1 前言
從20世紀(jì)中葉數(shù)控技術(shù)出現(xiàn)以來，數(shù)控機(jī)床給機(jī)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(diǎn)：加工柔性好，加工精度高，生產(chǎn)率高，減輕操作者勞動(dòng)強(qiáng)度、改善勞動(dòng)條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟(jì)效益的提高。數(shù)控機(jī)床是一種高度機(jī)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(jià)格昂貴不允許報(bào)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(yàn)的零件。數(shù)控機(jī)床以其卓越的柔性自動(dòng)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(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化發(fā)展的先河。因此，數(shù)控技術(shù)成為先進(jìn)制造技術(shù)中的一項(xiàng)核心技術(shù)。數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及其應(yīng)用范圍使其成為國民經(jīng)濟(jì)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(jī)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(jìn)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(shí)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(jī)床是技術(shù)密集型及自動(dòng)化程度高的機(jī)電一體化設(shè)備。數(shù)控加工與通用機(jī)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(jī)床加工時(shí)，其加工步驟、機(jī)床運(yùn)動(dòng)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(gè)人的經(jīng)驗(yàn)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(jī)床加工時(shí)，就要預(yù)先將各種操作內(nèi)容和機(jī)床動(dòng)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(shí)現(xiàn)人與機(jī)床的聯(lián)系。加工時(shí)，將控制介質(zhì)上的數(shù)碼信息輸入數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)對輸入的信息進(jìn)行運(yùn)算與控制。由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)床按所編程序進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，可以自動(dòng)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(dòng)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(jìn)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?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)的國際代碼。軟件操作系統(tǒng)一般依據(jù)Windows平臺(tái)。
作為以加工實(shí)木為主的應(yīng)用機(jī)型，實(shí)木五軸數(shù)控加工中心能對木制零部件進(jìn)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(diǎn)在于：
(1)自動(dòng)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(jī)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(qiáng)，柔性高，靈活性好。數(shù)控機(jī)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(jī)械制造企業(yè)的競爭領(lǐng)域。目前，實(shí)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(dá)國家。
在種類繁多的機(jī)型中，應(yīng)用范圍的側(cè)重有所不同。不少機(jī)型主要以板式構(gòu)件加工為主，而有些機(jī)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(shí)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(shí)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(yùn)用CAD軟件繪制產(chǎn)品三維模型。第二，運(yùn)用CAM軟件對模型進(jìn)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(jìn)行。在此過程中還需通過CAM軟件生成標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)NC代碼進(jìn)行后置處理，設(shè)定實(shí)際加工刀具參數(shù)(刀長、刀徑)和加工原點(diǎn)坐標(biāo)等，并進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬仿真和安全確認(rèn)，防止刀具、零件、工作臺(tái)之間發(fā)生干涉。在安全確認(rèn)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(jī)的程序庫中。最后，通過調(diào)用該程序進(jìn)行實(shí)物加工試切削。根據(jù)試切削加工的零件再進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和程序改進(jìn)，直至達(dá)到設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)，還是機(jī)床本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)考慮企業(yè)的現(xiàn)狀和技術(shù)水平。數(shù)控機(jī)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(yàn)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(shí)，重主機(jī)輕附件，如沒有合理地選購與主機(jī)配套的工具、軟件以及售后技術(shù)服務(wù)等，導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用時(shí)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(shí)間過長，影響設(shè)備功能的發(fā)揮。
(4)使用者的對機(jī)床的維護(hù)保養(yǎng)能力不強(qiáng)，機(jī)床故障排除不及時(shí)等。
5 數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展趨勢
從表1列出的各個(gè)時(shí)期的機(jī)床技術(shù)與制造技術(shù)可以看到，機(jī)械加工裝備對促進(jìn)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(jī)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(jī)床的操作及加工工藝、懂得簡單的機(jī)床維護(hù)、能夠進(jìn)行手工或自動(dòng)編程的車間技術(shù)操作人員。
第二種是熟悉數(shù)控機(jī)床機(jī)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(jì)和制造知識，能夠熟練應(yīng)用多種CAD/CAM軟件，同時(shí)有扎實(shí)的專業(yè)理論知識、較高的英語水平并積累了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
第三種是精通數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及數(shù)控系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)、能夠進(jìn)行數(shù)控機(jī)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(jī)床產(chǎn)業(yè)提供強(qiáng)大的技術(shù)人才支撐。
6 結(jié)束語
中國作為一個(gè)制造大國，主要還是依靠勞動(dòng)力、價(jià)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(jī)會(huì)不斷發(fā)展，努力發(fā)展自己的先進(jìn)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(dá)國家之間的差距。力爭早日實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)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(shí)現(xiàn)從中國制造到中國創(chuàng)造、從制造大國到制造強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變。
