论文导读:：仿古地板因其独特出众的色泽、纹理，厚重的自然文化底蕴，在地板市场上广受欢迎。本文探讨了采用数控技术代替手工仿古地板表板加工的可行性，并通过实验，提出利用数控机床，通过随机数控程序、走刀路径和专用铣刀，在地板表板上加工仿古的效果方法，以减少手工加工量，降低生产成本，提高生产效率和质量。
论文关键词：仿古地板，数控机床，自动化加工
近年来，仿古地板在国内外市场走俏，由于其独特的纹理、色泽，带给人们的视觉与触感都明显不同于普通地板。与传统概念上的木地板相比，仿古地板色彩多变，以重色、深色为主，显得厚重许多，在展现出木材本质特性的基础上，加入了木制品受自然影响后日积月累形成的天然属性，给予人更贴近自然的木质环境享受。
为了实现仿古地板表面纹理历史积淀的厚重感，地板制造过程中在木材纹理的基础上，人为地添加了手工雕刻的斑节、凹凸等“不和谐”元素。以实现仿古地板自然、多变的感官效果。由于手工加工存在着诸多的弊病，如工人劳动强度大，操作技术要求高，加工效率低，生产成本高等，若能将数控加工技术应用到仿古地板的加工中，取代大部分的手工加工，则有利于实现其机械化、高效化生产，降低工人劳动强度和生产成本。
1 仿古地板的加工方式及其现状
目前流行的仿古地板样式中，其凹凸表面的加工方式主要有随机刨削、纹理刨削、拉丝、喷
砂、碳化、酸蚀等。随机刨削加工主要用于纹理不明显的地板加工中，通过在地板表面随机刨削出凹槽，显示出地板的凹凸感；纹理刨削加工分两种，一种是对纹理明显且粗大（如呈山形纹理的弦向板）的地板，通过人工沿深色纹理刨削的方法，使地板显现出自然的浮的凹凸感，另一种是在纹理不明显的板面上刨削出名贵木材纹理；拉丝加工主要用于纹理明显但细密（如呈直线形的径向板）的地板，通过拉丝加工可实现深色凹、浅色凸的效果。
单一加工方式获得的仿古效果一般很不明显，故多会采用混合加工方式的手工加工，以增强、丰富其凹凸感与自然美。而随机刨削加工和纹理刨削深色加工均采用纯手工操作，即工人用手工刮刀凭经验控制刮刀力度和路径，加工出不同的纹理和凹凸触感。不难看出，在现阶段仿古地板加工中，手工刮板工序至关重要，正是由于手工加工的随机性，使仿古地板展现出其独特的唯一性数控机床，为消费者所青睐。
本文探讨仿古地板数控加工的可行性，提出了基于数控技术的三种仿古地板凹凸面加工方法，并进行了加工实验，为改善仿古地板的加工现状，实现高效、高质、绿色加工开拓新方法。
2 仿古地板的数控加工设计
仿古地板表面的凹凸质感，主要是将木地板表面加工出约0-0.2mm深度的随机、自然、光滑的凹凸纹理。如果采用普通的机械加工（如靠模铣），可生产凹凸纹理的板面，但由于是固定仿形，纹理单一，缺乏变化，不能实现自然的效果；而采用数控机床作为加工设备，利用随机数控软件、设计刀具走刀路径和专用铣刀，则可以产生多种纹理的凹凸组合，代替手工刮板工序。
根据木质地板和数控加工的特点，可以设计三种数控仿古加工：随机路径凹凸面数控加工、仿真纹理数控加工和原纹理凹凸数控加工。
2.1 随机路径凹凸面数控加工设计
随机路径凹凸面数控加工是在纹理不清晰的地板面上加工出随机的凹凸面，使之产生特有的、经年累月、风霜侵蚀的古韵。为确保每块地板都有纹理凹凸感，且每块地板凹凸的纹理各不相同，在对数控机床进行刀具路径编程时，需要编制多种不同的刀具路径，并随机改变刀具的走刀方向。由于每个路径程序的部分参数都可以在一定范围内进行调整（如铣刀垂直板面的吃刀量可以在0-0.2mm间变动、刀具进给速度变化改变表面粗糙度、刀具路径中部分轨迹缺省等），且路径程序本身具有多样性，使得数控加工足以克服靠模加工制品表面凹凸形状单一的不足，生产出同人工刮板效果相同的仿古地板。
如图1所示，通过计算机辅助软件绘制好曲线区域后，将区域雕刻形成沿矢量加工的刀具路径，形成仿真图像并进行加工。原本平整光滑的板面经过数控机床的刨削加工，产生了一定的凹凸感。
 
图1 随机凹凸面设计图及其仿真效果
这种通过设计多种刀具路径程序，并在一定范围内修改加工参数的数控加工方式，可以避免地板纹理的单一和重复，且减少了因手工工序所需的用工人数，仅需要个别技术人员定期维护和检修数控机床，保障其顺畅工作即可。这样的生产车间利于管理，车间可实现连续性工作，并且减少了因个别刮板工人经验不足而造成刮板质量问题。
当然，为了实现地板纹理的多样性，这种数控加工方式在路径程序设计方面对技术人员提出了更高的要求，即要设计出尽可能多的路径方案，以满足不同规格不同材质的地板样式需求。
2.2 仿真纹理数控加工设计
仿真纹理数控加工是在纹理不清晰的地板面上加工出名贵木材的纹理，“以假乱真”，提高了地板的档次。通过对不同名贵木材纹理收集整理，建立纹理数据库，并基于此形成加工路径，通过随机改变路径的可变参数，使纹理既真实又独特，达到高档木材的纹理视觉效果和仿古感觉。
如图2和图3所示，通过仿真纹理数控加工，板面形成了与天然木纹理相差无几的纹理结构。
 
图2 仿真纹理设计图及其仿真效果（山峰形纹理）
 
图3 仿真纹理设计图及其仿真效果（树瘤纹理）
2.3 原纹理凹凸数控加工设计
由于木材的纹理是天然形成的，具有纹理的唯一性，根据其纹理雕刻而成的仿古地板，其凹凸组合也必将是唯一的，而且更具天然效果核心期刊。
为获取木地板的纹理图像，数控机床上料工段地板输送装置上需安装图像获取设备（如摄像机），获取到的图像资料经后期图像处理，依一定顺序传达给数控系统数据库。通过CAD/CAM计算机辅助设计软件，根据纹理信息特征设计产生刀具路径，即仿古地板凹凸表面加工路径，进行加工。在设计时，可采取不同的刀具吃刀量变化方式，使凹凸感富于变化。
如图4所示，地板图像经过适当的处理，即可获得数控系统软件可用的纹理特征信息。通过改变吃刀量的值域范围（如可以采用纹路与纹路之间递增、递减或是交替深浅的加工方式）来进行加工，即便是两块纹理相似的地板，也可以加工出完全不同的凹凸感。
图4 木地板的纹理处理效果图
这种利用木材天然纹理生成刀具路径的数控加工方式，不仅能实现纹理凹凸多样化，节约了用工成本，提高了企业管理效率，加强机床工作的连续性。在加工过程中，设计人员仅需把握好持刀量参数的变化即可，真正实现了仿古地板的机械化自动加工。
3 仿古地板数控加工实验
本实验利用电脑软件进行纹理设计并形成刀具走刀路径，设计图如图1、2、3所示，采用通用步进数控雕刻机进行数控加工。试材为柞木面板的多层复合地板。加工效果与仿真图像一致，能够达到预期效果。实际加工效果如图5、6、7所示。
图5 试件1数控机床，随机凹凸数控加工
图6 试件2，仿真纹理数控加工（山峰形纹理）
图7 试件3，仿真纹理数控加工（树瘤纹理）
4 经济测算及可行性分析
目前地板生产企业从事仿古地板加工的技工少有数十人，多有数百人，一般技工月工资为0.3万元至0.6万元，如果按平均工资0.4万元/月计算，则100名技工每年需支付工资0.4×100×12=480万元。而数控设备仅初次投资较大，但使用人工数量将大大减少。就目前的技术水平和市场售价，预计满足要求的专用数控机床的可在120万元/套内实现，可完成80%以上的加工。设备投资可以在1年左右收回。
一个熟练的技工完成一块910mm×130mm仿古地板的简单凹凸面加工约耗时204s，生产效率约为18块/时·人，而纹理相对复杂的加工，仅为9块/时·人。本次试验采用单头步进数控雕刻机进行数控加工。910mm×130mm地板完成简单纹理加工（图5）耗时316s，生产效率为12块/时。对于复杂纹理的加工（图6、7）耗时425s，即9块/时，数控加工生产率与手工加工平均水平基本持平。本次试验中采用的雕刻机并非专用数控设备，由于步进数控系统加工速度低，工件装卡慢，致使加工效率低，如果开发出专用数控系统，采用专用软件、交流伺服数控系统和专用进料装置，其生产率可以成倍提升。
数控加工采用软件产生纹理和凹凸面并自动完成加工，排除了人工操作存在的技能高低、容易疲劳等不利因素。数控机床在加工时的有效工作时间长，辅助时间短。而一个工人一天最多工作10小时，且在工作时间内高效工作时间只有4小时左右。而数控机床一天可工作20个小时以上，在时间上是人工工作量的两倍，在工作效率上至少是人工的5倍。
5 结论
经过初步探讨和实验，利用数控加工技术代替手工仿古地板表面加工有一定的可行性；利用数控技术对铣削刀具进行随机控制，不仅可以实现手工刮板的纹理和凹凸触感，还可以全面提高生产效率，实现仿古地板的自动化连续生产，减少用工量，降低生产成本，在质量相当的情况下，提高生产效率。在实际生产中，通过数控加工技术的应用，可以代替80%以上的手工工序，只需少量的技师对木地板再进行进一步的个性化修饰即可。
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