朱劍剛
(南京林業(yè)大學木材工業(yè)學院, 南京210037 )
摘要: 在以高新技術和先進適用技術改造提升傳統(tǒng)的家具制造產業(yè)的宏觀背景下,介紹了實木五軸電腦數(shù)控加工中心
的結構組成、特點及市場格局以及在家具制造業(yè)中應用的關鍵技術,指出應用實木五軸數(shù)控加工中心對加快我國家具制
造業(yè)信息化建設、提升我國家具制造業(yè)競爭力的重要作用。
關鍵詞: 五軸; 電腦數(shù)控機床; 加工中心; 家具
中圖分類號: TS64 文獻標識碼:A 文章編號:100128654 (2006) 0120021204
Appl ication of a Five2axis Sol id2wood CNC Machining Center
in the Furniture Industry
ZHU J ian2gang
(College of Wood Science and Technology , Nanjing Forest ry University , Nanjing 210037 , Jiangsu , China)
Abstract : This paper st udies t he importance of applying new and advanced techniques to improve
and promote t he t raditional f urniture manufact uring indust ry in China. It al so illust rates t hat a
major factor has been t he application of a five2axis solid2wood CNC machining center to improve
manufact uring efficiency , as well as to increase competition between companies. Critical topics
focused on t he st ruct ure , characteristics , market stat us and key techniques of t he five2axis solid2
wood CNC machining center as it applies to t he f urnit ure manufact uring indust ry.
Key words : five axis ; comp uter numerical cont rol (CNC) machine ; machining center ; f urnit ure
得益于經濟全球化趨勢下的產業(yè)分工和產業(yè)鏈
轉移,加上勞動力成本的相對優(yōu)勢,在國內外不斷大
量投資的帶動下,中國家具制造業(yè)日益激增的產能得
以釋放,產量及出口額快速增長,已成為世界的焦點,
并正在改變長期形成的世界家具產業(yè)格局。但不應
忽視,我國家具制造業(yè)產業(yè)升級的巨大壓力已日趨顯
現(xiàn),迫使業(yè)界諸多企業(yè)必須重視核心競爭力的培育,
以擺脫低價重復競爭的泥潭。企業(yè)的設計能力、創(chuàng)新
能力和市場開發(fā)能力成為焦點,而如何突破制造能
力, 尤其高附加值產品的加工能力這一瓶頸,則會更
加得到重視。
近年來,中國家具及木工機械產業(yè)取得了快速的
發(fā)展,但在中高端產品領域,國產設備就其品種、質
量、可靠性、交貨期以及售前售后服務等方面仍相對
滯后,尚無法滿足巨大的市場需求,因而依賴進口則
不可避免。據(jù)統(tǒng)計,我國近幾年來家具機械及木工機
械的進口增加幅度大于出口,2003 年僅德國出口到
我國的木工機械就達1. 88 億歐元[1 ] 。目前,我國正
處在以高新技術和先進適用技術來改造和提升家具
這一傳統(tǒng)產業(yè),以信息化建設提升我國家具制造業(yè)競
爭力的關鍵歷史時期[2 ] ,作為制造、裝備信息化的典
型關鍵技術[3 ] ,開展中高端家具及木制品加工設備的
應用研究具重要意義。本文以實木五軸電腦數(shù)控加
工中心為例,對其性能特點、應用技術及存在問題進
行剖析,供業(yè)界人士參考。
1 基本概況與性能特點
五軸電腦數(shù)控加工中心是指集計算機控制、高性
能伺服驅動、精密加工技術和軟件技術于一體的、擴
展五軸聯(lián)動功能的高速電腦數(shù)控加工中心,其系統(tǒng)集
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成特性可提供較高的加工效率和加工能力。
五軸電腦數(shù)控加工中心是在X 、Y 、Z 正交的三
軸驅動系統(tǒng)內, 另外加裝傾斜與旋轉的雙軸旋轉系
統(tǒng)。其中X 、Y 、Z 坐標決定刀具位置, 2 個旋轉坐標
決定刀具方向。Z 坐標的運動一般指傳遞切削動力
的主軸所規(guī)定的主軸軸向, 而X 、Y 坐標則平行于工
件裝夾平面的水平坐標。A 、B 、C 坐標一般相對于
X 、Y 和Z 坐標作旋轉或傾斜運動[4 ] 。五軸電腦數(shù)控
加工中心常見的運動軸配置方案有: X 、Y 、Z、A 、C 或
X 、Y 、Z、B 、C 等(如圖1 所示) 。
圖1 五軸電腦數(shù)控加工中心坐標系定義
Fig. 1 Axis system of a f ive2axis CNC machining center
眾所周知,常規(guī)的數(shù)控機床在家具及木制品行業(yè)
使用已比較普遍,但五軸電腦數(shù)控加工中心由于價格
昂貴,且人員培訓與技術掌握有一定難度,其應用多
局限于一些發(fā)達國家。近幾年,因五軸電腦數(shù)控加工
中心的標準化量產與設備的封鎖開放,價格逐步下
降,加上用戶對高質量加工設備的需求增多,五軸加
工技術漸漸受到我國家具制造業(yè)的重視。
作為以加工實木為主的應用機型,實木五軸電腦
數(shù)控加工中心是各種木制零部件完成銑型、開槽、鉆
孔、榫頭及榫眼等全套加工的代表設備,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) 高速的銑削加工可將傳統(tǒng)多道加工工序濃縮
為一道高速切削加工,減少加工工序,并避免傳統(tǒng)多
道加工工序的累積精度誤差;
3) 加工零件的一致性好,質量穩(wěn)定,且正常運行
費用低;
4) 對加工零件的適應性強,柔性高,靈活性好。
簡言之,其最主要的優(yōu)點是,加工整體復雜工件
時的輔助工作時間短,大大縮短了零件的加工時間,
為企業(yè)新產品的研發(fā)節(jié)省大量的時間和費用,還可以
省去某些大型專用、多工位設備的投資。
2 結構類型與市場格局
2. 1 主要結構類型
五軸電腦數(shù)控加工中心一般由主機和控制系統(tǒng)
2 大部分組成,主軸箱、工作臺、機架、進給機構等組
成主機的主體部分,其中工作臺的大小、各控制軸行
程范圍及機床主電機功率等,構成機床關鍵的特征規(guī)
格[ 526 ] ,并成為選型的重要依據(jù)之一。
按主機的主要結構,五軸電腦數(shù)控加工中心通常
可分為龍門式和臥式2 種。
1) 龍門式五軸電腦數(shù)控加工中心(如圖2) ,其主
軸的軸心線多為垂直設計。該機床的優(yōu)點在于工作
臺可以從切削主軸下方通過,待加工工件一次安裝
后,除安裝面外,其他所有側面和頂面均在切削主軸
的加工范圍內,且主軸及機床的剛性較好,但機床占
地面積較大。
圖2 龍門式五軸電腦數(shù)控加工中心典型結構
Fig. 2 A f ive2axis CNC machining center with
gantry conf iguration
2) 臥式五軸電腦數(shù)控加工中心,是指主軸軸心
線為水平狀態(tài)設計的加工中心,代表結構如圖3 所
示。其特點:占地面積小、加工時排屑容易;如配置適
當高度的工作臺后,還能使切削主軸對加工工件下表
面進行加工。缺點是如不加裝旋轉工作臺,工件一次
裝夾后,切削主軸無法加工到工件的背面。
圖3 臥式五軸電腦數(shù)控加工中心典型結構
Fig. 3 A f ive2axis CNC machining center with
mobile upright conf iguration
上述2 種結構各有其優(yōu)缺點,但只要配置得當,
均能完成高質量的加工,因而不能簡單判定哪種結構
更優(yōu)。目前,意大利PAOL INO BACCI 公司的臥式
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Vol . 20 No. 1 CHINA WOOD INDUSTRY Jan. 2006
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雙主軸實木多軸電腦數(shù)控加工中心是惟一能將柔性
和效率都發(fā)揮到極至的成功機型。
2. 2 設備制造的市場格局
由于在家具及木制品行業(yè),常規(guī)制造技術已日趨
成熟,作為集高技術含量和高附加值于一身的尖端設
備,五軸電腦數(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)的必爭領域。目前,實木五軸電腦
數(shù)控加工中心技術主要掌握在以日本、德國、意大利
和美國等為代表的工業(yè)發(fā)達國家。
日本是加工中心的第一生產大國,同時也是最早研
制和開發(fā)五軸電腦數(shù)控加工中心的國家之一,主導品牌
有HEIAN(日本平安株式會社)和SHODA(日本莊田鐵
工株式會社) 。而作為世界第一大家具及木工機械出口
國的德國,五軸電腦數(shù)控加工中心的代表品牌有MAKA
及HOMAG(豪邁集團) 旗下的BREVETTATO 。歐洲
的另一家具及木工機械出口大國意大利,在五軸電腦數(shù)
控加工中心領域也云集了眾多的知名品牌, 如
PAOLINO BACCI (巴吉) 、BALESTRINI (巴利維禮) 、
COSMEC、PADE (佰得) 、BIESSE (比亞斯) 集團的
ROVER BUSELLATO 及SCM 集團旗下的CMS 和
ROUTECH 等。美國作為家具及木工機械最大的消費
國,也在世界五軸電腦數(shù)控加工中心產業(yè)中占有一席之
地, 代表品牌主要有DMI、NORTHWOOD 及
THERMWOOD 等。
在上述種類繁多的機型中,應用的范圍各有所側
重。如不少機型主要以板式構件加工為主,而有些機
型則主要應用于建筑木構件的加工。值得關注的是,
來自意大利的PAOL INO BACCI、BAL ESTRINI 和
PADE 這3 家企業(yè),多年專注于實木座椅加工設備的
制造,已成為木制座椅零件及類似零件的實木構件五
軸電腦數(shù)控加工中心的專業(yè)制造商。
我國臺灣地區(qū)的恩德實業(yè)股份有限公司于20 世
紀90 年代中期開發(fā)出自主知識產權的五軸電腦數(shù)控
加工中心,并成功進入美國市場;我國廣東佳鐵自動
化有限公司在90 年代末,也成功研制五軸電腦數(shù)控
加工中心,對打破國際技術壟斷有著積極的意義。
3 應用過程及存在問題
3. 1 應用步驟
1) 在CAD 軟件中進行產品幾何結構設計繪圖,
并對被加工零部件進行工藝分析,側重審查裝夾基
準、待加工面等。由于絕大多數(shù)商用CAM 軟件包均
含有CAD 功能,也可直接在一體化的CAM/ CAD 軟
件包中進行,省去數(shù)據(jù)格式的轉換與傳輸;
2) 在CAM 軟件中進行加工中心的工藝設計,
如工件定位坐標確定、刀具型號指定、加工參數(shù)設定
及路徑規(guī)劃、加工順序等,有時還需考慮裝夾模具的
工藝設計;
3) 在得到刀具相對于工件的刀具位置資料后,
經過專用的后處理程序,將資料轉換成數(shù)控中心所能
接受的NC 控制碼加工;
4) 進行程序的檢驗、修訂和優(yōu)化,及機臺仿真電
腦加工模擬,以檢查干涉情況;
5) 完成裝夾模具的制作和加工,備好刀具;
6) 進行加工中心的初始化及原點設定,并將待
加工工件裝夾定位,經后處理,并將優(yōu)化的控制程序
讀入數(shù)控加工中心的控制器( FANUC , SIMENS ,
OSAI 等) ,啟動數(shù)控加工作業(yè)進行工件試切。
現(xiàn)在大多數(shù)商用CAD/ CAM 軟件包均能實現(xiàn)參
數(shù)化、自動化編程的處理模式,使操作者能在圖形界
面下完成加工中心的所有工藝設計工作。
3. 2 存在問題
實踐表明,數(shù)控機床的使用效果很大程度上取決
于用戶的技術水平。缺乏經驗豐富的編程和操作人
員,是影響五軸數(shù)控加工技術普及的因素之一,但更
多的困難和問題主要表現(xiàn)在:
1) 選型 未能很好地結合企業(yè)的典型產品結
構、產量及產品發(fā)展遠景規(guī)劃選型,造成機床開工率
不足,特別是高速、高精度機床,性能得不到充分發(fā)
揮,甚至閑置;
2) 預算 對預算估計不足,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
技術以及售后技術服務等,導致在實際應用時加工工
藝受限[7 ] ;
3) 效益 對五軸數(shù)控加工中心的適應范圍和投
資效益沒有合理估算,期望值過高,導致對加工中心
失去信心,使設備未能發(fā)揮應有的作用;
4) 培訓 對編程、操作人員的選用和培訓重視
不夠,操作者對工藝不熟悉、編程不熟練、操作輔助時
間過長,影響設備功能的發(fā)揮;
5) 維護 使用者的排障能力不強,機床故障排
除不及時等。
由于對實木五軸電腦數(shù)控加工中心加工各種木
質材料的適應性、復雜零件加工工藝等方面的研究及
技術儲備不夠,影響到該技術的深入應用。因此,要
使實木五軸電腦數(shù)控加工中心在實際生產中充分合
理應用,其一,企業(yè)決策層的理性投資和重視程度非
常重要;其二,培養(yǎng)一支高素質的技術隊伍也是提高
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第20 卷 第1 期 木材工業(yè)2006 年1 月
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數(shù)控加工中心(特別是進口設備) 利用率的重要措施
之一;其三;加大基礎和應用研究,加快技術消化和轉
移也是關鍵所在。
針對上述問題,筆者所在的南京林業(yè)大學木材工
業(yè)學院最近采購了一臺意大利PAOL INO BACCI 公
司的實木五軸電腦數(shù)控加工中心用于教學和研究。
企業(yè)可結合自身實際需要,依托學院雄厚的教學、科
研實力,通過校企雙方資源共享,進行“產學研”的互
動與配合,并盡快培養(yǎng)出專門的技術人才,對挖掘加
工中心的應用潛力、推動家具制造企業(yè)技術提升發(fā)揮
出重要的作用。
4 結語
我國家具制造業(yè)正面臨產業(yè)升級的巨大壓力,以
五軸數(shù)控加工中心為代表的先進制造技術的應用和
研究將具有重要的戰(zhàn)略意義。為提升我國家具制造
企業(yè)在日趨激烈的國內和國際市場中的競爭力、產品
檔次和技術含量,五軸數(shù)控加工技術必將進入諸多先
進企業(yè)。天津美克、東莞震興、深圳亞力山卓等我國
家具制造及出口的龍頭企業(yè),已相繼著手在實木五軸
電腦數(shù)控加工中心上進行投資。相信實木五軸電腦
數(shù)控加工中心的應用,必將推動我國由家具制造大國
向家具制造強國邁進一大步。
參考文獻:
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