多轴双转塔木材复合加工中心的研究

卢永锋，陈明猷，沈华炜，邹湘军

多轴双转塔木材复合加工中心的研究

卢永锋，陈明猷，沈华炜，邹湘军

（华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广东广州510642）

自动化的木工加工技术已经成为当今重要的发展方向。为提高生产效率和自动化程度，对一般工业木工机械进行结构性分析，在一般木工加工机床的结构上进行改变，提出了一种五轴联动木材加工中心。根据Solidworks的建模，刀架的回转结构可以实现轻松换刀，提高生产效率，也避免了安装后刀的绝对位置发生变化。同时，计算其加工时的切削力和进行强度校核，并对其加工过程进行仿真，结果表明多轴木材复合加工中心可以提高生产效率，同时有效地提高木材加工的自动化程度。

数控加工中心；木工机械；机械设计；切削力

依托持续创新的现代计算机技术，机构设计、电机应用、控制芯片、软件平台和程序设计等领域快速发展，木质产品加工设备的性能不断得到改进和提高[1]。随着计算机技术的不断发展，数控木工机床的发展极为迅速，以数控木工铣床为代表，数控木工车床、数控木工锯床、数控木工钻床等也相继问世，成为促进木材加工业发展的一支生力军[2]。目前，木工机床己形成包括带锯机、圆锯机、平刨床、压刨床、铣床、镂铣机等在内的完备的加工设备体系，成为门类比较齐全的系列[3]。美国的OMAC（Open Modular ArchitectureController）和欧共体的OSACA（Open System Architecture For Control Within Automation System）等一系列研究开发计划的启动，使得数控技术在木材机械上的应用开始逐步推广[4]。随着技术的发展，木工机床的形式也不断更新变化，其中五轴联动数控系统集先进结构设计技术、计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，广泛应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工，是制造行业理想的加工技术[5]，但是基于五轴联动的木工数控雕刻系统，在国内尚未有成熟的研究技术。目前我国木工机械制造行业采用的数控系统主要为经济型，多采用单片机开发或PLC开发，主要使用广州数控、南京华兴数控、成都广泰数控、江苏仁和数控和北京帝特马数控等产品。在人造板机械大型设备上也有采用德国西门子、日本发那客和日本三菱等公司产品。数控系统具有可以实现超程保护等多种优势[6]。

王伟等对虚拟加工进行了概念上的分析，并详细讨论了其中的关键技术[7]；沈春龙研究了基于装配关系的数控加工中心的建模方法并讨论其运动模型[8]。目前，我国木工机械的数控软件产业是发展最慢的产业，木工机械的主体软件技术基本被德国、意大利和中国台湾所掌握。绝大多数木工机械生产厂家都在买这些软件生产数控木工机械，我国木工机械生产厂家所用的软件绝大多数没有自主知识产权，也没有掌控源代码，因此在数控木工机械升级换代时必须依赖软件源代码所有的发达国家和地区。目前，中国的木工机械生产技术特别是核心技术仍主要依靠国外，部分行业还是劳动密集型为主，附加值不高，这个状况一直未从根本上发生改变[9]。

我国木工机械的硬件没有形成体系，中低档数控镂铣机主要使用步进电机，对使用伺服电机的数控镂铣机配套不完善，在高档数控镂铣机的硬件供应上也有一定的短缺。我国目前的木工机械的发展依然面临着较大的困难。

1 研究方法

1.1 多轴木材复合加工中心的原理分析与结构设计

多轴双转塔式木材复合加工中心的实质是一个五轴加工中心。机械手的三维模型如图1所示，机械手里安装3个电机，以实现水平方向的旋转，垂直方向的旋转和末端加工刀具的旋转。末端加工回转塔上装有两个刀具，甚至更多，可以在加工一个工位后，转动回转塔，便可以实现轻松换刀，既省去了重复安装，拆卸的麻烦，提高生产效率，也避免了安装后刀的绝对位置发生变化。而机械手的平移则依靠机床上的X，Y，Z方向上的导轨和丝杆实现加工刀架与回转塔X，Y，Z轴的平移。

图1 机械手三维示意图

通过平移和转动，转塔式木材加工中心刀架的具有较强的灵活性，配合数字控制原理，便能加工非常复杂、精密的木材形状。图2是机床装配总图。

图2 复合加工中心三维装配总图

1.2 刀具的选择和切削力计算

1.2.1 加工对象分析

木工刀具的切削对象是木材或木质复合材料，它们与金属材料不同，硬度大大低于金属，但木材又是构造不均匀的各向异性材料。此外，大多数木工刀具是在不连续切削条件下工作的。这些条件造成木工刀具的切削速度普遍高于金属切削刀具，其承受的冲击大于金属切削刀具。在选择木工刀具材料时，刀具材料的硬度、强度和韧性等性能必须适应木工刀具的上述特点。考虑木材的加工特殊性，一般被用作木材加工刀具的材料有合金钢、碳素钢、高速钢和硬质合金[10]。

本文以加工榫为例，需要有较好的耐磨性和被切削性，所以榫刀选用合金工具钢，材料为CrWMn；钻刀需要有较好的耐冲击性和硬度，故钻刀选用碳素工具钢。

1.2.2 切削速度的计算

由于加工的材料一般属于阔叶材，如桦木，紫檀木等等。切削速度建议在60～80 m/s之间，推荐的切削厚度a为0.2～0.8 mm之间。选择切削厚度d=0.4 mm，加工进给量a=0.4 m/s.

估算电机的额定转速为nm=2870 r/min，齿轮减速器的传动比为i=8，因此刀具的转速：

已知加工榫头刀具的半径R=36mm，由式（1）可以算得切削速度V：

1.2.3 切削力和单位切削力的计算

切削力，是指在切削过程中产生的作用在工件和刀具上的大小相等，方向相反的切削力，简单的说，就是在加工过程中，工件材料抵抗刀具切削时产生的阻力。

单位切削力，是指作用在单位切削面积上的切削力[11]，用符号P表示。

其中，P表示单位切削力；Fx表示切削力；A表示切削面积；a表示切削厚度；b表示切削宽度。

不同的木材对于刀具的单位切削力也有很大的影响[12]。

在实际切削过程中，刀具磨损变钝对切削力的影响局限在后刀面的切削力上。刀具磨损变钝对单位切削力的影响用刀具刃口钝化系数Cp修正。根据试验研究，Cp值与刃口圆弧半径成正比。锋利刀具刃口圆弧半径5～10μm，对应的钝化系数Cp=1.

在综合切削厚度、刀具磨损、木材性质等因素后，有求单位切削力的经验公式：

式中，K为部分的树木品种系数；A，B，C为不同的切削方向系数；Cp为钝化系数；δ为刀具切割角；V为切削线速度。

下面计算实际切削力。由于家具大多使用桦木，桦木的硬度也较高，所以以桦木为例子计算实际切削力：

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°，现取20°，已知：

代入式（4），得

把P的值代入式（3），得：

1.3 受力分析

转塔式木材加工中心刀架的简图如图3所示。

图3 刀架简图

经过受力分析可知，有两个截面是应力集中的截面，一个是A-A截面，另一个是B-B截面。但是，在加工过程中只有某个瞬间产生的应力会达到最大。这个时刻是转塔到达目标位置后迅速停止时，下面将根据这种情况进行分析：

紧急停止时，刀架的受力分析如图4所示。

图4 刀架受力图

把该轴看作是一个悬臂梁，把悬臂梁右边所接的全部部件看作是一个长方体。

Me是由于紧急制动的时候，由于末端质量大，惯性大，其末端产生的一个扭矩。mg是右边整体施加给此悬臂梁右端面的重力。

末端整体对轴心方向的转动惯量Jy’的计算：

其中，a为长方体的长；b为长方体的高；m为质量。

根据转动惯量平衡轴公式：

求得刀架右边整体对悬臂梁的转动惯量

Jy=1.241 25+50×0.252=4.366 kg·m2

根据惯性矩的公式：

经实验算得转塔在减速时的最大加速度ω =2π/3rad/s2，代入公式得Me=9.139 N·m.图5为刀架的扭矩弯矩图。

图5 扭矩弯矩图

可以看出，在A-A截面受力弯和扭矩是最大的。根据第四强度理论[13]：

式中，W为抗弯截面数；M为弯矩；T为扭矩；[σ]为许用应力。

轴的抗弯截面系数

代入数据后算得

由于轴的材料是45#钢，查得许用应力[σ]=85 MPa

经过计算，该截面满足强度要求。

1.4 左右中心刀架的加工路线仿真

为了验证所设计的刀架的可靠性以及适应性，并有效地观测加工中心在工作过程中的状态，采用了Solidworks进行制作工艺路线模拟仿真[14]。以加工如图所示的木材为例，左、右刀架的加工仿真路线分别如表1、表2所示。在仿真的过程中，工件被正常加工，并且刀具没有产生干涉、碰撞等异常状态。木材示意如图6所示。

表1 左刀架加工仿真路线

表2 右刀架加工仿真路线

图6 木材示意图

2 研究结果

通过对转塔式木材加工中心刀架及回转塔的结构分析、传动方式、零部件选型及刀架受力分析，验证了刀架截面强度满足要求。另外，通过对制作工艺路线的模拟仿真验证了所设计刀架工作时的可靠性及适应性，创新产品[15]取得并已应用。

3 结束语

本文根据提供的加工要求和工件形状对数控木材加工中心进行了机体的分析和设计。该机床通过高速电主轴进行输出加工，是一台具备了多轴联动的双转塔复合式加工中心，能同时完成木材加工的多道工序，省去了大部分的换刀、换机床的时间，提高了加工的效率。双转塔式的设计使得加工效率是普通单转塔的加工中心的两倍。通过对刀架的建模、受力分析、加工路线仿真，验证了所设计刀架的可靠性以及适应性，并有效地观测加工中心在工作过程中的状态。多轴木材复合加工中心能够提高生产效率，同时有效地提高木材加工的自动化程度。

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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年佛山市经济科技发展专项资金（信息技术部分）项目：视觉系统在智能木工加工装备中的研究与应用

卢永锋（1993-），男，广东佛山人，学士，研究方向：机械制造及其自动化；邹湘军（1957-），女，湖南衡阳人，教授，博士生导师，研究方向：虚拟现实、智能设计与制造。