多軸雙轉(zhuǎn)塔木材復(fù)合加工中心的研究

盧永鋒，陳明猷，沈華煒，鄒湘軍

多軸雙轉(zhuǎn)塔木材復(fù)合加工中心的研究

盧永鋒，陳明猷，沈華煒，鄒湘軍

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510642）

自動(dòng)化的木工加工技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今重要的發(fā)展方向。為提高生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度，對(duì)一般工業(yè)木工機(jī)械進(jìn)行結(jié)構(gòu)性分析，在一般木工加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改變，提出了一種五軸聯(lián)動(dòng)木材加工中心。根據(jù)Solidworks的建模，刀架的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)輕松換刀，提高生產(chǎn)效率，也避免了安裝后刀的絕對(duì)位置發(fā)生變化。同時(shí)，計(jì)算其加工時(shí)的切削力和進(jìn)行強(qiáng)度校核，并對(duì)其加工過程進(jìn)行仿真，結(jié)果表明多軸木材復(fù)合加工中心可以提高生產(chǎn)效率，同時(shí)有效地提高木材加工的自動(dòng)化程度。

數(shù)控加工中心；木工機(jī)械；機(jī)械設(shè)計(jì)；切削力

依托持續(xù)創(chuàng)新的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、電機(jī)應(yīng)用、控制芯片、軟件平臺(tái)和程序設(shè)計(jì)等領(lǐng)域快速發(fā)展，木質(zhì)產(chǎn)品加工設(shè)備的性能不斷得到改進(jìn)和提高[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控木工機(jī)床的發(fā)展極為迅速，以數(shù)控木工銑床為代表，數(shù)控木工車床、數(shù)控木工鋸床、數(shù)控木工鉆床等也相繼問世，成為促進(jìn)木材加工業(yè)發(fā)展的一支生力軍[2]。目前，木工機(jī)床己形成包括帶鋸機(jī)、圓鋸機(jī)、平刨床、壓刨床、銑床、鏤銑機(jī)等在內(nèi)的完備的加工設(shè)備體系，成為門類比較齊全的系列[3]。美國的OMAC（Open Modular ArchitectureController）和歐共體的OSACA（Open System Architecture For Control Within Automation System）等一系列研究開發(fā)計(jì)劃的啟動(dòng)，使得數(shù)控技術(shù)在木材機(jī)械上的應(yīng)用開始逐步推廣[4]。隨著技術(shù)的發(fā)展，木工機(jī)床的形式也不斷更新變化，其中五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)集先進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制、高性能伺服驅(qū)動(dòng)和精密加工技術(shù)于一體，廣泛應(yīng)用于復(fù)雜曲面的高效、精密、自動(dòng)化加工，是制造行業(yè)理想的加工技術(shù)[5]，但是基于五軸聯(lián)動(dòng)的木工數(shù)控雕刻系統(tǒng)，在國內(nèi)尚未有成熟的研究技術(shù)。目前我國木工機(jī)械制造行業(yè)采用的數(shù)控系統(tǒng)主要為經(jīng)濟(jì)型，多采用單片機(jī)開發(fā)或PLC開發(fā)，主要使用廣州數(shù)控、南京華興數(shù)控、成都廣泰數(shù)控、江蘇仁和數(shù)控和北京帝特馬數(shù)控等產(chǎn)品。在人造板機(jī)械大型設(shè)備上也有采用德國西門子、日本發(fā)那客和日本三菱等公司產(chǎn)品。數(shù)控系統(tǒng)具有可以實(shí)現(xiàn)超程保護(hù)等多種優(yōu)勢(shì)[6]。

王偉等對(duì)虛擬加工進(jìn)行了概念上的分析，并詳細(xì)討論了其中的關(guān)鍵技術(shù)[7]；沈春龍研究了基于裝配關(guān)系的數(shù)控加工中心的建模方法并討論其運(yùn)動(dòng)模型[8]。目前，我國木工機(jī)械的數(shù)控軟件產(chǎn)業(yè)是發(fā)展最慢的產(chǎn)業(yè)，木工機(jī)械的主體軟件技術(shù)基本被德國、意大利和中國臺(tái)灣所掌握。絕大多數(shù)木工機(jī)械生產(chǎn)廠家都在買這些軟件生產(chǎn)數(shù)控木工機(jī)械，我國木工機(jī)械生產(chǎn)廠家所用的軟件絕大多數(shù)沒有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，也沒有掌控源代碼，因此在數(shù)控木工機(jī)械升級(jí)換代時(shí)必須依賴軟件源代碼所有的發(fā)達(dá)國家和地區(qū)。目前，中國的木工機(jī)械生產(chǎn)技術(shù)特別是核心技術(shù)仍主要依靠國外，部分行業(yè)還是勞動(dòng)密集型為主，附加值不高，這個(gè)狀況一直未從根本上發(fā)生改變[9]。

我國木工機(jī)械的硬件沒有形成體系，中低檔數(shù)控鏤銑機(jī)主要使用步進(jìn)電機(jī)，對(duì)使用伺服電機(jī)的數(shù)控鏤銑機(jī)配套不完善，在高檔數(shù)控鏤銑機(jī)的硬件供應(yīng)上也有一定的短缺。我國目前的木工機(jī)械的發(fā)展依然面臨著較大的困難。

1 研究方法

1.1 多軸木材復(fù)合加工中心的原理分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多軸雙轉(zhuǎn)塔式木材復(fù)合加工中心的實(shí)質(zhì)是一個(gè)五軸加工中心。機(jī)械手的三維模型如圖1所示，機(jī)械手里安裝3個(gè)電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)水平方向的旋轉(zhuǎn)，垂直方向的旋轉(zhuǎn)和末端加工刀具的旋轉(zhuǎn)。末端加工回轉(zhuǎn)塔上裝有兩個(gè)刀具，甚至更多，可以在加工一個(gè)工位后，轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)塔，便可以實(shí)現(xiàn)輕松換刀，既省去了重復(fù)安裝，拆卸的麻煩，提高生產(chǎn)效率，也避免了安裝后刀的絕對(duì)位置發(fā)生變化。而機(jī)械手的平移則依靠機(jī)床上的X，Y，Z方向上的導(dǎo)軌和絲桿實(shí)現(xiàn)加工刀架與回轉(zhuǎn)塔X，Y，Z軸的平移。

圖1 機(jī)械手三維示意圖

通過平移和轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)塔式木材加工中心刀架的具有較強(qiáng)的靈活性，配合數(shù)字控制原理，便能加工非常復(fù)雜、精密的木材形狀。圖2是機(jī)床裝配總圖。

圖2 復(fù)合加工中心三維裝配總圖

1.2 刀具的選擇和切削力計(jì)算

1.2.1 加工對(duì)象分析

木工刀具的切削對(duì)象是木材或木質(zhì)復(fù)合材料，它們與金屬材料不同，硬度大大低于金屬，但木材又是構(gòu)造不均勻的各向異性材料。此外，大多數(shù)木工刀具是在不連續(xù)切削條件下工作的。這些條件造成木工刀具的切削速度普遍高于金屬切削刀具，其承受的沖擊大于金屬切削刀具。在選擇木工刀具材料時(shí)，刀具材料的硬度、強(qiáng)度和韌性等性能必須適應(yīng)木工刀具的上述特點(diǎn)?？紤]木材的加工特殊性，一般被用作木材加工刀具的材料有合金鋼、碳素鋼、高速鋼和硬質(zhì)合金[10]。

本文以加工榫為例，需要有較好的耐磨性和被切削性，所以榫刀選用合金工具鋼，材料為CrWMn；鉆刀需要有較好的耐沖擊性和硬度，故鉆刀選用碳素工具鋼。

1.2.2 切削速度的計(jì)算

由于加工的材料一般屬于闊葉材，如樺木，紫檀木等等。切削速度建議在60～80 m/s之間，推薦的切削厚度a為0.2～0.8 mm之間。選擇切削厚度d=0.4 mm，加工進(jìn)給量a=0.4 m/s.

估算電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為nm=2870 r/min，齒輪減速器的傳動(dòng)比為i=8，因此刀具的轉(zhuǎn)速：

已知加工榫頭刀具的半徑R=36mm，由式（1）可以算得切削速度V：

1.2.3 切削力和單位切削力的計(jì)算

切削力，是指在切削過程中產(chǎn)生的作用在工件和刀具上的大小相等，方向相反的切削力，簡單的說，就是在加工過程中，工件材料抵抗刀具切削時(shí)產(chǎn)生的阻力。

單位切削力，是指作用在單位切削面積上的切削力[11]，用符號(hào)P表示。

其中，P表示單位切削力；Fx表示切削力；A表示切削面積；a表示切削厚度；b表示切削寬度。

不同的木材對(duì)于刀具的單位切削力也有很大的影響[12]。

在實(shí)際切削過程中，刀具磨損變鈍對(duì)切削力的影響局限在后刀面的切削力上。刀具磨損變鈍對(duì)單位切削力的影響用刀具刃口鈍化系數(shù)Cp修正。根據(jù)試驗(yàn)研究，Cp值與刃口圓弧半徑成正比。鋒利刀具刃口圓弧半徑5～10μm，對(duì)應(yīng)的鈍化系數(shù)Cp=1.

在綜合切削厚度、刀具磨損、木材性質(zhì)等因素后，有求單位切削力的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中，K為部分的樹木品種系數(shù)；A，B，C為不同的切削方向系數(shù)；Cp為鈍化系數(shù)；δ為刀具切割角；V為切削線速度。

下面計(jì)算實(shí)際切削力。由于家具大多使用樺木，樺木的硬度也較高，所以以樺木為例子計(jì)算實(shí)際切削力：

查表得：K=40 N/mm，A=0.746 N/mm2，B=0.235N/mm2，C=22.563 N/mm2，δ一般取-5°～25°，現(xiàn)取20°，已知：

代入式（4），得

把P的值代入式（3），得：

1.3 受力分析

轉(zhuǎn)塔式木材加工中心刀架的簡圖如圖3所示。

圖3 刀架簡圖

經(jīng)過受力分析可知，有兩個(gè)截面是應(yīng)力集中的截面，一個(gè)是A-A截面，另一個(gè)是B-B截面。但是，在加工過程中只有某個(gè)瞬間產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)達(dá)到最大。這個(gè)時(shí)刻是轉(zhuǎn)塔到達(dá)目標(biāo)位置后迅速停止時(shí)，下面將根據(jù)這種情況進(jìn)行分析：

緊急停止時(shí)，刀架的受力分析如圖4所示。

圖4 刀架受力圖

把該軸看作是一個(gè)懸臂梁，把懸臂梁右邊所接的全部部件看作是一個(gè)長方體。

Me是由于緊急制動(dòng)的時(shí)候，由于末端質(zhì)量大，慣性大，其末端產(chǎn)生的一個(gè)扭矩。mg是右邊整體施加給此懸臂梁右端面的重力。

末端整體對(duì)軸心方向的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jy’的計(jì)算：

其中，a為長方體的長；b為長方體的高；m為質(zhì)量。

根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量平衡軸公式：

求得刀架右邊整體對(duì)懸臂梁的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

Jy=1.241 25+50×0.252=4.366 kg·m2

根據(jù)慣性矩的公式：

經(jīng)實(shí)驗(yàn)算得轉(zhuǎn)塔在減速時(shí)的最大加速度ω =2π/3rad/s2，代入公式得Me=9.139 N·m.圖5為刀架的扭矩彎矩圖。

圖5 扭矩彎矩圖

可以看出，在A-A截面受力彎和扭矩是最大的。根據(jù)第四強(qiáng)度理論[13]：

式中，W為抗彎截面數(shù)；M為彎矩；T為扭矩；[σ]為許用應(yīng)力。

軸的抗彎截面系數(shù)

代入數(shù)據(jù)后算得

由于軸的材料是45#鋼，查得許用應(yīng)力[σ]=85 MPa

經(jīng)過計(jì)算，該截面滿足強(qiáng)度要求。

1.4 左右中心刀架的加工路線仿真

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的刀架的可靠性以及適應(yīng)性，并有效地觀測(cè)加工中心在工作過程中的狀態(tài)，采用了Solidworks進(jìn)行制作工藝路線模擬仿真[14]。以加工如圖所示的木材為例，左、右刀架的加工仿真路線分別如表1、表2所示。在仿真的過程中，工件被正常加工，并且刀具沒有產(chǎn)生干涉、碰撞等異常狀態(tài)。木材示意如圖6所示。

表1 左刀架加工仿真路線

表2 右刀架加工仿真路線

圖6 木材示意圖

2 研究結(jié)果

通過對(duì)轉(zhuǎn)塔式木材加工中心刀架及回轉(zhuǎn)塔的結(jié)構(gòu)分析、傳動(dòng)方式、零部件選型及刀架受力分析，驗(yàn)證了刀架截面強(qiáng)度滿足要求。另外，通過對(duì)制作工藝路線的模擬仿真驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)刀架工作時(shí)的可靠性及適應(yīng)性，創(chuàng)新產(chǎn)品[15]取得并已應(yīng)用。

3 結(jié)束語

本文根據(jù)提供的加工要求和工件形狀對(duì)數(shù)控木材加工中心進(jìn)行了機(jī)體的分析和設(shè)計(jì)。該機(jī)床通過高速電主軸進(jìn)行輸出加工，是一臺(tái)具備了多軸聯(lián)動(dòng)的雙轉(zhuǎn)塔復(fù)合式加工中心，能同時(shí)完成木材加工的多道工序，省去了大部分的換刀、換機(jī)床的時(shí)間，提高了加工的效率。雙轉(zhuǎn)塔式的設(shè)計(jì)使得加工效率是普通單轉(zhuǎn)塔的加工中心的兩倍。通過對(duì)刀架的建模、受力分析、加工路線仿真，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)刀架的可靠性以及適應(yīng)性，并有效地觀測(cè)加工中心在工作過程中的狀態(tài)。多軸木材復(fù)合加工中心能夠提高生產(chǎn)效率，同時(shí)有效地提高木材加工的自動(dòng)化程度。

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Research of Multi-Axis Dual TurretComposite Wood Processing Center

LU Yong-feng，CHEN Ming-you，SHEN Hua-wei，ZOU Xiang-jun
（College of Engineering，South China Agricultural University，Guangzhou Guangdong 510642，China）

Automatic woodworking technologies has become an important direction.To improve production efficiency and automation，structural analyses of industrial woodworking machinery is made，and improvement is made basing on general woodworking machine.Five-axis center for wood processing is design in this paper.Based on the structure of modeling drawn by solidworks，the revolving structure can easily have the cutter changed，which improves the working efficiency，and prevent the absolute position of the cutter from changing after it is installed in the machining center.Meanwhile，the cutting force is calculated and strength check is taken.At last，a simulation about the working process is taken.The result indicates that multi-axis wood processing center can exactly improve the production efficiency，while improving the degree of automation about wood processing.

numberical control machining center；wood processing machine；mechanical design；cutting force

TG659

A

1672-545X（2017）02-0021-05

2016-08-10

2014年佛山市經(jīng)濟(jì)科技發(fā)展專項(xiàng)資金（信息技術(shù)部分）項(xiàng)目：視覺系統(tǒng)在智能木工加工裝備中的研究與應(yīng)用

盧永鋒（1993-），男，廣東佛山人，學(xué)士，研究方向：機(jī)械制造及其自動(dòng)化；鄒湘軍（1957-），女，湖南衡陽人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)、智能設(shè)計(jì)與制造。