五軸數(shù)控加工中心在木制品與家具生產(chǎn)中的應(yīng)用

　　1 前言

　　從20世紀中葉數(shù)控技術(shù)出現(xiàn)以來，數(shù)控機床給機械制造業(yè)帶來了革命性的變化。數(shù)控加工具有如下特點：加工柔性好，加工精度高，生產(chǎn)率高，減輕操作者勞動強度、改善勞動條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟效益的提高。數(shù)控機床是一種高度機電一體化的產(chǎn)品，適用于加工多品種小批量零件，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、精度要求較高的零件，需要頻繁改型的零件，價格昂貴不允許報廢的關(guān)鍵零件，要求精密復(fù)制的零件，需要縮短生產(chǎn)周期的急需零件以及要求100%檢驗的零件。數(shù)控機床以其卓越的柔性自動化的性能、優(yōu)異而穩(wěn)定的精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，它開創(chuàng)了機械產(chǎn)品向機電一體化發(fā)展的先河。因此，數(shù)控技術(shù)成為先進制造技術(shù)中的一項核心技術(shù)。數(shù)控機床的特點及其應(yīng)用范圍使其成為國民經(jīng)濟和國防建設(shè)發(fā)展的重要裝備。

　　近年來，中國家具及木工機械產(chǎn)業(yè)取得了快速的發(fā)展，但在中高端產(chǎn)品領(lǐng)域，國產(chǎn)設(shè)備就其品種、質(zhì)量、可靠性、交貨期以及售前售后服務(wù)等方面仍相對滯后，尚無法滿足巨大的市場需求。目前，我國正處在以高新技術(shù)和先進適用技術(shù)來改造和提升家具這一傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，以信息化建設(shè)提升我國家具制造業(yè)競爭力的關(guān)鍵歷史時期，作為制造、裝備信息化的典型關(guān)鍵技術(shù)，開展中高端家具及木制品加工設(shè)備的應(yīng)用研究具有重要意義。

　　2 基本概況

　　數(shù)控機床是技術(shù)密集型及自動化程度高的機電一體化設(shè)備。數(shù)控加工與通用機床加工在方法和內(nèi)容上有相似之處，不同之處主要表現(xiàn)在控制方式上。通用機床加工時，其加工步驟、機床運動次序、走刀路線及相關(guān)切削用量的選擇，都是由操作者依據(jù)個人的經(jīng)驗和工藝規(guī)程來考慮和確定，并用手工操作的方式控制。而用數(shù)控機床加工時，就要預(yù)先將各種操作內(nèi)容和機床動作，按規(guī)定的數(shù)碼形式編排成程序記錄在控制介質(zhì)上，實現(xiàn)人與機床的聯(lián)系。加工時，將控制介質(zhì)上的數(shù)碼信息輸入數(shù)控機床的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)對輸入的信息進行運算與控制。由傳動機構(gòu)驅(qū)動機床按所編程序進行運動，可以自動加工出所需要的工件形狀。

　　五軸數(shù)控加工中心是在X、Y、Z正交的三軸驅(qū)動系統(tǒng)內(nèi)，另外加裝雙軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)口和f軸，一般情況下B和C分別是圍繞X和Y軸進行旋轉(zhuǎn)。其中X、Y、Z坐標(biāo)決定刀具位置，B和C軸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)決定刀具方向。木材五軸數(shù)控加工中心都采用了全數(shù)字化控制，后置程序為標(biāo)準的國際代碼。軟件操作系統(tǒng)一般依據(jù)Windows平臺。

　　作為以加工實木為主的應(yīng)用機型，實木五軸數(shù)控加工中心能對木制零部件進行銑型、開槽、鉆孔、榫頭及榫眼、曲面輪廓銑削、雕刻等加工，和常規(guī)加工方式相比，其主要優(yōu)點在于：

　　(1)自動化程度高，一次裝夾，即能完成對工件的大部分或全部切削加工，保證了工件的加工精度，提高加工效率。

　　(2)加工零件的一致性好、質(zhì)量穩(wěn)定，由于數(shù)控機床的定位精度和重復(fù)定位精度高，所以很容易保證零件尺寸的一致性，大大減少了人為失誤。

　　(3)對加工零件的適應(yīng)性強，柔性高，靈活性好。數(shù)控機床可以縮短產(chǎn)品的研制周期，給新產(chǎn)品開發(fā)、快速適應(yīng)市場的需求變化提供了便利條件。

　　由于在家具及木制品行業(yè)，常規(guī)制造技術(shù)已日趨成熟，作為集高技術(shù)含量和高附加值于一身的尖端設(shè)備，五軸數(shù)控加工中心已成為國際上眾多家具及木工機械制造企業(yè)的競爭領(lǐng)域。目前，實木五軸數(shù)控加工中心技術(shù)主要掌握在以日本、德國、意大利和美國等為代表的工業(yè)發(fā)達國家。

　　在種類繁多的機型中，應(yīng)用范圍的側(cè)重有所不同。不少機型主要以板式構(gòu)件加工為主，而有些機型則主要應(yīng)用于建筑木構(gòu)件的加工。值得關(guān)注的是，意大利的多家企業(yè)多年專注實木座椅加工設(shè)備的制造，已成為木制座椅零件及類似零件的實木構(gòu)件五軸數(shù)控加工中心的專業(yè)制造商。

　　3 基本應(yīng)用

　　木材五軸數(shù)控加工中心的基本應(yīng)用流程如圖1所示。首先，根據(jù)產(chǎn)品零件的結(jié)構(gòu)和尺寸，運用CAD軟件繪制產(chǎn)品三維模型。第二，運用CAM軟件對模型進行數(shù)控編程，主要包括選擇刀具、加工方式和刀具路徑，著重要考慮的是零件的裝夾與定位。由于絕大多數(shù)CAM軟件包中均含有CAD功能，所以上述步驟也可直接在一體化的CAD/CAM軟件包中進行。在此過程中還需通過CAM軟件生成標(biāo)準數(shù)控代碼。第三，通過該加工中心配置的反證軟件對CAM軟件輸出的標(biāo)準NC代碼進行后置處理，設(shè)定實際加工刀具參數(shù)(刀長、刀徑)和加工原點坐標(biāo)等，并進行計算機模擬仿真和安全確認，防止刀具、零件、工作臺之間發(fā)生干涉。在安全確認無誤后，導(dǎo)出適合該加工中心的NC代碼，并直接傳輸?shù)郊庸ぶ行闹鳈C的程序庫中。最后，通過調(diào)用該程序進行實物加工試切削。根據(jù)試切削加工的零件再進行優(yōu)化設(shè)計和程序改進，直至達到設(shè)計的要求。

　　4 基本問題

　　數(shù)控加工中心是一種高投入、需要高技術(shù)支持的設(shè)備，如何根據(jù)自身技術(shù)條件和工藝的實際需要，合理地確定系統(tǒng)必需的控制操作功能，充分有效地利用數(shù)控加工中心的能力呢?數(shù)控加工中心無論在控制系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計，還是機床本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計上，都具有一定的針對性，而不是萬能的。在選用過程中，一定要切實考慮企業(yè)的現(xiàn)狀和技術(shù)水平。數(shù)控機床的使用效果很大程度上取決于用戶的技術(shù)水平。缺乏經(jīng)驗豐富的編程和操作人員，是影響五軸數(shù)控加工技術(shù)普及的因素之一。其它的困難和問題表現(xiàn)在：

　　(1)采購時，重主機輕附件，如沒有合理地選購與主機配套的工具、軟件以及售后技術(shù)服務(wù)等，導(dǎo)致在實際應(yīng)用時編程及加工工藝受限。

　　(2)對五軸數(shù)控加工中心的適應(yīng)范圍和投資效益沒有合理估算，期望值過高，導(dǎo)致對加工中心失去信心，使設(shè)備未能發(fā)揮應(yīng)有的作用。

　　(3)對編程、操作人員的選用和培訓(xùn)重視不夠，操作者對工藝不熟悉、編程不熟練、操作輔助時間過長，影響設(shè)備功能的發(fā)揮。

　　(4)使用者的對機床的維護保養(yǎng)能力不強，機床故障排除不及時等。

　　5 數(shù)控機床技術(shù)發(fā)展趨勢

　　從表1列出的各個時期的機床技術(shù)與制造技術(shù)可以看到，機械加工裝備對促進制造技術(shù)發(fā)展的緊密關(guān)系和重要支撐作用。

　　以數(shù)字化為特征的數(shù)控機床是柔性化制造系統(tǒng)和敏捷化制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)裝備，其總的發(fā)展趨勢是：高精化、高速化、高效化、柔性化、智能化和集成化。床的發(fā)展形式來看，需要三種層次的數(shù)控技術(shù)人才：

　　第一種是熟悉數(shù)控機床的操作及加工工藝、懂得簡單的機床維護、能夠進行手工或自動編程的車間技術(shù)操作人員。

　　第二種是熟悉數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)及數(shù)控系統(tǒng)軟硬件知識的中級人才，要掌握復(fù)雜模具的設(shè)計和制造知識，能夠熟練應(yīng)用多種CAD/CAM軟件，同時有扎實的專業(yè)理論知識、較高的英語水平并積累了大量的實踐經(jīng)驗。

　　第三種是精通數(shù)控機床結(jié)構(gòu)設(shè)計以及數(shù)控系統(tǒng)電氣設(shè)計、能夠進行數(shù)控機床產(chǎn)品開發(fā)及技術(shù)創(chuàng)新的數(shù)控技術(shù)高級人才。

　　我國應(yīng)根據(jù)需要有目標(biāo)的加大人才培養(yǎng)力度，為我國的數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)提供強大的技術(shù)人才支撐。

　　6 結(jié)束語

　　中國作為一個制造大國，主要還是依靠勞動力、價格、資源等方面的比較優(yōu)勢，而在產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新與自主開發(fā)方面與國外同行的差距還很大。中國的數(shù)控產(chǎn)業(yè)不能安于現(xiàn)狀，應(yīng)該抓住機會不斷發(fā)展，努力發(fā)展自己的先進技術(shù)，加大技術(shù)創(chuàng)新與人才培訓(xùn)力度，提高企業(yè)綜合服務(wù)能力，努力縮短與發(fā)達國家之間的差距。力爭早日實現(xiàn)數(shù)控機床產(chǎn)品從低端到高端、從初級產(chǎn)品加工到高精尖產(chǎn)品制造的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)從中國制造到中國創(chuàng)造、從制造大國到制造強國的轉(zhuǎn)變。