赵世英+王梦圆+陈永辉+陶龙+陈祎+刘谦
摘 要：为了满足广告媒体宣传领域的需要，研发了一款小幅面广告标牌雕刻机。通过应用SolidWorks软件，完成了工作参数确定、总体结构设计和详细结构设计。与传统雕刻机相比较，能够有效降低广告标牌制作的劳动强度，保证个性化标牌的加工质量，显著提高工作效率。
关键词：广告标牌；雕刻机；SolidWorks
雕刻机作为一种数控加工设备，使用范围广、生产效率高。市场上雕刻机大致分为机械雕刻机和激光雕刻机，大小功率和应用范围各不相同。在美国等一些发达国家，雕刻机就像复印机、打印机一样普及，是很多公司办公必备品之一。数控雕刻机较之传统雕刻机加工的成品更富于个性化，工作效率更高、周期更短。文章所阐述的就是一款小幅面广告标牌雕刻机结构设计过程[1]。广告标牌雕刻机主要用于广告媒体宣传领域，加工原理属于机械式切削雕刻机。可雕刻的材料非常广泛，包括金属、铝塑板、铜板、橡皮、PVC板、ABS板、亚克力、双色板、石材和人造石材等多种材料。根据市场需求，主要用于高速高质量进行广告标牌制作、胸卡制作和亚克力字切割。
1 广告标牌雕刻机的工作参数和总体结构设计
本机小幅面广告标牌雕刻机的雕刻幅面范围是500mm×300mm，Z轴行程是80mm，属于小幅面广告标牌雕刻机范畴；X、Y轴最大进给速度60mm/s，Z轴最大进给速度30mm/s；主轴转速（rpm）：6000～20000，加工精度0.025mm，重复定位精度0.01mm。雕刻机工作原理是先由专用电脑软件对广告标牌进行设计和排版，软件分析运算后自动生成刀具插补轨迹，同时把数据通过电脑传送到雕刻机运动控制器中，由控制器转换成驱动电机的功率信号，控制X，Y，Z三轴按照软件设计的刀具路径进行加工工作。
在进行总体结构设计阶段，通过调研和检索同类型雕刻机等相关技术资料，结合设备工作特点进行分析和研究，提出并选择合理设计方案，利用SolidWorks实体建模软件完成500×300幅面广告标牌雕刻机的三维实体模型虚拟展示和装配模拟。SolidWorks软件可以胜任很多辅助设计工作，包括进行机械结构设计、传动系统设计，各部件组成零件的详细设计；对结构件和传动件进行受力分析与强度校核。装配工艺分析，进行组件、部件和整机的虚拟装配，建立整机三维模型；制作整机的虚拟样机展示和工作过程仿真视频等等[2]。
雕刻机的机械本体部分主要由底座、主轴、横梁、立柱和工作台等五部分构成，整机机械结构SolidWorks三维图如图1所示。由图中可见，雕刻机的立柱部分是固定不动的，雕刻头可以在进给机构驱动下作垂直方向上下移动和横向左右移动，工作台作纵向前后移动。之所以选择这种工作台布局进给方案，主要是考虑到进给驱动装置电机功率小、传动系统所占空间也十分有限，可以实现工作台移动阻力大幅减小；该设计方案的最大优点是雕刻头运动精度比较容易保证。为了有效应对切削加工中偶发较大力矩对导轨产生不利的变形影响，采取了加宽X、Y、Z三个方向上的两根直线滚动导轨之间跨距的办法，从机床的整体布局上保证机床的刚性可靠，能够完全满足加工要求。在保证雕刻机整机具备可靠机械刚度的前提下，出于简化结构、降低总重和最大限度提高产品生产效率的设计目标，主体承重部件采用铝合金拉延型材和轧制铝板制造，防护件用塑料件和饭金件制造，最后用标准件和定位销连接固定。
2 雕刻机结构详细设计方案
雕刻机的底座总成是整个雕刻机基础部件，雕刻机的重量几乎都由底座来承载，所以它必须要有很好的刚度特性，严格控制变形误差。工作台总成包括导轨、Y轴方向的丝杠以及工作台本体部分。工作台的作用是定位和支撑被雕刻材料，通常把工作台设计为表面有T形沟槽的平台，它在丝杠的带动和导轨的导向下做直线运动。横梁部分结构由X轴丝杠与其两侧的导轨，以及支撑横梁的支架组成。横梁起到支撑Z轴部件的作用。机头部分结构由主轴组件、丝杠、支架、导轨组成，该机构总成的作用是实现雕刻机Z向雕刻进给运动。
雕刻机主轴传动系统采用的是电机和主轴直联的方式传动，主轴结合电机驱动完成加工过程中所需的高速旋转铣削；主轴传动系统还包括Z向丝杠和导轨。电主轴的结构是采用变频电机和机床主轴合二为一，就是带有冷却套的定子装配在主轴结构的腔体内部，然后和机床直接连接成为一体，机床主轴腔体就是电机的机座，形成集成式的电机主轴[3]。
这种集成式主轴结构使得变频电机和机床主轴的连接形成“直连”方式，电动机转子同时也是机床主轴的关主件，其间不必设计中间传动链，有效提高了传动效率。进给驱动装置包括X和Y两个方向的往复进给运动机构，其中Y向进给系统固定在横梁上，使得导轨布局由平面式改进为空间式；X向进给系统和工作平台联结固定在底座上。
通常导轨的安装应能够满足如下要求：刚度好、承载能力大、摩擦阻力小、精度高、精度保持性好、运动平稳、寿命长、结构简单、成本低、工艺性好，便于加工、装配、调整和维修。由于广告标牌雕刻机床要求具有良好的灵活性来满足机床高速雕刻的要求，在选择导轨结构类型时选择的是X、Y轴方向上均采用GGB型（四方向等载荷型）高精度直线导轨。直线滚动导轨通常是两条导轨组合在一起，配套成对使用。该类型导轨可以进行水平式安装，也可以进行倾斜或垂直式安装。为了确保两条导轨能够平行，通常把其中一条导轨作为基准导轨[4]。导轨安装形式又分为单导轨定位以及双导轨定位两种，本雕刻机在X、Y轴方向上均采用双导轨定位；Z轴方向采用圆柱式导轨定位（见图1）。
3 结束语
考虑到广告标牌个性化突出，图案复杂、样式繁多，需要进行精细雕刻加工，所以该机床一般采用配有小尺寸加工刀具。整机体积小、重量轻，安装简易，运输方便。能有效降低广告标牌制作的劳动强度，保证个性化广告标牌的加工质量，显著提高工作效率，具有广阔的市场前景和实用价值。
参考文献
[1]李光学，李辉.基于嵌入式的数控雕刻机控制系统设计[J].世界电子元器件，2012（6）.
[2]二代龙震工作室.SolidWorks2011高级设计[M].北京：清华大学出版社，2011.
[3]杨红华.数控机床技术发展现状[J].湖南农机，2008（5）：188-190.
[4]杜玉湘，等.五轴联动数控机床的结构和应用[J].机械制造与研究，2008（6）：14-17.
作者简介：赵世英（1972-），男，讲师，硕士，主要研究方向为数字化设计与制造。
