小幅面廣告標(biāo)牌雕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

趙世英+王夢圓+陳永輝+陶龍+陳祎+劉謙

摘 要：為了滿足廣告媒體宣傳領(lǐng)域的需要，研發(fā)了一款小幅面廣告標(biāo)牌雕刻機(jī)。通過應(yīng)用SolidWorks軟件，完成了工作參數(shù)確定、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)雕刻機(jī)相比較，能夠有效降低廣告標(biāo)牌制作的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證個(gè)性化標(biāo)牌的加工質(zhì)量，顯著提高工作效率。

關(guān)鍵詞：廣告標(biāo)牌；雕刻機(jī)；SolidWorks

雕刻機(jī)作為一種數(shù)控加工設(shè)備，使用范圍廣、生產(chǎn)效率高。市場上雕刻機(jī)大致分為機(jī)械雕刻機(jī)和激光雕刻機(jī)，大小功率和應(yīng)用范圍各不相同。在美國等一些發(fā)達(dá)國家，雕刻機(jī)就像復(fù)印機(jī)、打印機(jī)一樣普及，是很多公司辦公必備品之一。數(shù)控雕刻機(jī)較之傳統(tǒng)雕刻機(jī)加工的成品更富于個(gè)性化，工作效率更高、周期更短。文章所闡述的就是一款小幅面廣告標(biāo)牌雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程[1]。廣告標(biāo)牌雕刻機(jī)主要用于廣告媒體宣傳領(lǐng)域，加工原理屬于機(jī)械式切削雕刻機(jī)?？傻窨痰牟牧戏浅V泛，包括金屬、鋁塑板、銅板、橡皮、PVC板、ABS板、亞克力、雙色板、石材和人造石材等多種材料。根據(jù)市場需求，主要用于高速高質(zhì)量進(jìn)行廣告標(biāo)牌制作、胸卡制作和亞克力字切割。

1 廣告標(biāo)牌雕刻機(jī)的工作參數(shù)和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本機(jī)小幅面廣告標(biāo)牌雕刻機(jī)的雕刻幅面范圍是500mm×300mm，Z軸行程是80mm，屬于小幅面廣告標(biāo)牌雕刻機(jī)范疇；X、Y軸最大進(jìn)給速度60mm/s，Z軸最大進(jìn)給速度30mm/s；主軸轉(zhuǎn)速（rpm）：6000～20000，加工精度0.025mm，重復(fù)定位精度0.01mm。雕刻機(jī)工作原理是先由專用電腦軟件對廣告標(biāo)牌進(jìn)行設(shè)計(jì)和排版，軟件分析運(yùn)算后自動(dòng)生成刀具插補(bǔ)軌跡，同時(shí)把數(shù)據(jù)通過電腦傳送到雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器中，由控制器轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率信號，控制X，Y，Z三軸按照軟件設(shè)計(jì)的刀具路徑進(jìn)行加工工作。

在進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，通過調(diào)研和檢索同類型雕刻機(jī)等相關(guān)技術(shù)資料，結(jié)合設(shè)備工作特點(diǎn)進(jìn)行分析和研究，提出并選擇合理設(shè)計(jì)方案，利用SolidWorks實(shí)體建模軟件完成500×300幅面廣告標(biāo)牌雕刻機(jī)的三維實(shí)體模型虛擬展示和裝配模擬。SolidWorks軟件可以勝任很多輔助設(shè)計(jì)工作，包括進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，各部件組成零件的詳細(xì)設(shè)計(jì)；對結(jié)構(gòu)件和傳動(dòng)件進(jìn)行受力分析與強(qiáng)度校核。裝配工藝分析，進(jìn)行組件、部件和整機(jī)的虛擬裝配，建立整機(jī)三維模型；制作整機(jī)的虛擬樣機(jī)展示和工作過程仿真視頻等等[2]。

雕刻機(jī)的機(jī)械本體部分主要由底座、主軸、橫梁、立柱和工作臺(tái)等五部分構(gòu)成，整機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)SolidWorks三維圖如圖1所示。由圖中可見，雕刻機(jī)的立柱部分是固定不動(dòng)的，雕刻頭可以在進(jìn)給機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)下作垂直方向上下移動(dòng)和橫向左右移動(dòng)，工作臺(tái)作縱向前后移動(dòng)。之所以選擇這種工作臺(tái)布局進(jìn)給方案，主要是考慮到進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置電機(jī)功率小、傳動(dòng)系統(tǒng)所占空間也十分有限，可以實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)移動(dòng)阻力大幅減小；該設(shè)計(jì)方案的最大優(yōu)點(diǎn)是雕刻頭運(yùn)動(dòng)精度比較容易保證。為了有效應(yīng)對切削加工中偶發(fā)較大力矩對導(dǎo)軌產(chǎn)生不利的變形影響，采取了加寬X、Y、Z三個(gè)方向上的兩根直線滾動(dòng)導(dǎo)軌之間跨距的辦法，從機(jī)床的整體布局上保證機(jī)床的剛性可靠，能夠完全滿足加工要求。在保證雕刻機(jī)整機(jī)具備可靠機(jī)械剛度的前提下，出于簡化結(jié)構(gòu)、降低總重和最大限度提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率的設(shè)計(jì)目標(biāo)，主體承重部件采用鋁合金拉延型材和軋制鋁板制造，防護(hù)件用塑料件和飯金件制造，最后用標(biāo)準(zhǔn)件和定位銷連接固定。

2 雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)方案

雕刻機(jī)的底座總成是整個(gè)雕刻機(jī)基礎(chǔ)部件，雕刻機(jī)的重量幾乎都由底座來承載，所以它必須要有很好的剛度特性，嚴(yán)格控制變形誤差。工作臺(tái)總成包括導(dǎo)軌、Y軸方向的絲杠以及工作臺(tái)本體部分。工作臺(tái)的作用是定位和支撐被雕刻材料，通常把工作臺(tái)設(shè)計(jì)為表面有T形溝槽的平臺(tái)，它在絲杠的帶動(dòng)和導(dǎo)軌的導(dǎo)向下做直線運(yùn)動(dòng)。橫梁部分結(jié)構(gòu)由X軸絲杠與其兩側(cè)的導(dǎo)軌，以及支撐橫梁的支架組成。橫梁起到支撐Z軸部件的作用。機(jī)頭部分結(jié)構(gòu)由主軸組件、絲杠、支架、導(dǎo)軌組成，該機(jī)構(gòu)總成的作用是實(shí)現(xiàn)雕刻機(jī)Z向雕刻進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

雕刻機(jī)主軸傳動(dòng)系統(tǒng)采用的是電機(jī)和主軸直聯(lián)的方式傳動(dòng)，主軸結(jié)合電機(jī)驅(qū)動(dòng)完成加工過程中所需的高速旋轉(zhuǎn)銑削；主軸傳動(dòng)系統(tǒng)還包括Z向絲杠和導(dǎo)軌。電主軸的結(jié)構(gòu)是采用變頻電機(jī)和機(jī)床主軸合二為一，就是帶有冷卻套的定子裝配在主軸結(jié)構(gòu)的腔體內(nèi)部，然后和機(jī)床直接連接成為一體，機(jī)床主軸腔體就是電機(jī)的機(jī)座，形成集成式的電機(jī)主軸[3]。

這種集成式主軸結(jié)構(gòu)使得變頻電機(jī)和機(jī)床主軸的連接形成“直連”方式，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子同時(shí)也是機(jī)床主軸的關(guān)主件，其間不必設(shè)計(jì)中間傳動(dòng)鏈，有效提高了傳動(dòng)效率。進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置包括X和Y兩個(gè)方向的往復(fù)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中Y向進(jìn)給系統(tǒng)固定在橫梁上，使得導(dǎo)軌布局由平面式改進(jìn)為空間式；X向進(jìn)給系統(tǒng)和工作平臺(tái)聯(lián)結(jié)固定在底座上。

通常導(dǎo)軌的安裝應(yīng)能夠滿足如下要求：剛度好、承載能力大、摩擦阻力小、精度高、精度保持性好、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、工藝性好，便于加工、裝配、調(diào)整和維修。由于廣告標(biāo)牌雕刻機(jī)床要求具有良好的靈活性來滿足機(jī)床高速雕刻的要求，在選擇導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)類型時(shí)選擇的是X、Y軸方向上均采用GGB型（四方向等載荷型）高精度直線導(dǎo)軌。直線滾動(dòng)導(dǎo)軌通常是兩條導(dǎo)軌組合在一起，配套成對使用。該類型導(dǎo)軌可以進(jìn)行水平式安裝，也可以進(jìn)行傾斜或垂直式安裝。為了確保兩條導(dǎo)軌能夠平行，通常把其中一條導(dǎo)軌作為基準(zhǔn)導(dǎo)軌[4]。導(dǎo)軌安裝形式又分為單導(dǎo)軌定位以及雙導(dǎo)軌定位兩種，本雕刻機(jī)在X、Y軸方向上均采用雙導(dǎo)軌定位；Z軸方向采用圓柱式導(dǎo)軌定位（見圖1）。

3 結(jié)束語

考慮到廣告標(biāo)牌個(gè)性化突出，圖案復(fù)雜、樣式繁多，需要進(jìn)行精細(xì)雕刻加工，所以該機(jī)床一般采用配有小尺寸加工刀具。整機(jī)體積小、重量輕，安裝簡易，運(yùn)輸方便。能有效降低廣告標(biāo)牌制作的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證個(gè)性化廣告標(biāo)牌的加工質(zhì)量，顯著提高工作效率，具有廣闊的市場前景和實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]李光學(xué)，李輝.基于嵌入式的數(shù)控雕刻機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].世界電子元器件，2012（6）.

[2]二代龍震工作室.SolidWorks2011高級設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[3]楊紅華.數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].湖南農(nóng)機(jī)，2008（5）：188-190.

[4]杜玉湘，等.五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用[J].機(jī)械制造與研究，2008（6）：14-17.

作者簡介：趙世英（1972-），男，講師，碩士，主要研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)與制造。