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数控多轴榫槽机、双端铣榫机的总体结构与控制界面设计

发布者: 凌霄敛影 | 发布时间: 2019-7-25 09:18| 查看数: 156| 评论数: 0|帖子模式

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数控多轴榫槽机、双端铣榫机的总体结构与控制界面设计
张寒松, 杨 刚, 王 冉, 潘文建, 彭向东
(四川青城机械有限公司,四川 眉山 612400)
摘 要:在分析木制家具榫卯结构形式及工艺的基础上,设计了数控多轴榫槽机MX3815C和数控双端铣榫机MXK3812A及其电控系统与人机界面,重点介绍了台面前倾角度的调整机构和压料夹紧机构,人机界面的设计以自动化程度高、榫头尺寸修改快捷、操作简单方便为基本原则。
关键词:多轴榫槽机;人机界面;双端铣榫机;数控
1 数控多轴榫槽机及数控双端铣榫机的功能分析

数控多轴榫槽机主要用于木制品的榫头加工,广泛用于各种实木家具、餐桌餐椅、门窗及床类产品的大批量生产[1-2]。

数控多轴榫槽机应具有两个工位,交替进行装夹和加工,并且可以加工出不同形式的榫头。数控多轴榫槽机可加工的榫头形式如图1所示。

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[size=0.8em]图1 数控多轴榫槽机加工的榫头形式

整机采用数控技术,人机界面采用对话式编程,具有自动化程度高、榫头尺寸修改快捷、操作简单方便等特点。可加工的榫头形式包括直位榫、斜位榫、平面斜位榫、立体榫位榫、圆形榫、椭圆形榫及方形榫。人机界面需要体现简单易用,操作人员只需进行简单的参数设置即可完成对榫头的加工,体现出传统仿形加工无可比拟的优越性,可适应木制构件的各种加工要求。

为满足广大实木加工客户对安全、高效,以及降低人工成本的需求,特别是餐桌、餐椅、实木家具行业的高效加工需求,研究开发了CNC数控多轴榫槽机和数控双端铣榫机,CNC数控多轴榫槽机具有三轴联动、数控榫槽加工的功能,可实现左右两组双工位加工,每组一次可完成3个工件的加工。数控多轴榫槽机应能满足大批量定制家具的要求,其加工的典型样式如图2所示。

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[size=0.8em]图2 数控多轴榫槽机加工的典型样式

数控榫槽机为多轴,每一个主轴上的刀具加工一个榫槽,但由于加工工件条料高度不同,形状不同,因此加工时窄形条料所处的水平高度也不相同。加工时多根窄形条料位置的一致性将决定窄形条料榫槽的精度,因此数控榫槽机定位支撑架的快速调节装置要结构简单、操作方便、调节精度高。

数控多轴榫槽机的X、Y、Z三轴移动采用进口直线导轨、滚珠丝杆、精密斜齿条以及斜齿轮传动;X轴驱动采用精密行星减速机与高效伺服电机配套;X、Y、Z三轴联动采用国际品牌台达高效全伺服驱动系统,垂直轴(Z轴)伺服电机带抱闸;主轴转速18 000 r/min,采用3台3 kW变频高速电主轴。机床设计有双工位加工区,加工时双工位交替进行,连续式生产,可大大提高机床的生产效率;配置集中自动注油润滑系统,可输送足够的润滑油至所有直线导轨、齿条、齿轮,确保运行动作的顺畅;上料区域配备光电开关自动检测人员异常进入,可有效保护操作人员的人身安全。

数控双端铣榫机,实现了双轴联动数控双端铣方榫、斜榫、圆榫、椭圆榫的功能。数控双端铣榫机加工的榫头形式如图3所示。

为实现高效自动加工,数控双端铣榫机必须具有自动上下料装置,实现快速同步便捷上下料,同时夹具须满足直、曲、棒、条等多种形式的夹紧要求。

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[size=0.8em]图3 数控双端铣榫机加工的榫头形式

2 数控多轴榫槽机MX3815C的结构组成

数控多轴榫槽机包含机体组件、工作台组件、主轴系统、外护罩组件、润滑系统、电气系统六大部分。该机采用双工作台面,整体机身采用钢板焊接。数控多轴榫槽机MX3815C结构示意图如图4所示。

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[size=0.8em]图4 数控多轴榫槽机MX3815C结构示意图
1.压料气缸;2.压料块;3.挡料片;4.限位杆;5.铣轴电机;6.顶吸尘筒;7.Y轴电机;8.Z轴电机;9.电器箱;10.数控操作面板;11.气源连接;12.高度标尺;13.双孔盒;14.右压料缸;15.左压料缸

2.1 台面前倾角度调整机构

加工立体斜位榫时工作台应做倾斜调整,调整机构包括调节手轮和锁紧螺栓。台面前倾角度调整机构如图5所示。

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[size=0.8em]图5 台面前倾角度调整机构
1.锁紧螺栓;2.倾斜调节手轮

调整工作台前倾角度时,先松开倾斜手轮下面的锁紧螺栓,然后转动调节手轮,调整到位后再重新锁紧螺栓。

2.2 压料夹紧机构

数控多轴榫槽机压料夹紧机构如图6所示。

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[size=0.8em]图6 压料夹紧机构
1.压块;2.压料气缸;3.十字夹块;4.锁紧螺钉

加工工件时,根据工件高度和长度的不同压料气缸需要做相应的调整,先松开十字夹块上的两个内六角锁紧螺钉,移动压料气缸支轴的位置,然后根据需要调整压料气缸的高度 (加工木料之前,压料气缸压块与木料之间应保持5~10 mm的间隙,避免出现料压不紧的情况),调整到位后再重新锁紧螺钉。

2.3 定位机构

数控多轴榫槽机定位机构如图7所示。为实现榫头、榫槽的无缝对接,提高榫槽加工精度以及对窄条形木料的精准定位加工,数控多轴榫槽机应具有定位机构和定位支撑架快速调节装置,以实现数控榫槽机对窄条形木料的精准定位加工,从而提高榫槽机的实用性。在定位卡板上设置有多个台阶,通过台阶与托条定位板下端面的齐平来保证工件托条的水平。在调节过程中只需将托条定位板的下端面放置在相同水平高度的台阶上并通过可调定位紧定手柄锁紧,就可以实现托条定位板的高度调节。

窄条形工件精准定位机构示意图如图8所示。该定位机构需要在连接底板上设置多个气缸座支架,气缸座支架内设置有夹料气缸,其活塞杆与一气缸夹料叉块连接,气缸夹料叉块的凹槽内铰接有一压料摆杆,气缸座支架的一侧设置有定位装置,定位装置安装在连接底板上,压料摆杆的一端与气缸座支架铰接,另一端将窄条形工件压在定位装置上。工作时,窄条形工件的一端与定位块齐平,然后启动夹料气缸,夹料气缸的活塞杆回缩使压料摆杆绕铰接轴摆动,从而使压料摆杆的压料端将窄条形工件压在定位板上,实现窄条形工件的快速精确定位。

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[size=0.8em]图7 数控榫槽机定位机构
1.定位卡板;2.定位卡板调节螺栓;3.托条定位板调节手柄;4.托条定位板

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[size=0.8em]图8 窄条形工件精准定位机构示意图

3 数控双端铣榫机MXK3812A的结构组成

数控双端铣榫机MXK3812A由机座、座板、开榫铣头组件、上料驱动机构、上料机构、压料定位机构和拨料机构组成,其结构示意图如图9所示。

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[size=0.8em]图9 数控双端铣榫机MXK3812A结构示意图

机座的两端均安装有座板,其中一座板通过丝杠传动沿机座上的导轨滑动;机座上还安装有开榫铣头组件、上料机构和拨料机构,上料机构位于开榫铣头组件的内侧并通过上料驱动机构驱动,上料机构的前端侧壁上安装有压料定位机构[3]。

3.1 开榫铣头组件结构

开榫铣头组件由滑座组件、进退滑板组件和Z轴组件组成,其结构示意图如图10所示。

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[size=0.8em]图10 开榫铣头组件结构示意图

滑座组件由旋转标尺、旋转盘、导轨、滑块、横向滑块座和横向燕尾座组成,其结构示意图如图11所示。通过微调齿轮座上的主动齿轮使旋转盘转动,旋转盘转动的角度可由旋转标尺读出,从而使开榫铣头组件转动;横向滑块座通过丝杠传动装置相对于横向燕尾座做直线滑动,可实现进退滑板组件的直线运动。横向滑块座的两端连接风琴罩,可防止木屑进入到滑座组件内,从而可保证滑座组件的使用寿命。

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[size=0.8em]图11 滑座组件结构示意图

进退滑板组件由纵向调节手轮、升降手轮、纵向燕尾座,支座座板、滑座支板和垂直升降滑板组成,其结构示意图如图12所示。垂直升降滑板内安装有蜗轮蜗杆,蜗杆驱动蜗轮转动,通过调节纵向调节手轮可使支座座板纵向移动,通过调节升降手轮可使垂直升降滑板升降,从而实现Z轴组件的纵向移动和垂直升降。通过蜗轮蜗杆传动,引导Z轴组件的转动,使开榫刀可多个自由度的调节,以满足不同异型工件的加工需求。

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[size=0.8em]图12 进退滑板组件结构示意图

Z轴组件结构示意图如图13所示。该组件由窄座导轨滑块、旋转支承板、升降电机、主轴电机、开榫刀、垂直滑座支板和滑动直线导轨组成。旋转支承板的一侧壁安装在蜗轮上,另一侧壁上安装有滑动直线导轨,垂直滑座支板安装在与滑动直线导轨滑动配合的窄座导轨滑块上,垂直滑座支板设置有丝杠传动装置,升降电机安装在旋转支承板的顶部且通过带传动与丝杠传动装置相连接,丝杠传动装置驱动垂直滑座支板相对于旋转支承板工作,垂直滑座支板还安装有主轴电机,开榫刀安装在主轴电机的主轴上。

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[size=0.8em]图13 Z轴组件结构示意图

3.2 上料驱动机构

上料驱动机构由摆动气缸支座、摆动气缸、摆动连杆和轴承座支架组成,其结构示意图如图14所示。摆动气缸支座安装在固定座板上,摆动气缸铰接在摆动气缸支座上,其活塞杆与一连杆机构相连接,连杆机构分别安装在摆动连杆的两端。在摆动连杆上设置有多个轴承座,其安装在上料支座后侧壁,摆动连杆的端部还安装有一轴承座支架。在上料过程中,摆动气缸运动带动连杆摆动,由于两个连杆通过摆动连杆连接,因此其动作具有一致性,采用摆动铰链式送料结构可实现快速、平稳送料。

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[size=0.8em]图14 上料驱动机构结构示意图

3.3 上料机构

上料机构由直线输送机构和自动落料机构组成,其结构示意图分别如图15、图16所示。

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[size=0.8em]图15 直线输送机构结构示意图

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[size=0.8em]图16 自动落料机构结构示意图

直线输送机构包括连杆机构、滑板、退料立柱、支撑板、夹料气缸、夹料板、靠料板、直线导轨和导轨滑座。工作时,连杆机构带动滑板向前运动,板材接触靠料板后在其推动作用下脱离落料斗,此时夹料气缸的活塞杆伸出,将板材夹紧在夹料板和靠料板之间,然后滑板继续前行,将板材喂至压料杆和压料固定板之间,压料杆下行压紧板材,然后夹料气缸的活塞杆收缩,夹料板向远离板材方向移动,直至夹料板回程时不与板材发生干涉为止,完成板材的直线喂料,然后滑板返程进行下一板材的上料。

自动落料机构由料斗固定板、料斗挡板和上料挡板组成,料斗固定板上设置有多个腰型孔,通过腰型孔可调整上料挡板的位置,从而可对落料斗宽度进行调节,实现多种型号板材的层叠。

上料机构还包括顶料机构,顶料气缸A工作可使顶帽顶住落料斗内底部板材的底部,防止底部板材下落,从而避免靠料板在回程过程中被下落的板材挡住。当靠料板复位后,顶帽复位,板材下落。顶料气缸B的活塞杆能将底部板材的后侧壁顶住,从而使底部板材的后侧壁可与上料挡板之间留有一定的缝隙,便于板材的自动下落,并且可保证板材位于靠料板和夹料板之间。顶料气缸C的活塞杆能将底部板材的左、右两侧壁顶住,从而调整底部板材的水平位置,保证所有板材在加工时水平位置的精准度,从而保证板材铣榫的精度。

3.4 压料定位机构

压料定位机构由上料支座、压料气缸、滑块座、压料滑杆、压料滑杆座、压料固定板和压料杆组成,其结构示意图如图17所示。在纵向滑动座和固定座板上均安装有上料支座,上料支座的前侧壁上安装有压料气缸,压料气缸通过滑块座与压料滑杆连接,在滑块座上安装有铜块,铜块与上料支座的前侧壁滑动配合,并且压料滑杆滑动配合在压料滑杆座内,压料滑杆座安装在上料支座的前侧壁上,从而可保证压料滑杆移动的直线度。压料固定板固定安装在上料支座的顶部前端,其上表面为弧形面,压料滑杆的顶端安装有圆柱形的压料杆,压料杆下压后板材的两侧面均为面线接触,由于接触面积小,从而增加了压料杆对板材的压力,提高了板材的稳固性。压料杆位于压料固定板的上方且套装有胶套,能够起到缓冲作用,可避免压料杆将板材压坏。压料定位机构工作时,压料气缸工作引导活塞杆收缩,压料滑杆带动压料杆向下移动,从而使压料杆将位于压料固定板上的板材压紧,实现板材的定位。

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[size=0.8em]图17 压料定位机构结构示意图

3.5 拨料机构

拨料机构由传动杆尾座、拨料传动杆、拨料摆杆、拨料连杆和拨料气缸组成,其结构示意图如图18所示。拨料气缸铰接安装在一上料支座的侧壁上,其活塞杆与拨料连杆的一端铰接,拨料连杆的另一端与拨料传动杆的一端固定连接。拨料传动杆上设置有多个能够将压料固定板上的木材进行拨离的拨料摆杆,上料支座上设置有弧形卸料滑槽,在弧形卸料滑槽上设置有接料斗,拨料传动杆的另一端通过传动杆尾座安装在机座上。工作时,拨料气缸转动带动拨料摆杆摆动,从而将压料固定板上的木材拨离,木材沿着弧形卸料滑槽滑动至接料斗底部,操作人员即可将加工好的木材取走,完成加工。

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[size=0.8em]图18 拔料机构结构示意图

3.6 开榫铣头组件旋转机构的设计开发

开榫铣头组件包括滑座组件、进退滑板组件和Z轴组件。通过微调齿轮座上的主动齿轮使旋转盘转动,旋转盘转动的角度可由旋转标尺读出,从而使开榫铣头组件转动;横向滑块座通过丝杠传动装置相对于横向燕尾座做直线滑动,可实现进退滑板组件的直线运动。

为实现榫铣头组件X轴旋转的功能,设计了一套圆周齿条和齿轮组合调节机构,该机构包括齿轮转座、调节齿轮、旋转标尺、旋转压紧螺栓、调节齿轮座等,可实现整个铣头部件在X轴向的转动。X轴旋转调节机构示意图如图19所示。

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[size=0.8em]图19 X轴旋转调节机构示意图
1.调节齿轮;2.调节齿轮座;3.旋转压紧螺栓;4.旋转标尺;5.齿轮转座

4 人机界面设计

数控多轴榫槽机人机界面终端为10寸的步科触摸屏MT4539T并写入操作程序,操作程序以自动化程度高、榫头尺寸修改快捷、操作简单方便为基本设计原则,操作人员只需简单地设置即可实现加工程序[4-5]。数控多轴榫槽机人机界面的主页面与登录界面如图20所示(双端铣榫机的人机界面设计略)。

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[size=0.8em]图20 主页面与登录界面

数控多轴榫槽机系统包括主页模块、产品设置模块、运转画面模块、手动操作模块、数据列表模块、报警查看模块、厂家参数模块和登录权限模块,系统功能图如图21所示。

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[size=0.8em]图21 系统功能图

产品设置模块提供需要加工产品的各项参数设置,加工参数包括木头宽、木头厚、榫宽、榫厚、榫半径、偏转角度、榫水平偏移、榫垂直偏移、榫宽度补偿、榫厚度补偿、刀距左工件水平距离和刀距左台面垂直距离。产品参数设置画面如图22所示。

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[size=0.8em]图22 产品参数设置画面

运转画面模块显示榫槽机加工运转画面。

手动操作模块通过用户手动操作控制榫槽机的刀轴运动,调整铣刀轴位置,进行铣刀安装和电源相序校正[6]。数据列表模块显示存储的加工参数,该系统能够存储50组数据,每组数据最多可存储2个工件的加工参数,加工时左、右工作台可分别加工左、右工件。

报警查看模块可提供加工过程中的报警信息及历史报警信息。

登录权限模块可提供用户登录和退出的相应权限。

5 小结

数控多轴榫槽机MX3815C具有三轴联动、数控榫槽加工功能,可实现左右两组双工位同时作业,每组一次可完成3个工件的加工,能满足大批量定制家具的要求。数控双端铣榫机MXK3812A实现了双轴联动,具有双端铣榫功能,设置有自动上下料装置,可实现快速同步便捷上下料,能满足家具产品大批量生产的要求。

参考文献:

[1] 邢力平,张广恒,马岩,等.基于Solidworks Simulation的裁断开榫组合机架刀具主轴有限元分析[J].林业机械与木工设备,2017,45(9):17-20.

[2] 邓雪松,张平,唐芳芳.基于HNC-8的木工榫槽现场交互自动编程数控系统的开发[J].林业机械与木工设备,2014(4):21-25.

[3] 赵辉.欧式木窗数控铣榫机设计理论[D].哈尔滨:东北林业大学,2002.

[4] 陈昌亚.基于感性工学的数控机床UI界面设计与改善研究[J].南方农机,2017,48(20):53.

[5] 曹小琴,邓韵,翟橙,等.数控机床操控器人机界面优化设计研究[J].包装工程,2017,38(18):114-118.

[6] 赵粉荣.基于PLC的数控组合机床的控制系统设计[J].自动化与仪器仪表,2017(9):117-119.

The Overall Structure and Control Interface Design ofNCMulti-axis Mortise Slot Machine & Double End Milling TenonMachine
ZHANG Han-song, YANG Gang, WANG Ran, PAN Wen-jian, PENG Xiang-dong
(Sichuan Qingcheng Machinery Co.,Ltd.Meishan Sichuan 612400,China)
Abstract:Based on the analysis of the form and technology of tenon-and-mortar structure of wooden furniture,a design of numerical control multi-axis mortise tenon machine MX3815C and CNC double-end milling tenon machine MXK3812A and its electronic control system and man-machine interface design are introduced.The front tilt angle adjustment mechanism and pressure clamping mechanism,man-machine interface design of the operating procedures to a high degree of automation,tenon size changes fast,simple and convenient operation as the basic design principles.
Key words:multi-axis mortise machine;human-machine interface;double-end milling machine;numerical control
收稿日期:2017-12-05
基金项目:四川省数控一代机械产品数控化创新示范工程项目(2015BAF27B00)
第一作者简介:张寒松(1986-),男,四川青神人,工程师,工学学士,研究方向为数控木工机床,E-mail:zhanghansong120@163.com
中图分类号:TS642;TP273
文献标识码:A
文章编号:2095-2953(2018)01-0013-07

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