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机械开槽式纸盒模切版c a m 系统的研发 摘要 纸盒模切版作为纸盒加工的主要部件，它的制作质量不仅影响其工作寿 命，还直接影响纸盒产品的尺寸精度。但是目前国内采用的一般还是手工或 半机械开槽工艺，一些发达国家推出的激光切割模切版c a m 系统虽然能够 满足加工要求，但其价格昂贵，大部分国内企业负担不起。 这套集机械锯槽工艺和计算机数控( c n c ) 于一体的纸盒模切版c a m 系统即可保证加工精度，又可降低成本，同时还提高了工作效率，对改变我 国纸盒制造业的落后面貌具有十分重大的意义，对包装行业的发展将起到推 动作用。 论文首先介绍了纸盒包装的现状及c a d c a m 技术在包装行业的应用， 接着介绍了纸盒模切版的作用、制造工艺以及机械锯槽方法与激光切割的比 较。在对系统整体结构了解后，根据其运动流程重点对本系统采用的七台电 机的电路系统进行了设计；而后在v c + + 环境下，对模切版c a m 软件系统 进行了部分完善，解决了任意曲线的切割问题，使其功能更加健全、实用。 1 参加自动锯槽机的方案设计。熟悉机器的整个运动过程和结构，为 电路的设计打下了基础。 2 系统电路设计。交流伺服电机自带驱动器，编码器采用增量式的，选 择位置控制模式。对控制三相异步电机和单相异步电机动作的接触器和继电 器进行了选择。 一 3 软件的完善。用圆弧样条拟合和双圆弧拟和解决了自由曲线的造型 设计，并以分段圆弧的形式输出d x f 文件，其中包括圆心坐标、半径、起 始角和终止角的的信息。 l 关键词：纸盒模切版，c a d c a m ，d x f ，计算机数控加工，圆弧样条拟合 绷黝， ： ；飞， r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fc a ms y s t e m f o rm e c h a n i c a l l ys l o t t e dc a r t o n d i e b o a r d a b s t r a c t t h ec a r t o nd i e - b o a r di sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n tw h e nt h ec a r t o np r o c e s s e d ， i t s m a n u f a c t u r i n gq u a l i t i e sn o to n l ya f f e c tt h ec a r t o nw o r k i n gl i f e ，b u ta l s o i n f l u e n c ec a r t o np r o d u c ts i z ep r e c i s i o nd i r e c t l y b u ta tp r e s e n td o m e s t i c g e n e r a l l yu s e st h ea u t o m a t i c i t yv e r yl o wh a n d w o r k o rh a l fm e c h a n i c a ls l o tc r a f t s o m ed e v e l o p e dc o u n t r i e sp r o m o t e dt h el a s e rc u t t i n gd i e b o a r dc a m s y s t e m a l t h o u g hi tc a l ls a t i s f yt h ep r o c e s s i n gr e q u e s t , b u tt h ep r i c ei se x p e n s i v e ，t h e r n a j o r i t yo fd o m e s t i ce n t e r p r i s e sc a n n o tb e a r t h i ss e to fd i e - b o a r dc a ms y s t e mw i t hj i g s a wm e c h a n i s ma n dt h e c o m p u t e r n u m e r i c a l c o n t r o l ( c n c ) m e t h o dn o to n l y c a n g u a r a n t e e t h e p r o c e s s i n gp r e c i s i o n , b u ta l s om a yr e d u c et h ec o s t m e a n w h i l ei tc a ne n h a n c et h e w o r k i n ge f f i c i e n c y i th a se x t r e m e l ys i g n i f i c a n ts i g n i f i c a n c et oc h a n g eo n r c o u n t r y sb a c k w a r d n e s so fc a r t o nm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r ya n dw i l lp l a ya n i m p o r t a n tr o l ei np r o m o t i n gt h ep a c k i n gp r o f e s s i o nd e v e l o p m e n t t h et h e s i si n t r o d u c e st h ec u r r e n ts i t u a t i o no fc a r t o np a c k a g i n ga n dt h e a p p l i c a t i o no fc a d c a mt e c h n o l o g yi nt h ep a c k a g i n gt r a d ea tf i r s t ，a n dt h e n r e c o m m e n d sc a r t o nm o u l d sf u n c t i o n , m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，c o m p a r i s o no f m a c h i n e r yc u t t i n gm e t h o da n dt h e l a s e rc u t t i n g a f t e rk n o w i n gt h ew h o l e s t r u c t u r eo f t h e s y s t e m ，a c c o r d i n gt oi t sm o v i n gp r o c e d u r ed e s i g n st h ec i r c u i t st o t h es e v e nm o t o r s a n dt h e nu n d e rt h ee n v i r o n m e n to fv c + 十，e n a b l et h ec a m ”。s o f h v a r es y s t e m sp a r t l yc o m p l e t e d ，s o l v et h ec u tp r o b l e mo ft h ea r b i t r a r yc l l r v e ，a n dm a k ei t sf u n c t i o ns o u n d e r , m o r ep r a c t i c a l “ ” ”7 。 1 p a r t i c i p a t e i nt h e c o n c e p t u a ld e s i g ns a w i n gt h et r o u g h m a c h i n e a u t o m a t i c a l l y f a m i l i a rw i t hw h o l es p o r tc o u r s ea n ds t r u c t u r eo f t h em a c h i n e h a s l a i dt h ef o u n d a t i o nf o rt h ed e s i g no f t h ec i r c u i t n 2 t h ed e s i g no ft h es y s t e m a t i cc i r c u i t e x c h a n g es e r v oe l e c t r i c a lm o t o r b r i n gd r i v e rb yo n e s e l f e n c o d e ra d o p t si n c r e m e n tt y p e t h ep o s i t i o nc o n t r o l m o d ei sc h o s e n h a v ec h o s e nc o n t r o l l i n gt h r e ed i f f e r e n ts t e pe l e c t r i c a l m a c h i n e r i e sa n ds i n g l ed i f f e r e n ts t e pe l e c t r i c i t yf l e x i b l ec o n t a c t o r sa n dr e l a y s m a d e 3 c o m p l e t i o no ft h es o t h a r e b ya r cs p l i n ea n dp a k so f a r cs p l i n es o l v e p r o b l e mo f t h es h a p e - d e s i g n i n g so f t h ec u r v e s a tl a s to u t p u t sd x f f i l eb yf o r m t os e g m e n ta r c ，i n c l u d ec e n t r ec o o r d i n a t eo fac i r c l e ，r a d i u s ，i n i t i a lc o m e ra n do f s t o p p i n gc o m e rm e s s a g e k e yw o r d s ：c a r t o nd i e - b o a r d ，c a d c a m ，d x f , c n c ，a r es p l i n e i l i 机械开槽式纸盒模切版c a m 系统的研发 1 绪论 1 1 引言 在现代商品流通过程中，包装的地位越来越高，这主要是因为包装具有三大功能： 保护功能、宣传促销功能、方便储运和使用功能i l 】。在纸、塑料、金属、玻璃这四大包 装材料中，各种纸制品包装( 包括纸箱纸盒在内) 在运输包装和销售包装一直被广泛应用， 且倍受人们的青睐。其用量之大、适用范围之广、发展之快，充分显示了其旺盛的生命 力。纸包装制品曾一度受到塑料包装的严重挑战，但随着人们对绿色包装的日益重视， 纸制品包装突显了其它包装材料不可比拟的优越性，越来越多的产品采用或改用纸制品 包装。 1 2 纸包装的现状和发展趋势 随着包装工业的发展，现代商品包装材料的四大支柱一纸、塑料、金属、玻璃等 都有了较快的发展，四种包装材料中纸制品的产量增长最快，所占比例也是最大的。纸 包装容器具有成本低、省资源、机械加工性能好、能适应高机械化大生产、易于印刷、 使用时无毒无害、便于回收等优势，因此，在商品流通领域里，不论是用于运输包装的 瓦楞纸箱，还是用于销售包装的纸盒、纸袋、或是以纸板为基材的复合包装材料，都居 各种包装材料之首。在当今节约能源与防治环境污染的国际形势下，无污染、无公害的“绿 色包装”正在全世界悄然兴起，既能满足透气、防潮、抗震、抗压等多种要求，又便于回 收利用且不造成环境污染的纸包装材料，与塑料、玻璃、金属三大包装材料相比，无疑 会有更广阔的发展前景。 纸包装材料不但资源丰富、易回收，而且容易降解。纸包装废弃物处理后，既可以 回收再生纸张或作植物肥料，又可以减少空气污染，净化环境。因此，与塑料、金属、 玻璃其它三大包装相比，用“生态循环评估法”技术进行量化评估，纸包装材料将成为 最有前途的绿色包装材料之一纸箱、纸袋、纸桶、纸浆模塑制品己成为现代包装工业 的重要包装制品。目前，纸和纸板的产量逐年增长，包装纸及纸板占全国纸及纸板总产 量的5 0 以上，纸张人均消耗量已成为国际上衡量一个国家经济发展水平和文明程度的 重要标志。在世界各国包装产品所用材料的比例中，纸的使用量占首位 2 1 。 纸材料一向被认为是环保的材料，因此可以循环再造。然而，有些纸包材料为提高 强度而添加了其他物质，影响了再造性。欧美现时流行一种p l m e x 食品专用包装纸， 不含萤光剂和危害人体的化学物质。由纸张制成的p l m e x 具有防水、防油、抗粘及耐 热特点，而且在使用后可以清水洗净再用，使用次数多达5 0 次巴斯夫化工集团也研制 了一种涂于包装纸表面的保障性涂料，这种被聚合物分散液涂过的包装纸耐水、耐湿、 1 陕西科技大学硕士学位论文 耐油及耐脂，而且无须改变现有生产工艺就能制造出来，也不影响回收再造的效果 纸和纸板的消费水平是衡量国家现代化水平和文明程度的重要标志。随着我国国民 经济的快速发展，纸产品消费迅速增长，进口增加，为造纸工业发展提供了广阔的市场。 2 0 0 3 年中国造纸工业增长1 7 , 2 0 0 4 年增幅达到2 0 。入世以来，包装、印刷业的迅猛 发展和外贸进出口贸易迅速扩大，直接拉动了纸产品需求的增长。据预测2 0 1 0 年我国纸 浆需求量将由2 0 0 3 年的35 0 0 万吨增加到65 0 0 万吨，纸及纸板需求量由2 0 0 3 年的48 0 0 万吨增加到70 0 0 万吨，纸制品需求量由2 0 0 3 年的l7 0 0 万吨增加到30 0 0 万吨。 此外，纸类包装材料与容器增长势头也十分迅速，2 0 0 0 年己达l3 2 0 万吨，是玻 璃包装制品的1 6 倍，是金属包装材料与容器的6 9 倍，是塑料包装材料与容器的5 倍。； 2 0 0 5 年纸类包装材料与容器以近9 的增长率逐年增至20 0 0 万吨，到2 0 1 0 年和2 0 1 5 ， 年，预测纸类包装材料与容器的产量将分别增加到27 0 0 万吨和36 0 0 万吨，所占比例分 别提高到5 3 和5 5 t n 纵观中国当今的包装工业，可以说发展迅速、门类齐全，且有一定的国产装备供应 能力，但仍然存在着设备落后，自动化程度低，生产规模小，成本高，效益不高和技术 力量薄弱等多方面的不足。在工艺技术水平上，产业格局与发展走向方面，与发达国家 尚有一定的差异与差距，这为今后的发展提供了机遇，和广阔的市场空间。 一 日本许多造纸企业纷纷为印刷包装领域研究和生产绿色包装印刷用纸，活跃了绿色 包装产品市场。日本n i p p o n 纸业有限公司研制开发出完全以天然纤维为原料，品名为 “n p i m o l dp a p e r ”深度冲压纸，其伸缩性是普通纸的5 1 0 倍。这种冲压纸模压成形时可 压制文字、图案和三维曲面，类似塑料制品的加工，将其图像加工平滑可实现更好的密 封。该产品的制作可采用当前的塑料制品设备，根据设计方案模压成形。由于加工前不 需要加热软化，可提高生产效率和节约能源。c h a l l e n g ef i v e 有限公司推出了由m i t s u b i s h i 公司生产的可生物降解薄膜和信封这种薄膜和信封也是从玉米淀粉中提取的聚 乳酸为原料而生产的，可使用大豆油墨进行胶版印刷。d y n i c 有限公司以玉米淀粉和脂 肪类聚酯为原料，开发出可生物降解的柔软板材“a u p a i r c o m s h e e t ”，目标是最终替代 p v c 。这种材料易于加工切削，易于印刷，可根据使用要求调整其厚度。废弃物填埋处 # 理不会污染环境，焚烧处理时由于热值低而不致产生诸如二恶英的有毒物质，故对环境 危害小【4 l 。 新型纸包装的最新应用市场是酒类包装。例如日本现正流行以纸盒包装取代玻璃瓶 作为酒类包装。西方国家也有使用纸材料包装葡萄酒，把酒灌装入利乐无菌砖型纸盒中 因为这种利乐包具有安全、保质、不易碎及不易爆炸的优点，而且携带方便又容易开启。 此外，它的一个突出之处是由六层复合材料组成，加强了密封性，也增强了包装的防酒 精渗漏、挥发的作用；同时，又可阻挡阳光直接照射，避免变质日本近期还研发了一 2 机械开槽式纸盒模切版c a m 系统的研发 种用来装食油的复合纸盒，以纸为基材，经铝塑六层复合而成，其结构是：p e 纸 p e ，a i ，p e t p e 。该包装不仅重量轻、安全，而且适合印刷。 日本一家公司开发出一种不用加热或添加剂而具有脱水功能的包装纸- - p s 包装 纸。它通过沿细胞间隙吸水，不仅能吸收食品表面的水分，而且可吸收内部深入的水分， 还具有在低温下吸水等功能。这样，该包装纸就能抑制酶的活性，防止蛋白质分解，减 少微生物繁殖，达到保持食品鲜度，浓缩鲜味成分、去掉水汽、提高韧性的效果。用使 用该包装的鱼、肉做菜肴，能减少加热用的热能，防止加热油的劣化，便于进行调理加 工，且不因经冷冻而失去鲜昧。该包装纸的机理在于选择只能透过水的半透膜为表面材 料，内侧则放置高渗透压物质和高分子吸水剂。由于食品中水分以液体状态的渗透压差， 可通过半透膜向高渗透压物质移动，所以，这些水分就被高分子吸水剂固定。 最近，德国布莱梅的帕丝帕( p s p ) 公司又开发出泡沫纸生产新工艺，而用泡沫纸生 产的包装材料替代泡沫塑料，可以有效地减少对环境的污染和资源浪费。p s p 公司生产 的泡沫纸，采用旧书废报纸和面粉作原料，它的生产工序是先将回收的旧书报纸切成碎 条，再碾成纤维状纸浆，使其和面粉以2 ：l 的比例混合，混合后的纸浆料注入挤压机压 成圆柱颗粒。在挤压过程中，原料受水蒸气作用发泡，形成泡沫纸。用泡沫纸颗粒作原 料，可以根据需要生产不同形状的包装材料。 泡沫纸相对泡沫塑料而言，其生产工艺比较简单，可以一次成型，免去多次发泡和 冷却的工艺。由于泡沫纸发泡不需要化学添加剂，只需水蒸气，用过的泡沫纸还可以回 收，重新加工利用，因此泡沫纸生产和使用都具有对环境有益的特点。从经济效益来看， 生产同样数量的包装材料，泡沫纸比泡沫塑料要便宜1 0 左右1 5 1 。 在纸制品包装中纸盒包装的应用最广泛。耐水纸盒( 箱) ，导电性纸盒( 箱咒防锈 纸盒等众多功能纸盒的出现，扩大了纸盒包装的使用范围，进一步提高了纸盒包装的地 位。纸盒包装的广泛使用，带动了相关产业的发展。 纸盒包装的发展趋势：1 、纸盒包装向功能多样化发展。2 、纸盒包装材料向低克重、 轻量化，高强度，高性能、多用途方向发展。3 、纸盒结构向科学化和标准化方向发展； 4 、纸盒包装的艺术设计向精神化、信息化、和数字化方向发展。5 、纸盒加工设备将增 加高科技含量，向机电一体化、自动化、智能化和多功能化发展嗍。 1 3 国内外纸盒c a d c a m 的发展状况 纸盒包装要适应现代包装的发展要求，必须充分采用高科技成果，只有这样才能在 激烈的竞争中立于不败之地，在销售包装中保持不可动摇的重要地位。 早在上个世纪六、七十年代一些发达国家已经开始了包装纸盒c a d c a m 的研发， 并成功地应用于包装领域。如7 0 年代美国a t l a ss t e e lr u l ed i e 公司的“激光切割 3 陕西科技大学硕士学位论文 模板系统”，德国e l c e d 、d o s s m a n n 等公司的“激光切割专用设备”都得到了有效 地推广。目前国际上普遍采用的纸盒c a d 系统是日本o a m n e t 公司研发的b o x - v e l l u m 纸盒、纸箱设计软件。它可以完成从盒( 箱) 型结构的最初设计、尺寸标注、桥接、拼 版到后期驱动样品切割机、开模机等一些工作。德国l k s 公司开发的“纸盒样品切割绘 图仪”是包装c a d c a m 的典型产品，还有瑞士e e p a 公司研制开发的包装纸盒c a d 系统，不仅能输出纸盒的立体图，展开图而且可以在屏幕上显示展开和闭合过程，还能 从不同角度观察纸盒的造型。另外e s c o - - g r a p h i c s 公司在合并了鼎鼎有名的比利时 b a r c og r a p h i c s 公司和丹麦p u r u p - - e s k o f o t 公司以后，推出的a r t i o s c a d 系统可以进行 包装纸盒的设计制造和管理，在世界上也很有名气 7 1 近年来，国内包装工业总产值和企业数量成倍增加，我国已经成为世界包装大国 但与世界包装强国相比，我国包装c a d 技术起步较晚，差距较大，一些包装企业仍然 采用手工计算、手工绘制及手工拼版的方式进行生产，设计周期长、成本高。一些包装 企业虽然使用了计算机，但也只是使用通用的c a d 软件、图形图像处理软件进行设计， 难以提高生产效率。经过不断的努力，邦友科技开发有限公司和北大方正集团都推出了 具有一定功能的c a d 系统。在c a m 的研发方面，上海激光研究所曾开发过“激光切割 模切版系统”，但由于当时的计算机软、硬件跟不上，使其性价比过高，没有得到推广 近几年，山东济南铸造、锻压研究所数控机械公司开发了l c 系列数控精密激光切割机， 标志着我国纸盒包装c a d c a m 的新进步尽管如此，与国外发达国家相比，我国的 c a d c a m 系统的种类比较少，功能比较单一，与国际水平还有一定的差距。所以尽快 研制出符合我国现在包装行业国情的纸盒c a d c a m 系统就变得十分迫切 s l 。 1 4 课题提出的意义 对纸盒进行结构、装潢设计后，要经过制版，印刷啼上光、压光、覆i 癸 烫印一模切，折叠、糊盒等加工工艺，才能制造出用户所要求的纸盒。 随着生活水平的提高及对外贸易的不断发展，人们对纸质包装品的结构形状、质量 和图案的精美程度都提出了更高的要求。而作为彩盒加工主要部件的纸盒模切版，它的 制作质量不仅影响其工作寿命，还直接影响纸盒产品的尺寸精度。目前国内在模切版加 工过程中，画线仍采用手工或计算机制图，锯槽、嵌刀仍采用手工或半机械化操作，劳 动强度高、效率低，难以满足高档纸盒加工的精度要求，尤其是对高速包装机；而且对 于尺寸较小的纸盒，在一个模切版上往往要纵横排列许多个，手工操作带来的误差更不 容易保证包装纸盒的加工精度柳 一些发达国家推出的激光切割模切版c a m 系统虽然能够满足加工要求，但其价格 昂贵，而且培训和维修费用也较大，大部分国内企业负担不起。因此，为了满足需求， 4 机械开槽式纸盒模切版c a m 系统的研发 提高市场竞争力，为我国纸盒行业开发一套即满足要求又价格合理的纸盒模切版 c a d c a m 系统，以实现纸盒设计和制造的现代化已成了当务之急。 我们研发的纸盒模切版c a d c a m 系统，采用机械锯槽工艺和计算机数控( c n c ) 技术相结合的方案，实现了全自动机械锯切法加工纸盒模切版；不仅能够保证加工精度、 提高工作效率，而且能够降低设备成本，可以替代国内外价格高昂的激光切割系统和目 前普遍使用手工或半机械锯切开槽工艺。这项工作对改变我国纸盒制造行业的落后面貌 具有十分重要的现实意义，具体表现在： ( 1 ) 降低纸盒生产的成本，提高纸盒加工的质量。 ( 2 ) 改善工作环境，提高工作效率，缩短包装纸盒的生产周期。 ( 3 ) 提高纸盒的设计和制造精度，为包装生产的自动化提供保证。 ( 4 ) 改变手工操作的落后状况，为我国包装工业的发展提供现代化的工具。 ( 5 ) 有力地推动我国包装行业向标准化、自动化、智能化方向发展。 1 5 课题的主要内容 机械开槽式纸盒模切版c a d c a m 系统的工作过程如下：使用c a d 系统设计出 蚕 符合要求的纸盒图形后( 也可以读取其它系统如a u t o c a d 的设计结果) ，由接口程序 进行数据处理，然后经计算机软件插补，一方面向数控工作台x 、y 方向的伺服电机 发出走步脉冲，通过滚珠丝杠带动工作台实现进给；另一方面向位置固定的锯钻联合孽 工作头发出升降、旋转及钻锯信号，完成纸盒模切版的加工。整个系统由硬件和软件 两部分组成： 硬件部分： ， 切槽机是加工纸盒模切版的主要设备，主要由锯钻联合工作头和数控工作台组成。 模切版切槽加工方法有两种：一种是采用机械锯切开槽方法，另一种是采用激光切槽方 法。本课题采用机械锯切法。工作台用来装夹支撑被切割材料( 胶合板) ，通过控制数控 工作台与锯钻联合工作头的相对移动，实现模切版上纸盒图形的切槽加工 软件部分： 本系统软件部分主要包括纸盒设计模块( 即c a d 系统) 、接口程序处理模块和计 算机控制加工模块( 即c a m 系统) 。 c a d 系统从预设的盒库中调用或自由设计纸盒图形，也可进行排版，并将相应的 图形文件转换为工程数据传递给c a m 接口模块，它将传来的工程数据进行图形再显， 分析结构后进行留桥和加工路径的优化处理，接着驱动电机带动工作台移动，控制锯 切装置完成模切版的钻孔和锯槽加工 本课题的主要内容如下： 陕西科技大学硕士学位论文 参加自动锯槽机的方案设计。熟悉机器的整个运动过程和结构，为电路的设计 打下了基础。 完成自动锯槽机的电路设计，其中包括两台驱动数控工作台x 、y 方向移动和 两台控制锯条旋转的交流伺服电机，还有带动锯条上下移动和进给的两台三相异步电 机、一台控制钻头钻孔加工的单相异步电机，他们分别与i o 板的接线电路另外还 有接近开关、光电耦合器的接线电路。 通过添加自由曲线的处理模块，使纸盒模切版c a m 系统增加锯切自由曲线槽的功 能。根据给出的型值点，通过圆弧样条拟合或双圆弧拟合方法将自由曲线段分解为分段 圆弧，输出其主要参数，如圆心坐标、半径和起始角和终止角，以便后续加工处理。 6 机械开槽式纸盒模切版c a m 系统的研发 2 纸盒模切版及制作工艺 2 1 纸盒模切版的功能及其制作工艺的发展 模切版的制作主要经历了以下几种方式：手工铅排、手工木排、机械锯切、数控机 械锯切和数控激光切割【l m 。随着我国消费品市场的不断扩大，包装行业迅速发展，同时 也加大了技术改造的力度，尤其是大量凹印设备及柔印设备的引进。所有这些都要求模 切工艺水平有一个长足的进步。在硬件方面，模切工艺水平主要取决于两方面：一是模 切机的质量，二是模版的制作。就目前的情况而言，模切机市场上从优质优价的国际名 牌到性价比较高的国产品牌都有。而模切版的加工则不令人乐观。下面将从几个方面分 析模切版加工工业的现状与发展 i i - 1 2 1 ： 2 1 1 现代化的模切能力与模版制作技术水平低之间的矛盾 目前华东和西南地区的凹印水平和能力可以说接近或达到国外同行业的先进水平。 由于对产品连续加工和产量的要求，很多配有先进的单机模切设备，甚至有的还配有联 线模切设备。从设备的角度来讲，印刷一模切的能力已经很强，并已规模化但是，从 总体上来讲，模切版的加工技术却始终提高不上去。目前我国模切版的加工主要有以下 几种情况：， 1 只能加工木质模版。由于版材采用木质胶合板，所以加工精度差，平整度低，最 多只能换刀三次，模切版寿命短，不适合对大印数的印品进行模切。 2 在开嵌刀槽这一重要工艺上，多以手工切割为主，仅有少量采用较先进的激光切 割工艺。而手工操作则难以保证刀槽的直线精度，以及宽度和深度方向的精度，同时重 复精度也较差。在激光切割方面，国内切割刀槽的激光切割机多是从工业激光切割机改 装而来，在很多方面不能满足模版制作的要求，如激光频率低、聚光性差、聚光角度大 等。这些都会对模版的质量有影响：刀槽会产生上下宽度差、镶刀易松动等。降低了模 切版的使用寿命，同时也会影响模切的精度。 3 刀条、胶条的加工工艺主要依靠手工，机械化程度极低，加工周期长，产品质量 不稳定。 4 起凸版的加工上多采用石膏加工技术，精度差、寿命短、套准难度大。 所有这些在印刷行业中引起了高度重视。尤其是在有凹印、柔印印刷机或模切业务 大的印刷厂中由于目前国内尚无切实可行的解决办法，唯一的出路就是从国外购进名 牌模切版制版设备。 2 i 2 国外模切版加工的最新特点 由于近几年激光和电脑技术的飞速发展，也促进了国外模切版加工工艺和技术水平 的提高。具体表现在涉及电脑化、切割激光化、加工机械自动化、成套化、专业化，产 7 陕西科技大学硕士学位论文 品多层次化。 1 设计电脑化 一些发达国家，一些大的模切版加工公司在产品创意、设计、修改、模拟到制作全 过程使用电脑，并与后工序联网，极大地缩短了周期、加快生产进度。 2 切割激光化 除非版材是玻璃纤维等合成材料时，才会用高压水刀开嵌刀槽；对于木版、钢版等 普通版材，一般都采用激光切割的方法。这不仅使模切版具有稳定持久的高品质，而且 寿命长、重复精度高。 3 加工机械自动化、成套化、专业化 目前，国内模切版加工具有“二多一少”手工加工成分多、单机工作多、专业 化程度少的特点。与之相比，国外模切版加工工艺则从它的机械自动化、成套化、 专业化几方面体现出先进性。比如欧洲著名的模切版加工机械公司e l c e d e ，它的 产品就覆盖了整个模切版制作全过程：各种功率的专业激光切割机、自动底版切割机、 自动刀条加工系统( 包括断刀、弯刀、打缺口等功能) 等。 4 产品的多层次化 模切和印刷一样也分长版和短版，所以对模切版的寿命就有不同的要求。一般来说， 用来模切、压痕的刀条的质量是可以稳定控制的，所以模切版能更换刀条的次数就成了 决定它寿命的主要因素。比较多层压缩木版、玻璃纤维版和复合钢版的换刀次数为：压 缩木版3 次；玻璃纤维版6 次；复合钢版1 2 次以上。其中复合钢版的结构为上下是钢版， 中间为合成塑料填充料，寿命长、精度高，特别适合烟盒、食品包装盒等长版及特长版 的模切。 2 2 模切版板材及加工技术 2 2 1 模切版板材 除目前国内常使用的多层木质胶合版( m u l t i p l e x ) 3 i , ，国外还流行使用纤维塑胶版 ( d u r a m a ) 和三文治钢版( s a n d w i c h ) 。模切版的寿命主要取决于镶切刀的质量和换 刀次数。纤维塑胶版和三文治钢版不仅精度高，克服了多层木胶合版易受湿度和温度变 化影响的缺点；而且换刀次数分别为多层木胶合版的3 倍和6 倍以上。在国外，除了对 纤维塑胶版采用高压水喷射开槽外，多层木胶合版和三文治钢版一般采用激光切割方书 法制作，l 。 2 2 2 模切版加工技术 切割模版根据切割方法不同，有锯床切割模版、激光切割模版。 锯床切割为现在；b n - r 模版线缝的主要方法。锯床的工作是利用锯条的上下往返运 机械开槽式纸盒模切版c a m 系统的研发 动，用特制超窄锯条在模版上加工出可装模切刀和压痕线用的窄缝，超窄锯条的厚度 等于相应位置模切刀或压痕线的厚度，常用厚度为0 7 - 2 0 r a m ，宽度为1 5 3 0 m m 的 锯条，锯床上配有电钻，可以在模版上钻孔，以便开槽时锯条的进刀、退刀和旋转。 现在的锯床系列产品根据使用的场合和制版种类不同，规格丰富且功能完善。锯床配 有吸尘系统可以把锯切的锯末自动收集，锯条可以进行电动装夹，大版面锯床的工作 台面上配有气浮系统，可以使大版面锯割轻快灵活。 激光切割模切版是在电脑控制的激光切割机上进行的，它是用激光作为能源，通 过激光产生的高温对模板的材料进行切割的一种方法i i 一日。进行激光切割首先需要将 整版模切图输入电脑，由电脑控制模切版相对于激光头的移动进行切割。激光切割因 为使用电脑控制，模切版切割精度很高，切割速度也很快，一般来说，切割一块1 0 2 0 r a m 7 2 6 m m 的模切版大约只需要2 0 分钟左右1 1 6 | 。但在切割过程中影响切割质量的因素 较多，有材料质量参数，板材厚度，激光输出功率，辅助气体的种类和压力，喷嘴的 直径、口径、材料与喷嘴的距离间隙；透镜的焦距、焦点的位置，以及切割速度等。 所以在实际生产中，借鉴以往经验来确定加工效果是极其重要的。激光切割的主要不 足是激光切割机的价格昂贵，切割成本较高，用户不可能独立购买激光切实割机，只 。 能找专业厂家定做，并且使用激光切割模切版价格较高，预计激光切割模切版和锯床 切割模切版会共同发展完善。 蕾 2 3 模切版制版工艺 随着印刷、包装和商标等行业的不断发展，模切技术也在不断的提高以适应形势， 模切产品范围涉及纸盒、纸箱包装，商标标签，塑胶包装，以及电子，轻工，装潢等 ； 诸多行业，怎样保证模切版的制作质量，是保证模切质量的前提条件。 二十世纪八十年代以前，我们国家的平压模切制版一直停留在手工铅排的制版方 法上，不仅工人劳动强度大，而且精度没有保证。八十年以后，我国引进了国际上先 进的胶合板制版工艺，通过近二十年来国家的改革开放和国民经济技术的飞速发展， 古老的手工铅排制版工艺在我国已被彻底淘汰。 模切版制作分为刀模版制作和底模版制作两部分，刀模版由模板、模切刀、压痕 线和模切胶条等构成；底模版由底模钢板和压痕底模构成 模切版的制作工艺为：绘制模切图一切割模板一装模切刀和压痕线一开连接点一 粘贴胶条一试切垫板一制作压痕底模版一试模切签样投产旧。 绘制模切图：模切图是在印刷过程后的整版纸盒展开图，是模切版制作第一个关 键环节。在绘制模切图的过程中，对于装模切刀位置和装压痕线位置要按国家纸箱制 图标准明确标出，为了保证在制版过程中使模切版不散版，要在大面积封闭图形部分 9 陕西科技大学硕士学位论文 留出2 处以上不要锯断，这一位置通常叫做留桥，留桥长度对于小块版可设计成3 - 6 毫米，对于大块版可留出8 - 9 毫米。 切割模版：根据切割方法不同，有锯床切割模版和激光切割模版两种方法。 装模切刀和压痕线：模板切割完成后，要根据所模切纸盒的相对位置装模切刀和 压痕线，为了保证模切质量，首先应选择质量较好的模切刀和压痕线。 模切刀按硬度分还有软体刀和硬体刀之分，软体刀并不是指刀刃软，而是刀身采 用较低的硬度h r c 3 5 ，刃口部分淬火至硬度h r c 5 6 ，软体刀线整体可以弯出较小的 圆弧和半径；硬体刀指的是模切刀整体淬硬至h r c a 5 ，刀身整体有较高的强度。 压痕线在模切版上用于完成纸盒折叠处的压痕工作，压痕线的厚度常用的有 0 7 r a m 、1 4 2 r a m 、2 1 3 r a m 等。压痕线的选用原则是：压痕线的厚度大于纸厚。压痕 线的高度等于模切刀高度减去纸厚再减去0 0 5 0 i m m ，一般为2 2 2 3 8 m m 。 模切刀和压痕线的安装首先要按照每段盒型刀线的长度将模切刀和压痕线进行裁剪、 弯曲成相应的长度和形状可用来对模切刀和压痕线加工的专用设备主要有刀片裁剪机， 刀片成型机( 弯刀机) ，刀片冲孔机( 过桥切刀机) ，刀片切角机等。 开连接点：在制版模切中，开连接点是必不可少的工序，连接点就是模切刀刃1 ：3 部开出一定宽度的小口，在纸盒模切过程中，使该部分的纸盒和废边在模切中仍有局 部连在一起，使模切后的纸盒和废边不散开，以使下一步走纸、收纸顺畅。连点宽度 有o 3 、0 4 、o 5 、0 6 、o 8 、1 g r a m 等大小没的规格，通常的常用规格为0 4 r a m 。 粘接模切胶条：为了防止模切刀、压痕线在模切、压痕时粘住纸张，使纸张在模 切时走纸顺畅，在刀线两侧要粘贴弹性模切胶条，它直接影响模切的速度与质量。模 切胶条距刀线的理想距离为l - 2 m m 之间。 试切垫板：当试切试样时，局部正常，而有一部分切不透时，就要在局部范围进 行垫板。垫板就是用0 0 5 r a m 厚的垫板纸粘贴在模切版底部，对模切刀进行高度补偿。 压痕底模制作：压痕底模制作主要有手粘底模、用底模开槽机开出底模、纤维压 痕底模、钢底模、压痕模。压痕模按使用位置不同主要可分为四种不同的类型即：标准 型、超窄型、单边狭窄型、连坑型 标准型用于工作中压痕线两侧距离较宽的位置，该类型号为普通型。 超窄型用于压痕线与模切刀距离较近的位置。 单边狭窄型用于压痕线与压痕线距离较近的位置。 。，一 。 连坑型用于配合两条或两条以上距离在4 m m 以下的压痕线位置。 试模切、签样、正式生产：模切压痕底模版制作完成后，就可以调试模切进行试模 切正式印张，并仔细检查模切产品的模切压痕质量，检查合格后将模切好的模切样品交 客户进行模切样品签收，才可进行正式模切压痕生产 t o 机械开槽式纸盒模切版c a m 系统的研发 2 4 模切版的制作工艺结构 模切版制作中留桥、钻孔、搭桥、和切边框都是非常重要的环节，其中留桥和搭桥 是关键。 2 4 1 留桥 包装纸盒的展开图一般都是由若干个封闭的线框构成。如图2 - 1 所示的部分纸盒展 开图，便是由1 3 个封闭线框组成。 图2 一l 留桥后的纸盆展开图 f i g 2 - 1c a r t o n b l a n kw i t hb r i d g e 磊。 如果按照正常的想法依次沿着展开图的各条边线进行切割。则加工完成的模切版上 每个封闭线框内的基材将会脱散，不能形成一个几何整体，给刀线的安装和后续工作的 顺利进行造成困难。为了得到一块完整的模切版，必须在某些图线上特意留出一些线段。 不切。这些线段像桥梁一样，把版面联成一个整体，这在切割工艺上叫留桥。 在本软件中，桥位、桥长的确定，如图2 2 ： 图2 - 2 留桥规则 f i g 2 - 2b r i d g i n gr u l e s 2 4 2 钻孔 机械锯切模切版时，由于工艺限制，必须在切割图形的角点处( 包括桥的两端点) 预先钻出半径为巾3 的圆孔以便刀具的进退和旋转，然后才能进行锯切加工。锯切时， 需在留桥部位退出锯条，让工作台空运动，等越过桥位时再重新进刀继续锯切 陕西科技大学硕士学位论文 2 4 3 搭桥 由于桥的存在，必须把钢线在与桥对应的部位加工出一定深度的缺口，才可能将钢 线嵌到槽缝中去。这种把刀线切出一定深度缺口的过程，在工艺上叫搭桥。镶嵌到位的 钢线，下端和木板底面平齐，所以缺口深度应和木板的厚度相等。目前国内使用的钢线 高度一般位：2 3 5 m m ，如果用厚1 8 m m 的胶合板制作模切版，作出缺口后钢线相连部位 的高度有5 5 r a m ，此时钢线的刚度和强度能满足模切要求。但是，有些用户常采用2 0 m m 搭桥处刃线结构 搭桥赴刀缝结构 图2 - 3 搭桥结构 f i g 2 3b r i d g i n gs i n j c t i i r e 以上的胶合板作为模切版的基材，此时作出切口的钢线在连接部位的尺寸将小于等于 3 5 r a m ，造成钢线承受能力明显下降，模切版的使用寿命大大缩短。搭桥的结构如图2 3 所示。 搭桥切割实际是让留桥部位用半通槽连接，这在激光切槽时，可以在留桥部位减小 激光强度来完成；但是用锯切法加工半通槽几乎是不可能的，故本系统只考虑留桥工艺， 不考虑搭桥工艺。 2 4 4 切边框一 切边框是指在胶合板上切制出一个方形件，其尺寸根据模切设备的要求来确定，可 以切出整齐的边框，有利于模切版的安装和固牢。 2 5 模切版的制作工艺对纸盒成型质量的影响 一。模切版的制作工艺对成型的影响很大。手工制作的模切版比较粗劣，精度差，寿命” 。 短，目前已基本上淘汰了手工制版工艺而选用激光切割制作的模切版。 但有时反锁扣和高低线的尺寸是否按照纸张的定量进行设定、刀线的规格是否适用 于所有的纸张厚度以及模切线的高度问题也同样影响到纸盒糊制成型的效果。其中，在 压痕时，纸张的纤维将因受压而变形，如果压痕线过浅，纸张纤维就可能没完全压透。 机械开槽式纸盒模切版c a m 系统的研发 由于纸张自身的弹性，当纸盒两侧成型而折回时，开口边的切口处就会向外扩张，形成 开口张开的现象。 1 3 陕西科技大学硕士学位论文 3 自动锯槽机的结构和工作原理 3 1 自动锯槽机的总体结构 为了确保模切版的加工精度和降低设备的成本，我们研发了这台自动锯槽机。它在 激光切槽机的基础上，以锯钻联合工作头代替价格昂贵的激光头，将激光切槽工艺改为 机械锯槽工艺，由数控工作台带动工件，实现准确的进给，以保证锯槽加工的精度。 自动锯槽机的机械部分主要由机械加工装置( 锯钻联合工作头) 和数控工作台两部 分组成。其结构如图3 1 所示侧。 图3 l 自动锯槽机结构示意图 f i g 3 1t h es t n l c t u r eg r a g ho f a u t o m a t i cm a k i n gc h a n n e lm a c h i n e 锯钻联合工作头相对地面固定，可完成模切版的钻孔和切槽加工，是整个制造系统 的主要部分；二轴联动数控工作台由互相垂直的x ，y 方向导轨来支撑，由伺服电机带 动滚珠丝杠来驱动，主要是用来装夹、支撑和移动被切割材料的。 。 9 3 1 1 钻联合工作头 在实际加工过程中，钻头和锯条是交替工作的，钻头先钻孔，然后锯条在工件钻孔 位置开始切割。为了使结构紧凑，设计了双向螺杆机构，使双向螺杆在同一电机的带动 下交替上升和下降，这种设计减少了工作中所用的电机，同时节省了空间，简化了传动 1 4 一 机械开槽式纸盒模切版c a m 系统的研发 系统。图3 2 为锯钻联合工作头的示意图 图3 - 2 锯钻联合工作头方案图 f i 审- 2 t h ep l a ng r a p ho f u n i t eh c a df o rs s wa n db r o a c h 锯条上下往复的切割运动是切割电机通过曲柄滑块机构带动有外花键的刀具轴( 相 当于曲柄滑块机构中的滑块) 来实现的，图3 3 为曲柄滑块机构示意图。而其旋转运动 是由相应电机通过蜗轮蜗杆机构中带有内花键的蜗轮和刀具轴配合来完成的。这样的控 制可避免切割