（机械电子工程专业论文）汉字灯箱铝板数控剪齿机结构设计及软件开发.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 汉字灯箱属于异型槽形字灯箱，是一种漂亮美观、节能省电的立体异形广告灯箱。 异型槽形字灯箱以其独特的造型、亮丽的外观以及节省电力的l e d 照明灯光在欧美迅 速流行开来，与普通的广告灯箱相比，它能给商家和店铺带来更为显著的广告效果，由 此可以预见，在不久的将来，它也会在中国迅速流行开来。异型槽形字灯箱的制作材料 主要为铝板，需要对铝板进行剪切加工，而汉字灯箱铝板数控剪齿机的主要功能是提取 矢量汉字信息、拟合汉字轮廓，并根据轮廓的曲率、长度、拐角等参数自动在铝板上冲 裁出锯齿口，以供制作立体槽型字灯箱之用。 本文主要介绍汉字灯箱铝板数控剪齿机的机构设计和软件系统的设计。在对数控剪 齿机总体方案构思的基础上，首先介绍了矫直装置的矫直原理，设计方法和设计参数的 计算选择，其次还介绍了冲裁机构、送料机构、切断机构的实现方法、设计计算以及要 注意的事项，最后介绍了矢量汉字的存储结构和提取方法，以及加工信息的提取和生成。 剪齿机的机械部分主要有铝带卷支架、矫直机构、冲裁机构、送料辊、切断装置五 部分组成，其中矫直机构的作用是整平拉直展开的铝卷，上矫直辊要做成可上下移动的， 以适应不同的铝板，冲裁机构带有两个冲模，分别冲裁不同角度的缺口，送料机构和矫 直机构一样要做成可上下移动的。 。 软件系统主要是提取矢量汉字信息，电脑系统中矢量汉字是以关键点来存储的，这 就需要利用b e z i e r 曲线拟合汉字轮廓。拟合轮廓后计算每个闭合轮廓上线段的长度、曲 率来获得加工信息。 关键词：矢量汉字；槽型字；剪齿机；冲裁 汉字灯箱铝板数控剪齿机设计及软件开发 t h em e c h a n i c a ld e s i g na n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i c a l u m i n u m - c o i ln o t c h e rf o rc h a n n e l - l e t t e rp r o c e s s i n g a b s t r a c t c h i n e s el i g h t - b o xi sat h r e e d i m e n s i o n a la d v e r t i s e r n e n tl i g h t - b o x w h i c hi sak i n do f b e a u t i f u la n de n e r g ys a v i n gc h a n n e l - l e t t e rl a m p b o x i ti sv e r yp o p u l a ri na m e r i c aa n d e u r o p eb e c a u s eo fi t su n i q u ed e s i g n , b e a u t i f u ls h a p e ，e n e r g ys a v i n gl e df l o o d l i g h t sa n di t c a l lg i v et h es h o p sm o r ea d v e r t i s i n ge f f e c tc o m p a r e dt oo r d i n a r ya d v e n i s i n gl i c i tb o x ，s oi t w o u l db em o r ea n dm o r ep o p u l a ri nc h i n ai nt h en e a rf u t u r e a l u m i n u mc o i lw h i c hn e e dt ob e n o t c h e di st h em a i np r o d u c t i o nm a t e r i a lt ob r a k ec h a n n e l - l e t t e r , a n dt h em a i nf u n c t i o no f t h e a u t o m a t i ca l u m i n u m - c o i ln o t o h e rf o rc h a n n e l l e t t e rp r o c e s s i n gi sg e t t i n gt h em e s s a g e so f v e c t o rf o n l f i r i n gt h eo u t l i n eo ff o n t , a n dc u t t i n gs o m es a w t o o t hg a pa c c o r d i n gt ot h e c u r v a t u r e ，l e n g t h , t u m i n go ft h ef o n to u t l i n e ，t h e nt h ea l u m i n u mc o i lc o u l db eu s e dt om a k e c h a n n e ll e t t e rl i g h t - b o x 】 i i lt h ep a p e r , e m p h a s i si sg i v e nt ot h eb o d ya n ds o f t - s y s t e m & s i g no ft h en o t c h e r o q t h eb a s eo f t h eo v e r a l ld e s i g nc o n c e p t i o no f c n cn o t c h e r , f i r s t l y ，w ei n l r o d u c et h ep r i n c i p l e s ， d e s i g nm e t h o d ，c h o i c ea n dc a l c u l a t i o no fp a r a m e t e r so ft h es t r a i g h t e rr o l lm e c h a n i s m , a n d t h e nw en o to n l yp r e s e n tt h em e t h o d , d e s i g na n dt h i n g st oa t t e n t i o no ft h eb l a n k i n g m e c h a n i s m ，f e e dr o l l e rm e c h a n i s ma n ds h u t d o w nm e c h a n i s m f i n a l l y ，t h es t o r a g eb o d ya n d e x t r a c t i o nm e t h o do ft h ev e c t o rf o n t a r eg i v e n , s oa r e t h ee x t r a c t i o na n dc r e a t i o no ft h e p r o c e s s i n gi n f o r m a f i o m t 1 1 em e c h a n i s mo ft h en o t c h e rc o n s i s t so ff i v ep a r t s , b r a c k e td e s i g no ft h e a l u m i n u m - c o i l ，t h es t r a i g h t e r r o l lm e c h a n i s m ，t h e b l a n k i n g m e c h a n i s m , f e e dr o l l e r m e c h a n i s ma n ds h u t d o w nm e c h a n i s m t h e r e i n t o ，t h ef u n c t i o no f t h es t r a i g h t e n i n gd e v i c ei st o s t r a i g h t e nt h ee x p a n d i n ga l u m i n u mc o i l ；t 0a p p l yt od i f f e r e n ta l u m i n u mc o i l ，t h e 鄙 s t r a i g h t e n e rr o l ls h o u l db em a d ew h i c hc a l lm o v eu pa n dd o w na sw e l l 勰t h ef e e dr o l l e r m e c h a n i s m ；t h eb l a n k i n gm e c h a n i s mh a st w od i e sw h i c ha r eu s e dt 0c u tg a p sw i t hd i f f e r e n t a n g l e s 1 1 1 es o f t - s y s t a mi sm a i n l yu s e dt oe x t r a c tm e s s a g e so ft h ev e c t o rf o n tw h i c hi ss t o r e db y t h ek e yp o i n t si nt h ec o m p u t e r ，s ot h eo u t l i n eo ff o n ts h o u l db ef i t t e db yt h eb e z i e rc l l r v e i ti s n e c e s s a r yt oc o m p u t et h el e n g t ha n dc u r v a t u r eo fe v e r yc l o s eo u t l i n ea f t e rf i t t i n gt og e tt h e p r o c e s s i n gi n f o r m a t i o n k e yw o r d s ：c h a n n e ll e t t e r ；v e c t o rc h i n e s ef o n t ：n o t c h e r ；b l a n k i n g 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 书峪期： 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 书峪期： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名 3 塑翌 引币答名嘞剀翱导师签名： 二! ! ! ! ：1 年盥出 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 t 1 论文背景 在商业经济高度发达的今天，高速公路旁，高楼大厦上，以及各个门店前，各个大 街小巷，到处都立着或挂着各式各样的标新立异的广告牌、灯箱广告、灯箱招牌等。因 为用一个新颖的漂亮的标新立异的广告牌或招牌往往更能引起人们的注意，取得更好的 广告效果，这就意味着能招揽更多的客户。然而这些灯箱、招牌基本上都是用平面喷绘 的彩画包裹在一个矩形、圆形或其他形状的钢架上的，如图i 1 所示，毫无新意可言， 可谓百变不离其中，并且这些灯箱由于体积大，画布透光性不好，故这些灯箱的照明光 源一般都是日光灯，这就造成了这些灯箱制作成本极其低下，但使用成本又很昂贵的现 象，并且因为这种灯箱的使用者数量很多，在全国估计至少有上亿个，若一个灯箱每天 耗电一度的话，天就的耗电亿度，这对于我国能源短缺的情况无疑是雪上加霜。所 以必须改变这个现状，开发更新颖更美观的也更省电的新型灯箱。 而异形槽形字灯箱( 见图1 2 ) 就是一个很好的选择。在异形槽型字面世以来，以 其独特多变的靓丽造型。在一些地方已取得了商家厂家的极大青睐，由此可以预见，在 不久的将来立体槽形灯箱将很快风靡全球。例如在欧美国家，如今的广告牌很多都换成 了更为美观大方的、形状独特新颖的异型槽型灯箱字招牌，平面广告招牌几乎销声匿迹， 但是在我国还是以呆板的平面灯箱招牌或广告牌为主。新型的异型槽形字灯箱最大的优 点是它们多以更为节能的l e d 灯作为光源，假如把我国市场上的广告箱全部换成l e d 异型槽形字灯箱，将会给我国的节约巨大的电力资源，这将与我国节省能源的大战略不 图1 1 老式的平面印刷灯箱招牌 f i g 1 1 t h eo l ds t y l eo f a dt i g h tb o x 图1 2 新式的异型槽型字灯箱招牌 f i g 1 2 c h a n n e l - l e v e rl i g h tb o x 汉字灯箱铝板数控剪齿机设计及软件开发 谋而合。然而我国还以平面的老式灯箱为主，由此可见，异型槽形字灯箱的市场潜力巨 大，应用价值非常之高。可以预见在不久的将来，异形槽型字将会以其独特多变的靓丽 造型和节省电力的优点得到商户的喜爱而风靡在中国的大街小巷。 当然，异形槽型字的制作系统的市场需求也将随着异形槽型字灯箱的普及而迅速上 升，异形槽形字灯箱制作系统也必将会具有一个非常诱人的市场前景。 1 2 异形槽型字制作系统的国内外发展状况 图1 3a r e t e 公司的产品 图1 4 c o m p u t e d dc u t t e r s 公司的产品 f i g 1 3 t h ep r o d u c t i o no f a r e t g f i g 1 4 t h ep r o d u c t i o no f a r e t ec o m p u t e r i z e dc u t t e r s 异形槽形灯箱字数控制作系统目前在欧美国家已经慢慢的流行开来，但是只有 a r e t e ( 图1 3 ) 和c o m p u t e r i z e dc u t t e r s ( 图1 4 ) 两家公司在生产异形槽形字灯箱制作系 统，其中a r e t e 是美国丹佛( 美国科罗拉多州首府) 的一家公司，c o m p u t e r i z e dc u t t e r s 是 美国普莱诺( 美国得克萨斯州东北部城市) 的一家公司，他们的技术已经相对成熟，m e t e 公司的产品开始逐渐进入亚洲市场，而c o m p u t e r i z e dc u t t e r s 公司目前只在欧洲和澳洲 有销售 i - 2 1 。但是由于欧美进口设备的价格极其昂贵，故在我国很难适应市场。所以在 我国目前仍普遍采用手工加工异形槽形字灯箱，故生产效率低下，也造成了汉字灯箱不 能迅速普及。异型槽形字( 形状见图1 5 ) 的手工生产方式【3 】是：花费大量的时间用绳 子计算材料边长在铝板上开成条状材料，再用成型钳子裁口，然后用工具折弯定位， 边折边焊，选料太厚很难折弯，选料太薄容易变形，全手工操作，制作时间长，工艺质 量差，并且很难造出复杂的形状来，并且生产成本比较高。而我国目前最为先进的异形 槽型字生产工艺是由广州易字机电设备有限公司提供的生产方法，但仍旧主要以手工加 工为主。其易字系统的加工工艺过程主要是将要做的字的图形文件输入易字软件中，易 大连理工大学硕士学位论文 字软件自动计算出要折弯和剪齿的位置、角度以及方向，并通过易字打印机在不干胶卷 纸上打印出来，再将不千胶贴在要傲字的材料上，根据不干胶上的信息用钳子手工剪齿， 然后再根据提示的角度和方向手工折弯，按照打印出的r 半径值来滚圆。但这样的制作 过程依然以手工制作为主，生产效率没有得到最大程度的地提高，槽形字从业者也没有 完全从繁杂的手工操作中解脱出来，生产潜能没有得到最大的发掘，生产成本依然较高。 由于生产工艺的落后也一定程度上的影响了异形槽形字灯箱的流行。异形槽形字灯箱数 控制作系统将是槽形灯箱制作行业的一个不错的选择。数控异形槽形字灯箱制作系统， 或称电脑弯字系统，其加工工艺简易快速，可以使标识行业从繁杂的手工工艺中解脱出 来，并省去喷漆、焊接等大量的手工操作，可以极大地提高标识行业的生产效率，大大 缩短加工周期。 图1 5 异型槽型字 f i g 1 5 c h a r m e l - l e t l e r 总而言之，开发出自己臼匀槽形灯箱制作系统，尤其是开发出适合我国国情和市场需 求的汉字灯箱的槽形字灯箱制作系统很有必要，并且将具有很大的市场前景，并将给我 国标识行业的生产方式带来革命式的改变，也将极大地提高生产效率，降低生产成本， 使槽形字立体灯箱的价格降下来，并迅速得到推广，这样也可以在某种程度上降低我国 的能源紧张的压力。 汉字灯箱铝板数控剪齿机设计及软件开发 1 3 电脑系统中字体的描述方法 电脑系统中或手机中字体的描述方法有三种位图描述，矢量描述，曲线描述“1 ， 其中位图描述的缺点是字体放大或转换时，在汉字边缘会出现锯齿状，若采用高点阵汉 字字库( 如9 6 9 6 点阵) 则运算速度慢，而用矢量逼近字体轮廓，就可以避免位图字体的 缺点，用矢量方法描述的字符，可以任意放大变换而不会改变显示效果，并可以获取一 定的艺术汉字效果；而用曲线勾画字体轮廓则也完全可以避免位图描述字体方法的缺 点，不仅显示速度快，而且易于进行汉字变换显示，获取一定的艺术汉字效果，但是曲 线描述字符是新生事物，正在逐渐完善，不是应用的主流。所以在一般的字符雕刻和大 屏幕显示中多用矢量字符进行雕刻或显示字符。 其中矢量字符是以轮廓节点的形式描述字符【4 i 。相临两点表示条矢量，字符的形 状便由矢量序列表示。如图1 6 所示。字母“b ”就可以由顶点序列 a ，b ，c ，d ，e ，f ，g ，h ， i ，j ，k ，l ，r n ，n o ，p ，q ，r ) 的坐标表达。节点之间的连线构成字形的外廓，轮廓线构成一个 或若干个封闭的平面区域。由于汉字笔划数各不相同，且笔划的复杂程度不同，故每个 汉字的矢量数据字节数一般不等 4 1 。 a h 图1 6 位图字体和矢量字体的显示方法 f 噜l 6b i t - m a p p e df o n ta n dv e c t o rf o n tr e p r e s e n t a t i o n 1 4t r u et y p e 字库产生与发展 本文提取的字库，都是t r u et y p e 字库里的内容。t r u et y p e 是a p p l e 公司和 m i c r c o s o f t 公司合作开发的页面描述语言t r u ei m a g e 中的字体描述部分。t r u ei m a g e 因 为与已经取得成功的p o s t s c r i p t 完全兼容，没有什么特色，没能像p o s t s c r i p t 那样流行起 来。但t r u et y p e 集中了所有字模制造商的制造经验，有其十分鲜明的特点，一经推出 就取得极大的成功1 5 1 。 大连理工大学硕士学位论文 t r u et y p e 字体及字形技术是w i n d o w s 中字符输出的最新技术，在w i n d o w s 3 x 版及 w i n d o w s 9 5 中已普遍采用【6 】。在中文信息的汉字输出打印中目前普遍使用的是矢量字体 及字形。t r u et y p e 字形包含了字形压缩、还原的整套字形处理技术。该字形采用轮廓 描述法，描述曲线采用的关键技术是使用三次和二次b a z i e r 曲线。使构成每个轮廓的线 段和曲线之间能平滑连接，从而保证字模任意放缩不变形。 为了保证t r u et y p e 的输出质量，m i c r o s o f t 开发了1 6 位t r u et y p e 及到3 2 位t r u e t y p e 的技术，而且还原速度提高了5 0 。t r u et y p e 提供了一个大而易用的字形指令集， 以图来描述带有各种特征的字形，同时，提示信息技术的应用，可以在生成汉字字形时参考 许多提示信息。t r u et y p e 在还原用一种称为g r a ys c a l e ( 求度) 技术，这种技术可使大字 符边沿出现的阶梯用灰点填充而变得光滑，得到输出质量更好的字形。t r u et y p e 是继 a d o b e 公司的p o s t s c r i p tt y p e o u t 之后一个新的字形处理技术。由m i c r o s o f t 与a p p l e 公 司联手开发的p o s t s c r i p t 字形通常分为三种类型：t y p e l ，t y p e 3 和t y p e 5 。而t r u et y p e 代表 字形处理的最新技术，它比p o s t s c r i p t 有更好的字形和更高的还原速度【，j 。 t r u et y p e 字库已经被大多数系统接纳，字库中设计原理十分巧妙，给用户修改的 地方也很多，字库的弹性空间很大。t r u e ，i e 字库不单考虑到了计算机显示时实现的 方式，还考虑到了加工中可能会有的情况。 t r u et y p e 用数学函数描述字体轮廓外形；含有字形构造、颜色填充、数字描述函 数、流程条件控制、栅格处理控制、附加提示控制等指令。t r u et y p e 采用几何学中二 次b 样条曲线及直线来描述字体的外形轮廓，其特点是：t r u et y p e 既可以作打印字体， 又可以用作屏幕显示；由于它是由指令对字形进行描述，因此它与分辨率无关，输出时 总是按照打印机的分辨率输出。无论放大或缩小，字符总是光滑的，不会有锯齿出现。 但相对p o s t s c d p t 字体来说，其质量要差一些。特别是在文字太小时，就表现得不是很 清楚。t r u et y p e 字体，中文名称全真字体。它具有如下优势：真正的所见即所得字 体。由于t r u et y p e 字体支持几乎所有输出设备，因而无论在屏幕、激光打印机、激光 照排机上，还是在彩色喷墨打印机上，均能以设备的分辨率输出，因而输出很光滑。 支持字体嵌入技术。存盘时可将文件中使用的所有t r u et y p e 字体采用嵌入方式一并存 入文件之中，使整个文件中所有字体可方便地传递到其它计算机中使用。嵌入技术可保 证未安装相应字体的计算机能以原格式使用原字体打印。操作系统的兼容性。m a c 和p c 机均支持t r u et y p e 字体，都可以在同名软件中直接打开应用文件丽不需要替换 字体。 汉字灯箱铝板数控剪齿机设计及软件开发 1 5 b e z i e r 曲线 瞳线拟合是用连续曲线近似地刻画或比拟平面上离散点组所表示的坐标之间的函 数关系的一种数据处理方法，是用解析表达式去逼近离散数据。 由于矢量汉字存储的原始数据是汉字轮廓上的关键点，而不是曲线，所以需要将这 些离散的数据点进行曲线拟合，拟合方法有很多中，本文主要选用了b e z i e r 曲线去拟合 汉字轮廓。 b e z i e r 于1 9 6 2 年提出了以逼近为基础的曲线曲面设计系统，名为n u i s u r f t “”i 。 随后，f o r r e s t “1 ，g o r d o n 和r i e s e n f e l d 等【1 2 1 对b e z i e r 方法作了深入的研究，揭示了b e z i e r 方法与b e r n s t e i n 多项式的联系，从而使其具有更加坚实的理论基础。美国r y a n 飞机公 司和英国剑桥大学都曾应用过b e z i e r 方法，前者于1 9 7 2 年用b e r n s t e i n - b e z i e r 曲面片 ( b b p ) 建立了曲线和曲面系统，后者开发了d u c t 系统【1 3 】。f a r i n 则研究了有理b e z i e r 曲线0 4 1 。 然而国内自7 0 年代中期开始，对b c z i e r 方法做了大量的研究。早期的研究成果包 括常庚哲和吴骏恒”】、苏步青和刘鼎元1 1 6 , 1 7 1 、汪国昭i l s 】、施法中b 9 等人的论文。随后，7 席平研究了b e z i e r 曲线的求交与拼合【2 0 】，康宝生对有理b e z i e r 曲线曲面的理论和实践 进行了深入的研究【2 1 1 。 ” b e z i e r 方法是曲线、曲面造型中的一个里程碑，它以逼近原理为基础。应用b e z i e r 方法，人们可以方便地逼近数学曲线或由设计师勾画的草图，真正起到“辅助设计”的 作用。因此，b e z i e r 曲线、曲面在c a d c a m 领域发挥了重要的作用。在本文中通过 b e z i e r 曲线对提取的矢量汉字信息点的逼近，我们可以将字体的轮廓光滑的画出来，显 示其应有的轮廓。 1 6 本论文的主要工作 本论文所做的工作是设计一款汉字灯箱铝板数控剪齿机的机械部分和软件系统部 分。而汉字灯箱铝板数控剪齿机只是异型槽形字灯箱制作系统的一部分，但它也是异型 槽形字灯箱制作系统中最为重要的一个部分，它的主要功能就是提取存储在电脑系统中 的t r u et y p e 字库矢量汉字信息，并用b e z i e r 曲线拟合出汉字轮廓，然后计算汉字轮廓 的单个笔画的长度和曲率，并根据这些信息自动在槽型字的外围铝板上剪切出锯齿口， 以避免围字时铝板出现折皱。如图1 5 所示，围成“p ”字槽型字边缘的铝板上的切口， 就是由数控剪齿机剪出来的。本论文所涉及的只是数控剪齿机的机械部分和软件部分。 大连理工大学硕士学位论文 机械部分主要实现的功能：对从铝板材卷展开的带有定弯曲和不平整度的铝板进行拉 直整平，然后根据矢量汉字系统提取的加工信息对铝板进行冲裁，将铝板切断。机械部 分包括以下几个部分：铝卷展卷机构、铝卷矫直机构、冲裁机构、送料辊、铝板切断机 构。软件系统主要做的工作就是提取w i n d o w 系统中的矢量汉字信息，用光滑曲线拟合 汉字轮廓，计算轮廓上各个笔画的曲率和长度，记录笔画拐点参数，最后生成加工信息。 汉字灯箱铝板数控剪齿机设计及软件开发 2 汉字灯箱铝板剪齿机总体机械结构方案设计 2 1 产品的功能要求 生产灯箱汉字所需的材料主要为铝合金卷材，厚度设定为0 8 1 6 m m ，入料宽度为 6 3 - 2 7 0 m m ，具体需要的宽度根据要加工的字体大小决定。加工要求：加工的铝板锯口 角度为3 0 。或1 0 0 。两种，如图2 1 所示，汉字轮廓拐角处取冲裁锯口为1 0 0 。，曲率 较大的弧线轮廓处取3 0 。根据g b t8 5 4 4 1 9 9 7 国家标准，铝及铝合金冷轧带材可得 铝合金带材的延伸率一般在1 0 一2 0 ，强度极限一般在7 0 1 0 0 m p a 之间。 总结一下，产品的要具有的功能主要有以下几点： 1 ) 能够展开铝合金卷带材： 2 ) 能够加工厚度在o 8 1 6 m m 、宽度在6 3 2 7 0 m m 之间的铝板； 3 ) 能够加工角度为3 0 。和1 0 0 。两种型号的锯口； 4 ) 材料的延伸率一般在1 0 - - 2 0 ，强度极限一般在7 0 1 0 0 m p a 之间。 5 ) 加工速度大概为每分钟加工1 5 3 米长的铝板。 ： 除了主要功能要求外，机器还得能适应我国国情，最主要的就是要有一个高的性价 比，尽量减少工人工作强度。机器应有四到五年的工作寿命。 2 2 总体方案设计 图2 1 锯口示意图 f i g 2 1t h e j a g g e dc u t 2 2 1 主要执行部分的方案选择 机器主要实现的功能是根据电脑处理的矢量汉字信息在铝板上加工出来两个不同 角度的锯口，加工的对象是厚度为o 8 1 6 m m 的铝合金板材，厚度较薄，较容易j n q - 。 而加工锯口的方法主要有切割、剪切和冲裁三种。 大连理工大学硕士学位论文 切割的方法有两种，种主要是用把或两把盘切刀进行切割，另一种是用一把立 铣刀将锯口给铣出来。这两种加工都能很好的完成要求形状的切割，并且切割出来的锯 口边缘光滑无毛刺，比较美观。但是这两种切割的实现较为困难，实现成本比较高。 而利用冲裁加工锯口的话，锯目边缘不可避免的会出现一些毛刺，另外冲裁产生的 噪声也会比切割更大一些。但是冲裁更容易实现，成本会很低。 而剪切和冲裁的原理是一样的，达到的效果也和冲裁差不多，但是比冲裁机构一般 会更加复杂，实现成本会较高。 针对于机器所加工的铝板是用来加工立体汉字灯箱的，立体汉字灯箱一般体型较 大，所以铝扳的锯口毛刺对灯箱的美观度影响不大。出于对成本控制的考虑，锯口的加 工应该选用冲裁加工方式。 2 2 2 辅助执行部件的方案设计 1 ) 铝合金板材一般都是成卷的，这就需要在加工之前将铝卷展开并整平拉直，若 用人工的方式进行展开并拉直，则一是会增加人的劳动强度，降低劳动效率，二是人工 展开的不连续性会不利于连续的机器加工生产，三是入工整平拉直难度太大，很难满足 加工的质量要求。而采用机器展开铝卷，则有两种方案，一是主动式展开，二是被动式 展开，对于主动式展开，就是将铝卷装在展卷机上，展卷机由变速电机带动，变速电机 输出的速度以一定的规律慢慢递增，确保铝卷能按要求的速度递进，这种方式比较适合 于料卷较重且供料速度较快的场合。而被动式展开，料卷则由送料机构拖动展开，这种 方式适合料卷较轻或供料速度较慢的场合。用于加工汉字灯箱的铝卷一般重量较轻，且 供料速度较低，出于成本考虑，应选择被动式展开的展卷机构，即由送料机构拉动铝卷 进行展卷。 2 ) 铝卷展开后是存在一定的弯曲度和不平整度的，必须对铝板进行矫直，这样才 能生产出质量较高的铝板。然而矫直也有很多种。 对于矫直方法，按工作原理不同，矫直方法可以划分为五大类 2 2 , 2 3 】：第一类称为反 复弯曲式矫直法，如压力矫直机及辊式矫直机。它们是靠压头或辊子在同一平面内对工 件进行反复压弯并逐渐减小压弯量，直到压弯量与弹复量相等而变直。第二类称为旋转 弯曲式矫直法，是工件在塑性弯曲状态下以旋转变形方式从大的等弯矩区向小的等弯矩 区过渡，在走出塑性区时弹复变直。旋转者可以是工件可以是矫直工具，也可以是变 形方位，如常见的斜辊矫直机、转毂式矫直机及平动式( 过去常称为振动式) 矫直机。第 三类称为拉伸矫直法它依靠拉伸变形把原来长短不一的纵向纤维拉成等长度并进入塑 性变形后经卸载及弹复而变直，如钳式拉伸矫直机及连续拉伸矫直机。第四类称为拉弯 汉字灯箱铝板数控剪齿机设计及软件开发 矫直法。它是把拉伸与弯曲变形合成起来使工件两个表层的较大拉伸及全截面的拉伸变 形二者不在同一时间发生，全断面各层纤维的弹复变形也不是同时发生的，既防止了板 带的断裂，又提高了矫直质量。第五类称为拉坯矫直法，它是在拉动连铸坯下行的同时 使铸坯的弧形弯曲渐伸变直、其拉力主要用于克服外部阻力，而铸坯本身在高温状态下 所需的矫直拉力是较小的。 压力矫直法不适合连续进料的生产场合，而平行辊矫直法是把间断的压力矫直法变 成辊式连续矫直法，不仅显著提高工作效率，而且能获得很高的矫直质量。这种矫直法 在板材及型材矫直中得到广泛应用。斜辊矫直法是专门用于圆断面条材的矫直法，对于 薄壁异型材，在采用反弯矫直法时会因承受侧压力而引起断面形状的改变，必然造成废 品。此时采用拉伸矫直法很容易使各条纵向纤维变直并取得良好矫直效果。拉伸矫直法 在薄板矫直，复杂型材矫直，薄壁管材矫直中部得到应用。连铸坯矫直属于高温矫直， 与其他矫直法有着本质性区别。 生产汉字灯箱所需的材料是铝带卷材，考虑到宽带卷材的特点，以上几种矫直方案 中，比较适合板带矫直的有压力矫直法、平行辊矫直法、拉伸矫直法等，其中以压力矫 直法效率低下，不适合连续进料矫直，拉伸矫直法实现较为困难，成本较高，而平行辊 矫直法不但实现成本较低，而且生产效率较高，适合板材的矫直，故本文选择了平行辊 矫直法去实现对铝板材的矫直。 3 ) 当然，我们还需要一个送料机构，来拖动铝板的前进。在铝板的送进过程中得 完成矫直和冲裁等加工工序，送料装置可设成双送料辊或单送料辊，若把送料装置设在 矫直装置前面，则矫直工序就无法完成，若把送料装置放在矫直装置和冲裁机构之间， 则容易在冲裁是引起铝板的褶皱，故要是选用双送料辊，则应该在冲裁机构的两旁各设 一个，要是选用单送料辊，那就需要将送料辊放在冲裁机构之后。双送料辊送料一般用 在对冲裁位置精度要求较高的场合，而单送料辊送料一般的进料精度较低。本文所设计 的机器，生产的是立体汉字灯箱侧围的铝板，故对裁口的位置精度要求不高，可以选择 单送料辊送料。另外要注意的就是要实现送料辊送料时，应能够在需要剪切锯口的位置 停住，并达到一定的送料精度，以确保剪切的位置正确，所以送料辊的驱动电机的转动 精度一定要能够满足送料精度要求。 4 ) 当汉字轮廓的一个闭合轮廓或闭合轮廓的一部分( 关于汉字轮廓的闭合轮廓见 第四章第二节) 加工完毕的时候，要对铝带进行切断加工。切断时可以用宽切刀一次性 切断，也可以用圆盘切断刀切断，但是由于所加工的铝板最宽时有2 7 0 r a m 宽，所以实 现这两种切断的机构一般比较复杂，成本较高。还有一种切断方法，就是让铝板超过切 大连理工大学硕士学位论文 断线的一边悬空，然后利用一个普通丝杠驱动一个刀片在铝板的切断线处从一边划到另 一边，这样实现起来比较简单，可以有效的降低成本。 2 2 3 原动力和传动装置的方案设计 ( 一) 对于冲裁机构，可采用液压传动、气压传动、和机械传动。 选取方案之前，我们需要对液压和气压传动的优缺点做一定的了解： 1 液压传动的优点1 2 4 1 ： ( 1 ) 在同等的体积下，液压装置能比电气装置产生出更大的动力； ( 2 ) 液压装置工作比较乎稳。由于重量轻、惯性小、反应快，液压装置易于实现 快速启动、制动和频繁的换向； ( 3 ) 液压装置能在大范围内实现无级调速，可以在液压装置运行的过程中进行调 速： ( 4 ) 液压传动容易实现自动化，因为它对液体的压力、流量或流动方向进行控制 或调节，操纵很方便； ( 5 ) 液压装置易于实现过载保护。液压缸和液压马达都能长期在失速状态下工作 而不会过热，这是电气传动装置和机械传动装置无法办到的。液压件能自行润滑，使用 寿命较长； ( 6 ) 由于液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，液压系统的设计、制造和 使用都比较方便。液压元件的排列布置也具有较大的机动性； ( 7 ) 用液压传动来实现直线运动远比用机械传动简单。 2 液压传动的缺点【2 4 1 ： ( 1 ) 液压传动不能保证严格的传动比，这是由液压油的可压缩性和泄漏等因素造 成的。 ( 2 ) 液压传动在工作过程中常有较多的能量损失( 摩棕损失、泄漏损失等) ，用作远 距离传动时更是如此。 ( 3 ) 液压传动对油温的变化比较敏感，它的工作稳定性很易受到温度的影响，因 此它不能在很高或很低的温度下工作。 ( 4 ) 为了减少泄漏，液压元件在制造精度上的要求较高，因此它的造价较贵，而 且对油液的污染比较敏感。 ( 5 ) 液压传动要求有单独的能源。 ( 6 ) 液压传动出现故障时不易找出原因。 3 气压传动的优点【2 5 】： 汉字灯箱铝板数控剪齿机设计及软件开发 ( 1 ) 空气可以从大气中取之不竭，无介质易用和供应上的困难，可以将用过的空 气直接放入大气。万一空气管道有泄漏，除引起部分能量损失外，不致污染环境。 ( 2 ) 空气的粘度很小，在管道中流动时压力损失铰小，一般其阻力损失不到油路 损失的千分之一，因此压缩空气便于集中供应和远距离输送。 ( 3 ) 压缩空气的工作压力较低，一般在0 4 o g m p a ，可降低对气动元件的材质和 制造精度的要求，结构简单，易于制造，成本低。 ( 4 ) 气压传动动作迅速，反应快，因此特别适用于一般机械设备的位制上。 ( 5 ) 气压传动维护简单，工作介质滑洁，管道不易堵塞，亦不存在介质变质、补 充和更换等问题。便于实现过载自动保护。 ( 6 ) 使用安全、可靠。可以在高温、震动、腐蚀、易燃、易熄、多尘埃、强磁辐 射等恶劣环境下工作，便于实现过载自动保护。 4 气压传动的缺点【2 5 】： ( 1 ) 由于空气的可压缩比使工作速度不易稳定、外界变化对速度影响较大，也难 于准确地控制与调节工作速度。 ( 2 ) 由于工作压力较低，使结构尺寸较大，气压传动装置的总推力较小。 ( 3 ) 气压传动的总效率低，( 在无膨胀作功时) 仅为电动的1 6 - - 1 7 。 ( 4 ) 噪声较高，在商速排气时要加消声器。 5 机械传动的优缺点 机械传动是应用最早也是应用的最为广泛的传动方式，机械传动方式有很多中，可 以适合不同的场合，并且造价低廉，易于使用和维护，应用范围广泛，传动比可以较精 确的实现，所能传动的功率相对液压来说不高，传动效率较为低下。 本文中机器所需的冲裁力较小，对传动的精度没有要求，所以要在液压和气压传动 之间做选择的话，当然是造价便宜、环境适应能力更强的气压传动更有竞争力。 但是同样在满足机器性能的情况下，利用机械传动的造价会更低，气压传动是有多 优点，但用在这里有点大材小用，气压传动和机械传动相比，更应该选择造价更低的机 械传动。冲裁的只是o 8 1 6 m m 厚的铝板材，并且我们所要加工的铝板强度极限不高， 故剪切力不会很大，机械传动的原动机选价格便宜的步进电机即可。机械传动的示意图 如图2 2 所示。 大连理工大学硕士学位论文 踊网 图2 。2 冲裁机构示意图 f i g 2 2 t h es k e t c ho f b l a n k i n gm e c h a n i s m 22 4 机器总体方案 从2 2 1 之2 3 节中的分析可知，机器主要实现五个功能：支撑铝卷并展开铝卷，矫 直铝卷，冲裁两种型号的锯口，铝卷的送进以及最后的铝板切断。机构的总体方案见图 2 - 3 。 由送料机构拉动 铝卷展开送进 图2 3 总体方案设计 f i g 2 3 o v e r a l ld e s i g n - 1 3 铝板 切断 装置 经冲 裁锯 口的 铝材送料机构叫li 卿兰 裁的一 颥黼飙构 整直 过拉一经平一 艚觚构 嚣一 卷卷置铝展装合板卷铝金材 汉字灯箱铝板数控剪齿机设计及软件开发 2 3 机器装配图 下面就是本文中所设计的剪齿机的总体立体装配图。其中包括铝卷展卷装置、矫直 机构、冲裁机构、送料机构、铝带切断装置等。 图2 4 总体装配图 f i g 2 4 g e n e r a la s s e m b l yd r a w i n g 大连理工大学硕士学位论文 3 剪齿机的各个功能部分的具体设计 3 1 铝卷展卷机构的设计 加工卷料时，需要对卷料进行展开，卷料重量较重或进料速度较快时，应该用变速 电机辅助匀速展卷，但是所要加工的铝卷重量不大，且进料速度较慢，故不用电机辅助 展卷，只是把铝卷放在两个可转动的轴上，铝材的递进靠送料棍的拉动。铝卷放在支撑 辊上，夹紧辊的作用是夹紧铝卷，保证铝卷直立不倒，如图3 1 所示，这样可以在 满足要求的情况下，降低机器的成本。 夹紧辊支撑辊 图3 1 铝卷展卷机构 f i g 3 1 t h ea l u m i n u mc o i lu n f o l dm e c h a n i s m 图3 2 所示，是夹紧辊的结构图，夹紧辊的外面是一个套筒，中心是一个实心轴， 通过两个深沟球轴承将这两个零件联结起来，这样在送料的时候，套筒可以随着铝卷一 起运动，这样做的好处有两个，一是减小了铝卷送进时的摩擦力，二是可以很好的降低 铝卷在送进过程中的磨损。下部是一个t 型槽导轨，当松开螺栓时，夹紧辊可以沿着导 轨移动，当夹紧辊移动到合适的位置时，再把螺栓上紧，这样展卷机构就可以适应不同 宽度的铝卷。注意设计t 型槽时要查设计手册，因为t 型槽铣刀的型号是有限的，不可 汉字灯箱铝板数控剪齿机设计及软件开发 能什么尺寸的都能加工。两个夹紧辊的最大间距应该等于剪齿机所能加工的铝卷的最大 宽度加上一个套筒的直径。 图3 3 所示，是支撑辊的结构图，中间的直径大些的轴是用来支撑铝带卷的，由于 展卷机构的外壳是3 m m 厚的钣金板，两边细些的轴可以用来保证外壳不会被铝卷压弯， 可以保证中间粗轴的正常运转。 图3 2 夹紧辊 f i g 3 2c l a m p i n gr o l l e r 图3 3 支撑辊 f i g 3 3 t h eb a c k u pr o l l e r 3 2 矫直机构的设计 加工的原材料铝板是成卷的，故铝板存在一定的弯曲和不平整度，故需要对其进行 拉直整平，这就需要设计矫直机构。 3 2 1 金属材料的弯曲与矫直 金属条材在轧制、锻造、挤压、拉拢、运输、冷却及各种：j n - r 过程中常因外力作用， 温度变化及内力消长而发生弯曲或扭曲变形。在长度远大于宽度或厚度的条材上，纵向 纤维的变形十分明显；在宽度不太小的条材上如带材横向纤维的变形有时也显而易见。 为了获得平直的成品条材必须使其纵向纤维或纵向截面由曲变直，横向纤维或横向截面 大连理工大学硕士学位论文 也由曲变直。实现这一要求的工艺过程被称为矫直2 2 ，2 3 1 。矫直与弯曲是两个相反的工 艺过程，但它们的变形机理是相同的。 图3 4 反弯矫直过