当代木工机械系统功能的实现与测试

第一章研究背景和意义

1.1课题背景
木材自古至今都被列为重要的原材料，这是因为它拥有密度小、单位重量的强度高、柔初好、耐冲撞性好、机械和化学加工的操作容易进行等一系列优点。同时木材工业还拥有加工中使用能源少并且产生的污染较少的特性，另外木材还是一种可再生资源，所以在国民经济结构中占据着重要的地位。为了提高木材资源的综合利用程度，必须加大森林采伐运输后续工业的应用程度，其最主要的两个组成部分是木材加工工业和林产化学加工业，而木材机械加工方法又是木材加工业的关键技术所在。古代的劳动人民在长期的生产劳动中创造和使用了多种木材加工工具。最早的木工工具是锯子，距离现在已经有三千年历史了。根据相关历史资料记载，中国在商代和西周期间，最早制成了 "商周青铜刀锯"。在国外的历史记载中，最古老的木工机床是公元前由埃及人制造的弓形车床。
1384年前后，在欧洲相继出现了以将人力、畜力和风力转换为机械动力的最原始的排锯机，这是木工机床的进一步发展。第一次世界大战前1898至1914的六年里，英、俄、法、德等国开始疯狂的争夺海上霸权，各国为了获得大量的海外殖民地，大力发展本国的船舰制造业，而当时船舰主要制作原料便是木材，木工机床正是在争夺海上霸权的催动下诞生的。当时的英国为保持其海上霸主地位，集中力量和德国进行海军军备竞赛，大力发展海军，同时船舶制造也迅猛发展。所以十八世纪末期，近代木工机械就诞生于英国。在十八世纪六十年代英国开始的产业革命中，机械制造技术得到了显著进步，木材加工也幵始了机械化的进程。1791年，被称为"木工机床之父"的英国造船工程师本瑟姆相继创造出平刨、铣床、圆锯机、钻床，这些工具的出现标志着木工机床的正式诞生。虽然这些机床除了刀具以及轴承使用金属制造，其它的部分都还保留着木质结构，而且结构也很不完善，但是与手工作业相比工作效率已经有了显著的提高。
1799年，布鲁奈尔发明了造船业专用的木工机床，使得效率有了明显的提高。1802年，英国人布拉马发明了龙门刨床，它是把加工原料固定在工作台上，刨刀在工件上面旋转，当工作台往复运动时，刨刀对其木材工件进行刨削。1808年，英国人威廉纽们瑞发明了带锯机，但由于当吋带锯条的制作与悍接技术水平较低，带锯并没有投入使用。直到50年以后，法国人完善了带钢条的制造和捍接技术，带锯机才获得普遍应用。到了 19世纪初期，美国经济大发展吸引了大量欧洲移民进入美国，大量的移民需要建造住宅、辆和船只，再加上美国得天独厚的森林资源，使得当时的木材加工工业兴起，木工机床得到进一步的发展。1828年，伍德沃(Woodsorth)发明了单面压刨，它的结构是回转的刨刀轴和先进滚筒相结合，进给滚轮不但进料而且可以起到压紧木料的作用，可以将木料加工成规定的厚度，单面压刨还具有刨边、开槽的功能，工作效率很高。1860年幵始，铸铁开始代替木制车身。
1834年，美国人乔治佩奇发明了脚踏桦槽机，费伊发明了开榫机；1876年，美国人格林里发叨了使川的方凿榫槽机；1877年，美国的柏尔林工厂出现了最的带式砂光机。1900年，美国幵始生产出了双联带锯机。经过不断的改进、提高和完善，从蒸汽机到现在的二百多年时间，发达工业国家的木材加工机床己经发展成120多个系列，有300多种门类的行业。计算机数字控制。该控制系统主耍优点就是可以读取包含有控制刀具状态以及其行走路径的指令程序，并且可以将这些程序进行译码，输入数控机床，从而控制机床执行程序规定的动作，以达到将毛坯材料加工为半成品或者成品的目的。计算机数字控制楚现代制造技术的核心。计算机辅助制造。
CAM技术产生于20世纪50年代末，在之后的30年里，也就是80年代和90年代之间发展速度最快。CAM是CAD在产品制造和加工领域的延续与发展，CAM以已建立的CAD模型为编程的标对象，能动生成行刀轨迹。CAM作为应川性、实践性、针对性极强的专业技术，直接而向实际的数控生产过程，其核心的技术便是数控技术，通过使川数控机床按照数字量来控制机床刀具的运动轨迹，最终完成零件加工。CAM和CAD不可分割的两部分，彼此联系和制约，共同完成了产品从设计到生产经过的一系列流程(宋驰，宋克非，宋惠萌2003)。伴随着信息技术的持续进步，制造业的制造方式也发生了根本性的变化，CNC/CAM等技术最早在工业中兴起，被应川于各类加工机床上，并上在逐渐不断将传统的加工手段替换。特别是在机械制造行业中，由于CNC/CAM技术在金屈加工过程中的使用，很大程度上加快了该行业的生产速率，提高了生产的动化程度，从而创造了大量的经济效益。

1.2数控木工机械及CNC/CAM系统研究现状
数控木材加工机械标志着整个木材加工行业的生产设备水平。在东北林业大学马岩教授的文章《我国数控木工机械的发展现状及动化技术研究方向》中首次提出了数控木工机械的定义：采用数字模式控制和数显显示器输出控制结果的木工机械(马岩，2007;马岩,2012)。并且提出了将数控木材加工机械进行分类的标准。该标准划分出了低档、中档和高档木工行业数控机械的三个档次。我国和世界上其它木工机械生产大国将生产高精度、高效率、高自动化的数控木材加工机械作为发展目标，这就需要配套的CNC/CAM系统也进行相应的提高和改进。
1.2.1国外木工数控机床及CNC/CAM系统研究现状
1952年，在世界上第一台电子计算机问世的第六年，世界第一台数控机床被研制成功。一直到1955年，数控机床被引入工业中，并且表现出色。直到1960年后，世界各NC制造厂家开始钻研如何改进NC的控制功能，以便扩大数控机床的使用范围，使其不仅仅可以在工业中应用，而且可以扩展到其他的行业之中，包括木工行业。但是当时由于计算机技术水平还比较落后，所以数控机床只是在金属切削机床上进行了使用，没有得到及时的齊及，在木材加工机械中也没有得到应用。当计算机技术发展成熟到微型计算机控制的时代，才幵始推动着逐渐把数控技术齊及使用到不同的加工领域之中。数控技术在木工机械领域的应用至今只有40多年的历史，最早追溯于1966年，瑞典的柯肯公司使用该项技术来控制制材厂的运作。
随后的两年之后，日本庄田公司在木工机械产品之中首次使用了数控NC技术，从而成功制造出了世界第一台木工数控镂铣机。尤其是1982年意大利SCM公司开发出的木工机床柔性制造系统迅速推进了木材加工的现代化进程。进入21世纪后，在国际知名的木工机械展会上展示出的新一代数控木工机械产品，6-8根传动轴不但远超于传统的1-2轴，而且还安装了多种刀具库，其装刀时间仅为0.5秒。德国、美国、意大利以及中国台湾、是全世界的木工机械主要生产基地，在国际市场中占主导地位。这些地区的木工机械行业状况反映国际木工机械市场的基本格局和走向，数控木材机械的发展状况也间接反映了其CNC/CAM系统研发的发展状况。德国作为世界久负盛名的机械生产强国，不仅仅金属加工机械领域独占鳌头，而在木材加工机械领域也是世界上最大的生产和出口国。机械制造业是德国最大、最重要的工业部门之一，德国的木材加工机械占到了世界市场的约30%。 产品主耍的钔售区域为美国、法国、奥地利、英国、瑞士、俄罗斯、意大利和中国等国家。

    1.3 本论文研究内容及其意义 .......................11-12
    1.4 小结 .......................12-13
第二章系统设计 .......................13-25
    2.1 木材加工的特点分析 .......................13-14
    2.2 木工数控机床CNC/CAM系统分析 .......................14-16
    2.3 系统设计分析 .......................16-17
    2.4 操作界面设计 .......................17-19
    2.5 后台处理中心设计 .......................19-21
    2.6 刀具添加和管理栏设计 .......................21-22
    2.7 NC代码转换程序设计 .......................22-24
    2.8 小结 .......................24-25
第三章软件功能的实现与测试 .......................25-48
    3.1 操作界面功能的实现与测试 .......................25-27 
    3.2 后台处理中心功能的实现 .......................27-30
    3.3 木工刀具添加和管理功能实现与测试 .......................30-36
    3.4 NC代码转换功能实现与测试 .......................36-47
    3.5 小结 .......................47-48
第四章实例应用 .......................48-58
    4.1 系统操作性及稳定性验证 .......................48-56
    4.2 系统运行的仿真结果....................... 56-58 

总结

本文在分析国内外CNC/CAM系统发展过程及现状的基础上，选取先进的金屈CNC/CAM系统软件PowerMILL为后台处理中心，完成了现代木工机械CNC/CAM系统的研制与开发。在研发过程中，主要完成的工作包括以下方面：
1.使用Visual Studio 2008系列软件开发了现代木工机械CNC/CAM系统的操作界面，完成了软件整体布局的设计和局部美化，对操作界面的功能进行了测试。
2.建立现代木工机械CNC/CAM系统的后台处理中心。结合VB.NEI、PowerMILL语言、Visual Studio语H编写程二完成系统操作界面与后台处理中心两者之间信息交流的任务。
3.根据木材加工的特点，设计出刀具添加与管理功能模块。达到了现代木工机械CNC/CAM系统添加和管理木材加工专川刀的。
4.依据国际ISO标准NC代码与木工数控机床专川NC代码二者之间格式、法的不同，设计出具有代码转换的后置转换模块，并对该模块功能进行了测试。达到了将国际ISO标准格式代码转换为木工数控机床所能识别代码类型的标。
5.通过运用现代木工机械CNC/CAM系统对实际摸型的处理，对其稳定性与可操作性按照设计的操作流程逐步进行测试，并对后得出NC代码的正确性进行验证。

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