家具CAD/CAM加工工藝過程及特點(diǎn)

劉占國(guó)

華鶴集團(tuán)金鶴門業(yè)發(fā)展有限公司技術(shù)部總監(jiān) 161000

計(jì)算機(jī)輔助家具設(shè)計(jì)與制造（FCAD/CAM-Furniture Computer Aided Design/Manufacturing）是運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)完成家具設(shè)計(jì)及制造的通稱.FCAD/CAM有廣義和狹義之分，廣義FCAD/CAM是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助完成從家具原材料選配到制造出產(chǎn)品的全部制造活動(dòng)，包括了直接制造活動(dòng)和間接制造活動(dòng)，涉及工藝準(zhǔn)備、生產(chǎn)計(jì)劃、物料計(jì)劃、生產(chǎn)控制和質(zhì)量保證等多項(xiàng)內(nèi)容.狹義FCAD/CAM是計(jì)算機(jī)技術(shù)在某個(gè)制造環(huán)節(jié)中的應(yīng)用，通常指計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控加工，是將家具零部件加工的工藝路線和工序內(nèi)容等信息輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)輸出刀具加工的運(yùn)動(dòng)軌跡（刀位文件）和數(shù)控程序，用以控制數(shù)控機(jī)床完成家具某一零部件的加工.FCAD/CAM已成為先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的重要組成部分.也是提高家具設(shè)計(jì)與制造水平的重要舉措.

FCAD/CAM是現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造技術(shù)發(fā)展最為活躍的領(lǐng)域，已直接影響產(chǎn)品更新、生產(chǎn)發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)能力.進(jìn)入21世紀(jì)，意味著一個(gè)大批量生產(chǎn)時(shí)代的結(jié)束.剛性流水線已逐漸成為過去.對(duì)于家具制造業(yè)面臨的是一種具有高度柔性的，擁有高技術(shù)和能對(duì)市場(chǎng)需求作出迅速反應(yīng)的設(shè)計(jì)與制造模式.這種新的制造模式的基礎(chǔ)就是FCAD/CAM，即計(jì)算機(jī)輔助家具設(shè)計(jì)和輔助家具制造技術(shù).

面對(duì)家具市場(chǎng)激烈竟?fàn)?，能否根?jù)市場(chǎng)需求作出快速響應(yīng)和決策是一個(gè)企業(yè)能否贏得市場(chǎng)的關(guān)鍵.而這種能力的基礎(chǔ)取決于企業(yè)設(shè)計(jì)與制造的技術(shù)水平.以FCAD/CAM為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)可以用最快的速度向市場(chǎng)推出全新的產(chǎn)品，從而在市場(chǎng)竟?fàn)幹刑幱谥鲃?dòng).

國(guó)內(nèi)家具企業(yè)雖然取得了很在的進(jìn)步.但整體的設(shè)計(jì)與制造水平和發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在相當(dāng)距離，有些家具企業(yè)對(duì)FCAD/CAM沒有認(rèn)識(shí).筆者就實(shí)際應(yīng)用的情況為例說明狹義CAD/CAM工藝過程和加工特點(diǎn).

1.家具CAD/CAM的工藝過程

數(shù)控加工是靠程序來控制機(jī)床的加工過程，因此編制數(shù)控程序是十分關(guān)鍵的一環(huán)。理想的加工程序不僅能保證加工出符合設(shè)計(jì)要求的合格零件，同時(shí)可使數(shù)控機(jī)床功能得到合理的應(yīng)用和充分地發(fā)揮以及安全可靠地工作。家具雕刻對(duì)于家具制造的整個(gè)過程來說只是其中精加工的一個(gè)部分，所以研究家具雕刻的工藝要從家具生產(chǎn)工藝開始。

根據(jù)加工特征或加工目的的不同，實(shí)木零部件的生產(chǎn)工藝過程一般由干燥、配料、毛料加工、膠合（膠拼）、彎曲成型、凈料加工、裝飾（貼面與涂飾）、裝配等若干個(gè)過程。凈料加工是指進(jìn)一步加工出各種結(jié)合用的榫頭、榫眼、連接孔或銑出各種線型、型面、曲面、槽簧以及進(jìn)行表面砂光、修整加工等。雕刻應(yīng)該是屬于凈料加工范疇，在零部件完成表面砂光、修整加工后，進(jìn)行雕刻，雕刻完畢以后再對(duì)雕刻紋樣進(jìn)行單獨(dú)砂光處理。不同的產(chǎn)品有不同的加工工藝流程，其基本工藝流程如圖1.由以下核心加工步驟組成：

1.1輸入文件

運(yùn)用CAD建立實(shí)體模型，繪制刀具的走刀路徑，也可以文件形式輸入，但輸入文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，格式相同或兼容.

1.2定義刀具資訊

定義刀具資訊（如刀具直徑，加工刀片數(shù)、刀具形狀等），選擇進(jìn)刀、走刀、退刀方式等.

1.3設(shè)置加工參數(shù)

設(shè)置加工的參數(shù)（進(jìn)刀速度、刀具轉(zhuǎn)速、切削速度、切削形式等）及機(jī)械或刀具的補(bǔ)償?shù)?

1.4生成刀具軌跡

生成刀具加工軌跡，并對(duì)刀具加工軌跡進(jìn)行即時(shí)動(dòng)態(tài)虛擬，并記錄加工工藝卡.對(duì)有問題的程序返回重新進(jìn)行修改.

1.5輸出NC碼

根據(jù)加工的CNC控制系統(tǒng)輸出NC碼.

1.6數(shù)據(jù)傳輸

計(jì)算機(jī)與CNC之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸（可以通過網(wǎng)絡(luò)、DNC、驅(qū)動(dòng)器等）.

2.家具CAD/CAM加工的特點(diǎn)

家具的加工主要以木質(zhì)材料為主，由于木質(zhì)材料質(zhì)地比軟，切削方式主要采用高速銑、刨，鉆，鋸，車，砂，雕刻等方式，目前市場(chǎng)上的CNC加工設(shè)備也多種多樣，其加工刀具有各種銑刀，刨刀，雕刻刀，單頭鉆，多頭鉆，32mm系列排鉆等，其加工方式不但考慮CAM系統(tǒng)刀具路徑，而且還結(jié)合CNC加工設(shè)備所用刀具的特點(diǎn)，以完成各種不同形式的加工.

2.1加工精度高

CNC加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)決定，其設(shè)備精度都比較高，CNC設(shè)備的定位精度為±0.01mm，重復(fù)定位精度為±0.005mm.

在加工過程中不需操作人員中間修正，工件的加工精度全部由機(jī)床保證，消除了操作人員的人為誤差.因而加工出來的工件精度高，尺寸穩(wěn)定.其形狀和尺寸精度能滿足各種家具對(duì)精度的要求.

2.2能加工復(fù)雜的型面

CNC加工設(shè)備的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡是由加工程序決定的，因此只要能編制程序，同時(shí)選用合適的CNC加工設(shè)備及相應(yīng)的刀具，無論工件的型面多么復(fù)雜都能加工.選用圖2所示的CNC設(shè)備，可以加工家具零部件的復(fù)雜曲面，各種線型；長(zhǎng)期依賴手工方式的雕刻工藝，CNC加工設(shè)備也能完成.CNC加工設(shè)備使家具制造向數(shù)字化生產(chǎn)方式發(fā)展.

隨著數(shù)控CNC技術(shù)的發(fā)展，CAD/CAM用途也為斷地?cái)U(kuò)大，能刨削大面積的曲面，能車削復(fù)雜的回轉(zhuǎn)體的零件，并能鋸切曲線零件，

2.3能加工各種結(jié)構(gòu)的家具零部件

在CNC加工設(shè)備上配置不同的刀具及其附件，就可以完成各種定位孔，結(jié)構(gòu)孔，32mm系列孔，指接榫，各種榫頭，槽榫.能滿足實(shí)木和板式家具基本加工需要.圖3所示的刀具與附件是CNC加工設(shè)備附件的一部分.

2.4生產(chǎn)效率高

CNC加工設(shè)備的主軸轉(zhuǎn)速達(dá)25000rpm甚至更高，實(shí)現(xiàn)高速切削.X＼Y定位速度已達(dá)到24m/min.Z軸定位速度9m/min，實(shí)現(xiàn)快速定位.通過合理選擇切削參數(shù).充分發(fā)揮刀具切削性能.減少切削時(shí)間.而且加工過程穩(wěn)定.不需要在加工過程中進(jìn)行中間測(cè)量就能連續(xù)完成整個(gè)加工過程.CNC的加工軸已從早期的單軸向多軸發(fā)展，自動(dòng)換刀也由單軸向多軸自動(dòng)換刀發(fā)展，工作臺(tái)由單個(gè)向兩個(gè)發(fā)展，增加一次加工工件的數(shù)量，加工從單頭向多頭多軸聯(lián)動(dòng)發(fā)展，一次定位，實(shí)現(xiàn)銑，鋸，刨，鉆等各種加工方式，大大提高生產(chǎn)效率，如圖6所示.

2.5能實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)

CNC加工設(shè)備的加工范圍也不斷擴(kuò)大，不但能滿足小批量多品種，而且已能滿足多品種大批量生產(chǎn).如圖5是出口美國(guó)的餐椅椅背部件大批量生產(chǎn)刀具路徑及工件加工定位圖，用一臺(tái)8軸CNC分4軸一組聯(lián)運(yùn)生產(chǎn)，正常情況下可生產(chǎn)480件/小時(shí).一些認(rèn)為 CNC加工設(shè)備只能用于小批量，多品種的認(rèn)識(shí)是錯(cuò)誤的.筆者實(shí)踐實(shí)現(xiàn).若設(shè)計(jì)與制造復(fù)雜零部件且批量很小.由于需高技術(shù)專業(yè)人 CAD/CAM編寫NC碼的工作量相當(dāng)大，并不經(jīng)濟(jì).

2.6調(diào)試簡(jiǎn)單

操作安全，可一人多機(jī)操作CNC加工設(shè)備出第一個(gè)合格工作臺(tái)，工人只需要進(jìn)行工件的裝夾和啟動(dòng)機(jī)床，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度.現(xiàn)在家具用的CNC加工設(shè)備可靠性高，保護(hù)功能齊全，并且數(shù)控系統(tǒng)有自診斷和自停機(jī)功能.因此當(dāng)一個(gè)工件的加工時(shí)間超出工件的裝夾時(shí)間時(shí)，就能實(shí)現(xiàn)一人多機(jī)操作.

CNC加工設(shè)備對(duì)操作者的技術(shù)水平雖然較普通設(shè)備高，但是現(xiàn)代數(shù)控設(shè)備換刀方便，定位一般用相對(duì)坐標(biāo)，刀具的參數(shù)，位置可以通過程序或機(jī)械進(jìn)行數(shù)字化自動(dòng)修正，多軸聯(lián)運(yùn)加工定位可以運(yùn)用加工程序進(jìn)行調(diào)刀.

2.7經(jīng)濟(jì)效益明顯

雖然數(shù)控機(jī)床相對(duì)單臺(tái)普通機(jī)床投資高，一次投資及日常維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用較普通機(jī)床也要高很多.但能避免采購(gòu)大量專用設(shè)備，減少勞動(dòng)力成本.通過發(fā)揮CNC加工設(shè)備的加工能力，提高設(shè)備的利用率.節(jié)省企業(yè)大量購(gòu)賣專用設(shè)備的資金.CNC加工設(shè)備不僅生產(chǎn)效率高.加工質(zhì)量好，廢品少，生產(chǎn)周期短，而且能發(fā)揮新產(chǎn)品開發(fā)快的優(yōu)勢(shì)，從而提高經(jīng)濟(jì)效益.

2.8可運(yùn)用現(xiàn)代管理技術(shù)

在數(shù)控機(jī)床上，加工所需要的時(shí)間是可以精確預(yù)計(jì)的，并且相同工件所用時(shí)間基本一致.因而可以精確估計(jì)工時(shí)和工時(shí)費(fèi)用.這有利于精確編制生產(chǎn)進(jìn)度表，有利于均衡生產(chǎn)和取得更高的預(yù)計(jì)產(chǎn)量.

用FCAD/CAM可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與制造即時(shí)化，并行化，網(wǎng)絡(luò)化，大大縮短產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間.

2.2數(shù)控編程的一般流程

在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行圖形交互式數(shù)控編程可分為4個(gè)階段：準(zhǔn)備工作階段、技術(shù)方案階段、數(shù)控編程階段以及程序定型階段。

2.2.1準(zhǔn)備工作階段

在該階段，主要是生產(chǎn)管理部門根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃下發(fā)編程指令、工裝準(zhǔn)備以及下發(fā)有關(guān)工程圖紙或CAD模型。

2.2.2技術(shù)方案階段

數(shù)控編程前的首要工作是制定技術(shù)方案。技術(shù)方案階段主要的任務(wù)是根據(jù)創(chuàng)建的制造資源，編制數(shù)控加工的工藝方案。數(shù)控工藝方案的設(shè)計(jì)是有難度的，因?yàn)橐幚淼男畔⒘看?，各種信息之間的關(guān)系又極為錯(cuò)綜復(fù)雜，主要靠工藝師工作經(jīng)驗(yàn)以及經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)的和優(yōu)化的典型加工實(shí)例，經(jīng)總結(jié)、提煉和分類，制作成工藝樣板（即加工模板），存儲(chǔ)在工藝數(shù)據(jù)庫(kù)中，供工藝人員調(diào)用。隨著日積月累工藝資源日益豐富，可使工藝規(guī)程的編制實(shí)現(xiàn)“規(guī)范化”，從而大大提高生成速度和成功率。

2.2.3數(shù)控編程階段

在編程準(zhǔn)備期間，主要的依據(jù)使圖紙（或CAD模型）、編程指令以及下發(fā)的工藝文件。首先，編程員分析零件的幾何特征，構(gòu)思加工過程，結(jié)合機(jī)床具體情況，考慮關(guān)鍵的定位，選用夾具和設(shè)計(jì)夾具。在準(zhǔn)備工作環(huán)節(jié)中，另一個(gè)主要任務(wù)是建立零件的數(shù)控加工模型（CAM模型）。一般情況下，不需要建立CAM模型，CAD模型就可以直接用于定義加工參數(shù)和加工對(duì)象，生成刀具加工軌跡，但是許多情況下，仍然建立CAM模型，其目的有3個(gè)：

1）壓縮和簡(jiǎn)化——提取CAD模型中的曲線和曲面，建立簡(jiǎn)潔的加工模型，壓縮某些與制造無關(guān)的特征，提高運(yùn)算速度和使刀具軌跡合理.

2）修補(bǔ)——對(duì)某些造型有缺陷的模型加以修補(bǔ).

3）增加——增加一些加工輔助線和輔助面有了加工模型，就可以根據(jù)加工的環(huán)境制定模本，確定刀具以及加工方法等數(shù)控編程的最后環(huán)節(jié)是數(shù)控程序的驗(yàn)證工作，可分為計(jì)算機(jī)驗(yàn)證和試切驗(yàn)證。

2.2.4家具雕刻編程工藝流程

數(shù)控編程是從零件圖紙中獲得數(shù)控加工程序的過程。它的主要任務(wù)是計(jì)算加工走到的刀位點(diǎn)（cutter location point，簡(jiǎn)稱CL）。刀位點(diǎn)一般取刀軸線與刀具表面的交點(diǎn)，多刀軸加工還要給出刀具矢量。數(shù)控編程的核心工作就是生成刀具軌跡，然后將其離散成為刀位點(diǎn)，最后經(jīng)過后置處理生成數(shù)控加工程序。它以內(nèi)部統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式直接從CAD系統(tǒng)獲得產(chǎn)品的三維幾何模型，通過輸入工藝控制參數(shù)，生成刀具軌跡，再利用計(jì)算機(jī)仿真檢查干涉和碰撞情況，再經(jīng)后置處理模塊生成數(shù)控機(jī)床所能接受的代碼。因而，根據(jù)家具雕刻加工工藝特點(diǎn)及Mastercam軟件的特點(diǎn)，以及本文對(duì)家具雕刻制作過程的分析，編制了家具雕刻編程的一般工藝流程。后面兩章將按照這個(gè)流程細(xì)化每一步的過程。

3.家具CAD/CAM的缺點(diǎn)

3.1人員素質(zhì)要求高

CNC加工設(shè)備對(duì)操作和設(shè)計(jì)人員要求高，不但要懂CAD/CAM，還必須熟悉家具生產(chǎn)工藝，二者缺一不可.

3.2設(shè)備復(fù)雜

由于設(shè)備復(fù)雜系數(shù)高，對(duì)維護(hù)者的技術(shù)水平要求相應(yīng)增高，而且維護(hù)費(fèi)用比普通設(shè)備高.

3.3小刀具不宜

當(dāng)加工所用的刀具直徑小于5mm時(shí)，由于刀具太小，線速度太低，影響加工質(zhì)量.

3.4能實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)

CNC加工設(shè)備的加工范圍也不斷擴(kuò)大，不但能滿足小批量多品種，而且已能滿足多品種大批量生產(chǎn).如圖5是出口美國(guó)的餐椅椅背部件大批量生產(chǎn)刀具路徑及工件加工定位圖，

用一臺(tái)8軸CNC分4軸一組聯(lián)運(yùn)生產(chǎn)，正常情況下可生產(chǎn)480件/小時(shí).一些認(rèn)為 CNC加工設(shè)備只能用于小批量，多品種的認(rèn)識(shí)是錯(cuò)誤的.筆者實(shí)踐實(shí)現(xiàn).若設(shè)計(jì)與制造復(fù)雜零部件且批量很小.由于需高技術(shù)專業(yè)人 CAD/CAM編寫NC碼的工作量相當(dāng)大，并不經(jīng)濟(jì).

3.5調(diào)試簡(jiǎn)單

操作安全，可一人多機(jī)操作CNC加工設(shè)備出第一個(gè)合格工作臺(tái)，工人只需要進(jìn)行工件的裝夾和啟動(dòng)機(jī)床，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度.現(xiàn)在家具用的CNC加工設(shè)備可靠性高，保護(hù)功能齊全，并且數(shù)控系統(tǒng)有自診斷和自停機(jī)功能.因此當(dāng)一個(gè)工件的加工時(shí)間超出工件的裝夾時(shí)間時(shí)，就能實(shí)現(xiàn)一人多機(jī)操作.