参考设计说明高速木工多轴钻床设计及加工工艺研究 - 图文

高速木工多轴钻床设计及加工工艺研究

王昆

上海徽亚实业有限公司

摘 要

家具出现了便于大批量生产的32mm系统板式家具。其中，木工钻床常用于最后一道加工工序，显著影响着板式家具的装配精度与整体美观性。本课题设计了自动化程度更高的高速木工多轴十排钻床：

（1）分析了多轴钻床气压进给模型，建立了气压工进微分方程组；

（2）进行了多轴钻床机械结构设计，包括机架系统、钻排系统、传输系统、夹紧与定位系统；

（3）通过实验研究加工参数对钻孔质量的影响。

文中设计的高速木工多轴钻床是集机、电、气一体化的设备，具有高精度、集成化、自动化等优点。该钻床的成功研制对于提高我国木工机床的整体技术水平有着重要的意义。

关键词：木工机床，气压传动，PLC，破边因子，响应面，方差分析

1、研究背景与研究现状

家具企业人工成本的显著上升和对加工精度提高的迫切需求使中国木工机械行业的发展面临历史性机遇。同时，政府在国家战略层面也已经将高端装备制造业列为推动整个国家经济发展转型升级的的重要抓手。本项目面向木工机械行业，聚焦于智能化木工设备的研发生产，服务于传统家具行业的产业升级。

在现代家具行业中，板式家具占据着举足轻重的作用。板式家具是以人造板为基材加工成板件后采用各种连接件拼接的家具。板式家具的出现，使家具生产走向了工业化的道路。标准化、通用化、系列化是其最大的三个特征，也是使板式家具能够大批量生产的主要原因。板式家具以32mm技术为基础，采用标准件将各板式部件连接起来构成产品，各板式部件采用标准的工业板块及标准钻孔模式。因此，此类家具又称为32mm系统家具。32mm系统是板式部件孔位设计以及加工的依据，也即是孔间距为32mm或其整数倍。而孔又是32mm系统接口的三要素（孔、塞孔螺母或嵌装件、紧固螺钉）之一。如图1.1所示，无论是木板正面还是侧面的孔，相邻两孔孔距为32mm或是其整数倍。大多板式部件都需要钻孔，而且孔的数目较多，类型不一，规格孔径可能也不同，加工尺寸精度要求高，为解决这一系列难题，设计师们便设计出了木工多轴钻床。

木工多轴钻床被认为是32mm系统家具生产中最为专业化的设备之一，几乎所有的结构孔与系统孔的加工都可以由它来完成。在安装此类家具时，只要用连接件将孔连接即可，如图1.2所示。这种安装方式方便又快捷，且处于零件状态的家具便于运输，在生产加工时更有利于大批量工业化生产，32mm系统板式家具必将成为家具行业的主流产品。但是，现有的多轴钻床存在两大先天缺陷：（1）机床设备精度普遍较低，振动较大，钻孔质量普遍不好；（2）自动化程度普遍不高，非常依赖于操作人员的经验，机器使用不方便。在对加工效率和加工质量都

很敏感的家具行业，上述木工多轴钻床的两大缺陷是本行业内所有客户急切想解决的共性问题。

图1.1木板加工图 图1.2板式家具组装图

更为先进的数控设备渐渐受规模企业青睐，除了能够提高劳动生产率的原因之外，还因为数控设备基本上杜绝了工伤事故的发生。在过去，家具企业的工伤成本相对较低，如果解聘因为工伤而导致10级伤残员工的成本仅需2万元人民币左右；而在今天，员工的法律意识提高，各地伤残赔偿补助因为最低工资标准水涨船高，企业为员工10级伤残所支付的赔偿费用已经提升了3倍左右。由于许多家具企业的生产任务繁重，长期加班导致工人疲劳操作，工伤事故时有发生，由此招致的各种麻烦已经让企业主不胜其扰。

本项目在充分了解客户对木工钻床的共性需求的基础上，研发设计、生产、销售精度更高、自动化程度更高、操作更方便的智能型木工数控多轴钻床系列通用设备，可对家具行业的钻孔设备进行全面的升级换代，为客户提升利润空间，并显著降低人工成本。

2、理论分析与研究方法

木工多轴钻床是一种常见的木工机床，也称为多排钻。其中，每排钻盒由电动机驱动，钻盒内的钻轴中心距为32毫米或其倍数。钻盒内相邻钻轴转动方向相反，采用左旋与右旋钻头在木板上加工通孔或盲孔。钻孔工序常作为板式家具生产的最后一道工序，对于钻孔质量有较高的要求，因此对机床精度提出了更高的需求。多轴钻床一般以三排、六排居多，一般都分为水平钻排与垂直钻排，依据钻削孔径大小以及板质硬度，可调整气流节流量来选择适宜的钻削进给速度，钻孔深度亦可调节，并可对板件进行垂直与水平两个方向同时钻孔。多轴钻床操作方便灵活，一机多用，效率高，加工工件尺寸范围大，因此多轴钻床是家具加工厂、橱柜加工厂及其它木业公司不可缺少的设备。但是，多数多轴钻床存在先天缺陷，在设计上钻削电机没有通过变速箱而是直接与钻盒相连，且将电机当作刚性柱来使用，这加剧了电机的损坏。同时机床整体质量较轻，振动较大，钻孔质量普遍不是很好。因此，提高设备加工精度，提高自动化水平，优化钻孔加工工艺是各大企业增加竞争力的有效途径。

本项目基于气动流体力学的基本理论推导多轴钻床加工时气动进给的数学模型。采用Matlab软件进行模拟仿真，得出在空载与负载时驱动气缸内的压力变化曲线，以及钻头位移与工进速度曲线。从理论上分析整个加工过程中气缸腔室的压力变化情况，以及钻头在撞击到木板时的速度变化情况。同时，对不同的气源压力进行仿真研究，为后续的加工工艺分析提供理论依据。

由于气压传动中会有多个腔室，为了便于描述，在文中用编号标注腔室。如腔室1为工作腔，则下标1表示腔室1中的气体参数；腔室2为排气腔，下标2表示腔室2中气体参数。

为了简化计算，需作如下假设：

1.动作时间相对热交换时间很短，腔室内气体与外界无热交换；

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