（机械工程专业论文）立柜门孔槽专用数控加工设备设计及仿真设计研究.pdf

摘要 随着经济的快速增长，人们生活质量的提高和居住环境的改善，立柜i j 已经成为现 代生活和办公等环境不可缺少的家具产品之一，立柜门的设计日益呈现出个性化、艺术 化和规模化的特点。然而，我国目前立柜门孔槽的加工主要是采用单轴木工钻床、多轴 木工钻床以及活页钻孔机等，这种加工方式存在加工工序分散、加工精度低和自动化程 度低等诸多问题，无论是加工精度、机床的结构形式以及生产效率都不能满足现代加工 的要求。因此，目前急需设计一种新型的立柜门孔槽专用数控加工机床，在满足市场需 求的同时也为木工机械的发展提供一种新思路，提高我国木工机械的数控化程度。 本文以典型的立柜门孔槽为加工对象，通过对立柜门孔槽的数控加工工艺进行分 析，设计了立柜门孔槽专用数控加工设备。机床采用鼠j ，、z 三轴联动的龙门结构形 式，主要由上料机构，推料机构、定位夹紧机构、横梁主轴运动机构、龙门纵向驱动机 构、下料机构以及电控系统等部分组成。此外，设计了一种气动控制的专用定位夹紧机 构，使工件在一次装夹的情况下，通过机床三轴联动，就能完成所有工序的加工，减小 了因多次装夹带来的累积误差。同时，运用a d a m s 软件对对中夹紧机构中的齿轮齿条 啮合传动进行了仿真分析，以此来验证设计的合理性。 本文还运用a n s y s 软件对横梁主轴运动机构中的龙门横梁进行了有限元分析，首 先，针对龙门横梁的位移和应力进行了结构静力分析，得到了位移和应力云图：其次， 针对龙门横梁在不同频率下的振动进行了模态分析，得到了龙门横粱的固有频率和振 型；最后，针对龙门横梁已知频率外载荷下的振动产生的位移响应进行了谐响应分析， 得到了龙门横梁各点的位移响应曲线，为其结构优化提供依据。此外，通过p r o n c 模 块模拟立柜门孔槽的数控加工过程，实现了立柜门孔槽加工过程的自动编程。 最后，在p r o _ e 环境下对整台数控机床进行建模和装配，并进行模型的运动仿真分 析，通过分析可以发现设计中存在的问题，提前进行改进和完善，缩短产品研发周期， 减少设计成本。 关键词立柜门；数控加工；总体设计；编程方法；运动仿真 a b s t r a c l a b s t r a c t w i t ht h er a p i de c o n o m i cg r o w t ha n dt h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d sa n d e n v i r o n m e n t ，v e r t i c a lc u p b o a r dd o o r sh a v eb e c o m eo n eo ft h ei n d i s p e n s a b l ef u r n i t u r ef o rt h e e n v i r o n m e n to fm o d e ml i f ea n do f f i c e ，w h i c hd e s i g nh a v ei n c r e a s i n g l ys h o w nt h ef e a t u r e so f p e r s o n a l i t y , a r t i s t i ca n ds c a l e h o w e v e r , t h eh o l es l o t sp r o c e s s i n gf o rt i l ec u r r e n tv e r t i c a l c u p b o a r dd o o r sa l eu s e db yu n i a x i a lw o o d w o r k i n gd r i l l ，m u l t i s p i n d l ew o o d w o r k i n gd r i l la n d h i n g eh o l ed r i l l ，w h o s em a n u f a c t u r i n gm e t h o d sh a v em a n yp r o b l e m s ，s u c ha sd e c e n t r a l i z e d p r o c e s s i n gp r o c e d u r e s ，l o wp r o c e s s i n ga c c u r a c ya n da u t o m a t i o n ，s ow h e t h e rm a c h i n i n g a c c u r a c y , m a c h i n et o o ls t r u c t u r e o rp r o d u c t i o ne f f i c i e n c yc a n n o tm e e tt h e r e q u i r e m e n t so f m o d e mp r o d u c t i o n t h e r e f o r e ，i ti sa nu r g e n tn e e df o rd e s i g nan e w h o l es l o t sd e d i c a t e dn c m a c h i n ef o rv e r t i c a lc u p b o a r dd o o r s ，w h i c hn o to n l yh a v ep r o v i d e dan e w t h i n k i n gf 1 0 rt h e d e v e l o p m e n to fw o o d w o r k i n gm a c h i n e r yw h e nm e e t i n gt h em a r k e td e m a n d ，b u ta l s oi m p r o v e d d o m e s t i cl e v e lo fc n c w o o d w o r k i n gm a c h i n e r y i nt h i sp a p e r ，t h eh o l es l o t so ft h ev e r t i c a lc u p b o a r dd o o rh a v eb e e nt h e t y p i c a lo b j e c tf o r p r o c e s s i n g t h o u o 曲t h ec n cm a c h i n i n gp r o c e s sa n a l y s i so fh o l es l o t so ft h ev e r t i c a lc u p b o a r d d o o r ，t h eh o l es l o t sd e d i c a t e dn cm a c h i n i n ge q u i p m e n tf o rv e r t i c a l c u p b o a r dd o o r sw a s d e s i g n e d i nt h i sd e s i g n ，t h es t r u c t u r ef o r mo fg a n t r yw i t hx ，yza x i sl i n k a g eh a v eb e e nu s e d f o rt h em a c h i n e ，w h i c hh a sc o n s i s t e do fm a t e r i a lm e c h a n i s m so fe n t r a n c ea n de x i t m e c h a n i s m o fp o s i t i o n i n ga n dc l a m p i n g ，m o t i o nm e c h a n i s mo fm a i na x i so nb e a m ，d r i v em e c h a n i s mo f v e r t i c a lg a n t r ya n dt h ee l e c t r o n i cc o n t r o l s y s t e m i na d d i t i o n ，as p e c i a lp o s i t i o n i n ga n d c l a m p i n gd e v i c ec o n t r o l l e db ya i r - a c t u a t e dh a sb e e nd e s i g n e d ，s ot h a ta l lo fp r o c e s s i n g o p e r a t i o n sc a nb ec o m p l e t e di nt h ec a s eo fc l a m p i n gt h ew o r k p i e c eo n e t i m e ，t h r o u g ht h r e e a x i sl i n k a g e ，t or e d u c et h ec u m u l a t i v ee r r o ra st h er e s u l to fm u l t i p l ec l a m p i n g a tt h es a m e t i m e ，t h er a c ka n dp i n i o ng e a rt r a n s m i s s i o no ft h em i d d l es y m m e t r i c a lc l a m pd e v i c eh a v eb e e n s i m u l a t e da n d a n a l y z e dw i t ha d a m s s o f t w a r ei no r d e rt ov e r i f yt h er a t i o n a l i t yo ft h ed e s i g n i nt h i sa r t i c l e ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s e sa l s oh a v eb e e nd o n e b yu s i n ga n s y ss o f t w a r ef o r g a n t r yb e a m so ft h eb e a ma x i sm o t i o nm e c h a n i s m f i r s t ，t h es t r u c t u r a ls t a t i c a n a l y s i sw a s c a r r i e do u to nt h eg a n t r yb e a m sa n dt h ed i s p l a c e m e n ta n ds t r e s sm a pw a sg o t s e c o n d ，t h e m o d a la n a l y s i sw a sc a r r i e do u to nt h eg a n t r yb e a m sa td i f f e r e n tf r e q u e n c i e so fv i b r a t i o n , t h e n a t u r a lf r e q u e n c ya n dv i b r a t i o nm o d eo ft h eg a n t r yb e a mw a so b t a i n e d f i n a l l y ，t h eh a r m o n i c a n a l y s i sw a sc a r r i e do u to nt h ed i s p l a c e m e n to ft h eg a n t r yb e a m sw h i c hg e n e r a t e db yt h e k n o w n f r e q u e n c yv i b r a t i o n su n d e re x t e r n a ll o a d ，a n dt h ed i s p l a c e m e n tr e s p o n s ec u r v eo fe a c h p o m to ft h eg a n t r yb e a mw a sg o tw h i c hp r o v i d e dt h eb a s i sf o rs t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n i n a d d i t i o n ，t h r o u g hs i m u l a t i n gt h eh o l es l o t sp r o c e s s i n gf o rv e r t i c a lc u p b o a r dd o o rw i t ht h e i i a b m r a c l p r o n cm o d u l e s ，a u t o m a t i cp r o g r a m m i n gf o rh o l es l o t sp r o c e s s i n gv e r t i c a lc u p b o a r dd o o rh a s b e e na c h i e v e d f i n a l l y ，t h em o t i o nm o d e lo fw h o l ee q u i p m e n th a v eb e e ne s t a b l i s h e da n da s s e m b l e di n p r o ee n v i r o n m e n t ，a n dm o t i o ns i m u l a t i o no ft h em o d e lh a sb e e na n a l y z e d t h ep r o b l e m sc a n b ef o u n db ya n a l y z e de x i s t i n gi nt h ed e s i g n ，i no r d e rt op r o v i d eg u i d a n c ef o rt h ed e s i g nt o i m p r o v ea n dp e r f e c t ，t os h o r t e np r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l e sa n dr e d u c ed e s i g nc o s t s k e y w o r d s v e r t i c a lc u p b o a r dd o o r s ；n cm a c h i n i n g ；g e n e r a ld e s i g n ；p r o g r a m m i n g m e t h o d ；m o t i o ns i m u l a t i o n 。i i i 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 中国家具的发展已有5 0 0 0 多年的历史，立柜产业是家具行业的重要组成部分，作为 一种独立的产品门类，在我国起步较晚，发展历史也很短，与国外发达国家相比，无论 是技术水平，还是设计水平，都存在一定的差距。随着人们生活水平的提高，我国立柜 产业发展迅速，在短短十几年的时间内，无论是制造工艺、产品规模、技术水平以及材 料应用等诸多方面，都取得了长足的进步，产品出1 2 1 到世界多个国家【l 】。 目前，我国的家具产量位居世界第一位，人造板产量亦位于世界前列，但其加工设 备的加工能力，总体规模以及加工产品的精度仍与发达国家有很大差距。我国的数控木 材无论是加工设备，还是制造工艺、质量检测和技术水平等方面都比较落后，生产的产 品精度不高，稳定性与可靠性都较差，近年来，只有少数规模较大的小工机械企业引进 了数控加工中心和加工生产线。然而，在发达国家，特别是在欧洲，木材加工领域已基 本实现数控化，木制品的种类齐全、精度水平高和生产效率高。数控技术已渗透到木制 品加工的各个加工工序，木制品加工的c a d c a p p c a m 集成化的发展已经具体化，家 具工业已实现具体产品的全套数控化生产1 2 j 。 随着科学技术的发展，数控加工技术通过与计算机技术、现代控制技术、传感检测 技术、信息处理技术等有机结合，正在朝着机电一体化的方向发展，这也大大推动了立 柜门孔槽加工设备的数控化发展。然而，目前我国的数控加工设备的数控化程度仍然较 低，传统加工设备存在加工工序分散、生产效率低和自动化及可视化程度低等诸多弊 端，已不能满足国内立柜门生产加工设备性能的要求，直接影响到产品的质量，在我国 还没有专门用于立柜门孔槽加工的专用数控设备。 1 2 国内外立柜门孔槽专用数控加工设备的发展现状 1 2 1 国内立柜门孔槽专用数控加工设备的发展现状 中国是世界家具生产和出口大国，2 0 0 3 年中国家具出口首次超过意大利，2 0 0 6 年中 国家具产业产值已跃居世界第一位，全球家具贸易总量的五分之一由中国完成，中国已 经成为全球家具的制造中心。根据2 0 11 - 2 0 1 5 年中国家具市场投资分析及前景预测报告 可知，2 0 1 0 年l 1 1 月，家具制造业销售收入总额达至j j 3 7 9 3 0 7 9 亿元，同比增长3 0 7 7 ， 家具制造业利润总额达至u 1 8 6 0 8 0 亿元，同比增长4 6 8 0 。立柜产业作为家具行业的一 部分，在我国经过1 0 多年的发展，目前生产厂家在全国已有几千多家，其中具有相当技 术设备能力的企业有广州欧派、北京科宝、青岛海尔、浙江方太等。随着加工技术的不 断发展，我国在立柜门的加工设备，加工材料以及加工工艺等方面取得了很大的进步， 目前，产品已经具备出口水平。 东北林业大学硕十学位论文 我国的家具产量位于世界之首，产品出口到世界多个国家，但我国家具机械的加工 能力和加工产品的质量都比较落后，大多数家具产品还是采用传统的加工方式，家具机 械整体的设计、研发和制造水平与发达国家相比还有很大差距。家具机械的数控生产线 开发比较迟缓，数控化程度底，从而影响我国家具产品的加工精度，限制了家具工业的 进一步发展。我国数控木工机床的发展也比较缓慢，2 0 世纪9 0 年代，江苏省常州佳纳木 工机械制造有限公司成功开发了我国第一台数控木工铣床。随后，国内的家具机械制造 厂和部分研究所开始对数控木工机床进行研发，国家林业局北京林业机械研究所先后于 1 9 9 8 年、1 9 9 9 年和2 0 0 0 年分别成功研制懈i 型数控加工中心、m x k 5 0 2 6 型四轴数控 镂铣机和m x x i i 经济型数控镂铣机 2 1 。山东工友集团也开发了可以用于实木雕刻、木门 修边等的m x 5 0 6 型木工镂铣机。 立柜门孔槽数控加工主要是对立柜门上的合页孔、盲孔、锁孔和拉手孔的加工，这 些孔、槽的加工是立柜门加工工艺中一个很重要的加工工序，孔槽的好坏直接影响接合 强度和质量。在我国立柜门的加工主要是用赢式单、多轴钻床、卧式钻床、多轴多排钻 床和专用钻床等，其中使用最多的是多轴多排钻，多排钻一般是6 1 0 头，几乎所有家 具生产企业都有多轴多排木工钻床【3 】。由于立柜门孔槽加工的数控化程度非常低，从而 影响产品的加工质量和立柜产业的进一步发展。 随着生活水平的不断提高、市场变化节奏的加快以及室内装饰业的迅速发展，人们 越来越趋向于装修风格和家具风格的和谐统一，采用传统的加工方法已经无法满足人们 对家具产品款式、档次、质量的要求。若采用数控机床或加工中心，则可将家具产品按 照加工的技术要求编成数控加工程序输入到机床的数控系统中，通过机床刀具和工件的 相对运动来完成家具产品的加工。通过数控机床不仅可以加工复杂的曲面家具产品，而 且加工的产品质量好、精度高、效率高。在今后立柜产业的发展中，生产制造标准化； 集团化、专业化的协作道路；同时开发现代产品和突出民族特色的产品；制造材料多样 化；开发绿色环保产品和生产加工数控化将是我国立柜门生产发展的主要趋势。 1 2 2 国外立柜门孔槽专用数控j j n - r 设备的发展现状 国外的数控技术自2 0 世纪5 0 年代问世至今，在数控加工领域取得了突破性的发展， 成果显著。目前，在家具产品加工领域已经基本实现了全套数控化生产，加工的产品种 类多、精度高和效率高。进入2 l 世纪，数控技术又进入了一个新的发展阶段，2 0 0 6 年的 意大利米兰国际木工机械展览会上展出了采用多轴( “8 个) 传动的龙门式的数控木工 铣床，该机床带有刀库和换刀系统，换刀时间短，仅用0 5 s 的时间就可将所用切削刀具 自动安装到刀轴上，具有很高的切削效率和加工能力，有效地扩大了加工范围，提高生 产率m 。2 0 11 年广州国际木工机械展览会上，比雅斯集团展出的i n s i d e rf t 2 数控钻加工 中心是一台自动化程度极高的全程n c 数控“穿越式 钻孔设备，主要用于橱柜、立柜 门板的钻削加工，可以同时加工一块或两块工件，加工效率高、精度高；德国豪迈展出 了的窄料钻削加工中心，主要用于木门、木窗、柜橱门板等的加工，加工精度和效率都 l 绪论 非常高。 在欧洲发达国家，立柜门孔槽加工技术已经非常先进，数控化程度几乎是1 0 0 。 德国和意大利作为全球木工机械制造业的两大巨头，在立柜门数控加工设备的研制、下 料、板材加工、表面钻孔和装饰加工等方面也处于世界领先水平。在国外，立柜门孔槽 的加工主要以数控加工为主，近年来，用于立柜门孔槽加工的数控加工中心也相继出 现，加工中心能在工件一次装夹后能完成较多的加工工序，减少工序间的辅助时间，实 现工序的高度集中，有效地提高了生产率，同时加工产品的精度高，减少了由于多次装 夹引起的累积误差，大幅度提升了产品的质量。同时，加工中心还可对形状较复杂，精 度要求高的单件加工或中小批量产品进行加工。目前，国外立柜门孔槽的加工已经进入 了全自动数控化生产的阶段。 1 3 立柜门的种类及基本特性 1 3 1 立柜门的种类 目前我国市场上的立柜门种类很多，款式也大同小异，但功能、性能及用材有较大 差异。根据不同的材料构成，大致可分以下几类： ( 1 ) 实木型 实木制作的立柜门板，具有回归自然、返璞归真的效果，风格多为古典型，其门框 为实木，门芯为中密度板贴实木皮，这样可以保证实木的特殊视觉效果，边框与芯板组 合又可以保证门板强度，且不开裂、不变形，是较高档的产品。 ( 2 ) 防火板型 防火门板以刨花板、防潮板或密度板为基材，表面饰以防火板。防火板型门板是目 前用得最多的门板材料，它的颜色比较鲜艳，封边的形式多种多样，具有耐磨、耐高 温、耐剐、抗渗透、容易清洁、防潮、不褪色、触感细腻、价格实惠等优点。 ( 3 ) 三聚氢胺饰面板型 具有表面平整、不易变形、色泽鲜艳、耐磨耐腐蚀的优点，而且价格适中。配上本 色封便条，给人一种混为一体的视觉效果。 ( 4 ) 吸塑型 吸塑型门板色彩丰富，木纹逼真，单色色度纯艳，不开裂、不变形，耐划、耐热、 耐污、防褪色，是最成熟的立柜门板材料，而且日常维护简单。 ( 5 ) 模压型 模压门板是欧洲最常用的门板之一。它以密度板为基材，以面模p v c 作贴面经高 温热压成型。它分为亚光模压板和高光模压板两大类，可加工成各种形状。 ( 6 ) 烤漆型 烤漆板基材为密度板，表面经过六次喷烤进口漆( 三底、二面、一光) 高温烤制而 成。烤漆板的特点是色泽鲜艳易于造型，具有很强的视觉冲击力，非常美观时尚且防水 性能极佳，抗污能力强，易清理。缺点是工艺水平要求高，废品率高。 东北林业大学硕十学位论文 ( 7 ) 水晶金属封边型 基材可用刨花板、密度板和大芯板，表面压喷有油墨的压克力，四面包铝合金边， 晶莹剔透，颜色光鲜。 ( 8 ) 嵌板门型 框为中密度板，外包防划p v c 膜，内可嵌三聚氢胺或吸塑饰面板，不易变形，防潮 防划性能好。 1 3 2 立柜门的基本特性 产品设计是立柜门基本特性的重要环节，好的设计在产品的构筑中起着重要的作 用。立柜门的产品应具备如下性能f 7 】： ( 1 ) 功能性 满足立柜门的使用功能是立柜门最实际、最根本的要求。通常所说的使用功能包 括：门的开启性能、门的防火性能、门的防盗性能、门的风压变形性能、门的防水性能 和门的整体强度。设计时，应针对不同的使用场合和使用部位，确定其使用功能。为了 达到这些功能，通常可以在选材和制造工艺两方面加以考虑。 立柜门制作工艺的好坏直接影响着其使用寿命，一般来说在使用一段时间后，往往 容易出现变形、开裂等现象，从而降低了其抵抗变形、密封及各项性能。因此，在选材 时，要根据立柜门的应用场合选择适合的种类，以保证其使用功能。除了立柜门本身的 制作工艺外，五金件的质量也影响着立柜门的使用寿命。合页是连接立柜门与门框的重 要五金件，好的合页具有防腐性能和良好的传动性，能够确保合页受力均匀。 ( 2 ) 装饰性 科技时代的到来，使立柜门在现代工艺精加工的包装下更加品质高雅，让消费者超 前领略了新生活的全新感受。人们越来越重视立柜门整体设计美感，门板的造型要与居 室情调相搭配，或欧式雕花、或者古韵犹存、或简洁明快。 目前，市面上立柜门的款式众多，木材与玻璃、铝合金、金属等的组合，使立柜门 外观更为典雅、亮丽，也让消费者在挑选不同功用的立柜门有了更多选择和搭配方式。 一般来说，立柜门的造型要与居室装饰风格相一致。另外，立柜门木质的选择也应尽量 与室内家具的木质相一致，以达到最佳的居室装潢效果。立柜门因选用树种材料的不 同，而呈现出变化多端的木质纹理及色泽，选择与居室装饰格调相一致的立柜门，将会 令居室增色不少。 ( 3 ) 环保性 随着绿色环保性建材产品的日益走俏和人们消费理念的变化。立柜门的环保性能越 来越受到人们的关注。为了保证立柜门的环保性能，设计时应从两方面考虑：一方面， 选择绿色环保无污染的原辅材料。人造板和胶粘剂，选择由权威机构认定的环境标志产 品。并且，人造板和木材的含水率要与当地平衡含水率相适宜，不宜选用含水率较高的 原辅材料，因为，其他条件相同时，材料的含水率越高，甲醛等有害物质的释放速度越 l 绪论 快。另一方面，选择合理的加工工艺。比如：热压时，选择合适的涂胶量、适宜的温 度、压力和加压时间、封边尽量严密等。 ( 4 ) 经济性 立柜门作为一种商品，是通过交换来实现它的价值。在进行产品设计、制作时，不 仅要针对不同的目标客户群，满足顾客个性化的需求，同时也要考虑到产品的经济性， 使产品达到最高的性价比，从而为企业盈利。无论是立柜门的设计师还是生产企业都要 在保证产品质量的基础上，从设计产品开始就力求选择合适的材料，简化产品结构，延 长产品的使用寿命，尽量降低产品的成本和消费者的经济负担，做到物美价廉。 ( 5 ) 安装方便性 立柜门的运输和安装也是产品的一大块成本，因此，在设计过程中，应尽量考虑产 品具有互换性、可以散件提供。 综上所述，制作一套精良的立柜门产品，关键在于产品的设计。产品的设计要综合 考虑产品满足人体工程学；材料的选择上要求环保无污染；富有美学特征：良好的经济 性能；选择合适的加工工艺；安装使用便捷高效；能回收利用等，使产品具有较高的性 价比。 1 4 论文研究的目的和意义 1 4 1 研究的目的 立柜门作为立柜的一个非常关键的部分，其质量的好坏直接影响着整个立柜的品 质。目前，国外立柜产业已经完全进入了数控化加工的模式，产品正在向高质量、高精 度的方向发展。 我国立柜门孔槽的加工设备主要是采用单轴木工钻床或多轴木工钻床等进行，大中 型立柜企业普遍采用的是多轴多排钻床，少数企业采用数控加工中心，还有的企业采用 的是专用的活页钻孔机来加工立柜门的合页孔和盲孔。但这种加工生产率低，加工工序 分散，自动化程度和加工精度都比较低，在我国还没有专门用于立柜门孔槽的数控加工 设备。为了解决立柜门在传统加工中的不足之处，就要求有一种更先进的加工设备，本 论文的研究目的就是要设计一台专用的立柜门孔槽数控加工设备并对其仿真技术进行研 究，形成在立柜门生产加工中的一种新技术。 1 4 2 研究的意义 通过对该设备及相关技术的研究开发具有重要的意义： ( 1 ) 提高我国木工机械的数控化程度，缩小与国外的差距。目前，我国的整个木 工机械行业数控化程度不到1 0 ，而国外个别发达国家木工机械产品的9 0 均已经数控 化。开发此设备可以提高立柜f - j n 工的数控化程度，改变我国立柜门生产加工的现状， 提高产品的加工精度，实现产品的数控化生产。 ( 2 ) 改变传统立柜门孔槽的加工方式，采用专用数控机床在一次装夹的情况下对 东北林业大学硕士学位论文 立柜门的孔槽进行加工，实现了工序集中，缩短了加工时间和辅助加工时间，提高了生 产效率和产品的加工精度，形成了立柜门加工产业的一种新技术，增强了我国的立柜产 品在国际上的竞争力，满足了人们对立柜门在种类、质量和数量上的需求，对于进一步 提高我国整个木工机械行业技术水平具有重要的意义。 ( 3 ) 该设备技术先进，加工效率高，具有广阔的市场前景。我国的家具产量位居 世界第一，出口量大，立柜门的需求量正在逐年增长，该专用数控加工设备的研发符合 国情，可以在大幅度降低产品成本的同时，提高了加工生产的效率，可以为立柜加工企 业带来超额利润。 目前，国内的数控木工机床成本已经降低，进行数控化普及的时代已经来临，这对 提升国内数控专用加工设备技术含量，缩小与国外发达国家数控加工的差距，从而进一 步提高我国数控专用加工设备水平具有一定的研究意义。 1 5 论文研究的主要内容 本课题研究的主要内容为： ( 1 ) 通过分析立柜门孔槽专用数控加工设备的加工工艺和讨论机床总体布局的基 本要求、影响总体布局的基本因素、结构形式和运动方式，确定机床的总体布局方案以 及主传动系统和进给系统的方案；详细说明立柜门孔槽专用数控加工设备机械系统的组 成及各组成部分的功能，给出机床主要规格及技术参数，并且设计机床气动系统。 ( 2 ) 设计立柜f - j j ：l 槽专用数控加工设备的自动上料机构和定位夹紧机构；其次， 计算立柜门的切削受力，选择定位夹紧机构的动力系统，并运用机械动力学仿真软件 a d a m s 对对中夹紧机构中齿轮齿条的啮合传动进行仿真分析。 ( 3 ) 通过对立柜门孔槽专用数控加工设备横梁主轴运动机构的设计，确定其主传 动系统和机床主轴的结构；其次，设计进给系统传动链的组成及对其进行设计计算，分 析步进电机的选用原则并给出步进电机的主要技术参数；最后运用a n s y s 软件对龙门 横梁进行静力分析、模态分析和谐响应分析。 ( 4 ) 研究立柜门孔槽数控加工的原理，通过对立柜门孔槽数控加工编程方法的特 点进行比较，确定立柜f - j 孑l 槽数控加工的编程方法，并将详细分析利用p r o n c 模块生 成立柜门孔槽数控加工g 代码的过程。 ( 5 ) 运用p r o e 软件对立柜i - j ：j ：l 槽专用数控加工设备进行建模和装配，并对其进 行运动仿真分析，通过运动仿真分析，可以及时发现设计中存在各种问题和缺陷，提前 进行改进和完善，缩短产品设计的开发周期。 2 立柜门孔槽专用数控加丁设备总体设计研究 2 立柜门孔槽专用数控j j n - r 设备总体设计研究 立柜门孔槽专用数控加工设备属于专用数控机床，是典型的机电一体化产品，其特 点和设计方法都符合机电一体化产品的要求。机电一体化是微电子技术向机械工业领域 渗透过程中逐渐形成并发展起来的，是机械技术与微电子技术、传感检测技术、信息处 理技术、自动控制技术和电力电子技术等相互渗透，相互辅助，相互促进，充分利用各 技术的优势，实现系统整体最优化的产物。机电一体化的核心是计算机控制伺服系统， 产品的结构通常是机械的，在满足伺服系统对其稳、准、快要求的前提下，伺服系统正 朝着高速化、精密化、轻量化和小型化的方向发展【8 1 0 l 。因此，在进行立柜f - j 孑l 槽专用 数控加工设备总体设计时，就应综合考虑到各个零部件的制造、安装精度、结构刚度、 稳定性以及动作的灵敏性和易控性。 2 1 立柜门孔槽数控加工工艺分析 2 1 1 立柜门孔槽的结构特点 立柜是板材经过加工后通过立柜门的五金件和螺栓连接而成，立柜门作为立柜的门 面，是其整体风格和外观最直观的影响因素。立柜门的数控加工主要是对立柜门五金件 孔槽的加工，如图2 1 所示，立柜门所需加工的孔主要包括合页孔、盲孔、拉手孔和锁 孔。通过对市场上规格不同的立柜门调研发现，在通常情况下，立柜门的合页孔有三 个，盲孔有十个，锁孔一个，拉手孔两个，其中，锁孔和拉手孔为通孔，盲孔通常是为 了方便固定立柜门的五金件。 立柜门孔槽位置布置如图2 2 所示，由图可知，立柜门两侧的两个合页孔一般是沿 中心线对称分布的，中间的合页孔位于立柜门的中心线上，合页孔直径边与板边的距离 a 一般为4 m m ，合页孔旁边两盲孔之间的间距b 根据弹簧铰链规格来确定的，两合页 孔之间的问距c 根据立柜门大小的不同而不同。合页孔的大小需要根据所要安装弹簧铰 链的尺寸来确定，目前市场上弹簧弹簧铰链规格有q ) 2 6 m m 和3 5 m m ，其中m 3 5 m m 应 用较多。拉手孔一般是对中分布的，根据选择拉手尺寸的不同，拉手孔的大小不同，孔 到板边的距离e 也不同，应用较多的有5 m m 和q ) 8 m m 的孔，孔的间距d 一般在 6 0 1 6 0 m m 之间，主要有6 4 m m ，7 6 m m ，9 6 m m ，1 2 8 r a m 和1 6 0 m m 的拉手孔。锁孔的 大小根据锁具的不同一般有q ) 1 6 m m 、1 8 m m 、 2 0 m m 和 2 2 m m 四种，在大多数情况 下，拉手孔和锁孔的中心线在一条直线上，即y 和e 的距离相等。锁孔旁边盲孔的间 距f 和h 是根据锁具规格不同的大小来确定的，锁孔中心到立柜门板边的距离x 是变 化的，根据立柜门尺寸规格的不同，一般位置变化相对比较大。目前市场上的立柜门一 般都是以m d f 为基材，其尺寸范围( b l ) 一般是在3 0 0 m m x 7 0 0 m m - - 6 0 0 m m 1 6 0 0 m m ，厚度一般在1 5 m m - 2 5 m m 之间，其中以1 6 m m 和1 8 m m 的立柜门在市场上 较为普遍。 东北林业大学硕士学位论文 图2 1 立柜门结构图 l。c 。一 c i 一一l w f 参 ；9 | b k j l 粥 t l 叫 l x 一 图2 - 2 立柜门孔槽位置布置图 2 1 2 立柜门孔槽数控加工的工艺流程 数控加工的工艺设计不同于普通木工机床的工艺设计，数控加工需要根据预先设定 好的程序执行加工，因此，在考虑编程以前，必须确定数控加工工艺方案，以便为后续 机床编程提供依据。由于立柜f - j 孑l 槽数控加工的特点是工件在一次装夹的情况下，利用 l 把圆柱头钻头和3 把普通钻头依次完成所有孔的加工，包括合页孔、拉手孔、锁孔和 盲孔。其中，盲孔包括合页孔旁的盲孔和锁孔旁的盲孔。图2 3 为立柜f - l 孑l 槽数控加工 工艺框图。其加工工艺为：先利用圆柱头钻头钻合页孔，然后钻盲孔和锁孔，最后是钻 拉手孔。 立柜f - l 孑l 槽进行数控加工时，首先，通过自动上料机构和推料机构，把工件定位到 夹具上，通过对中夹紧机构对工件进行夹紧，然后鼠y 、z 三个方向的进给机构开始工 作，主轴带动刀具高速旋转对工件进行加工，首先加工的是合页孔，加工完成以后转换 主轴，开始加工下一道工序，依次加工出合页孔旁的盲孔，锁孔，锁孔旁的盲孔，拉手 孔等。工件加工完成以后，主轴退回到初始位置，定位和夹紧机构同时松开，同时，自 动上料机构和推料机构开始工作，另一个工件推动已经加工好的工件沿着下料机构滑落 进行卸料，至此完成了一个工件的加工。 2 立柜门孔槽专用数控加工设备总体设计研究 上 科 卸 辩 图2 - 3 立柜门孔槽数控加工工艺框图 2 2 立柜门孔槽专用数控加工设备的总体布局 2 2 1 机床总体布局的基本要求 机床的总体布局与被加工零件的表面形状、尺寸、材质，加工精度，运动的分配， 机床的结构性能，机床的使用要求等因素有关。机床操作和维修的方便性，制造和装配 的工艺性，外观及占地面积等要求，也在一定程度上影响机床的结构布局。立柜门孔槽 专用数控加工设备的总体布局应满足以下几个基本要求】： ( 1 ) 机床的布局设计首先要能保证机床能够按预定要求加工所需板材，并且符合 立柜门孔槽数控加工的工艺流程。 ( 2 ) 机床各零部件的设计、选择、安装和调试要满足机床基本加工精度的要求， 使加工后的板材达到规定的精度。 ( 3 ) 应确保机床的刚度、抗振性、热变形以及热稳定性等与所要求加工精度的相 一致。 ( 4 ) 应确保刀具和工件的相对运动符合设计方案，在满足经济、合理的前提下， 使用较短的传动链，以简化机构，提高机床灵敏度、加工精度和传动效率。 ( 5 ) 满足机床的使用要求，便于操作、调整、维修和清理，符合人机工程学。 ( 6 ) 结构简单，合理可靠，机床的安全性能好。 ( 7 ) 机床占地面积小，重量轻，体积小，加工成本低，造型美观。 2 2 2 影响机床的总体布局的基本因素 在满足机床总体布局基本要求的基础上，还应当考虑影响立柜r i l l 槽专用数控加工 设备布局的基本因素i l 引。 + ( 1 ) 加工工艺路线和加工方案的影响 不同的加工工艺路线往往采用不同的加工方式，导致工件表面的形成方式也不同， 进而布局也不同。相同的加工路线，由于工件的技术要求和生产率要求等不同，也可以 采用不同的加工方式，进而布局方案各异。由此可知，加工工艺路线直接决定了立柜门 孔槽专用数控加工设备的布局形式，是影响机床总体布局的决定性因素。因此，在考虑 机床布局时，必须根据加工要求和加工方案，结合加工工艺流程，以期做出最优的布局 设计。 东北林业人学硕十学位论文 ( 2 ) 运动分配的影响 工件加工工艺路线和加工方案的不同，使机床的运动分配不同，其布局也不同。对 于同一种运动分配的布局，由于进给方式、导轨布置及结构形式的不同，也将影响机床 的总体布局。在分配立柜门孔槽专用数控加工设备的运动时，一般应考虑移动部件的重 量应尽量轻、有利于提高机床的刚度及加工精度等方面。 ( 3 ) 工件的形状、尺寸和材质的影响 工件的形状、尺寸和材质不同，立柜f i l l 槽专用数控j j nt 设备的布局会有很大的差 异。另外，还应考虑机床性能要求的影响，如机床的精度、刚度、抗振性和热变形等。 2 - 2 - 3 机床的结构形式分析 立柜门孔槽专用数控加工设备属于专用数控机床，根据工件特定工艺方案和运动方 案的不同，数控机床的结构形式多种多样，常见的结构形式有门架式、悬臂式、龙门 j = 、c 型和【= = = 悬侍54 ；- ，如图2 4 所示【13 | 。 也电匹睦电也 门絮式 固定悬臂式可运行悬臂式 由山区出卺垂 龙门式c 型长悬霄式 图2 4 数控机床的结构类别 ( 1 ) 门架式：机床的支承件由底座、横梁和双立柱组成，底座与地基固定连接， 门架纵向运动，通过两侧立柱的支撑，在保持挠度变形很小的情况下实现较大的跨度。 此种形式的机床一般适合于加工纵向尺寸较大的工件，机床占地面积小；缺点是不利于 进料。 ( 2 ) 悬臂式：通常可分为固定悬臂式与可运行式悬臂式。机床的支承件是床身、 立柱和横梁三者的组合，此种结构形式的机床优点是占地面积小，动力学性能好，是目 前最有利于进料的形式。 ( 3 ) 龙门式：机床的支承件由机架、龙门横梁和双立柱组成封闭的框型结构，龙 门横梁组件通过滑块在机架两边的导轨上纵向移动。此种形式的机床动力学性能好，刚 度较高，加工精度高，且】，、z 向结构紧凑，为刚度最好的一种机床结构形式。一般适 合中小尺寸零件的加工。 ( 4 ) c 型：工作台直接固定在底座上，各轴之间的运动没有相互关联。此种结构 形式的机床优点是产生的惯性力较小，机床占地面积小，动力学性能良好。缺点是结构 刚度一般。 2 谚柜门扎槽号用数控加r 【：发备总体哎计研究 ( 5 ) 长悬臂式：与悬臂式机床基本结构相似，缺点是占地面积人，j1 1 丁运行悬臂 式相比，由于悬臂长度过大和加工刀架的质量的影响，其动力学性能差。 通过以卜结构形式的对比分析可见，龙l j 式的结构最能满足江枷门孔槽冬f ； j 数控加 工设备转速高、刚度好和动力学性能好的要求，且结构紧凑，适宜中小尺寸零件的加 工。故本设计采用瓜y 、z 三轴联动的龙门式结构形式。 2 2 4 坐标系统的确定 为了确定数控机床的运动方向，移动距离，就需要在机床上建立机床坐标系。机床 坐标系主要用于确定被加工工件在机床中的坐标、机床运动部件的特殊位置以及运动范 围等。目前，我国执行的行业数控标准j b t 3 0 5 1 1 9 9 9 数控机床坐标和运动方向的命 名，与国际上标准i s 0 8 4 1 等效【l4 1 。标准的坐标系采用右手笛卡尔直角坐标系。 该标准规定，数控机床采用右手直角笛卡尔坐标系，如图2 5 所示。在图中，大拇 指的方向为x 轴的正方向；食指为y 轴的正方向；中指为z 轴的讵方向。基本直角坐标 轴工、y 、z 三者的关系及其正方向按右手定则判定，围绕x 、】，、z 各轴作旋转的轴 a 、b 、c 三者的诈方向按右手螺旋法则判定。该标准还规定，无论是刀具运动工件固 定，还是刀具固定工件运动的情况，为了编程的方便统一规定为工件固定，刀具运动， 同时规定增大工件与刀具之问距离( 即增大工件尺寸) 的方向为正方向。z 轴为平行于 机床主轴的坐标轴，如果机床有几个主轴，则选择个垂直于一i ：件装夹面的主轴为主要 主轴。对于没有主轴的机床，则选择垂直于工件装夹面为z 轴；x 轴为水甲的，它平行 于工件装央平面：其余各轴根据右手定则和右手螺旋法则判定。 立柜门孔槽专用数控加工设备的坐标系统也采用右手直角筒卡尔坐标系。基本坐标 系为x 、】，、z 直角坐标。z 轴正方向为垂直于工件装夹面向j ：，义轴正方向平行于立柜 门孔槽专用数控加工设备装央面方向，y 轴l f 方向根掘右手定则判定，如图2 - 6 所示。 y ， 图2 5 也手笛 尔坐标系图2 - 6 立柜门孔槽