自锁机构与横向进给机构焊接在一起，横向进给机构通过两个轴承座与夹持工作台连接，刀具部分通过电机定位圆盘与床身部分连接，[0005]所述升降定位机构包括丝杆传动轴、螺母定位盘、手柄、轴承定位块、第一滚动轴承、螺母轴承套以及升降定位导向筒，所述丝杆传动轴固定于螺母定位盘中心，丝杆传动轴与螺母轴承套相啮合，螺母轴承套外侧曲面均匀分布四根手柄，螺母定位盘与底座连接，第一滚动轴承下部分与螺母轴承套相连接，第一滚动轴承与轴承定位块焊接并通过螺钉、螺母与升降定位导向筒连接，通过螺母轴承套与丝杆传动轴配合传递动力给升降定位导向筒，再传递到横向进给机构，使得升降定位机构上下进给的同时实现升降定位机构、横向进给机构、螺母自锁机构、夹持工作台四个机构360°自由度的旋转；丝杆传动轴与升降定位导向筒通过螺母自锁机构实现自锁；[0006]所述螺母自锁机构包括轴套、第四自锁螺母、螺纹丝杆、第一尼龙压片以及定位销，所述轴套与螺纹丝杆连接，第四自锁螺母对称固定于升降定位导向筒的两侧，第一尼龙压片与丝杆传动轴啮合，螺纹丝杆分别穿过升降定位导向筒顶住第一尼龙压片，通过旋转轴套上的定位销压紧第一尼龙压片，进而锁止升降定位机构，抑制升降定位机构的转动；[0007]所述横向进给机构包括第一轴承座、水平横向梯形螺纹丝杆、水平横向定位滑动轴、手轮、左移动支架、直线轴承、支撑板、直线轴承座以及右移动支架，所述手轮与水平横向梯形螺纹丝杆连接，四个直线轴承安装在焊接有直线轴承座的支撑板上，水平横向定位滑动轴穿过四个直线轴承，再通过第一轴承座分别与左移动支架、右移动支架连接，通过旋转手轮实现横向进给机构在水平方向的移动；
[0008]所述夹持工作台包括夹持工作台、第二滚动轴承、第二轴承座、支撑定位螺栓筒、定位圆盘、第一连接轴、第一自锁螺母以及第一垫片，第二轴承座通过螺钉与横向进给机构中的第一轴承座连接，第一连接轴穿过支撑定位螺栓筒与第二轴承座连接，通过第一自锁螺母和第一垫片固定夹持工作台，使之前后45°的旋转，定位圆盘上面部分通过焊接与夹持工作台固定，定位圆盘下面部分与第二滚动轴承通过螺栓焊接，螺栓下部分连接第一垫片和第一自锁螺母，控制夹持工作台的水平360°旋转。
[0009]所述床身部分包括竖直刀具导向筒、第一支撑定位螺栓架、第二底座支架、横向刀具导向筒、第二螺纹连接轴、调节平板、铰链机构、第二套筒、定位平板、第一螺纹连接轴、轴承座立柱、外轴承、带有台阶面的螺栓、第一套筒、内轴承、第二支撑定位螺栓架、轴承座立柱穿过固定于第二底座支架中的内轴承、外轴承，并在第二底座支架上垂直焊接第一支撑定位螺栓架，第一螺纹连接轴同时穿过竖直刀具导向筒、轴承座立柱，利用垫片和螺母锁紧，使竖直刀具导向筒能够前后摆动0°?15°，并且还可以水平转动0°?15° ;带有台阶面的螺栓端面车有台阶面，在带有台阶面的螺栓垂直竖直刀具导向筒方向钻孔，孔的直径为带有台阶面的螺栓最小台阶面直径，螺栓台阶面紧靠竖直刀具导向筒，保证其垂直度和平稳性，竖直刀具导向筒上部分钻有两孔，第二螺纹连接轴穿过焊接在横向刀具导向筒上的第一套筒形成与横向刀具导向筒的初步连接，利用垫片和螺母固定，横向刀具导向筒尾端焊接调节平板，调节平板表面配置有铰链机构；所述铰链机构包括第二套筒、定位平板、第二螺纹连接轴以及第二支撑定位螺栓架，调节平板表面焊接有第二支撑定位螺栓架，第二螺纹连接轴穿过其中一个支撑定位螺栓架与套筒连接，再穿过第二个支撑定位螺栓架，定位平板焊接在第二套筒上，与焊接在竖直刀具导向筒后侧的定位平板通过垫片、螺母相配合；
[0010]所述刀具部分包括第二自锁螺母、第三轴承座、电机支撑定位板、电机、铣刀盘、铣刀、电机定位圆盘、电机旋转定位盘、定位套筒、电机轴、连接角件、第四螺纹连接轴以及中心定位轴，电机定位圆盘通过其中心定位轴固定于横向刀具导向筒上的连接角件连接，电机旋转定位盘通过螺钉与电机定位圆盘配合，利用螺钉锁紧，电机支撑定位板焊接在电机旋转定位盘，电机支撑定位板的上部分连接电机，下部分通过定位套筒与电机轴连接，铣刀盘与第四螺纹连接轴通过螺纹连接，并利用第二自锁螺母锁紧，从而达到自锁，铣刀盘有三个刀位，分别安装三把不同硬度材料的铣刀，铣刀盘上有两个螺栓孔呈一条线分布以固定铣刀，保证铣刀安装平稳、可靠。
[0011]所述电机旋转定位盘能够以360°旋转。
[0012]本发明突出的优点在于:
[0013]1、采用了传动部分与刀具导向筒部分多自由度旋转，能够对不同形状、规格的石膏模型进行加工；[0014]2、夹持工作台和工件的前后45°转向以及水平360°转向，能够实现升降进给机构的水平360°旋转；
[0015]3、使用尼龙材质的压片实施对各机构的自锁，使得升降定位台、横向进给机构、夹持工作台在不需要自由度时稳定，不摆动；
[0016]4、通过安装不同种类的刀片，能够进行铣、锯、雕刻、打磨、抛光；刀具可以拆装，方便维修；
[0017]5、在刀具导向筒部分的轴承座处巧妙设置了自锁螺母、螺纹连接轴和轴承，使纵向支撑定位导向筒得到很好定位，在不需要水平旋转0°?15°时能够稳定不摆动，同时又能达到前后摆动15°的需求；整体结构大为简化，横向支撑定位导向筒也可以上下旋转
O?15°。
[0018]6、该加工机床设计紧凑巧妙,简单实用，使用方便安全。



[0019]图1是本发明所述的多自由度石膏模型加工机床的结构示意图。
[0020]图2是本发明所述的多自由度石膏模型加工机床的右视图。
[0021]图3是本发明所述的多自由度石膏模型加工机床的后视图。
[0022]图4是本发明所述的多自由度石膏模型加工机床的升降定位机构的结构示意图。
[0023]图5是本发明所述的多自由度石膏模型加工机床的夹持工作台和横向进给机构示意图。
[0024]图6是本发明所述的多自由度石膏模型加工机床的床身支架部分的结构示意图。
[0025]图7是本发明所述的多自由度石膏模型加工机床的床身横向刀具导向筒部分的结构示意图。
[0026]图8是本发明多所述的多自由度石膏模型加工机床的床身铰链机构部分的结构示意图。
[0027]图9是本发明多所述的多自由度石膏模型加工机床的刀具部分的结构示意图。
[0028]图中:第二自锁螺母1、第三轴承座2、电机支撑定位板3、电机4、铣刀盘5、夹持工作台6、第一轴承座7、水平横向梯形螺纹丝杆8、水平横向定位滑动轴9、丝杆传动轴10、轴套11、螺母定位盘12、抽屉13、竖直刀具导向筒14、第一支撑定位螺栓架15、第二底座支架16、手轮17、第四自锁螺母18、支撑架19、手柄20、第一底座支架21、底座22、铣刀23、第二滚动轴承24、第二轴承座25、连接角件26、横向刀具导向筒27、第二螺纹连接轴28、调节平板29、第一定位平板30、电机定位圆盘31、电机旋转定位盘32、第一螺纹连接轴33、导向筒盖34、轴承定位块35、第一滚动轴承36、螺母轴承套37、支撑定位螺栓筒38、左移动支架39、升降定位导向筒40、螺纹丝杆41、第一尼龙压片42、定位销43、定位圆盘44、、第一连接轴45、第二尼龙压片46、直线轴承47、支撑板48、直线轴承座49、第一自锁螺母50、第一垫片51、右移动支架52、轴承座立柱53、外轴承54、带有台阶面的螺栓55、第一套筒56、内轴承57、第二支撑定位螺栓架58、第三自锁螺母59、轴承定位板60、第三轴承61、第三螺纹连接轴62、第二套筒63、第二定位平板64、定位套筒65、电机轴66、第四螺纹连接轴67、中心定位轴68。
[0029]如图1所示，本发明所述的多自由度石膏模型加工机床，包括升降定位机构、螺母自锁机构、横向进给机构、夹持工作台、刀具部分及床身部分。升降定位机构与螺母自锁机构连接，螺母自锁机构与横向进给机构焊接在一起，横向进给机构通过两个第二轴承座25与夹持工作台连接，刀具部分通过电机定位圆盘31与床身部分连接。
[0030]如图1至图4所示，升降定位机构包括丝杆传动轴10、螺母定位盘12、手柄20、导向筒盖34、轴承定位块35、第一滚动轴承36、螺母轴承套37以及升降定位导向筒40，所述丝杆传动轴10固定于螺母定位盘12中心，丝杆传动轴10与螺母轴承套37相啮合，螺母轴承套37外侧曲面均匀分布四根手柄20，螺母定位盘12与底座22连接，第一滚动轴承36下部分与螺母轴承套37相连接，第一滚动轴承36与轴承定位块35焊接并通过螺钉、螺母与升降定位导向筒40连接，通过螺母轴承套37与丝杆传动轴10配合传递动力给升降定位导向筒40，再传递到横向进给机构，使得升降定位机构上下进给的同时实现升降定位机构、横向进给机构、螺母自锁机构、夹持工作台四个机构360°自由度的旋转；丝杆传动轴10与升降定位导向筒40通过螺母自锁机构实现自锁；
[0031]螺母自锁机构包括轴套11、第四自锁螺母18、螺纹丝杆41、第一尼龙压片42以及定位销43，所述轴套11与螺纹丝杆41连接，第四自锁螺母18固定于升降定位导向筒40对称两侧，第一尼龙压片42与丝杆传动轴10啮合，螺纹丝杆41分别穿过升降定位导向筒40顶住第一尼龙压片42，通过旋转轴套11上的定位销43压紧第一尼龙压片42，进而锁止升降定位机构，抑制升降定位机构的转动；
[0032]如图5所示上面部分，横向进给机构包括两个第一轴承座7、水平横向梯形螺纹丝杆8、水平横向定位滑动轴9、手轮17、左移动支架39、直线轴承47、支撑板48、直线轴承座49以及右移动支架52，所述手轮17与水平横向梯形螺纹丝杆8连接，四个直线轴承47安装在焊接有直线轴承座49的支撑板48上，水平横向定位滑动轴9穿过四个直线轴承47，再通过两个第一轴承座7分别与左移动支架39、右移动支架52连接，通过旋转手轮17实现横向进给机构在水平方向的移动；
[0033]如图5所示下面部分，夹持工作台包括夹持工作台6、第二滚动轴承24、两个第二轴承座25、支撑定位螺栓筒38、定位圆盘44、第一连接轴45、第二尼龙压片46、第一自锁螺母50以及第一垫片51，两个第二轴承座25通过螺钉与横向进给机构中的第一轴承座48连接，第一连接轴45穿过支撑定位螺栓筒38分别与第二轴承座25连接，通过第一自锁螺母50、第一垫片51、固定夹持工作台6，使之前后45°的旋转，定位圆盘44上面部分通过焊接与夹持工作台6固定，定位圆盘44下面部分与第二滚动轴承24通过螺栓焊接，螺栓下部分连接第一垫片51和第一自锁螺母50，控制夹持工作台6的水平360°旋转。
[0034]如图6所示，床身部分包括抽屉13、竖直刀具导向筒14、第一支撑定位螺栓架15、第二底座支架16、支撑架19、第一底座支架21、底座22、连接角件26、横向刀具导向筒27、第二螺纹连接轴28、调节平板29、铰链机构由第二套筒63、定位平板30构成、第一螺纹连接轴33、轴承座立柱53、外轴承54、带有台阶面的螺栓55、第一套筒56、内轴承57、第二支撑定位螺栓架58、第三自锁螺母59、轴承定位板60以及第三轴承61，轴承座立柱53穿过固定于第二底座支架16中的内轴承57、外轴承54，并在第二底座支架16上垂直焊接两个第一支撑定位螺栓架15，第一螺纹连接轴33同时穿过竖直刀具导向筒14、轴承座立柱53，利用垫片和螺母锁紧，使得竖直刀具导向筒14能够前后摆动0°?15°，并且还可以水平转动0°?15° ;带有台阶面的螺栓55端面车有台阶面，在带有台阶面的螺栓55垂直竖直刀具导向筒14方向钻孔，孔的直径就是带有台阶面的螺栓55最小台阶面直径，螺栓台阶面紧靠竖直刀具导向筒14，保证其垂直度和平稳性，竖直刀具导向筒14上部分钻有两孔，第二螺纹连接轴28穿过焊接在横向刀具导向筒27上的第一套筒56形成与横向刀具导向筒27的初步连接，利用垫片和螺母固定，横向刀具导向筒27尾端焊接调节平板29，调节平板29表面配置有铰链机构；所述铰链机构第二套筒63、定位平板30、第二螺纹连接轴28、定位平板30、第二支撑定位螺栓架58，调节平板29表面焊接有两个第二支撑定位螺栓架58，第二螺纹连接轴28穿过其中一个支撑定位螺栓架58与套筒连接，再穿过第二个支撑定位螺栓架58，定位平板30焊接在第二套筒63上，与焊接在竖直刀具导向筒后侧的定位平板30通过垫片、螺母相配合；
[0035]如图9所示，刀具部分包括第二自锁螺母1、第三轴承座2、电机支撑定位板3、电机
4、铣刀盘5、铣刀23、电机定位圆盘31、电机旋转定位盘32、定位套筒65、电机轴66、第四螺纹连接轴67以及中心定位轴68，电机定位圆盘31通过其中心定位轴68固定于横向刀具导向筒27上的连接角件26连接，电机旋转定位盘32通过螺钉与电机定位圆盘31配合，利用螺钉锁紧，电机支撑定位板3焊接在电机旋转定位盘31，其上部分连接电机4，下部分通过定位套筒65与电机轴66连接，铣刀盘5与第四螺纹连接轴67通过螺纹连接，并利用第二自锁螺母I锁紧，从而达到自锁，铣刀盘4有三个刀位，分别安装三把不同硬度材料的铣刀23，铣刀盘4上有两个螺栓孔呈一条线分布以固定铣刀23，保证铣刀23安装平稳、可靠。
[0036]电机旋转定位盘32可以360°旋转。
[0037]铣刀盘4上安装的三把不同硬度材料的铣刀铣刀23，通过切换不同硬度材料的铣刀，能够对金属或塑料模具进行铣、锯、雕刻、打磨、抛光。
[0038]工作原理
[0039]多自由度石膏模型加工机床采用传动部分与刀具导向筒部分多自由度旋转。
[0040]第一，转动升降定位机构中安装在螺母轴承套37外侧曲面均匀分布四根手柄20，传动动力使其实现上下进给，同时可以360°转动升降定位导向筒40，并使得夹持工作台6在不自锁情况下可以同时旋转，达到不同角度的加工需求；为了稳定此机构，升降定位机构与螺母自锁机构连接，在不需要水平方向自由度的情况下利用第一尼龙压片42与丝杆传动轴10的啮合实现水平方向的自锁；螺母自锁机构与横向进给机构焊接在一起，转动手轮17，传递动力给水平横向梯形螺纹丝杆8、水平横向定位滑动轴9实现水平进给；横向进给机构与夹持工作台通过两个第二轴承座25连接，转动安装在第二滚动轴承24上的第一连接轴45，可以实现夹持工作台6前后45°以及水平360°的多角度旋转，从而实现对不同形状、规格的产品石膏模型进行加工；
[0041]第二，轴承座立柱53穿过固定于第二底座支架16中的内轴承57、外轴承54，并在第二底座支架16上垂直焊接两个第一支撑定位螺栓架15，第一螺纹连接轴33同时穿过竖直刀具导向筒14、轴承座立柱53，利用垫片和螺母锁紧，使得竖直刀具导向筒14在不需要水平旋转0°?15°时能够稳定不摆动，同时又能达到前后摆动15°的需求；整体结构大为简化，横向刀具导向筒27也可以上下旋转0°?15°。电机定位圆盘31通过其中心定位轴68固定于横向刀具导向筒27上的连接角件26连接，电机旋转定位盘32通过螺钉与电机定位圆盘31配合，利用螺钉锁紧，电机支撑定位板3焊接在电机旋转定位盘31，其上部分连接电机4，下部分通过定位套筒65与电机轴66连接，铣刀盘5与第四螺纹连接轴67通过螺纹连接，并利用第二自锁螺母I锁紧，从而达到自锁，铣刀盘4有三个刀位，分别安装三把不同的铣刀23，铣刀盘4上有两个螺栓孔呈一条线分布以固定铣刀4，保证铣刀4安装平稳、可靠，电机旋转定位盘32可以在竖直方向0°?90°旋转，因此能够进行铣、锯、雕刻、打磨、抛光；刀具可以拆装，方便维修。