小幅面廣告標牌雕刻機的結構設計

摘 要：為了滿足廣告媒體宣傳領域的需要，研發了一款小幅面廣告標牌雕刻機。通過應用SolidWorks軟件，完成了工作參數確定、總體結構設計和詳細結構設計。與傳統雕刻機相比較，能夠有效降低廣告標牌制作的勞動強度，保證個性化標牌的加工質量，顯著提高工作效率。

關鍵詞：廣告標牌；雕刻機；SolidWorks

雕刻機作為一種數控加工設備，使用范圍廣、生產效率高。市場上雕刻機大致分為機械雕刻機和激光雕刻機，大小功率和應用范圍各不相同。在美國等一些發達國家，雕刻機就像復印機、打印機一樣普及，是很多公司辦公必備品之一。數控雕刻機較之傳統雕刻機加工的成品更富于個性化，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牌雕刻機結構設計過程[1]。廣告標牌雕刻機主要用于廣告媒體宣傳領域，加工原理屬于機械式切削雕刻機。可雕刻的材料非常廣泛，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。根據市場需求，主要用于高速高質量進行廣告標牌制作、胸卡制作和亞克力字切割。

1 廣告標牌雕刻機的工作參數和總體結構設計

本機小幅面廣告標牌雕刻機的雕刻幅面范圍是500mm×300mm，Z軸行程是80mm，屬于小幅面廣告標牌雕刻機范疇；X、Y軸最大進給速度60mm/s，Z軸最大進給速度30mm/s；主軸轉速（rpm）：6000～20000，加工精度0.025mm，重復定位精度0.01mm。雕刻機工作原理是先由專用電腦軟件對廣告標牌進行設計和排版，軟件分析運算后自動生成刀具插補軌跡，同時把數據通過電腦傳送到雕刻機運動控制器中，由控制器轉換成驅動電機的功率信號，控制X，Y，Z三軸按照軟件設計的刀具路徑進行加工工作。

在進行總體結構設計階段，通過調研和檢索同類型雕刻機等相關技術資料，結合設備工作特點進行分析和研究，提出并選擇合理設計方案，利用SolidWorks實體建模軟件完成500×300幅面廣告標牌雕刻機的三維實體模型虛擬展示和裝配模擬。SolidWorks軟件可以勝任很多輔助設計工作，包括進行機械結構設計、傳動系統設計，各部件組成零件的詳細設計；對結構件和傳動件進行受力分析與強度校核。裝配工藝分析，進行組件、部件和整機的虛擬裝配，建立整機三維模型；制作整機的虛擬樣機展示和工作過程仿真視頻等等[2]。

雕刻機的機械本體部分主要由底座、主軸、橫梁、立柱和工作臺等五部分構成，整機機械結構SolidWorks三維圖如圖1所示。由圖中可見，雕刻機的立柱部分是固定不動的，雕刻頭可以在進給機構驅動下作垂直方向上下移動和橫向左右移動，工作臺作縱向前后移動。之所以選擇這種工作臺布局進給方案，主要是考慮到進給驅動裝置電機功率小、傳動系統所占空間也十分有限，可以實現工作臺移動阻力大幅減小；該設計方案的最大優點是雕刻頭運動精度比較容易保證。為了有效應對切削加工中偶發較大力矩對導軌產生不利的變形影響，采取了加寬X、Y、Z三個方向上的兩根直線滾動導軌之間跨距的辦法，從機床的整體布局上保證機床的剛性可靠，能夠完全滿足加工要求。在保證雕刻機整機具備可靠機械剛度的前提下，出于簡化結構、降低總重和最大限度提高產品生產效率的設計目標，主體承重部件采用鋁合金拉延型材和軋制鋁板制造，防護件用塑料件和飯金件制造，最后用標準件和定位銷連接固定。

2 雕刻機結構詳細設計方案

雕刻機的底座總成是整個雕刻機基礎部件，雕刻機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，嚴格控制變形誤差。工作臺總成包括導軌、Y軸方向的絲杠以及工作臺本體部分。工作臺的作用是定位和支撐被雕刻材料，通常把工作臺設計為表面有T形溝槽的平臺，它在絲杠的帶動和導軌的導向下做直線運動。橫梁部分結構由X軸絲杠與其兩側的導軌，以及支撐橫梁的支架組成。橫梁起到支撐Z軸部件的作用。機頭部分結構由主軸組件、絲杠、支架、導軌組成，該機構總成的作用是實現雕刻機Z向雕刻進給運動。

雕刻機主軸傳動系統采用的是電機和主軸直聯的方式傳動，主軸結合電機驅動完成加工過程中所需的高速旋轉銑削；主軸傳動系統還包括Z向絲杠和導軌。電主軸的結構是采用變頻電機和機床主軸合二為一，就是帶有冷卻套的定子裝配在主軸結構的腔體內部，然后和機床直接連接成為一體，機床主軸腔體就是電機的機座，形成集成式的電機主軸[3]。

這種集成式主軸結構使得變頻電機和機床主軸的連接形成“直連”方式，電動機轉子同時也是機床主軸的關主件，其間不必設計中間傳動鏈，有效提高了傳動效率。進給驅動裝置包括X和Y兩個方向的往復進給運動機構，其中Y向進給系統固定在橫梁上，使得導軌布局由平面式改進為空間式；X向進給系統和工作平臺聯結固定在底座上。

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

3 結束語

考慮到廣告標牌個性化突出，圖案復雜、樣式繁多，需要進行精細雕刻加工，所以該機床一般采用配有小尺寸加工刀具。整機體積小、重量輕，安裝簡易，運輸方便。能有效降低廣告標牌制作的勞動強度，保證個性化廣告標牌的加工質量，顯著提高工作效率，具有廣闊的市場前景和實用價值。

參考文獻

[1]李光學，李輝.基于嵌入式的數控雕刻機控制系統設計[J].世界電子元器件，2012（6）.

[2]二代龍震工作室.SolidWorks2011高級設計[M].北京：清華大學出版社，2011.

[3]楊紅華.數控機床技術發展現狀[J].湖南農機，2008（5）：188-190.

[4]杜玉湘，等.五軸聯動數控機床的結構和應用[J].機械制造與研究，2008（6）：14-17.

作者簡介：趙世英（1972-），男，講師，碩士，主要研究方向為數字化設計與制造。