CN106313998A - 木工数控雕锯机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了木工数控雕锯机，技术领域为三轴数控雕刻机和木工电锯系统。主要特征是将木工电锯并入数控雕刻机，锯切进给方向垂直于雕刻机Z轴，实现锯切，雕刻一体化。本发明解决的问题是实木数控雕刻生产流程中板材下料以及板料装夹耗费人工的问题。降低了在木材破板，以及雕刻装夹板料的人工使用。达到提高效率节约人工的效果。附图零件名称：1.雕刻机X轴滑台;2.雕刻机Y轴滑台；3.雕刻机Z轴滑台；4.带锯横向进给滑台；5.雕刻电主轴；6.带锯轮；7.带锯轮；8.带锯条；9.带锯轮驱动电机；10.传动皮带；11.双向燕尾槽夹料台；12.夹料台卡爪；13.风琴式防尘罩；14.木料；15.带锯防护罩及门；16.Z轴滑台防尘盖板。

Description

木工数控雕锯机

技术领域：

本发明涉及技术领域包括CNC三轴数控雕刻机，以及木工带锯机。

背景技术：

1.木工带锯机(摘自百度词条)：

以环状无端的带锯条为锯具，绕在两个锯轮上作单向连续的直线运动来锯切木材的锯机。主要由床身，锯轮，上锯轮升降和仰俯装置，带锯条张紧装置，锯条导向装置，工作台，导向板等组成。床身由铸铁或钢板焊接制成。

锯轮分有幅条式的上锯轮和幅板式的下锯轮；下锯轮为主动轮，上锯轮为从动轮，上锯轮的重量应比下锯轻2.5～5倍。带锯条的切削速度通常为30～60m/s。上锯轮升降装置用于装卸和调整带锯条的松紧；上锯轮仰俯装置用于防止带锯条在锯切时从锯轮上脱落。带锯条张紧装置则能赋予上锯轮以弹性，保证带锯条在运行中张紧度的稳定；旧式的采用弹簧或杠杆重锤机构，新式的则采用气压、液压张紧装置。导向装置俗称锯卡，用以防止锯切时带锯条的扭曲或摆动；下锯卡固定在床身下端，上锯卡则可沿垂直滑轨上下调节；锯卡结构有滚轮式和滑块式，滑块式系用硬木或耐磨塑料制成。带锯机在木材工业中应用广泛，机型繁多按工艺用途可分为：大带锯，再剖带锯机和细木工带锯机；按锯轮安置方位分：立式的，卧式的和倾斜式立式的又分：右式的和左式的；按带锯机安装方式分：固定式的和移动式的；按组合台数分：普通带锯机和多联带锯机等。一般的木工带锯机和木工跑车配套使用。

锯切进给运动：锯条运动分为主运动和进给运动，锯条绕带锯轮所做的转动为锯条的主运动。锯条相对于被锯切工件的运动为进给运动。

2.CNC三轴数控雕刻机(摘自百度词条)：

CNC为Computer numerical control(计算机数字控制)的英文缩写。CNC雕刻机又称之为数控雕刻机。能适用各种平面材质上进行切割，二维雕刻，三维雕刻。另多功能金属牌匾雕刻机主要功能与优点：功能强大，一机多用，不论是制作铜牌、不锈钢牌、钛金牌、铝牌等各种金属表面刻字、刻花纹及美术图形工艺品等，都可轻松搞定。由于该机强大的刻镀功能，对被加工件从大幅面的招牌到微小的胸牌、铭牌等都可以加工。

本发明数控雕刻机所使用的设计软件及刀路生产软件以精雕软件为例，使用数控控制系统以维宏系统为例。

(1).精雕软件JDPaint(摘自百度词条)：

JDPaint软件是精雕CNC雕刻系统的基本组成部分，它是一套面向雕刻行业的CAD/CAM软件，也是国内最早的专业雕刻软件.

(2).维宏控制系统(摘自百度词条)：

维宏控制系统又名NCStudio数控系统，是上海维宏科技有限公司自主开发、自有版权的雕刻机运动控制系统，该系统可以直接支持UG、MASTERCAM、CASMATE、Art CAM、AUTOCAD、CorelDraw等多种CAD/CAM软件生成的G代码、PLT代码格式和精雕加工(ENG)格式。

NCStudio基于Microsoft Windows操作系统，充分发挥32位计算和多任务的强大优势。同时，标准的Windows风格用户界面具有操作简便可靠、简单易学的优点。

该数控系统除具有手动、步进、自动和回机械原点功能外，还具有模拟仿真、动态显示跟踪、Z轴自动对刀、断点记忆(程序跳段执行)和回转轴加工等特有的功能。

该系统可以与各种三维雕刻机、三维雕铣机一起使用。适用于各种复杂模具加工、广告装潢、切割等行业。

发明内容：

本发明木工数控雕锯机针对的是木质工艺品数控雕刻的生产，如小型挂件，牌子，摆件，工艺木梳，工艺品或者家具木器零件等，加工材料为实木。现有木工三轴数控雕刻机生产木质工艺品所加工的材料对象一般为由原木破板后的板状材料。本发明将三轴数控雕刻机对材料的适应性由一般的板料雕刻扩大到直接对原木进行雕刻加工，精简工序，提高了效率，降低了人工耗费。

1.本发明主要改善木质工艺品数控雕刻生产整套流程中以下四个问题：

(1)原木破成板料工时耗费问题：

三轴数控雕刻机使用的木质工艺品雕刻材料一般为板状材料，这是因为三轴数控雕刻一般都是在平面上雕刻，因此需要对圆木进行破板，这一过程对人工有一定消耗。尤其是将破好的板材精整成矩形板料，几乎必须由人工用台锯完成。

(2)三轴数控雕刻工时耗费问题：

木质工艺品数控三轴雕刻操作流程一般为：板料装夹→对刀→装载程序→雕刻加工→加工完取下工件→清理台面→循环此过程。

从以上流程可以看出在数控雕刻中主要的人工消耗集中在工件装夹，对刀，装载程序，以及取下工件清理台面这几个工序上。每雕刻一次都要重复此工序，这些工序占到整个数控加工过程中人工消耗的百分之九十以上，且这样的生产模式下生产循环完全是由人工衔接的。

(3)轮廓雕刻及镂空雕刻甩料问题：

一般木质工艺品雕刻都是在轮廓雕刻，镂空雕刻时在编制数控代码的过程中就加入焊点(也就是做雕刻数控编程的时候在刀具路径上留下一些不雕透的刀具路径段，在精雕JDpaint软件里有此功能)。见图1(序号1木料，序号2焊点，序号3压板)，焊点的作用是防止雕刻过程中刀具碰到镂空下来的料块憋刀，损伤工件以及刀具。除在做数控路径时添加焊点外也可在板材下面涂胶整体粘接在垫板上，防止甩飞的问题。但是这样的解决办法最后需要打磨清理所预留的焊点，或者除去背面涂胶的残留物，比较耗费人工。一般大型集成板材的雕刻对于这样甩料的问题都是以真空吸附台面来解决，但是对于工艺品这样的小件，真空吸附就比较难实现且耗电较大。

(4)由于木制工艺品雕刻所选用的材料一般都是实木，而非集成板材。每块板材所需要编制的加工代码都是需要针对该板材具体尺寸的利用。这样就导致了代码编制的人员始终是要伴随生产过程进行代码编制，导致了代码编制人员时间利用琐碎。

2.本发明的技术方案：

目前的数控三轴雕刻工艺品的整套工艺流程是：原木破板→精整板料→装夹板料→对刀→数控雕刻→取下雕刻品→清理台面。

由背景技术里关于“CNC雕刻机又称之为数控雕刻机。能适用各种平面材质上进行切割，二维雕刻，三维雕刻”的描述可以发现，三轴数控雕刻机进行雕刻生产行为对材料的必要性要求是平面材质，而不是一般加工流程中的一定需要板料，裁切成板料仅仅是方便现有流程的加工。由此发现可以设想对于一般的原木或者方木，可以在修整出一个合适平面后，不锯切成板料而直接进行雕刻，雕刻完成后，再锯切下已雕刻完成的这层木料。锯切进给方向垂直于雕刻机Z轴，锯切厚度等于设计的雕刻品厚度。

基于这一设想，可以在三轴数控雕刻机系统的基础上并入木工带锯或者圆盘锯。形成数控雕锯机，此数控雕锯机由两个系统构成：雕刻系统，电锯系统。构成方式可以将木工带锯安装在X轴基座上(见图2-1)，并将数控雕刻机的Y轴数控滑台(附图2-1，零件序号2)兼做为木工带锯或圆盘锯的纵向进给数控滑台(起到木工带锯的跑车的作用)。同时再为木工带锯添加一个横向数控进给滑台(附图2-1，零件序号4)用来控制切割厚度。此横向数控进给滑台安装在前述Y轴数控滑台的托板上，此横向进给数控滑台运动方向平行于雕刻机Z轴。并在横向进给数控滑台托板上安装有木料装夹机构(图2-1，零件序号11)，这样就在原有的雕刻机系统上并入了数控锯切系统。并入了锯切系统以后的数控雕锯机有两个工作模式，雕刻模式和锯切模式，这两个模式彼此控制关联，分步进行，从而实现先雕刻，再锯切的加工方式。在雕刻模式下X，Y，Z三轴构成雕刻系统，进行雕刻，同时带锯横向进给滑台锁定。在锯切模式下，X轴滑台和Z轴滑台锁定，Y轴滑台和锯切横向进给滑台构成数控锯切的动作部分。

本发明可以简述为以一定尺寸的圆木或者方木为加工对象，而非传统的板材，一次性装夹木料(圆木或方木)以及预制数控程序。雕刻模式和锯切模式切换进行，雕刻一层，锯切一层，实现雕刻，锯切循环加工的模式，直到预设加工任务完成。

3.对比现有的木工数控雕刻机本发明有以下优点：

(1)将现有原木破板工序并入到本发明数控雕锯机里，数控下料，雕刻一体化，节省下料人工。

(2)一次性装夹一块圆木(或者方木)，先锯出一个平面，再以雕刻一层，锯切一层的方式进行循环，直到加工完成。实现一次装夹，达到普通雕刻机十数次装夹所达到的加工量，节省了材料装夹工时。

(3)在雕刻过程中无论是镂空还是轮廓雕刻，由于在雕刻模式时所雕刻的部分和下面的木料是一体，所以不用考虑木料甩飞问题。节约了后期清理打磨焊点的时间以及消除了编制程序时预留焊点的麻烦。

(4)加工代码可以一次分层做出并且汇总为一个文件装载进控制系统，这就减少了一直以来做代码的时候针对每块木板做代码的琐碎问题。且长时间无需值守。在雕刻过程中，已经雕刻完被锯下来脱离木料的产品可以直接进入以下的诸如清理，抛光等工序。

(5)本发明数控雕锯机可以单独使用其锯切的功能或者雕刻机功能。降低成本达到一机多用的目的。

附图说明：

图1现有三轴数控雕刻机装夹板料示意图。

图2-1数控雕锯机轴侧图(以带锯为锯切系统)

图2-2数控雕锯机三视图(以带锯为锯切系统)

图2-3数控雕锯机轴侧图(以带锯为锯切系统，无带锯防护罩)

图2-4数控雕锯机轴测图(以圆盘锯为锯切系统)

图3原木料分层示意图

图4电路连接图

图1说明：图1为传统三轴数控雕刻机的外形，以及装夹方式。演示了前述说明中提到的焊点。

图2说明：图2系列为本发明机器结构，图2-1为数控雕锯机轴测图，图2-2为三视图。图2-3为了更好看清结构，隐藏了图2-1中带锯防护罩，其他与图2-1完全一致。

图2-1，2-2零件表

图2-4说明：圆盘锯切系统并入雕刻机的结构

图2-4零件表

1	雕刻机X轴滑台	同时作为圆盘锯安装立柱
			2	雕刻机Y轴滑台	同时作为带锯纵向进给滑台(相当于带锯跑车)
3	雕刻机Z轴滑台	此滑台未加风琴式防护置，使用防尘盖板
			4	带锯横向进给滑台	安装于雕刻机Y轴滑台上，控制锯切厚度
5	圆盘锯片
			6	雕刻电主轴

图3为木料分解示意图，用于配合加工代码的一次性编制的说明，在具体实施方式里有详细说明。

图4为电路说明，在具体实施方式里做了详细说明。

图4零件序号名称：1.维宏接口板插口 2.维宏接口板 3.接口板X轴输出 4.接口板Y轴输出 5.接口板Z轴输出 6.X轴驱动器 7.Y轴驱动器 8.Z轴驱动器 9.带锯横向进给滑台驱动器 10.维宏卡M03，M05代码控制的外接继电器输出口 11.维宏卡M08，M09代码控制的外接继电器输出口 12.雕刻机Z轴和带锯横向进给滑台控制信号切换继电器。13.控制雕刻主轴和带锯电机的切换继电器 14.接雕刻电主轴驱动变频器 15.接控制带锯电机用户交流接触器 16.驱动滚珠丝杠的步进电机或伺服电机

具体实施方式：

[实施例1]

以图2-1，2-2，2-3详细说明带锯系统并入雕刻机系统的实施方式。

本机所有滑台均为直线导轨，滑块，滑台托板，滚珠丝杠，步进电机(伺服电机)在铸铁或是铝材基座上组成。滑台上有用于防尘的保护罩(零件序号13)以及Z轴防尘盖板(零件序号16)。

由图可见本机一共有四个不同尺寸规格的数控滑台。

第一个滑台为雕刻机X轴滑台(零件序号1)，也就是竖直的同时做为带锯系统(由零件6，7，8，9，10，16构成)安装基座的立式滑台。这个滑台在雕刻过程中作为雕刻机的X轴并带动其上所安装的雕刻机Z轴滑台(零件序号为3)做X-Z平面内的二维运动，与零件序号为2的雕刻机Y轴滑台联动构成雕刻机的三维的X-Y-Z运动，从而带动雕刻机Z轴滑台上的电主轴(零件序号5)完成雕刻动作。

第二个滑台为雕刻机Y轴滑台，也就是图中水平安装的滑台(零件序号为2)，这一滑台同时作为带锯纵向进给滑台，相当于木工带锯中跑车的作用。在转换到锯切模式的状态时，通过此滑台的运动构成一个垂直于Z轴的锯切面。

第四个滑台做为带锯横向进给滑台(零件序号为4)，此滑台安装在Y轴(零件序号为2)滑台托板上，此滑台带动其上安装的木料(零件序号14)完成带锯切割时横向进给运动(此滑台进给方向平行于雕刻机Z轴)，以达到控制锯出要求厚度的木料。此滑台托板上安装有夹料台支撑立柱，以及双向丝杆燕尾槽滑台夹料装置(零件序号11，12)。

从以上结构说明可以看出，构成本机的主要机械部分为四个数控双向滑台。带锯部分安装在X轴滑台基座上。四个滑台由一个控制卡控制，此控制卡最低要求三轴联动。

本说明以木工雕刻机最常用的维宏三轴控制卡为例。代码编制软件以精雕为例。

代码编制首先确定生产计划，既要生产的工艺品种类，大小，数量。而后对木料进行长度测量，以及截面的竖直方向的直径，和平行于此直径的各层弦长。分层的厚度以产品的设计厚度为基准。这样就可以得到各层宽度(弦长)和长度(木料长度)。本例以直径250MM，长度400MM的木料为例，见图3。经过测量，一块圆木就可以在精雕软件的制图功能里被分解为若干块的矩形板状木料(见图3)。而后可以根据这些矩形的大小，将要加工的图形或者是曲面雕刻的刀具路径在矩形里排版。先排木料最靠近带锯条的外层，排好后选中输出，在处理软件里生产NC代码，将此NC代码在记事本里粘贴(在电脑记事本里编辑NC代码是一种常用方法，也可以使用其他方法)。

具体电路部分以维宏三轴控制卡为例，详见图4。(1.维宏接口板插口 2.维宏接口板 3.接口板X轴输出 4.接口板Y轴输出 5.接口板Z轴输出 6.X轴驱动器 7.Y轴驱动器8.Z轴驱动器 9.带锯横向进给滑台驱动器 10.维宏卡M03，M05代码控制的外接继电器输出口 11.维宏卡M08，M09代码控制的外接继电器输出口 12.雕刻机Z轴和带锯横向进给滑台控制信号切换继电器。13.控制雕刻主轴和带锯电机的切换继电 器 14.接雕刻电主轴驱动变频器 15.接控制带锯电机用户交流接触器 16.驱动滚珠丝杠的步进电机或伺服电机)。

这里使用的维宏控制卡是三轴的，不具有控制四轴的功能(本数控雕锯机有四个数控滑台)。由于雕刻模式和锯切模式是分开进行的，因此带锯横向进给滑台和雕刻机Z轴滑台可以通过在两种模式切换的办法共用维宏控制卡Z轴控制信号，切换信号的动作由继电器11完成。控制此切换继电器的代码可以用维宏支持的M代码里的M08，M09两个代码(一般维宏控制卡都有M08，M09两个代码控制的信号输出端子)。这两个代码可以控制继电器的开，合。通过此继电器，切换雕刻和带锯状态下的维宏控制卡的Z轴控制信号传递方向。从而达到一个三轴维宏控制卡在雕刻模式的时候驱动雕刻系统部分的三轴滑台进行雕刻，锯切模式下控制Y轴滑台(锯切模式下成为带锯进给滑台)和带锯横向进给滑台进行锯切动作。雕刻机主轴和带锯电机的启动由继电器13控制，控制代码为M03，M04。如果使用四轴控制器，则不存在此切换问题，将变的更加容易实现。当然实现这样分步进行雕刻模式和锯切模式的方法是很多的，可以用三轴控制卡和一个两轴步进电机控制器关联构成，也可以用一个三轴控制卡和一个PLC关联构成。

解决三轴情况下控制切换问题后就可以将精雕软件里分解出的多个矩形里排版的路径，依次粘贴到记事本里，并在各路径之间添加代码M08，M09用以切换加工模式，以及控制带锯横向进给量和纵向切割长度的代码。达到雕刻一层，切割一层的目的。从而实现，一次装夹，一次编程，分层雕刻，分层锯切的工作方式。

一般原木料直径不超过450MM，当生产较大工艺品超过450MM时，可以对雕刻路径分解，雕刻完成后拼接。由以前的先下料，拼接成大料雕刻改成先雕刻再拼接。先雕刻再拼接这一做法在一般的小型雕刻机上属于常用做法。本机可以经由这一常用做法生产较大的实木工艺品。

数控雕锯机生产操作流程：

在装夹平台上直接装夹圆木(本例以直径250MM，长度400MM圆木作为说明对象)而非一般工艺品数控雕刻机使用的板状材料。一般工艺品雕刻厚度为5MM至20MM。以普遍的10MM厚度雕刻品来分析，每雕刻一层，带锯锯下来一层，锯缝按照3.5MM计算，那么一次装夹一段直径为250MM的圆木料，可以雕刻的理论层数N＝250MM/(10MM+3.5MM)＝17，也就是说，装夹一次工件，理论上可以达到一般雕刻机装夹17次的效果。本例实际上在除去一开始需要整平一个雕刻平面所要锯掉径向大约弧高为25MM的一段圆弧，以及到了木料底部装夹时候需要留下径向25MM的尾料，本例实际可以达到13层的加工量。

装夹原木(方木)→对刀(确定原点)→装载代码开始加工→带锯电机启动(切换到锯切模式)→带锯横向进给滑台进给(本例进给量＝25MM)→带锯横向进给滑台进给到位停止→带锯纵向滑台进给，开始锯切(雕刻前整平)→锯切完成，带锯纵向进给滑台进给停止→带锯横向进给滑台反方向退回10MM停止→带锯纵向进给滑台退回原点，关闭带锯电机→雕刻电主轴启动，进入雕刻模式→雕刻完成。X，Y，Z轴回原点。电主轴关闭→锯切模式，带锯横向进给量＝设计厚度+锯缝→锯切完成，退回原点关闭带锯电机，开雕刻主轴(每锯切完成一层，锯切下来已完成雕刻的工件可以直接收集起来进入后期清理抛光工序)→开始第二层雕刻(进入雕刻→锯切的循环状态)→第N次循环结束，(本例N＝13)各轴回原点，加工结束。

[实施例2]

图2-4为以圆盘锯构成数控锯雕机实施方式。所有滑台构成和实施例1完全相同，仅把锯切系统改成圆盘锯。两个圆盘锯轴心平行，相互错开，两个圆盘锯片完全共面。圆盘锯轴安装在X轴滑台底座上。

[实施例3]

以上实施例是将一般雕刻机X轴的水平安装改成X轴竖直安装，竖直安装不影响在作为雕刻模式时的雕刻效果。此安装方式有利于材料在雕刻完成后，进入锯切工序时在锯切完成时利用重力自动落料。如果采用传统雕刻机X轴水平安装，带锯轮也呈水平安装也是完全可以的。只是需要在锯切完成后用一个推料机构把锯切完成的材料推出。实际上，本人目前所做的第一款原型机就是采用的水平安装雕刻机X轴以及带锯轮的方式，在使用中，效果良好。达到预期目的，在退料部分需要加推料杆以及压料轮，否则在锯完瞬间，木料将顺锯条转动方向移动，影响循环加工，无法准确落料。而竖直安装则不存在这一问题。简化了机器构成。

Claims (5)

1.木工数控雕锯机，包括数控三轴雕刻机系统和木工电锯系统，其特征在于将一个锯切进给运动方向垂直于三轴数控雕刻机Z轴的木工电锯系统并入到三轴数控雕刻机上，并入的电锯系统有一个或一组锯切进给方向垂直于雕刻系统Z轴的用于锯切进给运动的数控滑台，以及一个或一组进给方向平行于雕刻系统Z轴的用于控制锯切厚度的数控滑台。

2.根据权利1所述的木工数控雕锯机，其特征在于可以共用雕刻系统的Y轴数控滑台作为并入的电锯系统的锯切进给数控滑台。

3.根据权利1所述的木工数控雕锯机，其特征在于木工电锯系统的控制与雕刻系统的控制相关联。

4.根据权利1所述的木工数控雕锯机，其特征在于并入的木工电锯电锯系统竖直安装或者水平安装均可。

5.根据权利1所述的木工数控雕锯机，其特征在于并入的电锯系统可以是带锯或圆盘锯。