【智汇通】数控技术中雕刻在家具生产中的应用.docx


　　导读：随着数控技术的成熟及广泛应用，数控雕刻机在家具雕刻生产中的应用也越来越普遍。利用数控雕刻机制作雕刻件，生产速度快、精度高，可实现大部分实木雕刻或板面铣型作业，而且能保留实木材料的天然色泽、纹理和质感，是代替手工雕刻的首选方法。
　　市场上数控雕刻机的类型很多，按用途可分为平面雕刻机、立体雕刻和专用圆柱雕刻机;按结构形式分可分为龙门工作台移动结构、龙门移动结构、单臂十字滑台结构等;按动力头数量可分为单轴、双轴以及多轴;按铣削动力形式可分为普通雕刻机和激光雕刻机等。
普通平面雕刻机
　　市场上平面雕刻机的种类最多，一般来说，单轴或双轴工作范围大，主要用于木门、橱柜、板式家具等大幅面零部件雕铣作业;而多轴则主要用于实木雕刻，一次可加工多件相同图案的雕刻件。平面雕刻机多为龙门结构，XY坐标行程取决于台面大小及主轴数量，z轴行程通常为100～200ram，加工精度可达0.05mm。主轴功率为2.2—5.5kW，转速一般为6 000～24 000r/min且可无级调速，可装夹3、4、6mm以及12.7mm等不同直径的柄铣刀，有些甚至还配有自动换刀系统。常用的木工雕刻用铣刀为各种平底尖刀、中心尖刀、直刀甚至成型铣刀，它们各有优缺点和相应的适用范围，以适应不同类型的雕刻作业。
　　和手工雕刻一样，用于数控雕刻的工件应该先通过其他设备铣削加工成大致的轮廓，然后按要求定位在数控雕刻机床上，并调整好坐标位置并固定。CNC雕刻作业时可根据待加工雕刻图案的不同，设置不同的运动方式：一种是与普通的CNC铣床相同，利用直刀或相应的型刀按照图案的路径进行表面雕铣作业，这种作业方式主要适用于简单的线形图案或装饰槽的铣削加工。另一种是普通的雕刻作业，工件在台面沿Y轴放置，并与刀轴居中对齐(或镜向对齐)，利用平底尖刀或中心尖刀进行扫描式逐行雕铣，即刀架(或台面)在Y轴上作间歇步进运动，刀具左右(x轴)摆动并根据雕刻的深度控制刀具的伸出量(z轴)，逐行依次循环完成整个工件的雕刻，如图1(b)所示。平面雕刻机主要适合雕刻深度不大的二维工件，对于桌腿等两面都有雕刻的零部件，可将工件翻转900进行两面雕刻来实现立体雕刻。
普通立体雕刻机
　　与平面雕刻机不同，三维立体雕刻机的工件装夹方式与车床类似，工件被夹紧后可随夹紧轴旋转，刀轴(或台面)沿工件轴向(Y轴)移动，刀具的伸出量(z轴)根据雕刻半径自动控制，从而实现立体雕刻，这类雕刻机多设计成多轴，以提高工作效率。也有专门针对尺寸较大的圆柱工件(如餐桌立柱、佛像等)而设计的单轴立体雕刻机。待雕刻零件应事先加工成木方，圆柱形零件，还应先用车床车制成零件毛坯，并留取相应的雕刻余量，然后按要求定位装夹在卡轴之间。立体雕刻机有两种基本的雕刻作业方式：一种是刀具沿工件的轴向作间歇步进运动，工件做旋转运动完成切削，这是立体雕刻最常用的作业方式，可以得到精细度较高的雕刻效果;另一种是工件在夹紧轴上做间歇旋转运动，通过刀具的轴向移动完成切削，相比之下，这种雕刻作业方式效率较高，经常用于雕刻精度要求不高的工件，或者用于对复杂雕刻件的毛坯预雕铣，以减少后续进一步雕刻的吃刀量。
激光雕刻机
　　随着激光技术的发展，激光雕刻机在木工雕刻中的应用也越来越多。激光雕刻的原理就如同打印机一样，通过高能激光点阵在木材上刻蚀出所需的图案，雕刻的深度可通过激光强度及雕刻速度来调节，雕刻的表面质量取决于激光束光斑的大小。激光雕刻操作方便，可兼容各种图形软件(如AutoCAD、CorelDraw、Photoshop等);而且激光雕刻属于非接触式雕刻，减少工件受刀具铣削产生形变的影响，被雕刻表面光滑圆润，精度高，生产效率高;而且激光雕刻时光斑小，密度大，控制方便，可实现非常精细和复杂的雕刻作业。但激光雕刻机通常只能做二维雕刻，即要求待加工表面为平面或相对规则回转体表面，而且激光雕刻的工件表面可能会有烧焦的痕迹，影响涂装效果，因币i在家具生产中受到一定的限制，主要用于平面雕刻、板面铭牌制作、脚柱雕刻等。
三维立体扫描仪
　　数控雕刻作业的关键步骤是雕刻图案绘制和CNC编程，简单的图案可通过AutoCAD软件直接绘制，但复杂的雕刻图案很难通过绘图软件来实现，这时通常要先用手工雕刻的方式制作雕刻样品，然后用三维扫描仪将样品数据录入到电脑系统，转化为三维数据模型。
　　三维扫描仪可分为接触式和非接触式两类，非接触式又分为激光扫描式和照相式两类，激光扫描式多用于平面雕刻机，照相式则多用于立体雕刻。激光扫描式是由扫描仪发出一束激光束(或光带)照射到被测量物体表面并在被测量物体上移动，利用数码相机接收其反射光束，获得与拍摄物点之间的距离，从而采集出物体的表面形状数据。激光三维扫描仪大多安装在平面雕刻机的动力头上，通过动力头的移动来完成扫描，工作时可通过调节扫描仪的测量精度和动力头的移动速度来获得不同的扫描效果，一般来说，工件表面雕刻越精细，激光扫描仪的精度设置应越高，扫描时的移动速度也应越慢，以便获得更为精细的点云数据。由于扫描时多为平面移动方式，因而该类型扫描仪主要适用于平面型工件的扫描。
　　照相式扫描仪则类似于照相机对视野内的物体进行照相.不同的是照相机摄取的是物体的二维图像，而扫描仪获得的是物体的三维信息。它通过光栅发射器投射一系列光栅条纹到物体表面，经过物体表面发生变形.然后借助两个数码相机对光栅干涉条纹进行拍照.利用光学拍照定位技术和光栅测量原理，获得工件表面的完整点云，基于标记点拼接或者特征拼接，可以得到物体360°各个方位的数据，因而照相式扫描仪更适合立体或放置体工件的扫描。照相式三维扫描仪可做成固定式和手持式，整体上价格较激光扫描仪要高。

　　经三维扫描得到的数据为点云数据，需要经过噪声除去多视对齐、数据精简和曲面重构等步骤来获得样品的三维模型。模型数据经专用的软件处理后可导人到CAD或CAM等软件进行后续编辑处理，设定刀具运动轨迹，进而生成数控雕刻机可识别的NC代码。
雕刻工艺说明
　　影响数控雕刻作业效率的两个重要指标是加工速度和进给速度(也叫步进距离或吃刀量)：加工速度指刀具加工过程的移动速度(一般为4～15m/min)，主要取决于刀轴动力的大小、木材的硬度、切削深度及刀具的直径;而进给速度指间歇运动时每次的行程距离(一般为0.05～0.5mm)，主要取决于刀具的直径、雕花的复杂程度及雕刻表面精度要求。一般来说，刀具类型及直径应根据雕花线条粗细及复杂程度来选用，刀具直径越小、端部越尖越能适应复杂的雕刻工作，但效率也会越低。刀具选定后，刀轴动力越大、木材硬度越低、切削深度越浅则加工速度可提高;而进给速度越大，则一次性雕铣量越大，加工效率越高，但工件的表面越粗糙，后续砂光作业的工作量也越大。
　　数控雕刻作业主要是靠小直径的刀具沿指定路径将木材表面铣削成所需的形状，每次铣削量通常不足0.5mm，因而实际上数控雕刻的生产效率并不高，通常一根800mm×100mm左右工件，正常雕刻作业也要1-2h，而且生产过程中如果吃削量过大也容易断刀或出现废品。一般来说.刀具的直径(刀尖角度)及步进距离要根据雕刻制品本身的精细程度及雕刻制品的质量要求来确定，在保证质量的情况下应尽可能选用大直径的雕刻刀具。在实际生产中，为提高雕刻作业的生产效率，通常町从两个方面来考虑：一是将工件上大面积需要铲削的部分，可通过手工雕刻的方式来辅助完成;另一种是在正式雕刻作业前，在雕刻机上装上大直径的平底直刀对工件毛坯进行初步雕铣，形成相对精确的雕刻毛坯，这样精雕时的吃刀深度小，因而可以提高雕刻时的加工速度。只有发挥手工雕刻和机械雕刻、尖刀和直刀各自的优势，才可发挥雕刻设备的最大效能。
　　经机械雕刻后得到的工件表面，通常并未达到产品的质量要求和涂装要求，需要进一步的砂光处理。实际生产中可用粽砂、八瓣砂等软质砂光设备来辅助砂光，以提高砂光效率，对于有些雕刻精度要求不高的精雕零部件，甚至可以只雕出大致的轮廓，然后直接用机械砂光设备来代替部分手工雕刻和修磨作业。当然，对于精细的雕刻工件，还是要求用手工进行仔细地修磨处理。
　　结语：简单的说，完整的CNC雕刻作业过程可分为样品制备一>三维扫描一>建立雕刻模型一>生成刀具轨迹一>板坯制备～>板坯装夹定位一>雕刻机自动雕刻一>后期修整及砂光处理等几个步骤。