鞋楦CAD/CAM系统和数控刻楦机的开发与研制

鞋既是人民生活的必需品，又是现代时尚的重要元素。我国是鞋的消费大国，更是制鞋大国，也是世界上鞋类第一出口大国，但是高端时尚鞋类还要大量进口，这就形成了很大的反差，也充分暴露了我国在制鞋技术上的不足。

如何通过现代科技手段来提升我们的制鞋技术，从而实现鞋类产品生产的转型升级是摆在我们面前的现实任务；要提升鞋的生产质量就必须从鞋的制造模具——鞋楦质量的提升开始。浙江是我国重要的鞋类生产基地和出口基地，随着社会的发展，人们对鞋的款式、品种和质量提出了越来越高的要求，使得高效高质量的鞋楦设计生产日益紧迫。在浙江省科技厅和温州市科技局的共同支持下，浙江大学和温州市工业科学研究院共同组织技术力量进行科技攻关，在21世纪初承担了省市共同支持的“鞋楦CAD/CAM系统开发和数控刻楦机研制”课题。

我国传统的鞋楦厂制造的是标准鞋楦（母楦）。先由经验丰富的老师傅（刻楦工）根据经验用手工反复修改制作而成，然后以该母楦为标准楦模型，应用仿形铣削原理，用靠模式刻楦机将毛坯楦加工成成品楦。为改变这种落后的生产方式，提高我们在国际鞋业市场上的竞争能力，必须用现代科技手段来改进我们的设计和生产方式，能否将CAD/CAM技术引入鞋楦的设计与制造中的想法就浮现了。

数控刻楦机是鞋楦CAD/CAM的实现环节，可克服传统刻楦机加工效率低、加工精度差、靠模一致性难保证、噪声和粉尘污染较严重等缺点，实现塑料鞋楦的高精度高效数控加工必备工具。

1.总体方案：本方案是以三维数字化模型为基准，吸纳传统刻楦的习惯做法，即鞋楦由头尾两端同轴顶针式夹具顶紧固定后，绕顶针式夹具轴做C向回转运动，高速旋转且倾斜一定角度的刀具在X—Z平面内做Z向上升运动和X向的进给运动，在鞋楦表面形成螺旋线加工轨迹，数控刻楦机通过控制C、X、Z向的精确协调运动，使鞋楦切削加工高效精准实现，从而可大规模快速批量生产一致性良好的塑料鞋楦。(www.xing528.com)

为了实现这一加工路径，数控刻楦机采用三轴连动方式。在设计刻楦机时，数控系统和机床本体两方面都围绕加工方式展开。数控系统需要完成C、X、Z三个伺服轴的控制，读取由各个轴运动位置值构成的数控程序后，进行插补运算，控制三台伺服电机完成刀具在X、Z两个方向上的进给运动和鞋楦的C向回转运动。机床本体由夹具系统、C向进给装置、Z向进给装置、X向进给装置、刀具系统和辅助装置构成。其中，夹具系统实现鞋楦的夹持定位；C向进给装置负责实现鞋楦的C向回转运动；刀具系统实现切削刀具的高速回转运动，同时，X向进给装置又固定在Z向进给装置上实现刀具的Z向运动与X向连动。辅助装置由排屑、加工窗升降门、照明及防护等装置构成。

为加快研制进度，数控系统选用具有三轴连动的商品化数控系统。提取数控系统中的相应功能，通过具体的设计和编程操作来满足鞋楦数控系统的功能需求。夹具系统采用上下顶尖的方式，下顶尖具备定位功能并随C向进给装置一起转动，上顶尖可以上下运动，方便装夹，通过液压系统来实现。C向进给装置由一台伺服电机控制，通过精密齿轮传动，输出中心轴的回转运动。刀具系统是三把碗状铣刀均匀镶嵌在刀盘上，由电机带动刀盘高速旋转，形成碗状包络面。X向进给装置和Z向进给装置分别采用各自的伺服电机通过滚珠丝杠驱动相应的工作台来实现。

机床本体设计采用CAD/CAM/CAE集成软件，首先进行零部件的三维造型和装配，然后对零部件装配件进行机构分析、动态仿真、有限元分析，根据分析的结果对结构参数进行不断优化，得到计算机内完整的虚拟模型，最后利用软件提供的三维转二维功能，生成二维零件图和装配图，在此基础上做进一步工艺合理化修改（包括零件加工工艺和装配工艺的优化改进），得到最终加工图纸，根据这些图纸实现数控刻楦机的制造。当然，数控刻楦机的组装和调试也很重要。本项目以研制能数控加工一双鞋楦的数控刻楦原型机为基础，通过对试验机的试验和调试、分析、改进，尤其是针对数控加工鞋楦的特点，在设计生产型样机时充分考虑机床主要部件的加工工艺和精度保障手段，创新设计了运动刀架配重平衡机构，为数控伺服系统的精巧工作提供了良好的配合，设计生产的六工位生产型数控刻楦机，顺利通过浙江省科技厅的验收。该项目的研制路径是典型的采用计算机辅助创新的事例，包括计算CAD/CAM/CAE集成软件在数控机床关键设计环节的科学应用，是探索现代人工智能设计的基础，希望能给大家一个有益的启示。