專利名稱：熱解法木材表面成型加工裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于木材成型加工裝置，具體為一種熱解法木材表面成型加工裝置。
背景技術(shù)：
木材的加工經(jīng)歷了手工、機(jī)械化、數(shù)字化的發(fā)展歷程，但這一歷程始終依賴于金屬刀具對木材直接進(jìn)行鋸、刨、銼、銑、車、雕等加工方法。我國傳統(tǒng)的木制雕刻產(chǎn)品以精美的雕刻藝術(shù)與造型構(gòu)成其獨(dú)特的風(fēng)格，是技術(shù)與藝術(shù)的完美結(jié)合，這不但要求生產(chǎn)者具備高超的手工雕刻技巧，而且還需具備較深的藝術(shù)造詣與美術(shù)修養(yǎng)，其長期依賴于手工技藝進(jìn)行傳承，這也成為制約該項(xiàng)技藝向縱深發(fā)展和實(shí)現(xiàn)規(guī)?；⑴炕?、底成本、高效率生產(chǎn)的瓶頸。隨著CNC (計(jì)算機(jī)數(shù)控)技術(shù)在機(jī)加工行業(yè)的廣泛普及應(yīng)用，利用多軸CNC設(shè)備對木材表面較復(fù)雜的3D圖案進(jìn)行加工，近年來也得到應(yīng)用和發(fā)展，有越來越多的相關(guān)產(chǎn)品推向市場。但是木材和金屬的數(shù)控加工有著較大的區(qū)別，除木材和金屬的物理與化學(xué)特性存在顯著的差異外，金屬加工通常是標(biāo)準(zhǔn)化的加工，而木材的加工則更注重美學(xué)和藝術(shù)性，加工出的產(chǎn)品表面往往是一個(gè)復(fù)雜的、不確定的3D隨機(jī)場,很難尋求統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的加工方法，因而更具復(fù)雜性和不可控性。目前，對數(shù)字化木工雕刻技術(shù)的研究和實(shí)踐表明，對如古典雕刻家具等復(fù)雜3D曲面模型采用數(shù)控設(shè)備進(jìn)行雕刻加工時(shí)，仍然存在一些不可逾越的缺陷，即便是高密度的優(yōu)質(zhì)木材在細(xì)節(jié)加工時(shí)是也常常容易造成工件崩角、裂邊等現(xiàn)象，且難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的加工。同時(shí)由于CNC系統(tǒng)對復(fù)雜3D曲面的加工需采用緊密回路分層的加工方式，刀具從某點(diǎn)出發(fā)，到完成每層回路及整個(gè)曲面的加工，需要行進(jìn)步數(shù)、行程和時(shí)間是巨大的，如果將每層的加工厚度和回路間距設(shè)置小了，則仍是一個(gè)費(fèi)時(shí)較長的效率低加工過程，但是將這些參數(shù)設(shè)置大了，加工過程中又會隨時(shí)存在斷刀、跳步、崩裂或阻死等可能性，并難以得到理想的加工效果，且需要較多的后處理工序。近年來出現(xiàn)的木材的激光去除成型技術(shù)，是一種有別于木材表面?zhèn)鹘y(tǒng)加工方法的新技術(shù)，它采用數(shù)控設(shè)備驅(qū)動(dòng)激光發(fā)生器，利用激光產(chǎn)生的高溫?zé)Y(jié)木材表面形成花紋圖案，但這種加工技術(shù)目前只能在木材表層加工出極淺花紋圖案，得不到如中國古典雕刻家具等產(chǎn)品的復(fù)雜3D曲面效果，且設(shè)備昂貴、消耗較大、加工成本高。此外出現(xiàn)的所謂烙鐵作畫，是利用電熱方式在木板表面形成繪畫圖案，這需要技藝高的專業(yè)人士完全依賴手工操作電烙鐵來完成，只能構(gòu)建很淺的表層圖案效果，且效率低不適合工業(yè)化生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所解決的技術(shù)問題在于提供一種熱解法木材表面成型加工裝置，它不同于傳統(tǒng)的采用金屬切削刀具對木材表面進(jìn)行刨、銼、銑、雕等成型的加工裝置，而是利用石墨或鐵鉻鋁等發(fā)熱體構(gòu)建的模型與木材表面進(jìn)行接觸式高溫?zé)峤馀c燃燒成型的加工裝置，涉及發(fā)熱模型對木材表面熱解與燃燒成型的機(jī)理、發(fā)熱體的建模與構(gòu)建、加工條件與環(huán)境控制以及加工裝備設(shè)計(jì)制造等，以解決上述背景技術(shù)中的問題。本發(fā)明所解決的技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
熱解法木材表面成型加工裝置，包括可控硅變頻調(diào)壓和變壓系統(tǒng)、溫度檢測與控制系統(tǒng)、木材熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測系統(tǒng)、發(fā)熱模型及加工倉、抽排風(fēng)及排積碳渣系統(tǒng)、木板工件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及積碳自動(dòng)清除系統(tǒng)；所述可控硅變頻調(diào)壓和變壓系統(tǒng)由可控硅變頻調(diào)壓器和變壓器組成，所述可控硅變頻調(diào)壓器的輸出端同變壓器的輸入端相連，可控硅變頻調(diào)壓器設(shè)置在控制柜內(nèi)，所述加工倉為一個(gè)頂面開口的密封裝置，所述發(fā)熱模型設(shè)置在加工倉內(nèi)，發(fā)熱模型同變壓器的輸出端相連，發(fā)熱模型及加工倉還同所述溫度檢測與控制系統(tǒng)相連，加工倉的頂面上方設(shè)有加工倉蓋，所述加工倉蓋下方設(shè)有活動(dòng)夾具和木材熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測系統(tǒng)，所述加工倉蓋與氣缸、木板工件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相連；加工倉上設(shè)有積碳自動(dòng)清除系統(tǒng)，所述積碳自動(dòng)清除系統(tǒng)由減速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)；加工倉中下部設(shè)有抽排風(fēng)及排積碳渣系統(tǒng)；所述可控硅變頻調(diào)壓器對交流電源進(jìn)行調(diào)壓，通過變壓器輸出低電壓大電流，給發(fā)熱模型供電；將木板固定在活動(dòng)夾具上，木板工件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)加工倉蓋閉合,氣缸驅(qū)動(dòng)加工倉蓋使木板與發(fā)熱模型接觸；給發(fā)熱模型供電，對木板進(jìn)行熱解加工；通過溫度檢測與控制系統(tǒng)測得間歇采樣熱解時(shí)間與發(fā)熱模型表面溫度的乘積的累加數(shù)，比較加工中得到的不同材質(zhì)木板等效熱解數(shù)，估算木板熱解加工深度和積碳厚度及決定開倉除碳的時(shí)間，木板工件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將加工倉蓋和木板提升到指定位置，啟動(dòng)積碳自動(dòng)清除系統(tǒng)，自動(dòng)清除木板表面積碳，確認(rèn)是否達(dá)到加工深度要求，達(dá)到加工深度要求加工過程結(jié)束，沒有達(dá)到要求再次進(jìn)入熱解過程，經(jīng)過2 4次的往復(fù)熱解和除碳加工，在木板表面得到所需加工深度的花紋圖案結(jié)束。所述控制柜內(nèi)還安裝有溫度檢測與控制系統(tǒng)測控電路、木材熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測系統(tǒng)測控電路、抽排風(fēng)及排積碳渣系統(tǒng)控制電路、木板工件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制電路以及積碳自動(dòng)清除系統(tǒng)控制電路，控制柜內(nèi)的可控硅變頻調(diào)壓器采用水冷大功率可控硅調(diào)功調(diào)壓。所述溫度檢測與控制系統(tǒng)采用PID溫控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)發(fā)熱模型表面和加工倉內(nèi)溫度的測控，PID溫控系統(tǒng)中測溫元件采用熱敏電阻，所述測溫元件由耐高溫纜線與溫度檢測與控制系統(tǒng)測控電路相連。溫度檢測與控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對發(fā)熱模型表面適合工作溫度和加工倉內(nèi)適合木材碳化溫度的測量和控制；根據(jù)加工木板的材質(zhì)，發(fā)熱模型表面工作溫度設(shè)定為660 800°C，加工倉內(nèi)溫度設(shè)定為260 300°C。所述木材熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測系統(tǒng)根據(jù)木材熱解與燃燒特性和機(jī)理研究的結(jié)論和加工數(shù)據(jù)，對木材表面熱解成型過程中的動(dòng)力學(xué)參數(shù)熱釋放速率、質(zhì)量損失速率和煙氣排放量進(jìn)行測量和數(shù)據(jù)采集，對各項(xiàng)數(shù)據(jù)與木板熱解成型結(jié)果之間的相互關(guān)系和影響進(jìn)行細(xì)致的分析比較，通過構(gòu)建的木材熱解動(dòng)力學(xué)模型和修訂模型參數(shù)，使測量的參數(shù)能夠真實(shí)反映和控制不同密度的木板熱解成型結(jié)果及相關(guān)性。所述木板工件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用數(shù)控步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿導(dǎo)軌垂直升降，木板與加工倉蓋同步升降，加工倉蓋閉合后，由氣缸驅(qū)動(dòng)木板與加工倉內(nèi)發(fā)熱模型接觸。在進(jìn)行木板表面熱解成型過程中，并實(shí)現(xiàn)木板與發(fā)熱模型接觸的恒壓控制。木板工件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用定時(shí)或間歇熱解加工程序，配合積碳自動(dòng)清除系統(tǒng)，完成木板表面的熱解成型加工。發(fā)熱模型是對木板熱解加工成型的工具，采用石墨或電熱合金絲，或者石墨和電熱合金絲的組合。將石墨和電熱合金絲構(gòu)成的發(fā)熱模型，可分別或兩者通過串并聯(lián)組合成的綜合模型，對木板實(shí)現(xiàn)熱解加工成型。加工倉是對木板熱解加工成型的工作空間，為避免熱解成型加工過程產(chǎn)生明火，加工倉中下部的抽排風(fēng)及排積碳渣系統(tǒng)適當(dāng)控制空氣給量和抽排風(fēng)量，同時(shí)排出倉內(nèi)產(chǎn)生煙氣與積碳雜質(zhì)。木板的熱解成型加工過程是與清除木板表面熱解形成的積碳交替進(jìn)行的。一次熱解完會在木板表面形成8 12毫米深度的花紋圖案，花紋圖案處形成約2 3毫米的表面積碳層，這時(shí)需開啟加工倉蓋提升木板完成積碳層的清除。對于不同質(zhì)量密度的木材，每次熱解的成型加工深度，以及熱解與清除積碳的時(shí)間間隔有所區(qū)別。通過步進(jìn)電機(jī)和氣缸將加工倉蓋和木板提升到指定高度，積碳自動(dòng)清除系統(tǒng)通過減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪及鏈條，帶動(dòng)由減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的圓柱形拋光鋼刷水平往返運(yùn)動(dòng)一次，對木板表面的積碳進(jìn)行清除，然后繼續(xù)復(fù)位熱解，重復(fù)此過程2 4次，直到加工出所需的花紋圖案及深度結(jié)束。加工后的木板經(jīng)過拋光和涂裝等后續(xù)工藝處理得到成品。有益效果:
本發(fā)明較傳統(tǒng)的加工方法，具有以下優(yōu)點(diǎn):
(I)可以一次性加工出木材表面的整體造型，大幅提高加工效率、減少加工過程的殘次品率、降低加工成本，并實(shí)現(xiàn)對木材表面成型的低噪聲加工，同時(shí)對加工的成品實(shí)現(xiàn)碳化處理，提升產(chǎn)品的品質(zhì)。(2)對加工對象木材的質(zhì)量沒有特殊要求，密度低的木材，加工效率越高，成型速度越快；即在普通木材或植物基復(fù)合材料上都能快速、高效加工出復(fù)雜3D模型，從而降低復(fù)雜雕刻木制品的成本，拓展其規(guī)模化生產(chǎn)和應(yīng)用空間。(3)為木制品復(fù)雜3D曲面高效精準(zhǔn)加工提供一個(gè)新的有效解途徑，實(shí)現(xiàn)木材或復(fù)合材表面的低成本、敏捷化復(fù)雜造型加工，在家具、裝飾構(gòu)件和工藝品的生產(chǎn)加工中有著廣闊的應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意 圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意 圖3為本發(fā)明的加工流程圖。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、工作流程、使用方法達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面進(jìn)一步闡述本發(fā)明。如圖1、圖2、圖3所示，熱解法木材表面成型加工裝置，包括可控硅變頻調(diào)壓和變壓系統(tǒng)、溫度檢測與控制系統(tǒng)、木材熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測系統(tǒng)、發(fā)熱模型2及加工倉1、抽排風(fēng)及排積碳渣系統(tǒng)、木板工件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及積碳自動(dòng)清除系統(tǒng)；所述可控硅變頻調(diào)壓和變壓系統(tǒng)由可控硅變頻調(diào)壓器5和變壓器3組成，所述可控硅變頻調(diào)壓器5的輸出端同變壓器3的輸入端相連，可控硅變頻調(diào)壓器5設(shè)置在控制柜4內(nèi)，所述加工倉I為一個(gè)頂面開口的密封裝置，所述發(fā)熱模型2設(shè)置在加工倉I內(nèi)，發(fā)熱模型2同變壓器3的輸出端相連，發(fā)熱模型2及加工倉I還同所述溫度檢測與控制系統(tǒng)相連，加工倉I的頂面上方設(shè)有加工倉蓋6，所述加工倉蓋6下方設(shè)有活動(dòng)夾具7和木材熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測系統(tǒng)，所述加工倉蓋6與氣缸8、木板工件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相連；加工倉I上設(shè)有積碳自動(dòng)清除系統(tǒng)，所述積碳自動(dòng)清除系統(tǒng)由減速電機(jī)14驅(qū)動(dòng)；加工倉I中下部設(shè)有抽排風(fēng)及排積碳渣系統(tǒng)；所述可控硅變頻調(diào)壓器5對交流電進(jìn)行調(diào)壓，通過變壓器3輸出低電壓大電流，給發(fā)熱模型2供電；將木板固定在活動(dòng)夾具7上，木板工件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)加工倉蓋6閉合，使木板與發(fā)熱模型2接觸；給發(fā)熱模型供電，對木板進(jìn)行熱解加工；通過溫度檢測與控制系統(tǒng)測得間歇采樣熱解時(shí)間與發(fā)熱模型表面溫度的乘積的累加數(shù)，比較加工中得到的不同材質(zhì)木板等效熱解數(shù)，估算木板熱解加工深度和積碳厚度以決定開倉除碳的時(shí)間，木板工件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將加工倉蓋6和木板提升到指定位置，啟動(dòng)積碳自動(dòng)清除系統(tǒng)，自動(dòng)清除木板表面積碳，確認(rèn)是否達(dá)到加工深度要求，達(dá)到要求加工過程結(jié)束，沒有達(dá)到要求再次進(jìn)入熱解過程，經(jīng)過2 4次的往復(fù)熱解和除碳加工，在木板表面得到所需的花紋圖案結(jié)束。所述控制柜4內(nèi)還安裝有溫度檢測與控制系統(tǒng)測控電路、木材熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測系統(tǒng)測控電路、抽排風(fēng)及排積碳渣系統(tǒng)控制電路、木板工件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制電路以及積碳自動(dòng)清除系統(tǒng)控制電路，控制柜內(nèi)的可控硅變頻調(diào)壓器5調(diào)壓范圍OV 380V，采用水冷大功率可控硅調(diào)功調(diào)壓?？刂乒?面板安裝有電壓、電流、溫度測控儀表和操作按鈕；所述變壓器3的一次額定電壓380V，變壓器3的二次額定電壓70V，額定電流350A ;所述電熱模型2是低電壓大電流工作環(huán)境，為降低一次電路電流，通過可控硅變頻調(diào)壓器4對交流380V單相電源調(diào)壓，經(jīng)過變壓器3變壓為電熱模型2提供工作電源。所述溫度檢測與控制系統(tǒng)采用PID溫控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)發(fā)熱模型2表面和加工倉I內(nèi)溫度的測控，PID溫控系統(tǒng)中測溫元件采用熱敏電阻，測溫范圍O 800°C，溫控精度±2°C，所述測溫元件由耐高溫纜線與溫度檢測與控制系統(tǒng)測控電路相連。溫度檢測與控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對發(fā)熱模型2表面適合工作溫度和加工倉I內(nèi)適合木材碳化溫度的測量和控制；對發(fā)熱模型表面工作溫度為660 800°C，加工倉內(nèi)溫度為260 300°C，該溫度借鑒木材的碳化處理技術(shù)，熱解加工同時(shí)實(shí)現(xiàn)對木板的碳化處理，提升加工成品的品質(zhì)。木材熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測系統(tǒng)根據(jù)木材熱解與燃燒特性和機(jī)理研究的結(jié)論和加工數(shù)據(jù)，對木材表面熱解成型過程中的主要?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)熱釋放速率、質(zhì)量損失速率和煙氣排放量進(jìn)行測量和數(shù)據(jù)采集，對各項(xiàng)數(shù)據(jù)與木板熱解成型結(jié)果之間的相互關(guān)系和影響進(jìn)行細(xì)致的分析比較，通過構(gòu)建的木材熱解動(dòng)力學(xué)模型和修訂模型參數(shù)，使測量的參數(shù)能夠真實(shí)反映和控制不同密度的木板熱解成型結(jié)果及相關(guān)性。木材熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測分析方法:木材熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測系統(tǒng)由安裝在排煙管道15的煙氣測量分析儀和木板的稱重裝置構(gòu)成，可對不同材質(zhì)的木板在接觸式熱解和燃燒過程中，產(chǎn)生的CO、CO2和O2等煙氣參數(shù)及木板的質(zhì)損效率進(jìn)行測量分析。由于對木材熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測分析，傳統(tǒng)的方法采用的都是非接觸式熱輻射源，本發(fā)明采用接觸式的熱解燃燒模式，因而檢測分析方法存在較大差異。本發(fā)明的特點(diǎn)和目標(biāo)是對發(fā)熱模型接觸的木板對應(yīng)區(qū)域，進(jìn)行高效快速的熱解燃燒成型。根據(jù)不同材質(zhì)的木板，首先發(fā)熱模型2表面溫度被升到一個(gè)較高的值(400 550°C)，當(dāng)發(fā)熱模型2與木板接觸后，迅速將發(fā)熱模型2表面溫度被升至660 800°C，此過程記錄熱解時(shí)間，根據(jù)熱解動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算熱釋放速率(HRR)、質(zhì)量損失速率(MLR)、煙氣排放量(S0M)，以及木板熱解接觸面形成的積碳厚度，得出不同材質(zhì)木板熱解過程的這些相關(guān)參數(shù)?？捎瞄g歇采樣熱解時(shí)間與發(fā)熱模型表面的溫度的乘積的累加數(shù)，作為等效熱解數(shù)，通過加工得出不同材質(zhì)木板等效熱解數(shù)所對應(yīng)的木板熱解加工深度和積碳厚度，以指導(dǎo)和控制裝置開倉除碳的時(shí)間和需要循環(huán)加工的次數(shù)。通過加工對加工后木板的力學(xué)變形、密度和質(zhì)量等參數(shù)進(jìn)行了測試和分析。結(jié)果表明用發(fā)熱模型2與木材表面直接接觸熱解與燃燒的機(jī)理，雖然與輻射熱流在空氣環(huán)境下對木板表面熱解與燃燒過程機(jī)理有趨同性。但是由于本發(fā)明的密封環(huán)境下，采用高溫發(fā)熱模型2對木板表面短時(shí)間施壓接觸熱解與燃燒反應(yīng)，木板被接觸部位的質(zhì)失率(MLR)迅速上升，很快形成被發(fā)熱模型熱解與燃燒的加工痕跡，木板的其它部分化學(xué)組成變化和物理變形不明顯(不加工的部位可以用云母板做表面保護(hù))，沒有對木板造成深度的熱解與燃燒，只是在加工接觸的表面形成一層薄的積碳層，木板通過多次反復(fù)短時(shí)間接觸發(fā)熱模型熱解和燃燒與積碳清除得到加工的成品。所述木板工件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用數(shù)控步進(jìn)電機(jī)10驅(qū)動(dòng)絲桿導(dǎo)軌11垂直升降，絲桿導(dǎo)軌11通過連桿9與加工倉蓋6相連，木板通過活動(dòng)夾具7固定，木板與加工倉蓋6同步升降,加工倉蓋6閉合后，由氣缸8驅(qū)動(dòng)木板與加工倉I內(nèi)發(fā)熱模型2接觸。在進(jìn)行木板表面熱解成型過程熱解過程，并實(shí)現(xiàn)木板與發(fā)熱模型2接觸的恒壓控制。木板工件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用定時(shí)或間歇熱解加工程序，配合積碳自動(dòng)清除系統(tǒng)，完成木板表面的熱解成型加工。發(fā)熱模型2是對木板熱解加工成型的工具，發(fā)熱模型采用石墨和鐵鉻鋁等電熱合金絲，或者它們的組合。石墨是一種無機(jī)非金屬材料，具有及其優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐腐蝕及耐高溫能力，易于精密機(jī)加工成型和重復(fù)利用，能夠精準(zhǔn)快捷地加工出復(fù)雜3D花紋的石墨發(fā)熱模型模具。鐵鉻鋁等電熱合金絲具有成本低、強(qiáng)度高、工作壽命長等特點(diǎn)，對一些較簡單的線條花紋或邊界花紋圖案，則直接由直徑為4 10毫米的鐵鉻鋁電熱合金絲彎曲成型。將石墨和鐵鉻鋁構(gòu)成的發(fā)熱模型，可分別或兩者通過串并聯(lián)組合成的綜合模型，對木板實(shí)現(xiàn)熱解加工成型。加工倉I是對木板熱解加工成型的工作空間，為避免熱解成型加工過程產(chǎn)生明火，加工倉I中下部的排煙管道15適當(dāng)控制空氣給量和抽排風(fēng)量，同時(shí)排出倉內(nèi)產(chǎn)生煙氣與積碳雜質(zhì)。木板的熱解成型加工過程是與清除木板表面熱解形成的積碳交替進(jìn)行的。一次熱解完會在木板表面形成8 12毫米深度的花紋圖案，花紋圖案處形成約2 3毫米的表面積碳層，這時(shí)需開啟加工倉蓋6提升木板完成積碳層的清除。對于不同質(zhì)量密度的木材，每次熱解的成型加工深度，以及熱解與清除積碳的時(shí)間間隔有所區(qū)別。首先通過步進(jìn)電機(jī)10和氣缸8將加工倉蓋6和木板提升到設(shè)定高度，積碳自動(dòng)清除系統(tǒng)通過減速電機(jī)14驅(qū)動(dòng)鏈輪及鏈條，帶動(dòng)由減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的圓柱形拋光鋼刷12水平往返運(yùn)動(dòng)一次，驅(qū)動(dòng)電機(jī)13帶動(dòng)圓柱形拋光鋼刷12轉(zhuǎn)動(dòng)對木板表面的積碳進(jìn)行清除，然后繼續(xù)復(fù)位熱解，重復(fù)此過程2 4次，直到加工出所需的花紋圖案及深度結(jié)束。加工后的木板經(jīng)過拋光和涂裝等后續(xù)工藝處理得到成品。本發(fā)明各子系統(tǒng)既可以獨(dú)立工作運(yùn)行，也能按設(shè)定的加工程序，實(shí)現(xiàn)木材表面熱解成型全過程自動(dòng)化或半自動(dòng)化加工。本發(fā)明通過步進(jìn)電機(jī)10將加工倉蓋6和木板升降到任意位置或設(shè)定位置，氣缸8驅(qū)動(dòng)木板施加適當(dāng)?shù)膲毫εc發(fā)熱模型接觸進(jìn)行熱解加工；通過間歇采樣熱解時(shí)間與發(fā)熱模型表面的溫度的乘積的累加數(shù)，比較加工中得到不同材質(zhì)木板的等效熱解數(shù)，決定開倉除碳的時(shí)間和估算木板熱解加工深度及積碳厚度；通過積碳自動(dòng)清除系統(tǒng)清除木板表面加工后形成的積碳，以進(jìn)入再循環(huán)加工。便可實(shí)現(xiàn)對木材表面的連續(xù)性成型加工，同時(shí)根據(jù)成熟的木材碳化處理技術(shù),控制好加工倉內(nèi)的溫度在260 300°C，可實(shí)現(xiàn)對加工成品進(jìn)行一定程度的碳化處理，以提升產(chǎn)品的品質(zhì)。本發(fā)明加工方法與CNC (計(jì)算機(jī)數(shù)控)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)切削刀具的木材表面加工方法不同，它能對任何質(zhì)地的木材及植物基復(fù)合材料進(jìn)行加工，且對越是密度低的木材加工效率越聞。目前對木材的熱解與燃燒的機(jī)理研究，都是在非接觸式熱輻射源條件下進(jìn)行的的，以研究放火為目的，并沒有對發(fā)熱模型直接接觸木材表面熱解與燃燒的機(jī)理進(jìn)行深入廣泛的研究，缺少相關(guān)加工數(shù)據(jù)和結(jié)論。本發(fā)明構(gòu)建完成的簡易加工裝置，以橡木板為例，對木板表面要造型加工的3D曲面花紋，首先構(gòu)建其鏡象模型，用CNC設(shè)備把此鏡象模型加工出石墨發(fā)熱模型，石墨發(fā)熱模型均勻分布的一定數(shù)量的排煙通孔，而一些較簡單的線條花紋或邊界花紋直接由鐵鉻鋁電熱合金絲彎曲成型，石墨和鐵鉻鋁電熱模型通過串并聯(lián)組合接上變壓器3，把發(fā)熱模型2置于在加工倉I內(nèi)，將表面溫度加熱到約480°C，將橡木板加工表面覆蓋到發(fā)熱模型2表面，并給予適當(dāng)壓力(木板加工以外區(qū)域由石棉云母板包裹隔熱)，然后將發(fā)熱模型表面控制溫度調(diào)節(jié)到720°C，在橡木板與石墨發(fā)熱模型直接接觸熱解與燃燒1.5分鐘后，橡木板加工區(qū)域被加工出約平均約12毫米深度的花紋圖案，并形成約2 3毫米的表面積碳層，即時(shí)去除積碳層，繼續(xù)循環(huán)加工3次，20分鐘內(nèi)可在橡木板表面加工出最大深度超過25毫米的3D曲面花紋圖案。以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明的要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
權(quán)利要求
1.熱解法木材表面成型加工裝置，包括可控硅變頻調(diào)壓和變壓系統(tǒng)、溫度檢測與控制系統(tǒng)、木材熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測系統(tǒng)、發(fā)熱模型及加工倉、抽排風(fēng)及排積碳渣系統(tǒng)、木板工件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及積碳自動(dòng)清除系統(tǒng)；其特征是:所述可控硅變頻調(diào)壓和變壓系統(tǒng)由可控硅變頻調(diào)壓器和變壓器組成，所述可控硅變頻調(diào)壓器的輸出端同變壓器的輸入端相連，可控硅變頻調(diào)壓器設(shè)置在控制柜內(nèi)，所述加工倉為一個(gè)頂面開口的密封裝置，所述發(fā)熱模型設(shè)置在加工倉內(nèi)，發(fā)熱模型同變壓器的輸出端相連，發(fā)熱模型及加工倉還同所述溫度檢測與控制系統(tǒng)相連，加工倉的頂面上方設(shè)有加工倉蓋，所述加工倉蓋下方設(shè)有活動(dòng)夾具和木材熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測系統(tǒng)，所述加工倉蓋與氣缸、木板工件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相連；加工倉上設(shè)有積碳自動(dòng)清除系統(tǒng)，所述積碳自動(dòng)清除系統(tǒng)由減速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)；加工倉中下部設(shè)有抽排風(fēng)及排積碳渣系統(tǒng)；所述可控硅變頻調(diào)壓器對交流電進(jìn)行調(diào)壓，通過變壓器輸出低電壓大電流，給發(fā)熱模型供電；將木板固定在活動(dòng)夾具上，木板工件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)加工倉蓋閉合，氣缸驅(qū)動(dòng)加工倉蓋使木板與發(fā)熱模型接觸；給發(fā)熱模型供電，對木板進(jìn)行熱解加工；通過溫度檢測與控制系統(tǒng)測得間歇采樣熱解時(shí)間與發(fā)熱模型表面溫度的乘積的累加數(shù)，比較加工中得到的不同材質(zhì)木板等效熱解數(shù)，估算木板熱解加工深度和積碳厚度及決定開倉除碳的時(shí)間，木板工件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將加工倉蓋和木板提升到指定位置，啟動(dòng)積碳自動(dòng)清除系統(tǒng)，自動(dòng)清除木板表面積碳，確認(rèn)是否達(dá)到加工深度要求，達(dá)到加工深度要求加工過程結(jié)束，沒有達(dá)到要求再次進(jìn)入熱解過程，經(jīng)過2 4次的往復(fù)熱解和除碳加工，在木板表面得到所需加工深度的花紋圖案結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱解法木材表面成型加工裝置，其特征是:所述控制柜內(nèi)還安裝有溫度檢測與控制系統(tǒng)測控電路、木材熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測系統(tǒng)測控電路、抽排風(fēng)及排積碳渣系統(tǒng)控制電路、木板工件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制電路以及積碳自動(dòng)清除系統(tǒng)控制電路，控制柜內(nèi)的可控硅變頻調(diào)壓器采用水冷大功率可控硅調(diào)功調(diào)壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱解法木材表面成型加工裝置，其特征是:所述溫度檢測與控制系統(tǒng)采用PID溫控 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)發(fā)熱模型表面和加工倉內(nèi)溫度的測控，PID溫控系統(tǒng)中測溫元件采用熱敏電阻，所述測溫元件由耐高溫纜線與溫度檢測與控制系統(tǒng)測控電路相連；所述溫度檢測與控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對發(fā)熱模型表面適合工作溫度和加工倉內(nèi)適合木材碳化溫度的測量和控制；對發(fā)熱模型表面工作溫度為660 800°C，加工倉內(nèi)溫度為260 300°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱解法木材表面成型加工裝置，其特征是:所述木材熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測系統(tǒng)根據(jù)木材熱解與燃燒特性和機(jī)理研究的結(jié)論和加工數(shù)據(jù)，對木材表面熱解成型過程中的動(dòng)力學(xué)參數(shù)熱釋放速率、質(zhì)量損失速率和煙氣排放量進(jìn)行測量和數(shù)據(jù)采集，對各項(xiàng)數(shù)據(jù)與木板熱解成型結(jié)果之間的相互關(guān)系和影響進(jìn)行細(xì)致的分析比較，通過構(gòu)建的木材熱解動(dòng)力學(xué)模型和修訂模型參數(shù)，使測量的參數(shù)能夠真實(shí)反映和控制不同密度的木板熱解成型結(jié)果及相關(guān)性。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱解法木材表面成型加工裝置，其特征是:通過所述溫度檢測與控制系統(tǒng)測得間歇采樣熱解時(shí)間與發(fā)熱模型表面溫度的乘積的累加數(shù)，比較加工中得到的不同材質(zhì)木板等效熱解數(shù)，估算木板熱解加工深度和積碳厚度以決定開倉除碳的時(shí)間，將加工倉內(nèi)溫度控制在260 300°C之間，該溫度借鑒木材的碳化處理技術(shù)，熱解加工同時(shí)實(shí)現(xiàn)對木板的碳化處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱解法木材表面成型加工裝置，其特征是:所述木板工件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用數(shù)控步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿導(dǎo)軌垂直升降，木板與加工倉蓋同步升降，加工倉蓋閉合后，由氣缸驅(qū)動(dòng)木板與加工倉內(nèi)發(fā)熱模型接觸；在進(jìn)行木板表面熱解成型過程中，并實(shí)現(xiàn)木板與發(fā)熱模型接觸的恒壓控制；木板工件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用定時(shí)或間歇熱解加工程序，配合積碳自動(dòng)清除系統(tǒng)，完成木板表面的熱解成型加工。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱解法木材表面成型加工裝置，其特征是:所述發(fā)熱模型是對木板熱解加工成型的工具，采用石墨或電熱合金絲，或者石墨和電熱合金絲的組合；所述加工倉是對木板熱解加工成型的工作空間，為避免熱解成型加工過程產(chǎn)生明火，加工倉中下部的抽排風(fēng)及排積碳渣系統(tǒng)適當(dāng)控制空氣給量和抽排風(fēng)量，同時(shí)排出倉內(nèi)產(chǎn)生煙氣與積碳雜質(zhì)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的熱解法木材表面成型加工裝置，其特征是:木板的熱解成型加工過程是與清除木板表面熱解形成的積碳交替進(jìn)行的；通過步進(jìn)電機(jī)和氣缸將加工倉蓋和木板提升到指定高度，積碳自動(dòng)清除系統(tǒng)通過減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪及鏈條，帶動(dòng)由減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的圓柱形拋光鋼刷水平往返運(yùn)動(dòng)一次，對木板表面的積碳進(jìn)行清除，然后繼續(xù)復(fù)位熱解，重復(fù)此過程 2 4次，直到加工出所需的花紋圖案及深度結(jié)束。
全文摘要
熱解法木材表面成型加工裝置，包括可控硅變頻調(diào)壓和變壓系統(tǒng)、溫度檢測與控制系統(tǒng)、木材熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測系統(tǒng)、發(fā)熱模型及加工倉、抽排風(fēng)及排積碳渣系統(tǒng)、木板工件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及積碳自動(dòng)清除系統(tǒng)。本發(fā)明大幅提高加工效率、減少加工過程的殘次品率、降低加工成本，并實(shí)現(xiàn)對木材表面成型的低噪聲加工，同時(shí)對加工的成品實(shí)現(xiàn)碳化處理，提升產(chǎn)品的品質(zhì)；降低復(fù)雜雕刻木制品的成本，拓展其規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用空間；為木制品復(fù)雜3D曲面高效精準(zhǔn)加工提供一個(gè)新的有效解途徑，實(shí)現(xiàn)木材或復(fù)合材表面的低成本、敏捷化復(fù)雜造型加工，在家具、裝飾構(gòu)件和工藝品的生產(chǎn)加工中有著廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號B27M1/00GK103112070SQ20131002849
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月25日
發(fā)明者陳宇拓 申請人:中南林業(yè)科技大學(xué)