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华鹤集团金鹤门业发展有限公司技术部总监 161000
计算机辅助家具设计与制造（FCAD/CAM-Furniture Computer Aided Design/Manufacturing）是运用计算机技术完成家具设计及制造的通称.FCAD/CAM有广义和狭义之分，广义FCAD/CAM是指运用计算机辅助完成从家具原材料选配到制造出产品的全部制造活动，包括了直接制造活动和间接制造活动，涉及工艺准备、生产计划、物料计划、生产控制和质量保证等多项内容.狭义FCAD/CAM是計算机技术在某个制造环节中的应用，通常指计算机辅助数控加工，是将家具零部件加工的工艺路线和工序内容等信息输入计算机，计算机输出刀具加工的运动轨迹（刀位文件）和数控程序，用以控制数控机床完成家具某一零部件的加工.FCAD/CAM已成为先进设计与制造技术的重要组成部分.也是提高家具设计与制造水平的重要举措.
FCAD/CAM是现代设计制造技术发展最为活跃的领域，已直接影响产品更新、生产发展和竞争能力.进入21世纪，意味着一个大批量生产时代的结束.刚性流水线已逐渐成为过去.对于家具制造业面临的是一种具有高度柔性的，拥有高技术和能对市场需求作出迅速反应的设计与制造模式.这种新的制造模式的基础就是FCAD/CAM，即计算机辅助家具设计和辅助家具制造技术.
面对家具市场激烈竟争，能否根据市场需求作出快速响应和决策是一个企业能否赢得市场的关键.而这种能力的基础取决于企业设计与制造的技术水平.以FCAD/CAM为基础的设计与制造技术可以用最快的速度向市场推出全新的产品，从而在市场竟争中处于主动.
国内家具企业虽然取得了很在的进步.但整体的设计与制造水平和发达国家相比还存在相当距离，有些家具企业对FCAD/CAM没有认识.笔者就实际应用的情况为例说明狭义CAD/CAM工艺过程和加工特点.
1.家具CAD/CAM的工艺过程
数控加工是靠程序来控制机床的加工过程，因此编制数控程序是十分关键的一环。理想的加工程序不仅能保证加工出符合设计要求的合格零件，同时可使数控机床功能得到合理的应用和充分地发挥以及安全可靠地工作。家具雕刻对于家具制造的整个过程来说只是其中精加工的一个部分，所以研究家具雕刻的工艺要从家具生产工艺开始。
根据加工特征或加工目的的不同，实木零部件的生产工艺过程一般由干燥、配料、毛料加工、胶合（胶拼）、弯曲成型、净料加工、装饰（贴面与涂饰）、装配等若干个过程。净料加工是指进一步加工出各种结合用的榫头、榫眼、连接孔或铣出各种线型、型面、曲面、槽簧以及进行表面砂光、修整加工等。雕刻应该是属于净料加工范畴，在零部件完成表面砂光、修整加工后，进行雕刻，雕刻完毕以后再对雕刻纹样进行单独砂光处理。不同的产品有不同的加工工艺流程，其基本工艺流程如图1.由以下核心加工步骤组成：
1.1输入文件
运用CAD建立实体模型，绘制刀具的走刀路径，也可以文件形式输入，但输入文件的数据结构，格式相同或兼容.
1.2定义刀具资讯
定义刀具资讯（如刀具直径，加工刀片数、刀具形状等），选择进刀、走刀、退刀方式等.
1.3设置加工参数
设置加工的参数（进刀速度、刀具转速、切削速度、切削形式等）及机械或刀具的补偿等.
1.4生成刀具轨迹
生成刀具加工轨迹，并对刀具加工轨迹进行即时动态虚拟，并记录加工工艺卡.对有问题的程序返回重新进行修改.
1.5输出NC码
根据加工的CNC控制系统输出NC码.
1.6数据传输
计算机与CNC之间进行数据传输（可以通过网络、DNC、驱动器等）.
2.家具CAD/CAM加工的特点
家具的加工主要以木质材料为主，由于木质材料质地比软，切削方式主要采用高速铣、刨，钻，锯，车，砂，雕刻等方式，目前市场上的CNC加工设备也多种多样，其加工刀具有各种铣刀，刨刀，雕刻刀，单头钻，多头钻，32mm系列排钻等，其加工方式不但考虑CAM系统刀具路径，而且还结合CNC加工设备所用刀具的特点，以完成各种不同形式的加工.
2.1加工精度高
CNC加工设备的结构决定，其设备精度都比较高，CNC设备的定位精度为±0.01mm，重复定位精度为±0.005mm.
在加工过程中不需操作人员中间修正，工件的加工精度全部由机床保证，消除了操作人员的人为误差.因而加工出来的工件精度高，尺寸稳定.其形状和尺寸精度能满足各种家具对精度的要求.
2.2能加工复杂的型面
CNC加工设备的刀具运动轨迹是由加工程序决定的，因此只要能编制程序，同时选用合适的CNC加工设备及相应的刀具，无论工件的型面多么复杂都能加工.选用图2所示的CNC设备，可以加工家具零部件的复杂曲面，各种线型；长期依赖手工方式的雕刻工艺，CNC加工设备也能完成.CNC加工设备使家具制造向数字化生产方式发展.
随着数控CNC技术的发展，CAD/CAM用途也为断地扩大，能刨削大面积的曲面，能车削复杂的回转体的零件，并能锯切曲线零件，
2.3能加工各种结构的家具零部件
在CNC加工设备上配置不同的刀具及其附件，就可以完成各种定位孔，结构孔，32mm系列孔，指接榫，各种榫头，槽榫.能满足实木和板式家具基本加工需要.图3所示的刀具与附件是CNC加工设备附件的一部分.
2.4生产效率高
CNC加工设备的主轴转速达25000rpm甚至更高，实现高速切削.X＼Y定位速度已达到24m/min.Z轴定位速度9m/min，实现快速定位.通过合理选择切削参数.充分发挥刀具切削性能.减少切削时间.而且加工过程稳定.不需要在加工过程中进行中间测量就能连续完成整个加工过程.CNC的加工轴已从早期的单轴向多轴发展，自动换刀也由单轴向多轴自动换刀发展，工作台由单个向两个发展，增加一次加工工件的数量，加工从单头向多头多轴联动发展，一次定位，实现铣，锯，刨，钻等各种加工方式，大大提高生产效率，如图6所示. 2.5能实现大批量生产
CNC加工设备的加工范围也不断扩大，不但能满足小批量多品种，而且已能满足多品种大批量生产.如图5是出口美国的餐椅椅背部件大批量生产刀具路径及工件加工定位图，用一台8轴CNC分4轴一组联运生产，正常情况下可生产480件/小时.一些认为 CNC加工设备只能用于小批量，多品种的认识是错误的.笔者实践实现.若设计与制造复杂零部件且批量很小.由于需高技术专业人 CAD/CAM编写NC码的工作量相当大，并不经济.
2.6调试简单
操作安全，可一人多机操作CNC加工设备出第一个合格工作台，工人只需要进行工件的装夹和启动机床，减轻了工人的劳动强度.现在家具用的CNC加工设备可靠性高，保护功能齐全，并且数控系统有自诊断和自停机功能.因此当一个工件的加工时间超出工件的装夹时间时，就能实现一人多机操作.
CNC加工设备对操作者的技术水平虽然较普通设备高，但是现代数控设备换刀方便，定位一般用相对坐标，刀具的参数，位置可以通过程序或机械进行数字化自动修正，多轴联运加工定位可以运用加工程序进行调刀.
2.7经济效益明显
虽然数控机床相对单台普通机床投资高，一次投资及日常维护保养费用较普通机床也要高很多.但能避免采购大量专用设备，减少劳动力成本.通过发挥CNC加工设备的加工能力，提高设备的利用率.节省企业大量购卖专用设备的资金.CNC加工设备不仅生产效率高.加工质量好，废品少，生产周期短，而且能发挥新产品开发快的优势，从而提高经济效益.
2.8可运用现代管理技术
在数控机床上，加工所需要的时间是可以精确预计的，并且相同工件所用时间基本一致.因而可以精确估计工时和工时费用.这有利于精确编制生产进度表，有利于均衡生产和取得更高的预计产量.
用FCAD/CAM可以实现设计与制造即时化，并行化，网络化，大大缩短产品开发时间.
2.2数控编程的一般流程
在计算机上进行图形交互式数控编程可分为4个阶段：准备工作阶段、技术方案阶段、数控编程阶段以及程序定型阶段。
2.2.1准备工作阶段
在该阶段，主要是生产管理部门根据生产计划下发编程指令、工装准备以及下发有关工程图纸或CAD模型。
2.2.2技术方案阶段
数控编程前的首要工作是制定技术方案。技术方案阶段主要的任务是根据创建的制造资源，编制数控加工的工艺方案。数控工艺方案的设计是有难度的，因为要处理的信息量大，各种信息之间的关系又极为错综复杂，主要靠工艺师工作经验以及经实践检验的和优化的典型加工实例，经总结、提炼和分类，制作成工艺样板（即加工模板），存储在工艺数据库中，供工艺人员调用。随着日积月累工艺资源日益丰富，可使工艺规程的编制实现“规范化”，从而大大提高生成速度和成功率。
2.2.3数控编程阶段
在编程准备期间，主要的依据使图纸（或CAD模型）、编程指令以及下发的工艺文件。首先，编程员分析零件的几何特征，构思加工过程，结合机床具体情况，考虑关键的定位，选用夹具和设计夹具。在准备工作环节中，另一个主要任务是建立零件的数控加工模型（CAM模型）。一般情况下，不需要建立CAM模型，CAD模型就可以直接用于定义加工參数和加工对象，生成刀具加工轨迹，但是许多情况下，仍然建立CAM模型，其目的有3个：
1）压缩和简化——提取CAD模型中的曲线和曲面，建立简洁的加工模型，压缩某些与制造无关的特征，提高运算速度和使刀具轨迹合理.
2）修补——对某些造型有缺陷的模型加以修补.
3）增加——增加一些加工辅助线和辅助面有了加工模型，就可以根据加工的环境制定模本，确定刀具以及加工方法等数控编程的最后环节是数控程序的验证工作，可分为计算机验证和试切验证。
2.2.4家具雕刻编程工艺流程
数控编程是从零件图纸中获得数控加工程序的过程。它的主要任务是计算加工走到的刀位点（cutter location point，简称CL）。刀位点一般取刀轴线与刀具表面的交点，多刀轴加工还要给出刀具矢量。数控编程的核心工作就是生成刀具轨迹，然后将其离散成为刀位点，最后经过后置处理生成数控加工程序。它以内部统一的数据格式直接从CAD系统获得产品的三维几何模型，通过输入工艺控制参数，生成刀具轨迹，再利用计算机仿真检查干涉和碰撞情况，再经后置处理模块生成数控机床所能接受的代码。因而，根据家具雕刻加工工艺特点及Mastercam软件的特点，以及本文对家具雕刻制作过程的分析，编制了家具雕刻编程的一般工艺流程。后面两章将按照这个流程细化每一步的过程。
3.家具CAD/CAM的缺点
3.1人员素质要求高
CNC加工设备对操作和设计人员要求高，不但要懂CAD/CAM，还必须熟悉家具生产工艺，二者缺一不可.
3.2设备复杂
由于设备复杂系数高，对维护者的技术水平要求相应增高，而且维护费用比普通设备高.
3.3小刀具不宜
当加工所用的刀具直径小于5mm时，由于刀具太小，线速度太低，影响加工质量.
3.4能实现大批量生产
CNC加工设备的加工范围也不断扩大，不但能满足小批量多品种，而且已能满足多品种大批量生产.如图5是出口美国的餐椅椅背部件大批量生产刀具路径及工件加工定位图，
用一台8轴CNC分4轴一组联运生产，正常情况下可生产480件/小时.一些认为 CNC加工设备只能用于小批量，多品种的认识是错误的.笔者实践实现.若设计与制造复杂零部件且批量很小.由于需高技术专业人 CAD/CAM编写NC码的工作量相当大，并不经济.
3.5调试简单
操作安全，可一人多机操作CNC加工设备出第一个合格工作台，工人只需要进行工件的装夹和启动机床，减轻了工人的劳动强度.现在家具用的CNC加工设备可靠性高，保护功能齐全，并且数控系统有自诊断和自停机功能.因此当一个工件的加工时间超出工件的装夹时间时，就能实现一人多机操作.
计算机辅助家具设计与制造（FCAD/CAM-Furniture Computer Aided Design/Manufacturing）是运用计算机技术完成家具设计及制造的通称.FCAD/CAM有广义和狭义之分，广义FCAD/CAM是指运用计算机辅助完成从家具原材料选配到制造出产品的全部制造活动，包括了直接制造活动和间接制造活动，涉及工艺准备、生产计划、物料计划、生产控制和质量保证等多项内容.狭义FCAD/CAM是計算机技术在某个制造环节中的应用，通常指计算机辅助数控加工，是将家具零部件加工的工艺路线和工序内容等信息输入计算机，计算机输出刀具加工的运动轨迹（刀位文件）和数控程序，用以控制数控机床完成家具某一零部件的加工.FCAD/CAM已成为先进设计与制造技术的重要组成部分.也是提高家具设计与制造水平的重要举措.
FCAD/CAM是现代设计制造技术发展最为活跃的领域，已直接影响产品更新、生产发展和竞争能力.进入21世纪，意味着一个大批量生产时代的结束.刚性流水线已逐渐成为过去.对于家具制造业面临的是一种具有高度柔性的，拥有高技术和能对市场需求作出迅速反应的设计与制造模式.这种新的制造模式的基础就是FCAD/CAM，即计算机辅助家具设计和辅助家具制造技术.
面对家具市场激烈竟争，能否根据市场需求作出快速响应和决策是一个企业能否赢得市场的关键.而这种能力的基础取决于企业设计与制造的技术水平.以FCAD/CAM为基础的设计与制造技术可以用最快的速度向市场推出全新的产品，从而在市场竟争中处于主动.
国内家具企业虽然取得了很在的进步.但整体的设计与制造水平和发达国家相比还存在相当距离，有些家具企业对FCAD/CAM没有认识.笔者就实际应用的情况为例说明狭义CAD/CAM工艺过程和加工特点.
1.家具CAD/CAM的工艺过程
数控加工是靠程序来控制机床的加工过程，因此编制数控程序是十分关键的一环。理想的加工程序不仅能保证加工出符合设计要求的合格零件，同时可使数控机床功能得到合理的应用和充分地发挥以及安全可靠地工作。家具雕刻对于家具制造的整个过程来说只是其中精加工的一个部分，所以研究家具雕刻的工艺要从家具生产工艺开始。
根据加工特征或加工目的的不同，实木零部件的生产工艺过程一般由干燥、配料、毛料加工、胶合（胶拼）、弯曲成型、净料加工、装饰（贴面与涂饰）、装配等若干个过程。净料加工是指进一步加工出各种结合用的榫头、榫眼、连接孔或铣出各种线型、型面、曲面、槽簧以及进行表面砂光、修整加工等。雕刻应该是属于净料加工范畴，在零部件完成表面砂光、修整加工后，进行雕刻，雕刻完毕以后再对雕刻纹样进行单独砂光处理。不同的产品有不同的加工工艺流程，其基本工艺流程如图1.由以下核心加工步骤组成：
1.1输入文件
运用CAD建立实体模型，绘制刀具的走刀路径，也可以文件形式输入，但输入文件的数据结构，格式相同或兼容.
1.2定义刀具资讯
定义刀具资讯（如刀具直径，加工刀片数、刀具形状等），选择进刀、走刀、退刀方式等.
1.3设置加工参数
设置加工的参数（进刀速度、刀具转速、切削速度、切削形式等）及机械或刀具的补偿等.
1.4生成刀具轨迹
生成刀具加工轨迹，并对刀具加工轨迹进行即时动态虚拟，并记录加工工艺卡.对有问题的程序返回重新进行修改.
1.5输出NC码
根据加工的CNC控制系统输出NC码.
1.6数据传输
计算机与CNC之间进行数据传输（可以通过网络、DNC、驱动器等）.
2.家具CAD/CAM加工的特点
家具的加工主要以木质材料为主，由于木质材料质地比软，切削方式主要采用高速铣、刨，钻，锯，车，砂，雕刻等方式，目前市场上的CNC加工设备也多种多样，其加工刀具有各种铣刀，刨刀，雕刻刀，单头钻，多头钻，32mm系列排钻等，其加工方式不但考虑CAM系统刀具路径，而且还结合CNC加工设备所用刀具的特点，以完成各种不同形式的加工.
2.1加工精度高
CNC加工设备的结构决定，其设备精度都比较高，CNC设备的定位精度为±0.01mm，重复定位精度为±0.005mm.
在加工过程中不需操作人员中间修正，工件的加工精度全部由机床保证，消除了操作人员的人为误差.因而加工出来的工件精度高，尺寸稳定.其形状和尺寸精度能满足各种家具对精度的要求.
2.2能加工复杂的型面
CNC加工设备的刀具运动轨迹是由加工程序决定的，因此只要能编制程序，同时选用合适的CNC加工设备及相应的刀具，无论工件的型面多么复杂都能加工.选用图2所示的CNC设备，可以加工家具零部件的复杂曲面，各种线型；长期依赖手工方式的雕刻工艺，CNC加工设备也能完成.CNC加工设备使家具制造向数字化生产方式发展.
随着数控CNC技术的发展，CAD/CAM用途也为断地扩大，能刨削大面积的曲面，能车削复杂的回转体的零件，并能锯切曲线零件，
2.3能加工各种结构的家具零部件
在CNC加工设备上配置不同的刀具及其附件，就可以完成各种定位孔，结构孔，32mm系列孔，指接榫，各种榫头，槽榫.能满足实木和板式家具基本加工需要.图3所示的刀具与附件是CNC加工设备附件的一部分.
2.4生产效率高
CNC加工设备的主轴转速达25000rpm甚至更高，实现高速切削.X＼Y定位速度已达到24m/min.Z轴定位速度9m/min，实现快速定位.通过合理选择切削参数.充分发挥刀具切削性能.减少切削时间.而且加工过程稳定.不需要在加工过程中进行中间测量就能连续完成整个加工过程.CNC的加工轴已从早期的单轴向多轴发展，自动换刀也由单轴向多轴自动换刀发展，工作台由单个向两个发展，增加一次加工工件的数量，加工从单头向多头多轴联动发展，一次定位，实现铣，锯，刨，钻等各种加工方式，大大提高生产效率，如图6所示. 2.5能实现大批量生产
CNC加工设备的加工范围也不断扩大，不但能满足小批量多品种，而且已能满足多品种大批量生产.如图5是出口美国的餐椅椅背部件大批量生产刀具路径及工件加工定位图，用一台8轴CNC分4轴一组联运生产，正常情况下可生产480件/小时.一些认为 CNC加工设备只能用于小批量，多品种的认识是错误的.笔者实践实现.若设计与制造复杂零部件且批量很小.由于需高技术专业人 CAD/CAM编写NC码的工作量相当大，并不经济.
2.6调试简单
操作安全，可一人多机操作CNC加工设备出第一个合格工作台，工人只需要进行工件的装夹和启动机床，减轻了工人的劳动强度.现在家具用的CNC加工设备可靠性高，保护功能齐全，并且数控系统有自诊断和自停机功能.因此当一个工件的加工时间超出工件的装夹时间时，就能实现一人多机操作.
CNC加工设备对操作者的技术水平虽然较普通设备高，但是现代数控设备换刀方便，定位一般用相对坐标，刀具的参数，位置可以通过程序或机械进行数字化自动修正，多轴联运加工定位可以运用加工程序进行调刀.
2.7经济效益明显
虽然数控机床相对单台普通机床投资高，一次投资及日常维护保养费用较普通机床也要高很多.但能避免采购大量专用设备，减少劳动力成本.通过发挥CNC加工设备的加工能力，提高设备的利用率.节省企业大量购卖专用设备的资金.CNC加工设备不仅生产效率高.加工质量好，废品少，生产周期短，而且能发挥新产品开发快的优势，从而提高经济效益.
2.8可运用现代管理技术
在数控机床上，加工所需要的时间是可以精确预计的，并且相同工件所用时间基本一致.因而可以精确估计工时和工时费用.这有利于精确编制生产进度表，有利于均衡生产和取得更高的预计产量.
用FCAD/CAM可以实现设计与制造即时化，并行化，网络化，大大缩短产品开发时间.
2.2数控编程的一般流程
在计算机上进行图形交互式数控编程可分为4个阶段：准备工作阶段、技术方案阶段、数控编程阶段以及程序定型阶段。
2.2.1准备工作阶段
在该阶段，主要是生产管理部门根据生产计划下发编程指令、工装准备以及下发有关工程图纸或CAD模型。
2.2.2技术方案阶段
数控编程前的首要工作是制定技术方案。技术方案阶段主要的任务是根据创建的制造资源，编制数控加工的工艺方案。数控工艺方案的设计是有难度的，因为要处理的信息量大，各种信息之间的关系又极为错综复杂，主要靠工艺师工作经验以及经实践检验的和优化的典型加工实例，经总结、提炼和分类，制作成工艺样板（即加工模板），存储在工艺数据库中，供工艺人员调用。随着日积月累工艺资源日益丰富，可使工艺规程的编制实现“规范化”，从而大大提高生成速度和成功率。
2.2.3数控编程阶段
在编程准备期间，主要的依据使图纸（或CAD模型）、编程指令以及下发的工艺文件。首先，编程员分析零件的几何特征，构思加工过程，结合机床具体情况，考虑关键的定位，选用夹具和设计夹具。在准备工作环节中，另一个主要任务是建立零件的数控加工模型（CAM模型）。一般情况下，不需要建立CAM模型，CAD模型就可以直接用于定义加工參数和加工对象，生成刀具加工轨迹，但是许多情况下，仍然建立CAM模型，其目的有3个：
1）压缩和简化——提取CAD模型中的曲线和曲面，建立简洁的加工模型，压缩某些与制造无关的特征，提高运算速度和使刀具轨迹合理.
2）修补——对某些造型有缺陷的模型加以修补.
3）增加——增加一些加工辅助线和辅助面有了加工模型，就可以根据加工的环境制定模本，确定刀具以及加工方法等数控编程的最后环节是数控程序的验证工作，可分为计算机验证和试切验证。
2.2.4家具雕刻编程工艺流程
数控编程是从零件图纸中获得数控加工程序的过程。它的主要任务是计算加工走到的刀位点（cutter location point，简称CL）。刀位点一般取刀轴线与刀具表面的交点，多刀轴加工还要给出刀具矢量。数控编程的核心工作就是生成刀具轨迹，然后将其离散成为刀位点，最后经过后置处理生成数控加工程序。它以内部统一的数据格式直接从CAD系统获得产品的三维几何模型，通过输入工艺控制参数，生成刀具轨迹，再利用计算机仿真检查干涉和碰撞情况，再经后置处理模块生成数控机床所能接受的代码。因而，根据家具雕刻加工工艺特点及Mastercam软件的特点，以及本文对家具雕刻制作过程的分析，编制了家具雕刻编程的一般工艺流程。后面两章将按照这个流程细化每一步的过程。
3.家具CAD/CAM的缺点
3.1人员素质要求高
CNC加工设备对操作和设计人员要求高，不但要懂CAD/CAM，还必须熟悉家具生产工艺，二者缺一不可.
3.2设备复杂
由于设备复杂系数高，对维护者的技术水平要求相应增高，而且维护费用比普通设备高.
3.3小刀具不宜
当加工所用的刀具直径小于5mm时，由于刀具太小，线速度太低，影响加工质量.
3.4能实现大批量生产
CNC加工设备的加工范围也不断扩大，不但能满足小批量多品种，而且已能满足多品种大批量生产.如图5是出口美国的餐椅椅背部件大批量生产刀具路径及工件加工定位图，
用一台8轴CNC分4轴一组联运生产，正常情况下可生产480件/小时.一些认为 CNC加工设备只能用于小批量，多品种的认识是错误的.笔者实践实现.若设计与制造复杂零部件且批量很小.由于需高技术专业人 CAD/CAM编写NC码的工作量相当大，并不经济.
3.5调试简单
操作安全，可一人多机操作CNC加工设备出第一个合格工作台，工人只需要进行工件的装夹和启动机床，减轻了工人的劳动强度.现在家具用的CNC加工设备可靠性高，保护功能齐全，并且数控系统有自诊断和自停机功能.因此当一个工件的加工时间超出工件的装夹时间时，就能实现一人多机操作.