毕业设计（论文）-ZS-1000砂光机结构设计（全套图纸）.doc

XXX大学本科生毕业设计（论文）ZS-1000砂光机结构设计学生姓名：_学 号：_班 级: _专 业：_指导教师：_2016年4月摘 要砂光机作为木制品加工的主要设备，在人造板和家具行业中应用广泛。近年来，随着人造板工业的发展，对砂光机的要求正不断提高，体现在加工精度优良，设备操作方便，运行安全可靠，自动化程度高等方面。 对此，新型的砂光机设计显得十分必要。本文以ZS-1000型砂光机作为设计研究对象，基于砂带磨削原理确定了磨削力、驱动功率等设备主参数；并根据砂架的加工特性设计了辊式砂架定厚，压磨式砂架精磨的砂架设计方案。另外，本文还从结构设计、驱动电机选型、传动皮带选型、轴的强度校验等多方面进行了砂光机的设计。ZS-1000型砂光机根据设备功能及安全要求采用了PLC 控制系统的总体方案,实现了设备控制的自动化。为其在生产线大规模批量应用奠定了基础。关键词：砂光机；辊式砂架；压磨式砂架；结构强度；控制系统全套图纸加153893706ABSTRACTSander machine is the main equipment which is widely used in the wood-based panel and furniture industry .In recent years, with the rapid development of wood-based panel industry, the requirements of sander is increasingly reflected in the processing precision, excellent equipment, convenient operation, safe and reliable operation, high degree of automation aspects. In this regard, sanding machine design model is very necessary.Based on the ZS-1000 sander machine as the research object the design of sand belt grinding, grinding force, the principle to determine the main parameters of power equipment based on; And according to the characteristics of the different shelves ,the paper designed the rolling grinding shelf - press abrading grinding shelf system . In addition, this paper also from the structure design, motor selection, transmission belt type, shaft strength check and other aspects of the design of sanding machine.ZS-1000 sander machine adopts the overall scheme of PLC control system according to the function of equipment and safety requirements. And it makes the foundation for the machine being used in a large-scale application in the production line.Keywords: Sander; Rolling Grinding shelf; Press Abrading Grinding Shelf; Structural strength; Control system目 录摘 要1ABSTRACT2第一章 绪论51.1 砂光技术发展概述51.1.1 砂光技术及其优点51.1.2 砂光机及其概述61.1.3 国内外现状及发展趋势71.2 设计出发点81.3 设计的主要内容8第二章 ZS-1000砂光机总体设计102.1 主要技术参数的确定102.1.1 砂带磨削驱动功率的设计计算102.1.2 砂带磨削速度的设计和选择102.1.3 砂光机参数表112.2 主要结构132.2.1 砂光系统142.2.2 升降系统172.2.3 进给系统182.2.4 吸尘系统192.2.5 清洁系统202.3 设计方案202.4 安全要求222.5 控制要求23本章小结24第三章 关键部件设计253.1 砂架及动力传动253.1.1 砂架及传动系统的结构设计253.1.2砂架的参数设计253.1.3 主切削力的确定273.1.4 主传动-V 带传动设计273.2 轴的校核计算303.3 轴承选择计算343.4 进给系统电机功率35第四章 总结374.1 本机的结构特点374.2 总结与展望37参考文献38致 谢39第一章 绪论砂光机作为木材加工行业广泛应用的设备之一，主要用于各种人造板材、木制品构件和木制品零件的精加工。其加工原理为利用磨具对各种板类，木制品构件进行砂削，从而提高加工品的尺寸精度、表面平直度和光洁度，为加工品的油漆或板材的二次加工，如木纹印刷、贴纸等获得良好的加工基准面。1.1 砂光技术发展概述1.1.1 砂光技术及其优点砂光技术是以表面接触的方式，利用高速运动的磨具，对工件表面进行砂削的一种加工技术。相比起传统的刨光机，砂光机拥有安全、低污染以及节省原材料等优点。可减少因刨刀加工造成的木材撕裂，节疤撕裂和表面损坏的现象。其要素主要包括：接触轮、张紧轮、砂带和工件。详见图1.1。在实际生产加工中，经常与铣床、车床等设备一起使用，实行成型加工与砂光加工结合的连续加工。图1.1 砂光机加工原理作为一项新兴技术，砂光技术中的砂带磨削与传统砂轮磨削、车削，铣削相比，在加工方面具有许多优越性能。其主要优点有：（1）“冷态”磨削：砂带是砂带磨削的主体，它是一种特殊的、多刀多刃的切削工具，主要由基体、结合剂和磨粒三部分组成，详见图1.2，即在具有可挠性且极为平坦的布料、纸料等基体表面上，整齐地排列着尖角朝外的磨粒，依靠粘结剂和基体材料来保持可挠性和弹性，属于单层磨粒磨具。由于磨粒间容屑空间大，磨粒与工件的接触面积小，磨削热产生少。尤其带式砂光，磨粒散热时间间隔长。磨削后的工件表面残余应力和表面硬化层的深度均大大低于砂轮磨削和辊式磨削，减少了工件的变形和烧伤。因此，砂光机动磨削方式又称为“冷态”磨削。图 1.2 砂带的组成（2）“弹性”磨削：一方面，由于砂带自身拥有良好的挠性和柔性，砂光机在砂削过程中与工件的接触大都为柔性接触，有较好的跑合和抛光作用，另一方面，砂带在静电植砂后的磨粒具有较小的负前角和较大的后角，使得砂光机在加工时，可以减少由于木纹紊乱造成的粗糙度问题，解决了刨切和铣削加工过程中将木材纤维撕裂或留下刨铣压痕。（3）“高效”磨削：砂带磨削由于同时参与加工的磨粒数量众多，因此其生产效率极高，在材料去除率方面，砂光机远远超过了砂轮磨床，约为普通砂轮磨削的 520 倍，铣削的 10 倍，功率利用率达96。1.1.2 砂光机及其概述如前所述，砂光机是一种运用磨削技术来进行木材加工制作的机器。它的目的在于从工件上除一定厚度的材料，获得确定的厚度和表面质量。随着木材加工业、建筑装潢业、特别是人造板工业的发展和板式家具的出现，表面的砂光对于各种木制品的质量和外观起着决定性的作用。宽带砂光机由于具有其砂带长、散热条件好、生产力高、不仅能精磨、亦能粗磨等特点，以其极高的效率和好的磨削精度而成为当今世界木材加工工业广泛采用的重要的加工设备，特别是被刨花板和纤维板生产企业所采用。简图1.3表达了砂光机设备的系统构成，当机器启动后，待加工件坯从机器的右端向左进行加工。待加工件由进料辊送入。同时在入口处，设有限高板，防止过高的待加工件流入设备中，造成设备撞机。待加工件进入砂架后，砂架由砂辊、驱动辊、张紧气缸、砂带摆动单元等组成。砂带在张紧情况下，由驱动辊和接触辊提供摩擦驱动力。主电机通过万向联轴器与驱动辊直联，驱动砂带运转。在加工过程中，接触辊将砂带压在工件表面，从而进行工件磨削。在待加工件不断进给的过程中，板材最后经出料端的清扫辊清除残存表面的粉尘、木屑后送出料辊末端。由于砂光工艺、工种情况多种多样，只有不同砂光头的不同组合形式才能满足这种变化，这就造成了宽带砂光机设计的多样化，这些将在本文后续章节中说明。图1.3 砂光机设备的运行简图1.1.3 国内外现状及发展趋势上世纪四十年代起，木材加工手段才逐渐由手工打磨向机械打磨方式转变。到上世纪六十年代，砂光机加工技术在国外发展基本成熟。在上世纪七十年代，随着我国经济发展和对外开放政策的实施，国内许多厂家通过各种渠道引进国外多种形式的砂光机。1974年-1979年我国部分胶合板生产骨干企业，从日本引进了砂磨设备。这些砂光机的使用取得了满意效果，对我国木材加工行业的进步起到推动作用。我国砂光机制造起步较晚，是在85年以后先后又有六家工厂在引进制造技术，参考样机基础上，试制成功多种型号的宽带砂光机，填补我国砂带磨削机械生产上的空白。95年前后，民营砂光机企业蓬勃发展起来。这些砂光机已被广泛应用于家具、木制品、胶合板、刨花板、中密度纤维板、竹材人造板、贴面装饰材料等工厂的生产。国内生产宽带砂光机的企业很少。牡丹江木工机械厂生产砂光机较早，自1982年开始研制，现已生产BSG2112、BSG2313，BSG2613、BSG4112、BSG2403A等几种类型的宽带砂光机。以后青岛木工机械制造总公司自1986年从意大利DMC公司引进了整套的砂光机制造技术取得了成功，并想建成国内最大的砂光机基地，现已生产SFE13OsY130、MM5613、MM51 6、MM5213等系列宽带砂光机1O多种。另外苏州林业机械厂已研制BSG2613型宽带砂光机，青岛兴隆机电设备公司生产三砂架精细砂光机。并在控制系统方面作了改进尤其在光电控制砂带摆动方面获得成功。总之宽带砂光机的市场还是比较大的，随着新型人造板(如石膏纤维板、水泥刨花板、华夫板、各种层积塑料装饰板等)的发展，大量的投资将集中在旧设备的更新上砂光机的需求将因此而增加，宽带砂光机的发展不仅要求其功能、系列得以开拓，而且在控制方面应符合机电一体化的发展方向国外砂光机应用数控、数显、计算机控制已很普遍，国内砂光机在这方面还很不够。德国Heesemann公司砂光机上的数控终端能存储2O个不同的砂光程序，各种操作值的设定、功能故障以及与生产线连接程序均能显示在终端屏幕上，可以对机器进行有效地操作。1.2 设计出发点近几年来，伴随着人造板工业的高速发展，砂光机需求不论是在技术上还是在规模上都在不断提高。新型的宽带式砂光机由于其砂带宽度的优势在市场上已经有了广泛的应用，在相同的能耗工况下，具有节省辅料、便于操作、精度高、自动化程度高、具有规模生产功能等优势。为满足市场需求，本人将结合在大学期间学习到的各种知识，主要就以下几个方面进行研究与设计：1 机械设计：对砂光机的各个零部件进行机械设计，实现设备工作所需的机械运动要求。2 强度校核：对砂光机的关键部件进行强度校核，保证设备的使用寿命。3 结构设计：对砂光机进行结构设计，保证设备结构合理，受力均匀。4 功能设计：对砂光机各组成部分的功能进行设计，保证设备具备安全、高效、低能耗、低污染等功能。本次毕业设计，一方面既可以对自己知识体系进行巩固，另外一方面也可以实现一定的社会价值、经济效益。1.3 设计的主要内容本论文研究的内容主要涉及：（1）砂光机的总体设计本设计对应的砂光机主要由砂光系统，升降系统，吸尘系统，清洁系统和进给系统组成。整体结构采用采用上砂形式，动力系统、吸尘动力系统及压缩空气动力系统固定在输送带下部，以增加稳定性，减少震动，提高设备整体刚性。机架采用槽钢焊接成高强度刚性机架。（2）砂光机的功能设计本设计对应的砂光机要求能够一机多用：通过更换砂带及升降接触辊、压磨垫，选择平面定厚、或精细砂光、或定厚及抛光结合的功能。且经济适用：操作与维护方便，以及较低的使用成本与较高的加工精度（3）砂光机关键部件的设计研究本设通过对砂光机砂架及传动系统、轴与轴承系统以及进给系统进行研究计算，求得各部件的基本参数、机械结构、驱动形式等；对各部件的传动部位进行设计、选型、校核强度及寿命；对各部件主要技术特点进行相关的技术分析。第二章 ZS-1000砂光机总体设计砂光机的总体设计应遵循以下原则：（1） 对振动、噪声、刚度、可靠性等因素要着重考虑。良好的振动抗性、结构刚性和可靠性能大大提升设备的使用年限。创造极高的经济价值。（2） 应考虑整个机床的吊装、运输、校平与固定的问题。由于砂光机的振幅交普通设备要大，因此需要考虑校平与固定等等问题，防止设备在加工过程中逐渐倾斜。（3） 应了解不同工件的砂削工艺和砂带性能。设计设备时应尽量兼容多厂家、国家的辅料，提高设备的应用面。2.1 主要技术参数的确定砂光机需要确定的主技术参数包括：砂带磨削驱动功率、砂带线速度等等，参数设计的合理性将对加工工件表面质量、加工精度和加工效率产生很大的影响，因此，确定主要技术参数对设备的设计而言十分重要。2.1.1 砂带磨削驱动功率的设计计算砂带磨削所需的功率是一个很重要的参数，直接决定了电机的选择，如果电机功率选择过大，势必造成电能的浪费，而且也同时造成设备体积、重量的加大，不利于整体结构设计。反之，如果电机功率选得过小，则会达不到预期的磨削效果或者造成节拍缓慢，生产效率低下。因此，针对具体的加工条件和需求，对所需的驱动功率进行计算是十分必要的。磨削功率公式如下：本机根据经验数据及国外同内设备的经验配置，取N = 90kw2.1.2 砂带磨削速度的设计和选择不同的加工材料选用的的砂带磨削速度应该是一一对应的，使用笼统的参数将造成尺寸和精度的不稳定。其所对应的材料切除率、砂带耐用度和表面粗糙度也是各不一致的。如下图，体现了砂削量、进给量和驱动功率之间的关系。本机根据所列的砂带磨削不同材料时建议采用的最佳速度范围，本机选择：Vs=22m/s图2.1 砂削量、进给量与驱动功率的关系2.1.3 砂光机参数表除磨削驱动功率、磨削速度等参数外，砂光机还有较多的其他参数，参考各类砂光机说明手册得以下参数表：表2.1 某厂家砂光机设备参数表对照此参数表以及目前市场的需求分析，我将本次设计设计内容定为单面加工、组合式砂架、辊式粗磨、压带式精磨、输送带送料的宽带砂光机设计，一种更能够适应中小型加工厂生产需要的砂光机，命名为ZS-1000砂光机，其中Z代表组合式的含义，S代表砂光机，1000代表了主要加工宽度其主要技术参数如下：最大加工宽度 mm工件厚度范围 mm加工精度 mm进料速度 m/min砂带尺寸（长宽） mm砂带线速度 m/s左右吸尘风速 m/min主电机功率 90kw除尘装置风量 7800m3/h压缩空气工作压力 0.6MPa外型尺寸（长宽高） 3000X2380X2660mm净重量 7500kg2.2 主要结构下图为本设计中砂光机的主要结构图2.2 砂光机设计图1-床身下部；2-清洁装置；3-吸尘装置；4-床身上部；5-砂光系统；6-导向装置；7-进给装置；8-驱动系统；9-升降系统。如图2.2 所示，该设备由上下床身、驱动、进给、升降、导向、砂光、吸尘、清洁等多装置组成。砂光系统分粗砂与精砂两个部分。单次进料即可满足板材的定尺寸磨削，满足设计要求。设备的总体结构如图所示，在机身的上部装有三个吸尘排气管，保证机床内木屑的及时排出以及设备的气压平衡。整机可分为两个部分，以进给履带处进行划分，履带以上为上机身，以下为下机身。上机身正面设有上侧门，可在停机时检查设备内部的情况。上机身侧部安装有操作面板，高度与普通身高的人视线平齐，便于操作。上机身内，其主要部件为两个砂架，靠进给端为粗砂架、靠出料端为精砂架。下文将做详述。辅助单元有砂带的纠偏装置，防止砂带因为窜动导致加工质量不稳。设备配备有各种控制气缸，电磁阀以及安全防护装置等。其输送系统在进料口处设有导向辊，保证物料能顺利送入设备中，在物料进给进程中设有前、中、后三组压板，防止工件抖动。整机的设计综合考虑了机床的各项性能，同时考虑了人机工程，方面操作工操作设备，以完成设计的预期目标。以下为该砂光机主要结构设计论证。2.2.1 砂光系统1）砂架的设计根据不同的工艺要求，砂光机有三种形式的砂架。它们分别是上砂式砂架、下砂式砂架以及混合砂架。其中，上砂式砂架的送料系统在砂带的下方，利用送料工作台的升降完成不同厚度工件的砂光。下砂式砂架的送料系统位于砂带的上方。而混合砂架由上砂式砂架和下砂式砂架组成。本方案采用的是上砂式砂架。2）砂光头的设计针对不同的工艺要求，砂光机上不同的砂架又可以安装不同的砂光头，见图2.3a-定厚砂光头；b-砂光垫砂光头；c-组合式砂光头；d-压带器砂光头；e-横向砂光头图2.3 砂光头类型其中，定厚砂光头的特点是：砂削力较强，一般安装较为粗糙的砂带。其原理为砂带与工件的接触是线接触，接触面小，分配到单个磨料上的压力非常大。由于接触辊与工件是线性接触，因此有利于去处大的砂光余量，但是砂削后会在工件表面留下条纹，适用于粗加工，不能用于进行末道工序的砂光。而砂光垫砂光头的特点是：用砂光垫来砂光工件，可使压力分散，砂带与工件接触面积大，与定厚砂光头不同，为为平面磨削，参与磨削的磨料较多，单个磨料受到的压力较小，有很多磨料同时参与工作，从而达到精细砂光的效果。其工艺磨削量小、需要增加光洁度的抛光工序，用于去除粗砂工序造成的各种波痕，从而获得细腻光滑的砂光表面。相应的砂光头上需安装细粒度的砂带。组合式砂光头的特点是：该砂光头同时配有接触辊和砂光垫，且两组装置可单独调节，提高了工艺调整的空间，可达到更理想的砂光效果。这种接触辊与压磨垫的组合，同时具有定厚和精砂的功能。这种装置在定厚砂削的场合是将接触辊调整到工作位置，此时定厚辊作为过渡导向辊使用。该砂削方式的灵活性好，经常设置在定厚磨削之后，抛光磨削之前。同时也可作为抛光使用。压带器砂光头的特点是：这种砂光头中的砂光垫宽度较大，与工件的接触面积也相应增大，从而大大减轻了工件上的工作压力，它采用一条毡质的压力薄片带。这条薄片带在砂带和砂光垫之间运行，薄片带的动态动作提高了砂光强度，并有效地分散了砂光热，提高了产品质量。这种砂光头可以对油漆面进行直接上光，即不需用打有抛光蜡的砂带进行特殊的砂光，意大利DMC公司拥有这方面的专利技术。横向砂光头的特点是：与其他砂光头不同，该砂光头同时具有横向和纵向两个方向的砂光功能，横向磨削时，砂光头可磨掉木材细孔中露出的纤维，后继的纵向砂光可有效地消除横向砂光痕迹。这种交叉式砂光还可保证工件表面适于染色，可大大减少涂漆量，德国Hecseman公司拥有这项专利技术。3）砂光头的组合式设计如前所述，由于砂光工艺、工种情况多种多样，单个的砂光头难以满足日益多样的砂光需求，因此将不同砂光头进行不同形式的组合，以满足各种工艺要求。如下图2.4所示为德国比飞灵(Butfering)公司AWS3型宽带砂光机。图2.4 德国比飞灵公司AWS3型宽带砂光机设备拥有3个砂架第一个是接触辊砂架(肖氏硬度85)第二个是接触辊(肖氏硬度65)和砂光气垫构成的组台砂架第三个是砂光气垫。工作宽度范围有1100和1350mm两种。由于采用了多种砂光架的组合，本机有三种砂光功能。(1)定厚砂光：使用第一砂架的接触辊下降（可实现粗砂）或者第一、二砂架的接触辊都下降（可实现粗-精砂）。输送台处于刚性状态。(2)单板砂光和细砂：第二砂架接触辊砂架和第三砂架的砂光气垫下降，或第二、第三砂架的砂光气垫都下降，输送床处于弹性状态。此时，设备主要用于精加工。(3)实木板砂光：第一和第二砂架的接触辊和第三砂架的砂光气垫下降，实现粗砂-精砂和抛光。或第一砂架的接触辊和第二、三砂架的砂光气垫都下降输送床处于刚性状态。此时，设备全部砂架都参与加工，效率得到极大的发挥。参照上述方案，并结合本设计的要求，决定采用粗砂和精砂结合的方案，即粗砂采用定厚砂光头，精砂采用组合式砂光头，以实现设备加工性的最优化。4）接触辊、张紧辊和导向辊的设计接触辊、张紧辊和导向辊在砂光系统中各有作用。其定义分别是：接触辊是砂带驱动器，其作用是驱动砂带砂光工件。张紧辊是用来张紧砂带的辊子，以保持砂带的磨削能力。导向辊是接是用来支撑砂带的辊子，用在组合式砂光头中。这三种轴辊在设计时，应充分考虑以下因素：（1）加工精度：由于设备在加工过程中，轴辊作为运动部件需要承受动载荷。尤其是高速回转时，如果存在不平衡的现象，将直接导致加工完成品表面存在振纹。因此，这些轴辊需要一定精度的加工，并且其相对应的轴承也要保证精度和寿命，才能确保加工质量。（2）抗震能力：由于砂光设备在加工时存在振动，同时板材在进给时也会发生滑移，因此目前的设备制造工艺中，经常在辊子的空腔内充入聚氨脂发泡剂以获得良好的性能。同时对接触辊而言，还需要要包一层橡胶，以获得较大的耐磨性。（3）散热能力：对接触辊而言，辊表面通常开有螺旋沟槽，如下图2.5所示，以起散热的作用，并疏通砂带内表面粉尘，有的设计成人字槽，以使气流向两边疏通起到更好的效果。图2.4 接触辊表面沟槽形式2.2.2 升降系统砂光机的升降系统主要用来实现设备的升降功能，并通过控制砂光系统和进给系统的间距，以实现加工工件的定厚磨削，升降系统可选用的机构有滚珠丝杆副以及滑动螺旋副，其区别在于滑动螺旋副内部传动存在间隙，反映到设备的升降上，即升降时会出现尺寸偏差，而滚珠丝杆副由于有间隙控制的手段，其尺寸控制精度高，故本方案采用滚珠丝杆副。本设计的升降系统由升降立柱连接轴、转向器、编码器、电机等零部件组成，升降立柱（如图2.5），由蜗轮蜗杆、滚珠丝杆副、预紧螺母、导向外筒、导向内筒、钢球等组成。图2.5 升降系统示意图其工作原理为：减速电机启动后，通过转向器经升降立柱中的蜗轮蜗杆机构传动，滚珠丝杆副中的丝杆转动，丝杆螺母带动设备实现升降。其中的旋转编码器与转向器通过联轴器实现连接，转速与减速电机输出轴的转速相同，因此可将电机的转动圈数设备的位移量转化为脉冲，然后反馈给可编程控制器PLC进行计数，实现输入输出的闭环系统，反馈升降的当前位置。升降立柱中的预紧螺母可调整轴承的游隙，以免游隙过大影响砂光机工作时工件的加工厚度。考虑到设备的加工性，即工件尺寸0.1mm的尺寸公差，为避免滚珠丝杆副的反向间隙造成尺寸跑偏，要求能通过滚珠丝杆发预紧方向消除，实现反向间隙要求小于30m。按照精度要求细化到每个传动部件并结合结构需求，各个传动部件的设计要求如下：1）滚珠丝杆副螺母要求有预紧机构，消除轴向间隙；2）滚珠丝杆副支撑角接触轴承要求有预紧螺母，以缓解受机架重载荷造成的间隙；3）蜗轮蜗杆要求有自锁功能，防止滚珠丝杆副的逆方向旋转；4）减速电机设有制动器，保证上机架的定位精度。综上，其对应方案为1）滚珠丝杆副采用垫片预紧双螺母，可通过垫片预紧消除反向间隙，预紧力2）滚珠丝杆副支承轴承侧设有预紧螺母，可提高支承轴承刚度，同时也可消除轴承侧的间隙。另外，除反向间隙外，滚珠丝杆副同时需要控制定位精度和重复定位精度。通过分析升降系统的结构及负荷，可以发现影响定位精度的因素主要有：滚珠丝杆的刚度、支承轴承的刚度、滚珠丝杆副滚珠与滚道的接触刚度以及蜗轮蜗杆、转向器的传动侧隙等；影响重复定位精度的因素则只有蜗轮蜗杆、转向器的传动侧隙。由于滚珠丝杆副在升降过程中，受到始终向下的重力作用，没有起动、返回的轴向载荷的方向变化，因此滚珠丝杆副的传动刚度不影响重复定位精度。针对上述结构件间的间隙，控制定位精度和重复定位精度的措施有：1）滚珠丝杆副的选型设计保证了传动系统的刚度；2）蜗轮蜗杆、转向器的制造精度，要求达到8级精度。2.2.3 进给系统砂光机的进给机构有辊筒式和带式两种，本机采用的是输送带式进给。进料带绕装在工作台两端的辊筒上，由驱动电机经无级变速器后通过主动辊带动输送带动作，工作台面方向运动，除驱动部件外，其张紧强度通过张紧螺栓改变张紧辊的位置来进行调整。在砂架的前、后设有压紧辊，它们与送料带相配合，完成工件的进给。在输送带的设计中，同时考虑设计自动的直线控制进给装置，以保证工件安全可靠的输送，为了防止输送带跑偏。在带式进给机构中，国外有的公司采用真空吸料装置，以保证短小工件可靠的进给。进给传递系统通常采用无级变速，变速方式有机械式、直流电机和交流变频等无级调速方式。工件的进给速度是一个重要的设计参数，进给速度太小，生产率就很低，进给速度太快，又会增加单位时间的砂削力进给速度的大小应与砂带转速、工件宽度、工件硬度、砂削量等参数相匹配。现在国内外砂光机的进给速度一般在625mmin左右，送料电机通常采用无级调速式，进给速度为315mmin，625mmin，840mmin等。该参数可在实际使用时通过试验获得最优方案。2.2.4 吸尘系统砂光机在砂削工作时，会产生大量的粉尘，污染环境，且危害人们的身体健康，并加速机械零件的磨损，对设备而言，粉尘可能造成砂带糊死，砂带堵塞，影响砂削效率、降低产品质量。因此，应对吸尘系统予以足够重视。砂光机除尘系统的设计与一般除尘系统类似，设计中应注意几个问题如下（1）应根据砂光的机规格型号、工作特点和排尘量情况，选择合适的除尘形式，合理的布置管路，管路应顺直少弯，半径适宜，以减少局部构件；（2）由于板材粉尘的本身特点，砂光机的除尘系统不应接入车间集中气力密集的系统中，防止混入集中供气系统。应单独设置一个除尘系统，便于选用适宜的分离器和风机；（3）砂光机除尘应使用聚集器的方式，其优点是各支路互不影响，便于调整，管道容易布置，灵活性大。（4）除尘风量的确定。根据产生的粉尘量设计，如除尘系统的风量过大，动力消耗将明显升高，；吸尘系统风量不足，会降低除尘效果，降低产品质量和生产效率，同时会缩短砂带寿命。一般而言，不同砂削方式的排风量参考数据如下所示：定厚砂光：每英寸（25.4mm）宽砂带每分钟需150-200立方英尺（4.25-5.67m3）。普通砂光：每英寸（25.4mm）宽砂带每分钟需100-125立方英尺（2.84-3.55m3）。精细砂光：使用冲程式砂光机，每英寸（25.4mm）砂带宽每分钟需150-200立方英尺（4.25-5.67m3）；本方案在设计时主要考虑了以下几点因素：（1） 保证集尘器与吸尘装置接口处的真空度。（2） 吸尘管内的平均气流速度及吸尘风量，（3） 在吸尘管的中心管道处安装空气流量控制器，并加置控制器吸尘流量进行调节。2.2.5 清洁系统结合上述的吸尘系统，砂带在砂削工件过程中，除被吸尘系统收集的粉尘外，会有一些木粉粘结在砂带表面，如果不及时清除，砂粒将被堵塞，砂带将丧失失应有的磨削作用，应设计一种高效间歇式吹风清洁系统，用一定压力的压缩空气对砂带进行喷射，使砂带能够保持清洁和锋利的刃口，从而延长砂带的使用寿命。另外，砂带的高速砂削会产生大量的热量，这些热量会使粘结剂的老化加速，因此，采用清洁系统使砂带快速冷却。同时在设计时，应考虑让吹风气流通过空气过滤器，对压缩过的空气进行气水分离，避免砂带在清洁时受潮变软，影响磨削效果。在砂光机的后端还通常设计一台独立驱动的刷辊除去工件的粉尘，不让粉尘带出机床外面，以保持车间工作环境的清洁，减小对人员身体健康的影响。2.3 设计方案本设计对采用的砂带磨削方式，其特点是砂削周期长，砂削力均匀，砂削质量高。由前文所述，本设计采用了粗砂加精砂带模式，其中，粗砂由压辊直接压紧砂带进行砂削，主要进行定厚及粗砂光；精砂由压块压紧砂带进行砂削，主要进行精砂光。接触辊、张紧辊和导向辊的设计参考前文，充分考虑了其制造精度、耐磨性、抗震性和散热能力。由于本设计针对木材进行加工，工作环境特殊，要求不能有油液的污染，所以选择采用脂润滑，脂润滑结构简单，使用方便，无污染，通用性强。切采用脂润滑系统可省却油箱、油泵、油管及传动件，使润滑系统大为简化，具有体积小、重量轻、损耗能量小的特点。对机床制造者来说，可以降低成本。砂光机接触辊在磨削过程时高速旋转，为了提高轴承的寿命和确保轴承的旋转精度，必须采取密封措施，常用的密封方式有接触式密封和非接触式密封，其中接触式密封会影响轴承温升，缩短使用寿命，因此目前通常采用迷宫密封等非接触式密封方式，对于要求不高的可以采用间隙密封，但必须准确地控制间隙的大小，一般是在0.20.4mm之间。在本设计中采用迷宫式非接触密封方式。本机使用工业用标准电机，可提供足够的动力以满足不同的砂削质量及砂削功率的要求。为了使砂带始终保持足够的张紧力，砂带绝大多数采用气缸或气囊张紧，本机采用的是张紧气缸张紧的方式。气压大小通过调压阀调整，由压力表指示。通过压力开关控制，当砂带的张紧力低于调整气压时，设备将发出报警，切驱动电机切断，不能启动。 设备加工时，砂带高速旋转并沿辊筒往复窜动，此时形成振动砂削，磨粒在此压力作用下做切削运动，与工件表面进行相互作用，实现对工件表面的磨削和抛光等。按磨粒与工件表面接触时干涉程度的不同，可以分为三个不同阶段：滑擦：此时磨粒与工件的表面相互接触，干涉较少，在工件的表面发生的变形为弹塑性变形，比较类似于受力变形时的弹性阶段，磨粒只在工件表面进行摩擦，不参与切除材料；耕犁：随着加工的进一步进行，磨削量不断增加，砂带磨粒与工件表面的干涉不断增大，材料产生挤压式运动，被磨粒从其下方和两侧挤出，即工件表面的材料发生了塑性流动，磨粒在工件表面犁出“刻线”，此阶段切除少量材料；切削：在加工的最后阶段，工件在一定的压力作用下，磨粒与工件表面间产生了足够的干涉，被加工材料在磨粒的前方产生了断裂，形成切屑，此时开始真正地对工件进行“切削”，此时有较大的材料去除率。其数学模型如下：砂带上的磨粒在工件表面所划出的正弦曲线形成互相交错的网眼，交错角的大小为正弦曲线对其中轴线的最大倾斜角的二倍。设砂带相对板面运动的速度为V，砂带轴向窜动的最大速度为V,则=arctan(V/V)。由上述公式可知，在一定的范围内，摆幅和频率越大，即越大，单位面积板面上磨粒的划痕大，砂削表面质量越好，成正相关的关系。同时，砂带窜动提高了砂削速度，使砂带磨粒不断受到交变载荷的作用，从而增加了磨粒的自锐性作用，提高了砂削效率。砂带轴向窜动的每一周期内，磨粒间隙的运动使混入的磨屑被加速甩掉，减少了砂带的堵塞，从而提高了砂带的耐用度。除主动力装置外，设备还需考虑工件的支承方式，工件的支承装置包括了工作台、承压辊、承压板和规尺等等。首先考虑对工作台的支承，上砂式砂光机的工作台可以分为固定式和浮动式。本机采用的是浮动式工作台，由气液浮动缸来实现，其升降装置为丝杠螺母机构。为了确保砂光机的砂削质量，要求工作台或机架上升运动时，不同位置的平行度为1000：0.03。为此，丝杠的螺距精度应在8级以上，丝杠进行淬火，并经磨削，装有反向间隙补偿弹簧，以保障调节时的精度精度。承压板布置在接触辊或压磨器的正上方，以承受砂削时的垂直分力。压紧装置布置在砂削机构的前后，砂削时压紧工件，防止工件在加工过程中产生颤动，保证砂削质量。本机为双砂架上砂式砂光机，砂架布置了前、中、后共四个压板，以满足压紧要求。设备工作原理为：待加工的工件从设备的右端进入，由进给辊和和压紧辊筒送入设备中开始加工。首先通过粗砂工序完成工件表面凹凸处的平整，砂削量约占其总量的60-70%。然后进入精砂工序，由精砂砂带完成最终尺寸的磨削和表面粗糙度的加工。在粗砂与精砂时，砂带的旋转方向与工件的进给方向相反，砂下的木粉经各自的吸尘口被强力气流吸出。最后通过出料端的一对刷辊，清除砂削表面残留的粉尘。该设计兼顾了以下几点原则：(1) 粗-精加工考虑到了木材砂削工艺方面的各种因素，可适合于不同工件的加工，确保了工艺的灵活性，以及较高的加工精度和稳定的加工质量。(2) 床身高度尺寸、上料高度尺寸充分考虑了人机工程，操作方便舒适，易于维护、修理和调整。(3) 吸尘和清洁系统最大限度地降低振动、粉尘和噪声，底部的调节螺钉提高机床的整体强度，保证其可靠性和安全性。(4) 尽量使用压缩空气能源，减少污染排放。(5) 结构布局及色调和谐（绿色），保证其外观质量。(6) 安装有安全防护装置，符合国家规定的砂光机标准。2.4 安全要求根据 GB/T6202宽带砂光机通用技术条件，宽带砂光机应实现以下安全保护:1) 气压保护当气压低于正常工作电压时，机床禁止运行。2）电机保护各电机根据各自工作要求设置合理的安全保护，如短路保护、过载保护等。3）紧急制动出现紧急情况时，按下急停按钮，机床立即停止运行，气动制动器立即制动主传动及砂架系统，5秒钟之内停止。4）失电保护砂光机突然停电时，气动制动器立即制动主传动及砂架系统，5秒钟之内停止。5）砂带保护当砂带运行时跑偏、滑脱、爆带（断裂）时，气动制动器立即制动主传动及砂架系统，5秒钟之内停止。6）升降保护砂光机升降系统设置上、下极限位置，上、下行程限位开关将使升降系统停止升降。针对上述要求，本机床的安全防护设计为：在设备正常运行时，如果发生上述状况，设备将紧急停止。尤其是当机床发生严重故障，如拖带或断裂，此时砂带将起作用于安全开关上，切断各个电动机的电源。与此同时，接触辊端部的两个气压制动闸立刻启动，可在23s 内夹紧制动轮，使接触辊停止运动。制动轮安装在皮带轮旁边，在正常时，伸缩气缸不动作，制动轮随皮带一起转动，当发生故障时，气缸轴伸出，张紧虎钳弹簧，使虎钳夹住制动轮，驱动制动轮制动。本机在设计时，充分考虑了安全因素，制动轮上下各一个，其材料是球墨铸铁。同时，除气动元件外，该制动轮也可使用机械方式驱动，避免电磁阀失效时无法制动。2.5 控制要求在机械结构相近的情况下，一台设备的整体性价比往往取决于控制系统的选择。观察国内外砂光机的发展历程，在控制方面经历了手动控制和计算机控制两个阶段。手动控制方式，采用继电器接触器控制，线路非常复杂，采用固定接线的硬件实现控制逻辑，控制系统体积大、耗电多、可靠性差、生产效率低、精度差。而用计算机控制，一方面是可实现砂光机本身各功能及参数的控制，另一方面可以实现对整个与砂光机连接的生产作业线的控制，提高了生产的自动化程度。可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC，是以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和网络通信技术等现代科技而发展起来的一种新型的工业自动控制装置，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。其具有抗千扰能力强、可靠性高、体积小等优点，在现代型的制造企业中被普遍应用，是实现机电一体化的理想控制装置。砂光机除了要实现多台普通电动机的启停控制、紧急故障的制动、砂带的摆动控制、各种安全限位保护的控制、各类运转报警指示等开关量为主的控制外，还要实现对进给系统变频电机调速、升降系统定位的控制。显然使用PLC是较为理想的选择。本设计利用三菱FX2N系列PLC作为核心控制器，其丰富的指令系统及特殊功能模块能够满足宽带砂光机的控制要求。其控制示意图如下图所示：图2.6 砂光机控制系统示意图本章小结本章研究了砂光机的总体设计。通过功率和砂带磨削速度等参数确定了砂光机主技术参数；并详述了砂光机的主要组成部分，包括：砂光系统、升降系统、进给系统、吸尘系统和清洁系统。砂光系统采用了粗-精砂组合的方式；升降系统选用了滚动丝杆副；进给系统选用了输送带输送方式；吸尘系统采用了独立控制；清洁系统兼顾了砂带清洁和车间环境。并就设备的安全系统进行了设计。最后，从砂光机控制功能要求及控制性角度选择了PLC控制模式，明确了控制系统的总体方案。第三章 关键部件设计3.1 砂架及动力传动3.1.1 砂架及传动系统的结构设计如图3.1所示，砂架系统由接触辊、张紧辊、张紧气缸、砂带摆动单元组成。其中，主传动系统由电机、传动皮带轮、传动轴、刹车盘、气动制动器等组成，砂架系统与主传动系统间由联轴器相连。气动刹车装置作用是在砂带出现跑偏或断裂时，在4-6秒内制动整个系统。砂带摆动单元由光电管、气缸及调节机构组成，通过检测以及调节装置防止砂带向一侧跑偏，并起到纵横砂削的效果，减小砂削痕迹，提高砂削质量。1-接触辊 2-接触辊支承 3-半联轴器 4-张紧辊 5-张紧辊支承 6-摆动系统7-橡胶联轴器 8-主传动轴承座 9-传动轴 10-刹车装置 11-皮带轮 12-主电机图3.1 砂架及传动系统结构简图3.1.2砂架的参数设计作为砂光机的核心部件砂架部分的设计是一台砂光机能否顺利制造的关键。其他各部分数据均需由此展开，因此优先对砂架的参数进行设计。1）接触辊的基本参数设计接触辊与工件的相对运动简图如图3.2，它是砂带磨削重要的零部件之一。（1）接触辊直径选择接触辊直径影响着材料的切除率和表面粗糙度，如图3.1 所示。可做相关性表如下：接触辊直径与工件接触面积单位面积压力切削作用切除率粗糙度小小大增强大大大大小减弱小小表3.1 接触辊直径相关性表图3.2 接触辊与工件相对运动简图理论上，应选取小直径接触辊，但是直径过小时，砂带的弯曲应力将急剧加大，同时粘结的磨粒也会由于过度挠曲而易脱落，影响砂带寿命。故接触辊直径D 的减小也受到一定限制。以上是从切削理论的角度来确定接触辊直径。但是实际上，接触辊直径还受到其他一些方面的限制。包括制造工艺等因素，根据上述原则及同类设备选用情况，选取接触辊直径D=330mm.2）张紧辊的基本参数设计张紧辊也是砂架的一个重要组成部分，和接触辊一起组成砂架的主体，其基本参数主要是张紧辊的直径。张紧辊直径的选择主要受下面三种因素影响：（1）砂架空间结构的大小：张紧辊尺寸需要跟随砂架做变化，并与砂架结构相称；（2）张紧力的大小：张紧辊受力与张紧力成正比，同时轴系结构也与其成正比。（3）磨削速度：张紧辊的转速与砂带磨削速度成正比，如果直径过小，当磨削速度上升时，将造成设备抖动。本机根据上述三个因素，选取张紧辊直径D=340mm3.1.3 主切削力的确定如图 3.1所示，砂光机的主传动形式为回转运动，驱动电机的动力经过V带传递给传动轴，传动轴将动力通过联轴器传递至接触辊，接触辊的转动带动砂带及张紧辊运动。传送带的功率传递公式为参考同类型的砂光机电机选择，其电机功率为90Kw。计算功率又由则3.1.4 主传动-V 带传动设计参考同类型砂光机，主电机选用Y280M4电机，传递功率为Pn=90kW，电机转速n1= 1480r/min，根据机器结构，传动中心距800mm左右，除去操作工人吃饭、换班、休息时间，设备每天工作大约22小时。1）设计功率Pd由机械设计带传动相关章节表格，选KA= 1.2Pd=KA P=1.2x90=10