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国外木材和人造板数控加工装备技术研究进展
作者:张伟
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木工机械/家具机械展厅
木工雕刻机, 木工铣床, 木工镂铣机, 旋切机, 木工钻床/排钻, ...
1 现代数控技术的应用

1.1 数控技术简介

数控技术是用数字信息对机械运动和丁作过程进行控制的技术,它是集传统的机械制造技术、计算机技术、现代控制技术、传感检测技术、网络通信技术和光机电技术等于一体的现代制造业的基础技术,具有高精度、高效率、柔性自动化等特点,对制造、世实现柔性自动化、集成化和智能化起着举足轻重的作用。数控技术是制造自动化的关键基础,是现代制造装备的核心,其水平的高低和数控装备拥有量是衡量一个国家工业现代化的重要标志。

1.2 数控装备简介

数控装备是应用数控技术对工作机械的加工过程进行控制的装备,是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透而形成的机电一体化产品,即所谓的数字化装备。

数控技术应用最早、最成功的是制造业,数控装备最典型的代表是数控机床。

数控装备提高了传统机械制造业的加工性能,可以精确加工普通机床无法加T的复杂零件,有效提高了加工质量和效率,实现了柔性自动化生产,并向智能化、集成化方向发展。其技术范围覆盖众多领域,如机械制造技术,信息处理、加工、传输技术,自动控制技术,伺服驱动技术,传感器技术及软件技术等。

1.3 数控技术的应用

现代数控技术已广泛应用于木材和人造板加工装备和成套技术装备,对木材、人造板和竹材等进行锯切、铣削、雕刻、钻孔、刻槽、封边、砂光等精深加工,能
够保证木质部件的加工质量和复杂形状,从而提高木
质产品的美感和技术附加值。

木材和人造板主要的加工设备有数控多片锯、数控裁板锯、数控带锯机、数控钻孔机、数控镂铣机、数控加工中心、数控仿形刃磨机等单机设备,也有原木制材加工、木结构房屋加工、木门窗加工、木材指接加工和木材检测等成套生产线设备。其主要产品有床头板、柜门、门板、电视柜、座椅、音响部件、钢琴板、乐器零件等非结构用木质材料,以及建筑木梁、木屋顶、木墙体、楼梯构件、木门窗等结构用工程材料。此外。还有广泛应用于其他行业,如下艺美术行业中的人物肖像和岂术浮雕的雕刻,广告、标牌、贺匾的雕刻,有色金属铸造木模和塑料模具加工等。

2 国外主要木材和人造板数控装备

2.1 木材数控锯切设备

2.1.1 数控多片锯或剖分锯

多片锯既可以锯切优质的阔叶树方材,也可以将纹理、色泽美观,材质良好的木材原料去除缺陷,胶合成集成方材或按不同的组合方式胶合成方材后再进行锯切加丁。锯切后的产品多应用于地板基材、胶合木或作为装饰表板复贴在术制品表面。

典型的数控多片锯主要进料系统、激光头、锯片组和控制系统等组成。采用nr见的激光作为定位与辅助标线,各锯片的方向与激光划线保持一致。各激光头和锯片的位置控制分别采用伺服电机驱动,以保证各锯片与激光划线的位置埘中。还可根据锯切板材宽度的耍求,随时变化激光头的划线位置,锯片组也应相应调整位置,使其与激光划线保持一致。数控多片锯集成了激光技术和数控技术,操作方便,提高了板材锯切的牛产效率。德国WEINIG、奥地利WINTERSTElGER等是木材数控多片锯设备的丰要制造商。

2.1.2 数控裁板锯

数控裁板锯主要由丰锯、先导锯、传动装置和进料控制系统等组成,主要应用于现代板式家具中人造板零部件的加工。叮根据所加工的零部件尺寸和裁板要求,自动计算优化裁板方案和提高板材利用率,同时还能自动生成裁板图,一次裁出精料,囚此进料定位控制和加工精度等直接影响家具零部件的精度。数控裁板锯通过光电编码定位反馈系统,利用直线型和旋转型光电编码技术及计算机闭环反馈控制技术,可实现板式家具下料的高精度定位及加工。随着板材高速锯切加工的要求越来越高,对数控裁板锯的移动速度、快速响应、准确定位、高蘑复定位精度、自动上下料等方面都提出了更高的要求。

德国HOLZMA、意大利GIBEN和SELCO、奥地利SCHELLING等足木材数控裁饭锯设备的主要制造商。

2.1.3 数控带锯加工中心

带锯加工中心由带锯切削头、数控工作台、控制系统和机架等部分组成,采用数控自动进料方式,切割线由CNC数控程序执行,主要用于实木拼板和多层胶合板的曲线锯切。

带锯切削头上装有回转机构,,切削头可在±45°范围内旋转,以保汪带锯条与锯路位置相适应。数控工作台由伺服电机驱动,町以实现x轴和Y轴方向的运动。工件由气缸央持在数控工作台上,可根据没计要求完成各种曲线加工。数控带锯锯切的产品表面精度较高,只需砂光处理即可完成表面加工。克服了传统带锯加工的产品表面粗糙、加工余量大、费工费料等缺点,重复精度可达到±0.1mm,提高了锯材质量和冉材率。

意大利MZ等是/卜材数控带锯机设备的主要制造商。

2.2 数控钻孔设备

2.2.1 数控多排钻

数控多排钻丰要由左右水平钻座和上下多排垂直钻座组成,每排钻座可以根据需要安装多个钻头,由计算机控制的各个钻头可以单独钻孔,钻孔时根据零部件中孔的位置,南计算机控制各个钻头的移动距离和钻孔位置,可实现加下数据输入及钻排的自动定位,提高了工件精度和工作效率。

德国WEEKE、意大利SCM等是木材数控多排钻设备的主要制造商。

2.2.2 数控钻削中心

数控钻削巾心是在普通钻床的基础上增加三坐标移动或自动换刀机构,可实现一次装夹,多次钻孔。由于具有多坐标联动功能,故钻削中心具有一定的铣削功能,尤其适用于需要在钻床和铣床上进行两次装央、又有一定位置精度要求的丁件加上,如木门的钻孔和榫眼加工等。

意大利SMCMACCHINE是木材数控钻削中心设备的主要制造商。

2.3 木材数控镂铣机与数控加工中心

2.3.1 数控镂铣机

数控镂铣机是木材中较早应用数控技术的机床。通常设有四个或多个镂铣主轴,具有_三轴联动功能。根据加工工件的不同,镂铣主轴进行不同组合即町满足不同的加工要求,目前数控镂铣机正逐步向集成铣、钻和锯等一体的多功能方向发展。

日本SHODA、HEIAN等是木材数控镂铣机设备的主要制造商。

2.3.2 木材数控加工中心

木材数控加工中心是一种功能齐全的数控加工机床,它可将木材和人造板深加工中的镂铣、雕刻、钻削、锯切、砂光、封边、修边等工序集中在一台机床上完成,具有多种功能。数控加工中心设有刀具库,刀具库中根据加工工艺的要求存放着不同数量的各种刀具或加工单元,在加工过程中由程序控制实现自动更换刀具和更换加工单元功能。数控加工中心具有。轴联动功能,复杂的可以达到五轴联动或更高级的联动功能。HOMAG、IMA、REICHENBACHER、MAKA、WEEKE等是德困木材数控加工中心设备的主要制造商;SCM、ROUTECH、MORBIDEILI、CMS以及BIESSE、UNITEAM、GREDA等是意大利木材数控加工中心设备的主要制造商;THERMWOOD、KOMO、NORTHWOOD、MULTICAM等是美国木材数控加工中心设备的主要制造商。

2.3.3 并联式数控机床

REICHENBACHER公司在传统的Artis、Vision、Univers和ECO系列加工中心的基础上推出了6自由度并联式数控机床Pegasus,在并联机构的运动学正解和逆解、工作空间、速度与加速度、刚度、精度等方面进行了探索,机床进给轴采用直线电机驱动,最大定位速度达120m/min,加速度达108m/s2。

2.4 数控封边机或封边加工中心

封边是现代板式家具零部件边部处理的常用厅法,数控封边机或封边加工中心特别适合于特殊曲面的封边,通过精确控制移动距离、进料速度、封边压力等,达到圆周封边高胶合质量和对接间隙最小的要求。专用的数控封边机只能完成封边和齐边工序,而数控封边加工中心可以实现从索板锯裁到最后零部件成型的全部工序。

德同HOMAG、IMA和意大利BIESSE等是木材数控封边机设备的主要制造商。

2.5木材和人造板成套加工装备

2.5.1 现代原木制材加工装备

现代制材技术采用数控加工和自动化控制技术,可实现原木自动进给、精确对中,高效加工成不同厚度的规格材,板皮能够自动回收并加丁成木片,实现了制材和削片的集成加工,可提高原木生产率和综合利用率。以德国LINCK公司年产60万m3全自动制材生产线为例,其主要设备包括原木分类装置、剥皮机、带锯机、扫描系统、双轴网锯机、铣边机、裁边机、分类和堆垛线、输送机、电气和控制系统等。最大可加工梢端原木直径达1100mm,原木长度为3m,设备加工速度达30~20m/min,具可变频调速。能加工各种径级、不同形状、内部质量各异的原木,整条生产线出材率高达67%。

2.5.2 木结构建筑构件加工设备

木结构建筑构件主要包括木屋顶、木墙体、木梁等结构用胶合木构件。通过质量分等、指接固化、胶合加压、定尺及刨光、铣型和成品包装等工序,可完成从锯材到结构用胶合木的加工。德阳WEINMANN的木梁加工中心通过换刀可实现胶合木搭接多种形状的锯切、刨削、铣槽、榫头等的加工。

3 国外木材和人造板数控加工装备的发展状况

随着计算机数控技术、传感器技术和自动控制技术的迅速发展,国外术材和人造板数控加工装备在品种数量、动态和静态性能、加工精度、自动化、安全性及高新技术应用等方而都有了快速的发展。德同、意大利、美日、日本等是木材和人造板数控加工机床的主要生产国,在国际市场的供给中占有宅导地位,在生产总值、出口贸易额、产品的技术水平及国际专利数餐方面居领先地位。木材加工装备的发展呈现出以下特点。

3.1 计算机数控技术在木材加工装备上的应用

随着微电子技术、计算机技术的迅速发展及控制论的广泛应用,计算机数控技术越来越多地应用到木材加工装备上,提高了木材加工的精度、柔性和生产效率。具有代囊陆的有数控加工中心、数控镂铣机、数控板材锯切中心、数控多排钻、数控钻削中心、数控餐椅组件加工中心和数拄仿形刃磨机等。

3.2 新工艺技术的应用带动了木材加工装备的技术进步

木材加工新下艺技术的不断臆用对传统的木材加工装备提出丫新的要求,推动了木材加工行业的发展。如异趔仿型制材加工技术优化了木材原料的制备;工程结构用材指接技术的发展提高了实木板材的质量和强度;高速多片锯开料锯切工艺实现了开料锯切和刨

切工序的统一;激光封边工艺技术的出现大大降低了胶层厚度,提高了资源利用率。

3.3 各种现代先进技术应用于木材加工装备上

数控加工技术、机器人技术、工业自动化技术、现代传感器技术、新材料技术和新型生物、环保装备技术、木材无损榆测技术、信息网络技术等现代先进技术成果广泛应用于木材加工装备上,对木材加工装备的发展起到了推动、提升和改造的作用,其先进技术含量已成为市场竞争取胜的关键。专用机器人、机械手已开始在油漆喷涂、工件装卸和搬运等作业中得到应用;激光技术、x射线技术广泛应用于木材无损检测和质量分等中。

3.4 木材加工装备呈高速化、专业化、规模化的发展趋势

从原料制备、产品加工到成鼎,木材加工装备的进料速度、加工主轴铣削速度、运输传送速度等呈现出高速化发展趋势。随着新材料、新产龆的增加和结构的变化,不断开发出新型的木材加工装备,并越来越多地提供整条生产线的技术和没备,满足了用户的特殊使用要求,竞争能力明显增强。高速电丰轴、直线电机逐渐取代了传统的皮带增速和齿轮传动,加工和坐标移动呈高速化;木结构房屋构件加工、木门窗加工、木餐椅组件加工等也形成了专业化的生产线,提升了木质工程材料的整体制造水平。

4 数控装备的共性关键技术

4.1 高速加工技术

随着木材科学的发展,出现了各种木质复合新材料、新产品,对机床生产效率也提出了更高要求,其中高速电主轴成为高档数控机床三大关键技术之一。木材数控加工中心、自动封边机、地板双端铣等用的高速电主轴呈现出大功率、高速化发展趋势。如木材数控加工中心用的电主轴最高转速已超过40000r/min,最大功率达24kW。

4.2 直线电机驱动技术

高速加工不但要求机床主轴转速高,而且要求有高进给速度和加速度。进给速度一般大于30m/min,加速度达到9.88m/s2。在滚珠丝杠驱动方式下,其极限值约为60m/min和9.8m/s2,而使用直线电机后可达到160m/min以卜和2.5*9.8m/s2以上,定位精度高达0.5~0.051μm。采用快速、精密、高灵敏度和耐用的直线电机可克服滚珠丝杠(齿轮、齿条)传动中的反向问隙、惯性、摩擦力和刚度不足等缺点,实现了无接触的直接驱动。

4.3 五轴联动加工技术

木质工件复杂曲面的加工要求促进了五坐标数控加工中心的发展,应用五轴联动机床加工时,由于刀具与工件的位姿角在加工过程中可以随时调整。避免了刀具与工件的十涉,并能一次装夹完成全部加工,特别适用于楼梯、座椅和木模等弯曲件的加工。

4.4 机器人技术

随着伺服驱动和传感器技术的不断成熟,工业机器人越米越多地被应用到木材加工中,其主要承担沉重、危险和有害于人体健康的作业,如搬运、装卸、堆垛、装配、研磨、喷涂等,如德困KUKA机器人堆垛最大承载能力达到1300kg。工业机器人特别适合于多品种、变批量的木材柔性生产,口,有效地提高产品质量和生产效率,改善劳动条件。

4.5 现代传感器技术

随着现代传感器技术的发展,精确度、灵敏性和采样频率等的进一步提高,满足了高速铣削、高进给速度、高工作精度等木材加工的特殊要求。各种传感器广泛应用于监控数控机床的工作过程、木材工件和刀具的状态。同时还可应用于木材检测,如机器视觉传感器可用于木材表面质量的分等;荧光传感器可识别荧光粉笔的记号,用于标记木材缺陷和树节的识别;位移测量传感器媚于木材表面特性的检测等等。

4.6 多功能加工单元

各种加工单元和双摆角铣头等越来越多地应用到木材数控加工中心和多功能机床上,实现了坐标轴的转换和木材加工的多种工艺要求,能够在一台机床上完成斜角钻削、多排钻孔、锯切、铣型、开槽、铣榫、修边、砂光、封边、修网角等多种操作工序,有效降低了工件装卸和安装调整等辅助时间。

4.7 智能网络化数控系统

基于计算机的开放式数控系统利用计算机的系统资源,使其综合性能_Ⅱf随计算机技术的发展而提升,满足多坐标和高速度的木材加工要求。其具有开放式功能软硬件接门和Windows平台操作系统、友好的人机界面、方便了再户的二次开发、加工工艺的自动引导上选择、自动诊断、远程控制和网络信息交换等特点。

4.8 数字化设计加工技术

数字化设计加丁技术是利用三维建模软件把产品的结构全部用三维实体描述出来,并将各种技术要求、设计说明、材料公差等几何信息以及各结构之间的间是否发生干涉及各零部件之间的配合,排除设计缺陷,最终形成数字样机,并进行制造性分析,验证加工程序的正确性和效率。

4.9 数值仿真技术

随着数控机床工作速度和加速度的提高,对机床动力学性能要求也不断提高,需要对机床进行强度、刚度等的有限元分析和数值仿真。通过建模,用数学方程式表达其物理特性,然后编制计算机程序,通过计算机运算出考察对象在系统参数以及内外环境条件改变的情况下,其主要参数的变化情况,寻求系统的最优结构和参数。数值仿真技术的应用大大缩短了设计和研制的周期,降低了开发成本。

4.10 逆向工程技术

逆向工程技术可根据已经存在的产品模型,反向推出产品的设计数据(包括设计图纸或数字模型)。其包括了测量数据的采集/处理、CAD/CAM系统处理和融入产晶数据管理系统的过程。逆向工程技术已经广泛应用到新产品的开发、旧零件的还原以及产品的检测中,它不仅消化和吸收实物原犁,并且能修改再设计以制造出新的产品,其代表着一种高效的产品没计理念和方法。

5 木质新材料对数控加工装备的发展要求

随着木质材料定义范同的不断拓展,新材料和新产品的结构发生了重大变化,木材工业从原始的原木利用逐渐发展到锯材、单板、刨花、纤维、非木质和化学成分的利用,形成了新犁的材料和产品。如单板层积材、集成材、重组木、定向刨花板等木质工程材料和产品,木/塑复合材料、木/竹材复合材料、木质导电材料和木材陶瓷等木质复合材料及产品,以及竹材、稻草、麦秸等胙木质材料和产品。新型材料及新型木制品结构的发展推动了木材加工机械装备的技术进步,特别是国家“十一五”科技支撑项日加大了对结构用木质工程材料的研发力度,其推广应用需要现代化的机械装备来满足木材工业化生产。

我国已成为一个林业产业大国,但还不是一个林业产业强罔,林业产业由大变强的转变为木材加[装备制造业的发展提供了广阔的市场空间和发展前景。木材和人造板数控加工装备是实现现代木材工业的必备条件,既是木材工业生产条件和生产手段现代化的标志,也是实施科技兴林和林业可持续发展的重要载体。因此,木材加工装备必须随着科学技术的发展而不断适应现代木材工业的要求,应结合国情,因地制宜,重点发展有中国特色和自主知识产权的高效、高附加值、精深加工、环保和节能型木材及人造板数控加工技术与装备,以满足现代林业产业的发展需求。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (2013-12-11)
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