木制楼梯扶手弯头专用数控加工机床的研制与应用.doc

木制楼梯扶手弯头专用数控加工机床的研制与应用马岩1 夏广岚1、2（1. 东北林业大学林业与木工机械工程技术中心 哈尔滨150040；2. 佳木斯大学机械工程学院 佳木斯 154007）木制楼梯扶手弯头的加工一直是困扰木制楼梯扶手加工企业的难题,受当前扶手弯头加工方法的限制，生产率和质量都满足不了市场的需要，严重影响着木制楼梯扶手的广泛应用。东北林业大学林业与木工机械工程技术中心研制与开发的木制楼梯扶手弯头专用数控加工机床，具有生产效率高、加工精度高、机床成本低的特点, 完全符合我国木制楼梯扶手加工企业的需要，可为企业在市场竞争中，创造可观的市场效益，是木制楼梯扶手加工企业值得拥有的、高档次的、经济实用的专用数控加工机床。1.木制楼梯扶手弯头专用数控加工机床的研制由于木制楼梯扶手弯头是一个典型的空间曲面型零件,运用普通木工机床及仿行机床很难保证加工面的形成,为此,利用数控机床加工, 通过调用预先编制好的各种木制楼梯扶手弯头曲线轮廓形状的数控程序，实现木制楼梯扶手弯头的在线自动加工，该加工方法不仅减少了许多辅助模具和夹具，而且提高了木制楼梯扶手弯头的加工质量和生产率。木制楼梯扶手弯头专用数控加工机床的研制充分体现了如下特点：1.1运动性能好,加工质量稳定可靠通过对木制楼梯扶手弯头零件的分析，可知木制楼梯扶手弯头是由四个空间曲面组成的，顶面、带凹槽的底面和两个侧面，其中两个侧面的曲线轮廓形状是相同的，四个面是以端截面的纵向中心面为对称的；端截面中心的法向中心线的形状形成了木制楼梯扶手弯头的空间形状。采用三把成型铣刀加工木制楼梯扶手弯头零件，可以保证四个空间曲面的曲线轮廓形状，只要成型铣刀的运动轨迹与木制楼梯扶手弯头端截面中心的法向中心线相平行，分三道工序就可加工出成型的木制楼梯扶手弯头。木制楼梯扶手弯头端截面中心的法向中心线是一条空间曲线，是由上行直线、下行直线和空间转接弧线组成的，根据空间转接弧线形状的不同，可以得到不同形状的空间楼梯扶手弯头，一般常用的是空间转接圆弧。现以空间转接圆弧形成的空间楼梯扶手弯头形状为例，分配机床的运动，建立符合笛卡尔坐标规则的直角坐标系，空间直线需要保证刀具与工件X、Y、Z三个直线坐标轴联动；空间曲线除了需要保证刀具与工件X、Y、Z三个直线坐标轴联动外，还需要保证围绕X、Y两直线坐标轴的摆动（A、B两个方向的运动），即空间转接圆弧段需要保证刀具与工件X、Y、Z、A、B五个方向的相对运动，由于该圆弧绕Y轴的摆动非常小，不影响木制楼梯扶手弯头的加工质量，可忽略不计。因此，加工木制楼梯扶手弯头只需要保证刀具与工件X、Y、Z、A四个方向的相对运动即可。分配相对运动时，如果把运动全部分配给刀具或工件势必增加该部件的重量，使该部件结构复杂，影响加工质量，在此采用均匀分配的方式，即刀具完成Y、Z两个方向的相对运动，工作台及工件完成X、A两个方向的相对运动。通过合理分配机床的相对运动，简化了机床的传动和结构尺寸，也保证了机床的运动性能及加工质量的稳定。1.2 机床结构简单，应用面广 根据对木制楼梯扶手弯头的装夹方案和工艺内容分析,确定专用数控加工机床为立式结构。常见的立式机床布局有龙门式、立柱式和单臂式3种。单臂式机床的支承件是由床身、立柱和横梁三者的组合，具有可加工横向尺寸较大的工件，动力学性能好，机床的占地面积较小的特点。因此，单臂式机床的结构最能满足木制楼梯扶手弯头专用数控加工机床的要求，故本木制楼梯扶手弯头专用数控加工机床采用单臂式 X、Y、Z 三坐标联动结构型式。通过对木制楼梯扶手弯头的空间结构分析，得出采用三把成型铣刀，分三道工序即可加工出木制楼梯扶手弯头，其中木制楼梯扶手弯头专用数控加工机床的刀具保证Y、Z两个方向的相对运动，工作台及工件保证X、B两个方向的相对运动，由于三道工序的夹具也与木制楼梯扶手弯头专用数控加工机床工作台具有相对运动，因此，减少了木制楼梯扶手弯头专用数控加工机床的运动维数，简化了结构，降低了成本。在木制楼梯扶手弯头三道工序的加工中，木制楼梯扶手弯头专用数控加工机床保证刀具Y、Z两个方向和工作台X方向的相对运动，夹具体保证B方向的相对运动，其中Y、Z、X方向的相对运动通过调整木制楼梯扶手弯头专用数控加工机床的程序即可得到，B方向的相对运动则需要通过三套专用夹具来保证。因此，在木制楼梯扶手弯头加工中，即可以采用三台专用数控加工机床、三套夹具完成三道工序的加工，也可根据加工企业的实际情况，采用一台专用数控加工机床、三套夹具来完成三道工序的加工。这种生产模式既满足大型木制楼梯扶手弯头加工企业资金雄厚、生产及厂房规模大的生产需要，同时又适合中、小型加工企业资金薄弱、生产及厂房规模小的实际需求。1.3 机床操作简便, 安全性高木制楼梯扶手弯头专用数控加工机床是通过调用预先编制好的各种木制楼梯扶手弯头曲线轮廓形状的数控程序，实现木制楼梯扶手弯头在线自动加工的，即以加工木制楼梯扶手弯头的数学描述理论为基础的，改变描述参数的参数值，可得到不同形状和尺寸的木制楼梯扶手弯头。因此，加工时，只要技术人员预先编制好所需加工的木制楼梯扶手弯头曲线轮廓形状的数控程序，由工人装卡好工件，并按下工作指令的电钮后，木制楼梯扶手弯头专用数控加工机床即可按照预先编制好的数控程序，加工出所需要的木制楼梯扶手弯头。机床的操作简便，对工人的技术水平和掌握先进技术能力的水平要求较低，且加工过程中工人距离专用数控加工机床距离较远，出现事故的概率就较低，安全性高。2.木制楼梯扶手弯头专用数控加工机床的应用近年来，随着人们家居品位的不断提高，实木楼梯以其华贵、典雅的风格逐渐占据了市场主流。喜欢质朴和喜欢高贵的人，大都喜欢实木楼梯。因为实木楼梯具有独特清晰的纹理，色泽柔和，自然温馨，高贵典雅，还散发着木材特有的香气和来自森林的自然气息。作为实木楼梯配件的木制楼梯扶手弯头，也以其美观的天然木材纹理和柔性的手感而越来越受到人们的青睐。而传统的以手工加工和普通机床彷形加工生产的木质楼梯扶手弯头，由于加工质量较差、生产率较低、成本较高，因而只能成为少数消费者的选择，不能满足大部分消费者的需求，提高木制楼梯扶手弯头的加工质量和生产率，寻求一条成熟的工艺路线，使产品的规模和批量能够很快地提高，是我国木制楼梯扶手弯头生产的必经之路。木制楼梯扶手弯头专用数控加工机床是从实际生产出发，适合我国国情的经济实用机床。 2.1 机床的应用面广 目前，我国大约有3万家木材加工企业，其中只有100家稍具规模，主体是一些中小型企业，呈现数量多、规模小、资金薄弱的特点。这些企业一方面由于受工人的技术水平和掌握先进技术能力的限制，企业对先进数控技术给产品质量和生产率带来的巨大影响尚缺乏足够的认识；另一方面，由于我国数控木工机床总体技术开发能力和技术基础薄弱，国外数控设备价格都非常昂贵，企业难以承受，再加上我国有充足的廉价劳动力，宁可通过多人的常规机械生产，也不轻意采用高速高效的数控设备生产。针对这种情况研制和开发的木制楼梯扶手弯头专用数控加工机床从根本上解决了问题，对于规模较大、资金雄厚的木材加工企业，可采用三台专用数控加工机床、每台机床配备一套专用夹具完成木制楼梯扶手弯头的加工，这种生产方式是每一台专用数控加工机床，完成一道工序的加工，需要三台专用数控加工机床，机床的占地面积较大，生产率较高。对于规模较小、资金薄弱的木材加工企业，可采用一台专用数控加工机床、配备三套专用夹具来完成木制楼梯扶手弯头的加工，这种生产方式是一台专用数控加工机床，完成三道工序的加工，三道工序间的不同参数是通过三套专用夹具来保证的，在一台专用数控加工机床上加工完一道工序后，通过更换专用夹具来完成另两道工序的加工，虽然生产率较低，但机床的占地面积较小，很适合小规模的木材加工企业。由此可见，木制楼梯扶手弯头专用数控加工机床应用面广，适合不同规模木材加工企业应用。 2.2 机床的效益高我国木制楼梯扶手弯头加工技术主要以传统的手工加工方法为主，少部分企业采用仿形机床加工方法，特别是在南方一些中小型私有木材加工企业，木制楼梯扶手弯头的加工是通过工人单件雕刻出来的，每名熟练工人一天最多能加工8个木制楼梯扶手弯头，以年产6万个扶手弯头来算，每天需要加工160多个，这就需要20名工人，每加工一个扶手弯头，需付给工人加工费2530元，这样企业每天仅扶手弯头一项支出达40004800元，生产率低、成本高，且成品的重现精度较差，工人劳动强度大，对工人的技术水平要求较高，且加工过程复杂，只能满足单件小批量生产，造成的木材浪费也较多。若用木制楼梯扶手弯头专用数控加工机床加工木制楼梯扶手弯头，一台木制楼梯扶手弯头专用数控加工机床一天能加工几十个木制楼梯扶手弯头，以年产6万个木制楼梯扶手弯头来计算，可提高生产率300%，且对工人的技术水平要求不高，普通操作工即可进行操作，工资成本大幅度降低，如果以年产10万个、12万个木制楼梯扶手弯头来计算，可提高生产率更高。国外木制楼梯扶手弯头的专用数控加工机床大约售价在80万元左右，国内的木制楼梯扶手弯头专用数控加工机床的价格仅相当于国外同类设备价格的1/41/6 左右，即价格在15万元左右，企业在购买设备的2年内，就收回了投资，可见木制楼梯扶手弯头专用数控加工机床为企业创造了巨额效益。东北林业大学林业与木工机械工程技术中心研制和开发的木制楼梯扶手弯头专用数控加工机床是进行充分调查研究的，在考虑使用部门的要求和设计、生产部