近十年來，我國科技以及工業(yè)制造水平高速增長，智能制造理念廣泛應(yīng)用至各行各業(yè)，生產(chǎn)技術(shù)的提高與市場個性化的需求相互作用，帶動了新技術(shù)的突破與市場的不斷迭代。對于目前興起的定制家具行業(yè)，數(shù)控加工設(shè)備的應(yīng)用大大提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，在多軸數(shù)控加工工藝逐漸成熟的背景下，個性化實(shí)木家具的批量化生產(chǎn)不再是一項(xiàng)矛盾的難題。

1. 市場需求迭代，引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展

1.1 定制實(shí)木家具市場的興起

當(dāng)今社會，居民的生活水平以及需求在不斷提高，定制家具受到了廣大消費(fèi)者的歡迎。人們個性化的需求、快節(jié)奏的生活無疑對于實(shí)木家具的生產(chǎn)開發(fā)提出了更高的要求。對于實(shí)木家具中的異形家具等，由于其加工難度相對較大且復(fù)雜，所以在傳統(tǒng)加工方式中，幾乎離不開多步驟的人工加工參與，要解決個性化的實(shí)木家具定制生產(chǎn)需要，先進(jìn)制造技術(shù)就需要投入開發(fā)應(yīng)用。

圖1 常見的實(shí)木家具異形件及加工

1.2 五軸數(shù)控加工工藝日趨成熟

經(jīng)濟(jì)全球化帶動了產(chǎn)業(yè)分工和產(chǎn)業(yè)鏈轉(zhuǎn)移，家具制造業(yè)產(chǎn)能日益激增，市場的變革同樣帶動了制造模式及其技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式已然不能滿足當(dāng)今消費(fèi)者個性化、多樣化的需求，所以通過高新技術(shù)和先進(jìn)制造工藝來提高企業(yè)生產(chǎn)效率成為了緩解生產(chǎn)壓力的關(guān)鍵手段。近年來，制造業(yè)的焦點(diǎn)不斷向智能化、柔性化偏移，隨著數(shù)控加工技術(shù)的不斷發(fā)展，五軸數(shù)控加工技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，趨向成熟。

數(shù)控加工技術(shù)是制造業(yè)機(jī)電一體化的產(chǎn)物，上個世紀(jì)50年代以來，數(shù)控加工技術(shù)經(jīng)過多個階段的迭代發(fā)展，取得了巨大的技術(shù)進(jìn)步。隨著數(shù)控技術(shù)的不斷成熟，五軸數(shù)控加工技術(shù)在越來越多的領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是對于連續(xù)、平滑的復(fù)雜曲面和零件等，五軸數(shù)控加工技術(shù)無疑是高效率解決問題的關(guān)鍵手段。

2.五軸數(shù)控加工技術(shù)介紹

2.1 設(shè)備工藝介紹

五軸電腦數(shù)控加工中心是指集計(jì)算機(jī)控制、高性能伺服驅(qū)動、精密加工技術(shù)和軟件技術(shù)于一體的、擴(kuò)展五軸聯(lián)動功能的高速電腦數(shù)控加工中心, 其系統(tǒng)集成特性可提供較高的加工效率和加工能力。

圖2 巴吉五軸數(shù)控加工中心（MASTER PRO）

2.2 五軸加工形式

五軸數(shù)控加工中心是在X、Y、Z正交的三軸驅(qū)動系統(tǒng)內(nèi),另外加裝傾斜與旋轉(zhuǎn)的雙軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，分別是三個直線軸(XYZ)和兩個旋轉(zhuǎn)軸(AB)或者是(AC)，其中X、Y、Z坐標(biāo)決定刀具位置，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)決定刀具方向，采用不同形式的五軸數(shù)控機(jī)床，可以滿足多類產(chǎn)品的加工需求。目前市場上，五軸數(shù)控加工中心雖然品牌繁多、形態(tài)各異，但根據(jù)機(jī)床運(yùn)動模式的不同組合，主要有主軸傾斜式、工作臺傾斜式、工作臺/主軸傾斜式三大類形式。

(1)主軸傾斜式五軸數(shù)控機(jī)床

兩個旋轉(zhuǎn)軸都在主軸頭一側(cè)的機(jī)床結(jié)構(gòu)，稱為主軸傾斜五軸機(jī)床，或稱為雙擺頭結(jié)構(gòu)五軸機(jī)床，這種機(jī)床通常有以下三大特點(diǎn)：①主軸運(yùn)動靈活，工作臺承載能力強(qiáng)且尺寸可以設(shè)計(jì)的非常大。②適用于加工船舶推進(jìn)器，飛機(jī)機(jī)身模具、汽車覆蓋件模具等大型零部件。③主軸的剛性和承載能力較低，不利于重載切削。

常見的結(jié)構(gòu)形式有十字交叉型雙擺頭五軸數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)(十字交叉擺頭形式)與刀軸俯垂型五軸數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)(俯垂型擺頭式)。

圖3 十字交叉擺頭形式(左)與俯垂型擺頭式(右)

(2)工作臺傾斜式

兩個旋轉(zhuǎn)軸都在工作臺一側(cè)的機(jī)床結(jié)構(gòu)，稱為工作臺傾斜式五軸數(shù)控機(jī)床，或稱為雙轉(zhuǎn)臺五軸結(jié)構(gòu)機(jī)床，這種機(jī)床的特點(diǎn)通常為：①主軸結(jié)構(gòu)簡單，剛性較好。②制造成本較低，C軸回轉(zhuǎn)臺可無限制旋轉(zhuǎn)，但由于工作臺為主要回轉(zhuǎn)部件，尺寸受限。③承載能力不大，不適合加工過大的零件。

常見的結(jié)構(gòu)形式有雙轉(zhuǎn)臺(搖籃式)結(jié)構(gòu)五軸數(shù)控機(jī)床與B軸俯垂工作臺五軸數(shù)控機(jī)床。

圖4 雙轉(zhuǎn)臺式(左)與俯垂型轉(zhuǎn)臺(右)

(3)工作臺/主軸傾斜式

兩個旋轉(zhuǎn)軸中的主軸頭設(shè)置在刀軸一側(cè)，另一個旋轉(zhuǎn)軸在工作臺一側(cè)，稱為工作臺/主軸傾斜式五軸結(jié)構(gòu)，或稱為擺頭轉(zhuǎn)臺式五軸結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)為：旋轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)布局較為靈活，可以是A/B/C三軸中的任意兩軸組合，這種結(jié)構(gòu)結(jié)合了主軸傾斜和工作臺傾斜的優(yōu)點(diǎn)，加工靈活性和承載能力均有所改善。

圖5 工作臺/主軸傾斜式

2.3 五軸技術(shù)在實(shí)木家具中的應(yīng)用

五軸數(shù)控在實(shí)木家具、木雕等行業(yè)的應(yīng)用，逐漸向成套化、智能化發(fā)展，對于傳統(tǒng)的車削、銑削、雕刻、鉆孔、鏜孔、鉸孔、鋸切、開槽、砂光等加工流程及步驟，僅需一臺五軸數(shù)控加工設(shè)備即可完成，對于實(shí)木家具尤其是定制家具中復(fù)雜的曲面形狀和結(jié)構(gòu)，五軸數(shù)控加工技術(shù)具有靈活和高度的自由性，在加工家具以及木雕工藝品時(shí)具有碾壓性的優(yōu)勢，成品質(zhì)量也往往更好。

圖6 巴吉五軸設(shè)備加工的實(shí)木家具件

對于實(shí)木家具五軸數(shù)控加工技術(shù)，筆者采訪了具有百年歷史的木工機(jī)械生產(chǎn)商PAOLINO BACCI S.R.L.(意大利寶利諾巴吉木工機(jī)械有限公司)，巴吉以技術(shù)和創(chuàng)新為其核心理念，自2003年引入國內(nèi)以來，已為諸多制造企業(yè)提供了巨大的價(jià)值。據(jù)調(diào)研，巴吉的主推產(chǎn)品有三種，在同類設(shè)備加工形式上具有一定的代表性，分別為：

(1)Artist.TGV

ARTIST.TGV是巴吉(BACCI)加工中心中最靈活的6軸聯(lián)動CNC加工中心。帶有2個獨(dú)立的TGV工作臺，配備一個T2+2型操作頭。適用于椅子、桌子、床等家具和運(yùn)動器材、樂器、塑料及復(fù)合材料的元件加工。

圖7巴吉Artist.TGV系列五軸數(shù)控機(jī)床

(2)Master.TGV

MASTER.TGV是全能的6軸聯(lián)動CNC加工中心。配有高剛性的龍門框架結(jié)構(gòu)，2個獨(dú)立的TGV工作臺和多個獨(dú)立電主軸工作頭，可配備自動刀具庫。適用于椅子、桌子、床等家具和運(yùn)動器材、樂器、塑料及復(fù)合材料的元件加工。

圖8 巴吉Master.TGV系列五軸數(shù)控機(jī)床

圖9 巴吉Master.TGV加工的實(shí)木零部件

(3)Doublejet

DOUBLE JET是一款雙頭加工中心，具有 6+6 個插補(bǔ)軸，可以用兩個5軸頭同時(shí)加工同一工件，配備自動裝料/卸料系統(tǒng)。兩個獨(dú)立臺面配備3+3氣動夾具，臺面夾具具有在pitagora里可視化調(diào)整，機(jī)器自動定位功能。

圖10 巴吉Double jet系列五軸數(shù)控機(jī)床

圖11 巴吉Double jet加工的實(shí)木零部件

家居制造企業(yè)通過引入五軸數(shù)控加工設(shè)備，能夠解決傳統(tǒng)生產(chǎn)模式中產(chǎn)品開發(fā)成本高、周期長、品質(zhì)不穩(wěn)定、銷售及管理不協(xié)同等問題，滿足市場對于個性化的實(shí)木家具生產(chǎn)需要，使得企業(yè)在變幻莫測的生存環(huán)境中能夠順應(yīng)潮流趨勢。

2.4 工藝優(yōu)勢

基于經(jīng)濟(jì)與科技的發(fā)展，制造部門的研發(fā)與創(chuàng)新能力通常是企業(yè)核心競爭力的表現(xiàn)，數(shù)控技術(shù)的普及應(yīng)用已為實(shí)木家具制造業(yè)帶來轉(zhuǎn)型與機(jī)遇，五軸數(shù)控加工技術(shù)的引入更推動行業(yè)向自動化、智能化發(fā)展。相較于傳統(tǒng)加工方式，五軸數(shù)控加工設(shè)備集技術(shù)、控制、計(jì)算于一體，體現(xiàn)了精度上、效率上和成本上的卓越優(yōu)勢。

圖12 巴吉五軸數(shù)控設(shè)備精細(xì)加工過程

(1)復(fù)雜曲面的加工獨(dú)具優(yōu)勢

對于實(shí)木家具中的雕花式樣、曲面實(shí)木家具部件，一般的三軸數(shù)控機(jī)床很難做到一次裝夾完成連續(xù)、平滑的自由曲面加工。三軸切削時(shí)，工作臺面無法隨作業(yè)靈活轉(zhuǎn)換角度，當(dāng)被切削件處于非最優(yōu)狀態(tài)時(shí)，切削刀具在試件表面容易留下類似加工中心點(diǎn)這樣的硬性加工痕跡。而五軸切削可以在刀具切削工作保持良好轉(zhuǎn)速度的同時(shí)，靈活快速轉(zhuǎn)變工作面，保證試件的被加工過程盡量在勻速的過程中進(jìn)行，減少加工痕跡，增強(qiáng)工件表面的視覺體驗(yàn)以及質(zhì)感。

圖13 巴吉五軸數(shù)控加工的家具異形件

(2)自動化水平高，提升加工效率

當(dāng)今消費(fèi)者的需求呈現(xiàn)多樣化和個性化的特征，基于市場需求的敏捷制造模式或成為實(shí)木定制家具企業(yè)提高自身競爭力的重要手段。五軸數(shù)控加工工藝由于自動化程度高，人工參與度相對較少，有效降低了產(chǎn)品制造線中人工參與的時(shí)間成本和人力成本，通過五軸數(shù)控軟件前期程序的編寫設(shè)計(jì)與檢查，降低了加工過程中人為因素的干涉，從而提高整體加工效率。

圖14 巴吉五軸數(shù)控加工家具異形件

(3)功能復(fù)合化，精簡工序

傳統(tǒng)加工模式中，不同的工段需要不同的加工機(jī)床與技術(shù)工人參與，而五軸數(shù)控加工中心具有獨(dú)立工作臺以及自動刀具庫，復(fù)雜的加工工序通過功能復(fù)合而得到精簡。從最簡單的切割到最精細(xì)的造型加工、螺紋加工以及孔位加工等方面，五軸數(shù)控加工設(shè)備皆可靈活切換，相較于三軸加工工序，過程更加流暢與高效。

對于實(shí)木家具復(fù)雜異形件的加工，三軸加工模式針對不同切削工序，需要對工件進(jìn)行多次換刀-裝夾-對刀-確定無誤-再加工的過程，而且多用于確定的初始加工平面。五軸數(shù)控加工可以靈活切換與對刀，對于異形件曲面、底側(cè)面的加工、打孔等，一次裝夾即可在預(yù)定的加工軌跡中完成整個工件的加工。

圖15 巴吉設(shè)備自動化加工的家具部件

(4)便于智能化管理，安全性高

在智能制造時(shí)代，企業(yè)通過引入五軸數(shù)控加工設(shè)備以配合其智能生產(chǎn)管理，是應(yīng)對市場不斷升級變革的重要手段。從加工參數(shù)設(shè)定、程序匯編、刀具庫管理、智能計(jì)算到參數(shù)可視化、動態(tài)預(yù)測以及加工環(huán)境的虛擬仿真、自檢查自修復(fù)功能等等，五軸數(shù)控加工設(shè)備在加工準(zhǔn)確性與安全性上都具有可觀的表現(xiàn)。

3. 寫在最后

當(dāng)今社會信息技術(shù)高速發(fā)展，市場需求瞬息萬變，不斷向智能化、敏捷化發(fā)展的生產(chǎn)制造模式也不斷催生新技術(shù)的產(chǎn)生。目前定制家具生產(chǎn)模式具有買方市場主導(dǎo)、客戶細(xì)分、模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、協(xié)同開發(fā)等特點(diǎn)，定制實(shí)木家具企業(yè)通過結(jié)合五軸數(shù)控加工工藝與先進(jìn)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，開發(fā)生產(chǎn)的產(chǎn)品既能滿足廣大消費(fèi)者的個性化需求，又能保證生產(chǎn)成本、效率的提升，是大規(guī)模定制批量化生產(chǎn)的一大實(shí)踐。

隨著五軸數(shù)控加工技術(shù)的不斷成熟，機(jī)器的精度、穩(wěn)定性、可視化編程與安全性得到了有效的保證。目前，越來越多的家具企業(yè)選擇與設(shè)備生產(chǎn)商合作，通過引入先進(jìn)的五軸數(shù)控加工設(shè)備來精簡產(chǎn)線配置、提升產(chǎn)品質(zhì)量，從而縮短產(chǎn)品從定制到生產(chǎn)、交付的周期，以提升整體工作效率。

據(jù)筆者采訪的巴吉企業(yè)介紹，他們在五軸設(shè)備的安裝、培訓(xùn)、故障檢修等售后服務(wù)方面，就已經(jīng)能夠做到全流程提供高效服務(wù)，機(jī)器的壽命、穩(wěn)定性和安全性也能達(dá)到以往常見品牌的三倍，所以在當(dāng)今競爭愈加激烈的定制家具市場，五軸智能加工設(shè)備的普及與應(yīng)用顯然已為大勢所趨，是家具業(yè)全面邁向智能制造時(shí)代的一大腳步。