（农业机械化工程专业论文）立式金属带锯床的机械设计与控制系统的研究.pdf

摘要 切割下料是机械制造业中必不可少的工序。金属带锯床主要用于锯切金属型材， 包括圆材、型钢、块料等。金属带锯床具有节能、高效、节材等优点，是大、中、小、 型企业理想的金属材料切断设备。金属带锯床分卧式和立式，立式金属带锯机具有敞 开性好，结构紧凑、操作方便等优点，相同锯轮直径比卧式锯床锯切尺寸大，可方便 锯切块料，非常适合我国现行生产规模和生产条件。该研究旨在设计研究一种立式金 属带锯床，这种带锯床可锯切1 8 0 r a m 以下的各种金属、非金属材料。研究的方法是从 机电一体化系统的角度进行分析研究。机械选型布置与结构设计首先适应控制的要 求，其次是为满足加工而设计的独特结构。基于w i n d o w s 操作系统，利用p c 机及p l c 对金属带锯机进行控制和管理，并采取相应机械结构，即可以实现自动化加工的目的， 又提高了金属带锯机的加工精度，适应现代企业自动化加工的要求。用p c 作为上位 机，p l c 为下位机，采用软控制界面，计算机自动在线监控锯切全过程。锯带速度采 用变频器进行变频调速控制，锯架进给速度通过调节输出电流的大小改变液压比例流 量阀的流量，达到调节速度的目的。锯切的长度精度靠光栅测量反馈比较控制得到。 坯料送料夹紧、锯切的夹紧、锯架进给、坯料送进运动利用液压系统完成。锯架进给 导向为中间导向加下导向，且为滚动导向，保证了运动的平稳性和灵活性。机械动力 学参数主要是锯带速度、锯架进给速度，锯带进给压力，三项力学参数决定着锯切精 度和锯带寿命，在设计过程中分析研究了锯带张紧力。被锯切的材料不同，力学参数 的匹配值也不同。不同材料的力学参数的匹配值，通过历史记录数据，进行优化选择。 控制界面用v b 语言编写，v b 本身提供了串行端口控件m s c o m m 来为应用程序提供串 行通讯。切削数据采用m i c r o s o f ta c c e s s 数据库管理系统进行分析管理。立式金属 带锯床的机械设计和控制系统的研究提高了锯切精度，实现了无人监控操作，降低了 劳动强度，提高了工作效率，适应锯床全数控化、网络化的需要，具有很好推广应用 价值。、 关键词：立式金属带锯床；机械设计；p c 控制；自动加工；参数匹配 t h em e c h a n i c a ld e s i g no f v e r t i c a lm e t a lb a n ds a wm a c h i n e a n dt h es t u d yo ni t sc o n t r o l l i n gs y s t e m a u t h o r ：y a o - y o n gq i a n g m e c h a n i z a t i o no f a g f i c u l t u r e t u t o r ：y i - j i n gg a n g ，s u n - w e il i a n a b s t r a c t n l es a w i n ga n dc u t t i n gi st h ea b s o l u t e l yn e c e s s a r yw o r k i n gp r o c e d u r ei nt h e m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n g t h em e t a lb a n d - s a w i n gm a c h i n ei sm a i n l yu s e dt os a wa n dc u t t h em e t a lm a t e r i a li n c l u d i n 2r o u n dm a t e r i a l 、p r o f i l e db a ra n di u r n pb a re r e n l em e t a l b a n d - s a w i n gm a c h i n eh a v et h ev i r t u eo r s a v i n ge n e r g y 、h i g he f f i c i e n c ya n ds a v i n gm a t e r i a l ， w h i c hi st h ep e r f e c tm e t a lm a t e r i a ls e v e r i n ge q u i p m e n tf o rb i g 、m e d i u ma n ds m a l l e n t e r p r i s e i ti n c l u d e sh o r i z o n t a la n du p r i g h t t h el a t t e rh a v em a n yv i r t u ei n e l u d i n g 也e g o o do p e n i n g ，c o m p a c ts t r u c t u r ea n dc o n v e n i e n to p e r a t i o ne r e 1 1 1 es a m es a w i n gd i a m e t e r s a wc a nc u tm o r eb i gd i m e l t s i o na n dm o r ec o n v e n i e n to p e r a t i o nt h a nt h eh o r i z o n t a l w h i c h a d a p tt oc h i n e s ep r o d u c i n gs c a l ea n dc o n d i t i o n n ep u r p o s eo ft l l er e s e a r c hi st od e s i g na u p t i g h tm e t a lb a n d - s a w i n gm a c h i n e w h i c hc a ns a wa n dc u ca n yk i n do ft h em e t a la n d n o n m e t a lm a t e r i a lb e l o w18 0m i l l i m e t e r t h em e t h o do ft h er e s e a r c hi sb a s e do n 也e m e c h a n i c a l & e l e c t r i c a li n t e g r a t i o n t h ed i s p o s a lo fm a c h i n e r yp a r ta n dt h es t r u c t u r a l d e s i g ns h o u l df i r s t l ya d a p tt ot h er e q u e s to fc e n t r a l ，s e c o n d l yi sd e s i g n e dt h es p e c i a l s t r u c t u r et ob es a t i s f i e dw i t l lt h ep r o c e s s p e o p l eo f t e nb a s eo nt h ew i n d o w so p e r a t i n g s y s t e m ，u t i l i z ep ca n dp l c t o 0 0 n t r o la n dm a n a g et h em e t a lb a n d s a w i n gm a c h i n e ，a n d a d o p tt h er e l e v a n tm e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，w h i c hm a yn o t0 n l yc a r r yo u tt h ep u r p o s eo f a u t o p r o c e s s i n ga n de n h a n c et h ep r o c e s s i n gp r e c i s i o no ft h em e t a lb a n d - s a w i n gm a c h i n e b u ta l s oa d a p tt ot h ec i m ss y s t e mo fe n t e r p r i s ea n dt h ea u t o p r o c e s s i n gr e q u e s to fm o d e m e n t e r p r i s e i fp e o p l eu s ep ca st h ep i g g i n ga n dp l ca st h eh y p o g y n ya n ds o f tc o n t r o l i n t e r f a c e t h ec o m p u t e rm a ya u t o m a t i c a l l yi n s p e c ta n dc o n t r 0 1t h ep r o c e s so fs a w i n ga n d c u t t i n g t h es a w i n gs t r i pa d o p t st h eu n i v e r s et oc o n t r 0 1t h et r a n s d u c e rs p e e d t h es a w i n g f r a m ea c h i e v e st h ea d j u s t i n gs p e e dp u r p o s et h r o u g ht h ee l e c t r o n i cc a r t e n ta d j u s t m e n to f t h eo u t p u t w eo b t a i nt h el e n g t hp r e c i s i o no fs a w i n ga n dc u t t i n gf r o mt h eo p t i c a lg r m i n g m e a s u r e m e n tf e e d b a c k t h ec l a m p i n go ft h ef e e d i n gb l a n ka n dt h es a wc u r t m ga r e c o m p l e t e db yh y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e m ，s oi st h ef e e do fs a w i n gf r a m ea n dt h ef e e d i n g m o v e m e n to ft h eb l a n k 。n i ef e e d i n gg u i d eo ft h es a w i n gf r a n - r ei st h em i d d i eg u i d e 谢也 d o w ng u i d e ，i ti sa l s or o l l i n gg u i d e ，w h i c hp l e d g e dt h ee q u a b i l i t ya n da g i l i t yo ft h e m o v e m e n t t h es p e e do f t h es a w i n gs t r i p 、t h ef e e d i n gs p e e do f t h es a w i n gf r a m ea n d 也e f e e d i n gp r e s s u r eo ft h es a w i n gs t r i pa r et h em a i np a r a m e t e ro ft h em e c h a n i c a ld y n a m i c s ， w h i c hd e c i d et h es a wc u t t i n gp r e c i s i o na n dt h es e r v i c eo ft h es a w i n gs t r i p b e s i d e ，w e a n a l y z ea n ds t u d yt h es i r a i no ft h es a w i n gs t r i p n l em a t e h i n gv a l n eo f 也em e c h a n i c p a r a m e t e rd e p e n d so nt h es a w - c i t e dm a t e d a l t h em a t e h i n gv a l u eo ft 1 1 em e c h a n i d p a r a m e t e ro fd i f i e r e n tm a t e r i a li so p t i m i z e dt h r o u g ht h ed a t aw h i c hi sr e c o r d e da sh i s t o r y ； i t sc o n t r o l l i n gi n t e r f a c ed e s i g n e d b yv b ，w h i c hp r o v i d e dt h es e r i a lp o r tw i d g e t ： m s c o m m 。ni su s e dt op r o v i d es e r i a lp o r tc o i n l n u n i c a t i o nf o ra p p l i c a t i o n t h cc u t t i n gd a t a i sa n a l y z e da n dm a n a g e db ym i c r o s o f ta c c e s sd a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m t h e m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h es t u d yo fc o n t r o l l i n gs y s t e mp a r to ft h eu p r i g h tm e t a l b a n d - s a w i n gm a c h i n ee n h a n c et h es a wc u t t i n gp r e c i s i o n ，i tc a no p e r a t ew i t h o u ts u p e r v i s i o n w h i l er e d u c e dt h e1 a b o ri n t e n s i t ya n dr a i s et h ew o r k i n ge f f i c i e n c y i tm e e tt h en e e d so ft h e t o t a ln u m e r i c a lc o n t r 0 1a n dn e t w o r kt r e n da sw e l la sp o s s e s s e dh i g h l ya p p l i c a t i o na n d d i s s e m i n a t i o nv a l u e k e yw e r d s ：t h ev e r t i c a lm e t a lb a n d s a w i n gm a c h i n e ；m a c h i n e r yd e s i g n ；p cc o n t r o l ； a u t o m a t i cp r o c e s s i n g ；t h em a t c h i n gp a r a m e t e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逦j 壅些太堂或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位敝作者虢么零煞 签字嗍山。叶年f 月 v o1 9 关于论文使用授权的说明 “ 本学位论文作者完全了解扭地盘些太堂有关保留及使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门( 机构) 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查( 借) 阅。本人授权逦j 壅些太堂可以将论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等方法加以保存或编成学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 学位论文作者签名：触 签字日期：a l p 叶年6 月1 口日 导师签名：弋芬问1 签字日期：加4 年6 月日 立式金属带锯床的机械设计与控制系统的研究 1 引言 本课题源于对现有的一种卧式金属带锯床的改造项目。以此为背景研究了金属带锯床控制系 统，在此过程中设计了立式金属带锯床的机械结构，并对锯条张紧力的确定、液压系统控制问题 进行了试验研究，并设计了基于w i n d o w s 操作系统的带锯床控制系统。 金属带锯床是机械加工的备料设备，国内外对卧式带锯床研究较多，由于立式带锯床锯架运 动较难控制，金属锯带需要扭转9 0 度，锯带寿命低，没有找到合理的锯切参数等原因，影响到 立式带锯机的设计及应用。 本课题设计的金属带锯床之所以采用立式结构，是因为同尺寸的锯轮，立式金属带锯床比卧 式所锯切的尺寸大，同时锯床占地面积小，结构紧凑，安全可靠操作灵活，易于观察，调整方 便。金属带锯床作为轴类零件、模具等制造的第一道工序所需设备，其加工精度和自动化程度直 接关系到后续工序的效率和质量，因此，金属带锯床控制系统设计研究也具有现实意义”1 。 随着我国制造自动化水平的提高和生产过程管理自动化的发展，需要加工设备有良好的操作 界面，能够对加工状态进行实时监控，保存、显示和处理加工过程数据、历史数据，并对数据进 行分析与计算。机电一体化技术使电子技术、计算机技术与机械产品有机结合，为机械行业和制 造业注入了新的活力，正在得以广泛的应用。“。 一 本课题的研究工作就是在完成立式金属带锯床的机械结构基础上，将在线监测和自动控制引 入了金属带锯床控制系统，采用w i n d o w s 作为系统操作平台，利用p c 机及p l c 对金属带锅机进 行控制和管理，实现金属带锯床的自动北，网络化。实现一人多机的生产条件，提高劳动生“举， 便于企业实现对各环节的统一管理”。 河北农业大学硕士学位论文 2 绪论 传统意义上的金属锯切常被认为是简单的切断下料： 序。随着现代制造工业朝着高效、高精 度和经济性的方向发展锯切作为金属切削加工的起点，己成为零件) 3 n r 2 过程中重要的组成环节， 是机械制造行业中必不可少的环节”1 。锯切可以节约材料、减少二次加工量和提高生产效率，因 此金属带锯床特别是自动化锯床已广泛应用于钢铁、机械、汽车、造船、石油、矿山和航空航天 等国民经济各个领域，用于锯切多种金属材料，包括许多种型材，圆材等，是大、中、小型企业 理想的金属材料切断设备，且金属带锯机具有节能、高效、节材等优点，早已被国家经委列入4 8 种节材、节能产品之中，属重点推广项目”。 2 1 金属带锯床的国内外研究与应用概况 2 1 il 金属带锯床的发展历史 弓锯床、圆盘锯床及带锯床是三种主要锯床形式，其中带锯床正运步代替传统弓锯床和圆盘 锯床而开始占据主导地位。虽然带锯床开发、普及的历史较短，但技术进步显著。上世纪6 0 年 代切断1 5 0 m m 的4 5 号钢需要1 5 2 0 m i n ，今日仪需1 5 2 m i n ，3 0 多年间效率提高了1 0 倍。在 材料的利用率方面，带锯床也具有明显优势，如切断1 0 0 m m 的4 5 号钢锯口处，带锯床与弓型锯 相比可节约原材料5 6 ，与圆盘锯床相比节约原材料高达8 7 5 。由此可见，带锯床具有切割速 度快、尺寸精度高、材料损失小等特点。除此之外，金属带锯床适应性厂、动力消耗低、操作简 便、易于维护并可进行角度切割，因而获得了麟来越广泛的应用。 在欧美等发达国家，弓锯床已基本被淘汰，而带锯床迅速普及，这一趋势在德国尤为明显。 以世界头号锯床生产厂家德国贝灵格( b e h r i n g e r ) 公司为例，其生产双立柱带锯床的历史已有 2 0 余年，至今己开发近百个型号，达到了很高的技术水平”1 。 2 1 2 我国金属带锯床的发展概况 随着近年来我国国民经济的快速发展，带锯床逐渐开始普及，目前已有生产厂家通过技术创 新，研制开发了数控带锯床。目前我国锯床制造水平有了很大程度的提高，提高的途径主要有： 锯床用户积极和科研院所联合，对已有的普通带锯床进行数控化改造；锯床生产商利用可编程控 制器实现锯床的自动化或采用其它改进措施；科研机构对锯床做一定深度的理论研究，如哈尔滨 理工大学的全自动带锯床的模糊控制系统的研究等”“。 虽然我国制造水平虽有很大程度的提高，但众多的国内锯床生产厂家，总体又以中低档产品 居多，存在设各返修率高和锯1 3 粗糙、加工范围较窄等问题。如包头某一钢铁公司购置的一台大 型锯床，投入使用不久就发生多起故障。由于设备生产商的检修费用较高，用户又缺少必要的技 术手段与资料，导致设备一直不能正常工作。但同样一台先进的德国锯床使用达十几年却很少出 故障，所以锯床返修率高的问题已成为制约许多国内锯床企业发展的个重要因素。另- - $ 1 j 约因 2 立式金属带锯床的机械设计与控制系统的研究 素是对于有色金属及特硬难加工材料的锯切往往依赖于进口国外先进锯床。所以我国锯床产业急 需提高制造档次，向着生产中、高档锯床产品的方向发展。 2 1 3 金属带锯床的发展趋势 金属带锯床作为机械加工制造的第一道工序所需设各，其加工精度和自动化程度直接关系到 后续工序的效率和质量，加工精度需要进一步提高。采用先进的变频电动机驱动、精密的滚珠丝 杠传动和光栅定位方式，配以伺服控制的液压系统，由计算机自动在线监控锯切全过程，锯条速 度、进给速度、卡紧力均可做到任意设置、最优化组合，由此提高锯床的加工精度“。 提高锯切效率，尤其是提高厚材及硬金属锯切效率，避免锯切成为整条生产线的瓶颈，一赢 是锯切及锯床技术领域多年关注的焦点。德国贝灵格锯床锯切不锈钢切削率达4 8 c m ：m i n 。该公 司还设计了安装两个锯切系统的锯床，可同时对工件进行两次锯切，从而大大提高生产效率，改 善了锯切加工的经济性。 锯床全数控化、网络化的发展趋势。大型工件的切割过程往往持续数小时，为保证一人多 机的生产条件，提高锯切加工的精度和效率，锯切过程的全数控化势在必行。 网络化生产、远程诊断及维护是当今数控机床的发展趋势，数控锯床也不例外。网络化生 产可以使锯切过程与其余环节相联系，提高生产率，便于企业对各环节实现高教的统一管理。远 程诊断和维护更是经济全球化的结果，可以提供跨国跨区域极为迅捷的设备维护”。 2 2 本文的研究目标与应用前景 我国机加1 ：工厂目前约有几十万个，每个工厂至少应具备一台金属带锯床，则全国需要几十 万台，所以现今国内锯床市场广阔。国外发展金属带锯床较早，从历届国际机床展览会上看，其 自动化水平和设计水平发展很快。但国内最先进的全自动金属带锯床目前只是采用p l c 控制系统。 国内现有金属带锯床还普遍存在结构复杂，使用过程中带锯条易断裂、掉带，只适用于金属圆钢、 方钢的切割，自动化程度低，精度低，多台协同加工困难等问题。 随着坯料精度要求的提高及生产管理的自动化，尤其是企业c i m s 的实行，对备料设备金属 带锯床的要求越来越高。于是基于w i n d o w s 操作系统，利用p c 机及p l c 对金属带锯机进行控制 和管理，并采取相应机械结构，即可以实现自动化加工的目的，又提高了金属带锯机的加丁精度， 而且使之适合于企业的c i m s 系统，成为现代企业自动化加工的新要求。 针对带锯床出现的这些问题，我们形成了新的设计思路，设计最大切割尺寸为1 8 0 m m 的立式 金属带锯床，并对控制系统做如一f 改进”“”l ： 第一：改进操作方法，以实现全自动加工。可编程控制器( p l c ) 来实现对机床动作的判断 与自动控制，可实现不需人参与的加工。 第二：由个人计算机( p c ) 控制多台金属带锯床同时进行相同或不同的加： 。工人只需根据 机床的不同在p c 上输入各项参数即可完成全部工作，从而人大提高了加工效率和加工精度，降 低了工人的劳动强度。 第三：采用调速电机实现对带锯速度的调节，使该机床可加工材料的范围得到了扩大。： 3 河北农业大学硕士学位论文 第四：由液压系统控制锯架的进给，可自动适应不同材料的女l l _ e 。 第五：应用双夹具，液压夹紧，通过液压装置完成自动送料。 基于w i n d o w s 的金属带锯机控制系统具有良好的人机界面，使用操作十分方便，既可以提高 带锯机的加工精度，又便于企业实现高效的统一管理，使之适于企业的c i m s 系统，符合了当前 的发展趋势，满足现代企业自动化加工的新要求。 4 立式金属带锯床的机械设计与控制系统的研究 3 金属带锯床的机械系统设计 3 1 金属带锯床的组成n ”2 们 ( 1 ) 锯架，锯架上装有主、从动锯轮，带锯条装在主、从动锯轮上，主动锯轮由电动机经一 级变速驱动。张紧装置通过移动从动锯轮，实现带锯条的恒力张紧和松开。( 2 ) 锯架进给装置，( 3 ) 液压系统，液压泵站、液压控制阀、液压油缸组成了液压系统。( 4 ) 坯料夹紧装置，夹紧固定钳 和活动钳、夹紧油缸组成了夹紧装置。( 5 ) 送料装置，送料夹紧钳、送料油缸、导杠组成了送料 装置。( 6 ) 工件。见图l 。 3 2 运动组成 锯带主切削运动由变频调速器控制的交流感应电动机带动，实现无级变速”。锯架的进给运 动用液压系统，利用比例控制阀调节锯架的进给控制，实现工进的位置控制。坯料夹紧用电磁阀 1 卜 ：， 1 光栅尺2 夹紧油缸3 送料油缸 4 交流电机5 锯架进给装置 图1 锯床机城总布置 控制的液压油缸实现锯切夹紧和送料夹紧“。坯料送进用光栅测距，油缸推动。限于结构尺寸，光 栅尺选用测量长度为1 7 0 m m 、j 1i i 型，分辨率为0 0 0 5 m m ，零位标志ri 。 3 3 金属带锯床的几何参数 锯架采用矩形封闭断面，具有足够的刚度，两锯带导向器之距大于工件尺寸5 m m ，两导| 韧槽 平行度为0 ，0 1 r a m ，锯带运动的赢线轨迹与两固定钳连线的垂直度为00 0 5 。工作台平面与错带 一一 1 二r一一 。一 。 一 一 十t 一 t _ 二 点。，一 ： 畛 一 河北农业大学硕士学位论文 垂直度为0 0 0 5 ，两锯轮锯带背定位面在垂直工作台平面内的平行度为0 0 2 ，两轮轴线平行度为 0 0 1 。送料导轨与夹紧固定钳面平行度为0 。0 0 5 ”“1 。 3 4 机床夹紧装置设计降3 3 4 1 机床夹具概念 机床夹具是一种能保证加工质量和加速生产过程的一种： ：艺装备。机床夹具就是在机床上 加工使用的一种工艺装备，用来确定：r ：件与刀具的相对位置，将工件定位并夹紧。因此机床夹 具可以说是使工件定位和加紧的工艺装备。 夹紧机构用于保证机床部件，工件或刀具在整个加工过程中不应由于切削力或自重的作用 而产生位移或振动。夹紧机构通常由三部分组成：动力源、增力机构和夹紧元件。动力源用于 产生夹紧力，可根据所需夹紧力的大小操作的方便性，快速性和自动化程度选择。增力机构 用于改变夹紧力的大小和方向，有的还能产生自锁作用，以保证在加工过程中动力源消失时仍 能可靠的加紧。夹紧元件用于承受及传递夹紧力至被夹紧部位，有压板、压块、抱环、钢带等。 但是，并非所有的夹紧机构都具备上述三个部分。例如有的夹紧机构只有动力源和夹紧元 件而没有增力机构；有的则只有动力源和增力机构，有螺旋，偏心，斜楔等元件直接与被夹紧 部位接触。 3 4 2 设计夹紧机构时应满足的基本要求 1 、应具有足够夹紧力，并有较高的加紧刚度，以保证整个加 一过程中不应由于切削力和白 重的作用而产位移，从而保证加工精度。夹紧力的大小应能调节。 2 、应具有自锁性能，在动力源切断后，还能可靠的加紧，以保证安全。 3 、夹紧时不应使被夹紧部件产生过大的变形，为此应正确选择夹紧力的作用点。 4 、夹紧时，被夹紧部件不应产生额外的移动，以保证定位精确。 5 、夹紧机构松开时，被夹紧部件移动时的阻力应 f i t s 。操纵方便，易于实现集中或远距离 操纵。夹紧动作应力求迅速，以缩短辅助时间，有时要求在夹紧或松开时能发出信号 3 4 3 金属带锯床夹具的设计 本机床采用自动夹紧装置，为满足设计要求，同时为了保证s l q - 精度。我们设计了液动夹具。 此夹具易控制，可按照具体情况控制加紧力大小且加紧力均匀，满足设计要求。 1 、液压夹具的组成 ( 1 ) 定位部分：夹具固定部分，作用使工件在夹具中处于正确位置。 ( 2 ) 夹紧部分：液压缸，作用是保证加工过程中工件定位的稳定性和可靠性。 ( 3 ) 辅助部分：工作台的矩形槽使活动夹具在液压缸驱动下沿工作台矩形槽移 动实现工件的夹紧。 6 立式金属带锯床的机械设计与控制系统的研究 动。 2 、定位部分的设计 定位部分直接由螺钉固定在工作台上，它的位置不动，起定位作用。 3 、夹紧部分 夹紧部分是在液压缸的驱动下实现夹紧，夹紧部分应满足下列基本要求： ( 1 ) 有足够的夹紧力，较多的夹紧刚度，保证整个加工过程中不应由于切削力而产生移 ( 2 ) 夹紧工件时，不应使工件受力产生过大变形。 ( 3 ) 夹紧动作应迅速。 3 5 工作台的设计n 们 小型立式金属带锯床工作台分为不参与切削运动的和参与送料的工作台。这次设计的不参与 切削运动的工作台，将其通过6 个沉头螺丝钉同定在锯床支架上。参与送料的工作台，通过4 个 沉头螺丝钉固定在锯床支架上。 图2 所示的工作台为参与送料的丁作台( 单位m m ) ，j ：作台的材料采用h t l 5 0 。 圈2 金属带锯床工作台 3 6 机床导轨的设计口朝 导轨的作用是使运动部件能沿一定轨迹运动( 导向) ，并承受运动部件及工件的重量和切削力 ( 承载) 。导轨应满足下列要求：精度高：寿命长；刚度及承载能力大；摩擦阻力小；运动平稳：结 构简单；便于加工、装配、调整、维修：成本低。 导轨的种类分为：滑动导轨、静压导轨、滚动导轨。 本设计采用滑动导轨，滑动导轨面接触，刚度高：导轨磨削或刮研，可达到高精度；减震性 好：结构简单，制造容易，维护简便，成本低。由于刮研导轨的劳动强度大，生产效率低所以本 设计不采用刮研导轨而采用磨削导轨，磨削导轨可以达到较高的精度和表面光洁度生产效攀高 7 河北农业大学硕士学位论文 而且是加工淬硬导轨的唯一方法 机床移动部件尺寸较大，作用力或重心不一定正好通过导轨面时，大都采用两条导轨。本设 计中材料进给和锯架进给都采用采用两条导轨。 1 、进料机构采用窄式组合矩形导轨： 窄式组合矩形导轨结构特点： ( 1 ) 承载能力大，制造简单。 ( 2 ) 侧导向面用镶条来调整间隙，接触强度低，而且必须留有间隙，降低了导向精度。 ( 3 ) 宽式组合导向面之间距离大热膨胀时变形量大，要求间隙大，导向精度和导向性 能不如窄式组合。 ( 4 ) 两条导轨内侧面导向，当传动件位于中心线上时，可减小牵引力引起的运动部件的 偏转，提高导向精度。 2 、锯架进给采用燕尾导轨： 燕尾导轨的结构特点： ( 1 ) 固定部件( 下) 导轨为凸形( 外燕尾) ( 2 ) 凸导轨顶面( 燕尾宽端) 接触 ( 3 ) 上下导轨加工方便 ( 4 ) 有利于增加同定部件刚度 ( 5 ) 移动部件装配方便( 可采用扣装) 3 7 锯带张紧装置的设计 3 7 1 设计目的 由于锯切不同材料利锯带的张紧程度不同及锯带更换方便，我们设计了液压张紧装置。 为了方便拆装，把张紧装置固定在上导带轮上，用它调节上导带轮的位置来改变中心距。预定调 节压力值由计算机从数据库中选取，调节时通过压力传感器监测。当压力值达到预定值时换向阀 置中位停止进油，调节结束。 3 7 2 张紧装置的结构形式 结构形式大致有机械式、手动式、液动式、电动式等。为便于实现自动化，我们设计采用液 动式张紧装置其结构简图如一f ，见图3 。 8 立式金属带锯床的机械设计与控制系统的研究 卜导轨 ，。 一 s - - 围3 张紧装置结构简图 3 8 金属锯带导向机构 金属锯带导向机构的作用主要是导向，同时有支撑锯条，增强锯条刚度，协助锯条顺利锯切 的作用。 锯带导向机构由机构架、导向轮、支撑轮、摩擦块组成4 。 l 、机构架是用来支撑所有附件的结构，其材料为热轧钢板g b t 9 8 8 。上导向机构架分为两部 分一部分为围定套管，截面形状为正方形；另一部分为活塞管，截面形边为正方形。固定管套直 接焊接在基架上，活动套管套在固定套管里，通过拉动活动套管来改变锯带导向轮距离。下导向 轮机构只有一固定套管，其上有直接安装其它副件。 2 、导向轮是两个轴承，用螺栓同定在机构架上，锯条经过时使锯条扭转9 0 。，这才能进行锯 切。 3 、支撑轮也是一个轴承，用同样的连接方式固定在机构架上。它的作用是当锯条工作过程 中遇到较大的抗力而发生变形时，起到缓解这种变形，以及提高锯条的刚度，保证锯条的顺利锯 切。 4 、摩擦块：具有保证锯条与工作台面的垂直度，因其长期磨损故选用耐磨的硬质合金，并 且为了减小摩擦，尽量减小接触面积。 当导向距离需要调节时，只需松开锁紧螺钉，拉出或推进活动套管，达到所需距离后，重新 锁紧螺钉即可该结构操作方便，制造简单，动作快捷。 河北农业火学硕士学位论文 4 金属带锯床锯条张紧力的研究 立式轻型金属带锯床的锯弓是竖直放置的其主要优点是：敞开性好，操作方便，易于观察； 同尺寸的锯轮比卧式金属带锯床所锯切的尺寸大。但锯条需扭转9 0 。( 卧式扭转4 5 。) ，见图4 。因 此，锯条的疲劳寿命易于降低。这就要找到最佳的张紧力，既满足切削力的要求，又要满足切断 质量和锯条寿命的要求。锯条为不均匀光滑条带，有齿及齿槽。锯条的类型“”1 有碳素钢带锯条， 中合金钢带锯条，高速钢带锯条，摩擦带锯条。不同的工件断面形状不同，应选择相应的类型的 齿型。 本研究所用锯条规格”为2 5 m m 12 m m ，中合金钢带锯条材料5 0 c r v a ，抗拉强度为9 5 0 n m m 3 ， 刀尖材料为高速钢( m 2 ) ，齿型为3 t , p ，斜向分齿齿距2 5 m m ， 齿数l o 2 5 m m 。工件为实心棒料4 5 号钢，硬度h b 2 2 9 ，抗拉强 度6 0 0 n m m 2 。 4 1 切削力确定的张紧力 金属带锯床锯条的张紧力必须首先满足切削力的要求，锯 条张紧后，锯轮与锯条之间的摩擦力须大于锯条切入最大断面 时同时参与锯削的当量锯齿数的合力。锯切最大尺寸直径为 1 8 0 m m 圆截面，锯切时锯条受力见图4 1 “。 4 1 1 当量齿切削抗力“4 ” ：j 1 ， 图4 锯带受力简图 当量齿切削抗力为： f = ：k 。k ，k v k m m ? 式中仔一工件材质对当量齿切削抗力的影响系数 c t = 2 8 x 蹶 。2 c h = 2 8 x ( 篙 。2 枷，。们 式中d 一工件材料的延伸率 5 = 1 7 d r 一工件材料的抗拉强度 口庐6 0 0 m p 。 k ，锯齿锋利程度对锯削抗力的影响系数k ，：1 2 k ，锯齿前角对锯削抗力的影响系数膏r = 0 9 5 r 一锯削速度对锯削抗力的影响系数，( 锯削速度8 0 m m i n ) 膏产o ，9 5 如一冷却润滑条件对锯削抗力的影响系数f l a-_锯齿刃宽度afl3 a ，一当量齿进给量 1 0 立式金属带锯床的机械设计与控制系统的研究 。：旦：! 塑：i ：0 0 2 a产1000vt1000 xs 0 x0 5 6 式中卜锯切工件直径，d = 1 8 0 m m 7 一相邻两当量齿间的距离，t7 = s m m f 一锯切速度，昨8 0 m m i n t - - 锯切时间m i n ，t = 0 5 6 m i n r 指数， 则f f l t 0 0 1 2 x 0 9 5 x 0 9 5 1 1 3 x 0 0 2 0 ”5 6 3 ( n ) 4 1 2 总切削抗力确定的张紧力 锯削时为形成切削间隙不夹锯，减少锯带与工件断面的磨擦，用分齿型式使锯齿向侧面凸出， 但这样切削时就会产生切削力的波动，且同时参与切削的齿数也产生变化，用当量齿数来表示参 加切削的锯齿，锯带是标准齿节，因此当锯切最大尺寸为1 8 0 m m 时，同时参与锯削的当量齿数是： 二嚣= 等圳 总切削抗力：正= z k a 式中肛1 + 型：1 1 7 1 0 0 2 r _ 同时参加锯削的当量齿数 卜多齿锯削时的不平衡系数 则z f ，= 1 8 x 1 ：1 7 x5 6 3 = 1 1 8 5 6 1 0 1 ( n ) 锯带紧边拉力： f f f 寸f 2 松边拉力：尼 因争。，洋= 些竽瑚：s 锯带张紧力f = - 2 f f l l 8 5 6 1 0 ( n ) 所以，依切削力确定的张紧力为1 1 8 5 6 x1 0 3 n 4 2 疲劳强度确定的张紧力 4 2 1 锯带的应力分析 圈5 锯带简化应力模型 锯带简化应力模型见图5 ，a 盯段为锯带的紧边，在f 点将锯带扭转9 0 。，使占f 段形成了复 】1 河北农业大学硕士学位论文 杂的受力状态，从a 到f 是由小到大渐变的拉应力状态，f 处所受拉应力最大，由紧边拉力产生 占段又受弯曲作用，外侧为拉应力内侧为压应力占f 段又受到扭转所产生的剪应力，其扭矩随 张紧力增大而增加。通过以上分析可以判断锯带动点的薄弱断匿，如焊接口、应力集中处。在承 受弯、拉、扭复合应力的口点，锯带动点断裂的可能性最大。 在口点位置，锯带交替受到拉应力，扭转产生的剪应力弯曲作用外侧拉应力，内侧压应力作 用。 4 2 2 锯带疲劳强度的确定 上述分析受力晟大的紧边为复杂应力状态，可简化成弯扭组合，当锯带张紧力增大时，拉应 力与剪应力增加，锯带疲劳断裂的可能性就大。 用疲劳强度理论“”来确定张紧力。 ” 0 6 c + 0 3 c r 。l - 1 一1 2 f “面赢刭8 。6 月。，：丝竺10 5 1 2 h ：+ ”； 式中口一r 一疲劳极限口一- o 4 口。 r 厂_ 剪切疲劳极限r ，o 2 2 口n 一，一应力幅度 4 ，一平均应力 r ，一剪应力幅度 r ，一平均剪应力 7 。一弯曲作用f 安全系数 1 7 ，一剪应力作用下安全系数 1 7 。，一组合安全系数 d ，一工件抗拉强度，口，, = 9 5 0 m p a 把弯曲正就应力和扭转剪应力看成对称循环，则 口产o f , - - 0 由于锯带存在的锯齿缺口，因此容易产生应力集中。 取1 7 = 4 8 令月。= ! = = l 一：1 2 o 6 0 a4 - o 3 口。 7 ，= j 二l 一= 4 8 o 6 r 。+ o 2 5 r 。 肌一薏2 者等吐儿。s 立式金属带锯床的机械设计与控制系统的研究 由此可得a , = 5 9 4 1 m p ar = 3 3 1 m p a 、锯带在扭转处，同时受到拉应力，因此把o 。看作是拉应力，可得紧边锯带拉力 f r = o2 2 5 1 2 = 5 9 4 1 2 5 1 2 = 1 7 8 2 3 1 0 3 ( n ) 又目暑“3 松边拉力序争旦墼竽_ 5 9 。1 ( n ) 锯带张紧力f = 2 f ，= t1 8 8 2 1 0 3 ( n ) 4 3 张紧力与压力匹配 在一定的张紧力的情况下，进给速度如不能和锯带速度匹配， 当进给速度较大时。进给压力p 也大，见图4 ，当锯带超过张紧力 型构刚度，又由于工件材料不均，切削力不对称等原因，锯切断面 与工件轴线或底面( 块料) 不垂直，既俗称为马蹄状，或形成波度 见图6 。另外还与刃口的锋利程度、工件材料有关，下面是锯切4 5 号钢时张紧力与压力不同匹配值时的断面特性，见表1 。从表中可 看出压力对生产率影响较大，当压力较小时，当量齿锯切金属量明 显下降，造成生产率的降低。 表1 一曼塑塑兰塑墅变量堡 图6 锯切断面波纹 压力m p 。 张紧力k np r e s s u r e t i g h t e n i n gf o r c e1 2 1 5l 4 4 结论 以上以4 5 号钢为例从切削力、疲劳强度、锯切质量三方面分析了锯带的张紧力，其中应力 简化模型通过应力假设，按疲劳强度理论计算的张紧力与大量试验相符合，说明相关假设是正确 的。可以确定采用1 l 1 0 3 n 的张紧力既能满足切削力的要求，又能满足工件质量的要求，锯带的 寿命又较大，在5 0 0 0 0 c m 根左右。此结论为锯床设计提供了可靠的数据，避免了结构设计的盲目 性。 1 3 河北农业大学硕士学位论文 5 1 系统的组成m 1 5 液压系统的设计 是 巨j t i 5 2 控制系统原理4 5 删 液压系统原理图见图8 ，其工作原理是 立式金属带锯床的机械设计与控制系统的研究 l 、准备阶段 根据给定材料设定调速阀流量。 前夹具夹紧后夹具松开状态，棒料放于后夹具，探出距离夹具宽度给定断料长度除光栅 长度，计算结果中整数付值给a x ，余付值给b x ( 此计算结果由计算机完成并将结果传递给p l c ) 2 、启动 ( 1 )电磁阀1 置左位：电磁阀2 置左位，电磁阀3 置右位，后夹具夹紧：油路传感器 压力值达到预定值时，电磁阀2 置右位，电磁阀3 置左位前夹具松开，当油路压力骤减以后延迟 1 秒停止工作。 ( 2