数控鞋楦工艺的机理与探究

　　数控刻楦机和鞋楦CAM技术是专用于鞋楦的自动加工系统，它包括支持加工的硬件设备和控制加工的软件。数控刻楦机和鞋楦CAM技术按照一定的三维数控加工算法对鞋楦CAD所获取的数据进行处理，可获得数控加工数据，经自动编程即可控制刻楦机进行鞋楦自动数控加工。

　　皮鞋是人们生活的必需品，制鞋业在国际国内都有庞大的市场，研制数控刻楦机及相关技术具有较好的社会效益和经济效益。

　　数控刻楦机及其加工原理数控刻楦机，顾名思义，就是利用数字控制进行鞋楦加工的机器，它是鞋楦CAD/ CAM的最终输出设备，可以说是整个系统中最关键的一环，它直接影响到所加工鞋楦的质量。

　　数控刻楦机采用步进电机作为驱动的开环伺服系统，开环系统的优点是结构简单、容易调试、造价低，对木质或塑料材质鞋楦进行加工是完全可以胜任的。

　　数控刻楦机控制系统采用基于PC微机的开放式数控系统，使用工控机作硬件平台，使用通用的操作系统（ Windows 98等）和通用的应用软件作为软件平台。从而提高了系统的可靠性、开放性和灵活性（柔性） ，有利于数控刻楦机其他功能的进一步开发。

　　数控刻楦机主机采用两坐标联动加工方式，待加工的毛坯楦沿纵向固定在C轴上并可在C轴步进电机（ 1）的驱动下以C轴为中心旋转，同时通过同步齿轮，齿形皮带（ 4）和丝杆（ 6- 1）带动Y轴滑动工作台（ 7）沿Y方向左右移动。通过X轴步进电机（ 8）和丝杆（ 6- 2） ，位于Y轴滑动工作台上面的X轴滑动工作台（ 10）可沿X方向前后平移，固定在X轴滑动工作台上的高速防爆电机（ 3）通过平皮带（ 9）驱动刻刀高速旋转。因此，在X轴和Y轴两个滑动工作台的帮助下高速旋转的刀盘（ 11）可以在X- Y平面上自由运动，通过控制刻刀刀盘中心与C轴中心的距离即可按照测量获得的鞋楦轮廓数据对毛坯楦每个截面外轮廓进行加工，切割掉多余的材料即可获得所需的鞋楦。

　　鞋楦CAM技术鞋楦CAM技术是将鞋楦的设计（鞋楦CAD）信息转换成数控刻楦机完成自动加工的软件系统。鞋楦CAM系统直接读入鞋楦CAD用数字定义的鞋楦数据（通过鞋楦的离散三维造型）经过鞋楦加工工艺和数据处理，然后自动生成鞋楦数控加工程序。

　　1．鞋楦的三维造型鞋楦三维造型是鞋楦CAD的内容，为了便于理解鞋楦CAM技术，简述如下。

　　鞋楦是一个由复杂而不规则的异形曲线和曲面组成的自由型曲面闭合体，其外形轮廓不能由初等解析曲面构成，也不能用简单的机构三视图来描述。因此，只能采用离散法造型技术来近似描述鞋楦的外轮廓面。所谓离散法造型，对自由曲面体而言就是用满足一定精度要求的离散的片状小平面来近似表达整个曲面体。对于鞋楦，离散精度与鞋楦表面数据的离散程序有关。

　　以楦体的前后两个端点A和B的连线为轴线，建立以A为坐标原点的右向坐标系，则AB的长度为鞋楦全长，设AB= L.然后我们可以用一个和轴线AB垂直以d为间距的平面由B至A顺序递进切割楦体，得到一系列与鞋楦外轮廓表面相交的闭合曲线，称其为U线，并依次设为U 0，U 1， U 2，， U n - 1，其中n表示截面数，且有： n= < L d > + 1< >示取整。一般情况下由于L都不可能整除d，所以切割完以后必定存在一个小于d的余量，设其为，则= L- （ n- 1） d.

　　然后，再用一以AB为轴线的半平面，从过Y轴正向半平面位置开始以间隔角度逆时针顺序切割楦体表面，从而又得到一系列与鞋楦表面相交的以A、B为轴端点的曲线，称其为V线，并依次设为V 0， V 1， V 2，， V m - 1， m为总线段数，它与的关系为： m= 360。

　　这样，鞋楦轮廓表面即可看作由U线（横向）和V线（纵向）相交所形成的网格片状小曲面所组成。

　　由于在计算中采用极坐标非常简便，可以使许多复杂问题简化，所以我们利用它们每个交点的极坐标来描述整个鞋楦三维轮廓。设任意一个交点的极半径为r ij， i= 0， 1， 2，， n- 1代表U线序号， j= 0， 1，2， ， m- 1代表V线序号。只要选取能准确逼近鞋楦表面的离散精度，即确定合适的d和，整个楦体表面就可以用这共计nm个点的极坐标来近似描述。

　　因此，描述鞋楦轮廓的离散数据特征如下：鞋楦按恒定间距d沿中心轴共分为n圈，每圈有m个数据点，数据采用极坐标形式，沿逆时针方向每转动360/ m度即可获得一个点的极半径。鞋楦三维数据是通过我们研制的鞋楦三维不接触测量仪获取的，所有数据由鞋楦头部至尾部连续存储到一个数据文件中。

　　2．加工工艺处理工艺处理包括合理选择刀具及对刀点、确定加工路线和确定X轴C轴运行的脉冲当量等。

　　2. 1刀具的选用如，在一个半径为40- 50mm的Z型刀体上嵌入两把常用机制刻楦铣刀组成加工刀具，铣刀被设计成碗状，铣刀刀碗直径30mm左右，刀盘以7000- 8000rpm的转速高速旋转。这种结构的刀具可保证木头或塑料毛坯楦的加工表面光滑和平整。

　　2. 2对刀点对刀点即是加工时的起点，选择在楦的头部，在鞋楦设计时，对鞋楦的头尾都留一个工艺加工部份，称为楦头和楦尾，以便于加工装夹，加工完成后，再用前尖机和后跟机或人工把这两部份去掉。为了避免切入时滑动工作台与工件的机械干涉，刀盘与C轴之间保持了一定的夹角。

　　2. 3加工走刀路线根据鞋楦的独特三维造型和刻楦机的加工原理，刻楦机加工时的运动过程如下：毛坯楦绕C轴旋转，滑动工作台沿X轴前后进退同时沿Y轴负向移动，带动高速旋转的刻刀逐步切削掉毛坯楦上多余的材料。从加工原理图上可看出鞋楦的加工过程是由C轴旋转、X轴平移以及Y轴平移这三个空间自由度上的独立运动所组合成的一个复杂的三维运动过程，其走刀路线是一个螺旋环切线。由于它是连续的，从而减少了空程，提高了加工效率。

　　2. 4确定脉冲当量在数控刻楦机中，步进电机驱动C轴带动工件旋转，一个脉冲（即1步）使C轴所转的角度Pc叫做C轴的转角脉冲当量。每加工一点， C轴需要转动的角度为= 360/ m度，其中m是鞋楦每个截面的加工点数。要转角需要S c个（步） P o。取S c为整数，可保证加工每一个点时， C轴都能以整步数转动角。由此即可确定C轴转角脉冲当量P c。P c可通过对步进机细分角进行调整得到解决。

　　另一个步进电机驱动刀台沿X轴方向平移，一个脉冲使刀台沿X轴的位移量称为X轴的脉冲当量P x。P x与加工精度和加工表面的粗糙度有直接的关系。对于木质和塑料材料的加工， P x可在0. 02mm 0. 05mm/脉冲之间选用。

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