五轴数控加工中心在木制品与家具生产中的应用

1 前言

　　从20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件，结构较复杂、精度要求较高的零件，需要频繁改型的零件，价格昂贵不允许报废的关键零件，要求精密复制的零件，需要缩短生产周期的急需零件以及要求100％检验的零件。数控机床以其卓越的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，它开创了机械产品向机电一体化发展的先河。因此，数控技术成为先进制造技术中的一项核心技术。数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。

　　近年来，中国家具及木工机械产业取得了快速的发展，但在中高端产品领域，国产设备就其品种、质量、可靠性、交货期以及售前售后服务等方面仍相对滞后，尚无法满足巨大的市场需求。目前，我国正处在以高新技术和先进适用技术来改造和提升家具这一传统产业，以信息化建设提升我国家具制造业竞争力的关键历史时期，作为制造、装备信息化的典型关键技术，开展中高端家具及木制品加工设备的应用研究具有重要意义。

2 基本概况

　　数控机床是技术密集型及自动化程度高的机电一体化设备。数控加工与通用机床加工在方法和内容上有相似之处，不同之处主要表现在控制方式上。通用机床加工时，其加工步骤、机床运动次序、走刀路线及相关切削用量的选择，都是由操作者依据个人的经验和工艺规程来考虑和确定，并用手工操作的方式控制。而用数控机床加工时，就要预先将各种操作内容和机床动作，按规定的数码形式编排成程序记录在控制介质上，实现人与机床的联系。加工时，将控制介质上的数码信息输入数控机床的控制系统，控制系统对输入的信息进行运算与控制。由传动机构驱动机床按所编程序进行运动，可以自动加工出所需要的工件形状。

　　五轴数控加工中心是在X、Y、Z正交的三轴驱动系统内，另外加装双轴旋转系统口和f轴，一般情况下B和C分别是围绕X和Y轴进行旋转。其中X、Y、Z坐标决定刀具位置，B和C轴旋转坐标决定刀具方向。木材五轴数控加工中心都采用了全数字化控制，后置程序为标准的国际代码。软件操作系统一般依据Windows平台。

　　作为以加工实木为主的应用机型，实木五轴数控加工中心能对木制零部件进行铣型、开槽、钻孔、榫头及榫眼、曲面轮廓铣削、雕刻等加工，和常规加工方式相比，其主要优点在于：

　　(1)自动化程度高，一次装夹，即能完成对工件的大部分或全部切削加工，保证了工件的加工精度，提高加工效率。

　　(2)加工零件的一致性好、质量稳定，由于数控机床的定位精度和重复定位精度高，所以很容易保证零件尺寸的一致性，大大减少了人为失误。

　　(3)对加工零件的适应性强，柔性高，灵活性好。数控机床可以缩短产品的研制周期，给新产品开发、快速适应市场的需求变化提供了便利条件。

　　由于在家具及木制品行业，常规制造技术已日趋成熟，作为集高技术含量和高附加值于一身的尖端设备，五轴数控加工中心已成为国际上众多家具及木工机械制造企业的竞争领域。目前，实木五轴数控加工中心技术主要掌握在以日本、德国、意大利和美国等为代表的工业发达国家。

　　在种类繁多的机型中，应用范围的侧重有所不同。不少机型主要以板式构件加工为主，而有些机型则主要应用于建筑木构件的加工。值得关注的是，意大利的多家企业多年专注实木座椅加工设备的制造，已成为木制座椅零件及类似零件的实木构件五轴数控加工中心的专业制造商。

3 基本应用

图1木材五轴数控加工中心的基本应用流程

　　木材五轴数控加工中心的基本应用流程如图1所示。首先，根据产品零件的结构和尺寸，运用CAD软件绘制产品三维模型。第二，运用CAM软件对模型进行数控编程，主要包括选择刀具、加工方式和刀具路径，着重要考虑的是零件的装夹与定位。由于绝大多数CAM软件包中均含有CAD功能，所以上述步骤也可直接在一体化的CAD/CAM软件包中进行。在此过程中还需通过CAM软件生成标准数控代码。第三，通过该加工中心配置的反证软件对CAM软件输出的标准NC代码进行后置处理，设定实际加工刀具参数(刀长、刀径)和加工原点坐标等，并进行计算机模拟仿真和安全确认，防止刀具、零件、工作台之间发生干涉。在安全确认无误后，导出适合该加工中心的NC代码，并直接传输到加工中心主机的程序库中。最后，通过调用该程序进行实物加工试切削。根据试切削加工的零件再进行优化设计和程序改进，直至达到设计的要求。