（农业机械化工程专业论文）新型无卡轴木材旋切机的研制.pdf

河南农业大学学位论文独创性声明、使用授权及知识产权归属承诺书 学位论 新型无卡轴木材旋切机的研制 学位 硕士学位 文题目级别 学生学科 导师 姓名 赵大旭农业机械化工程刘存祥 专业 姓名 学位论文 如需保密，解密时间年月日 是否保密 独创性声明 本人呈交论文是在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果，除了文中特别 加以标注和致谢的地方外，文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不 包括为获得河南农业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料，指导教师 对此进行了审定。与我- - i 司- r 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了 明确的说明，并表示了谢意。 研究生签名：走7 弋血邑 ) 导师签名：& ) 彳列、。尹 日期：上0 0 6 年f 月 日日期：年6 月i 阳 学位论文使用授权及知识产权归属承诺 本人完全了解河南农业大学关于保存、使用学位论文的规定，即学生必须按照 学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存提交论文的印刷本和电 子版本，并提供目录检索和阅览服务，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。本人同意河南农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表，传播学 位论文的全部或部分内容。 本人完全了解河南农业大学知识产权保护办法的有关规定，在毕业离开河 南农业大学后，就在校期间从事的科研工作发表的所有论文，第一署名单位为河南 农业大学，试验材料、原始数据、申报的专利等知识产权均归河南农业大学所有， 否则，承担相应的法律责任。 研究生签名：越大血毛导师签名：j 、讶薪；学院领导签名；l ：! 。：，i 5 弱 日期：2 0 0 6 年月日日期：2 0 0 6 年，月明日期：2 0 0 6 年月日 致谢 本论文的撰写、试验和改进设计工作是在导师刘存祥副教授的悉心指导下完 成静。求学潮闻，裁澎筛在警荡帮垒浠上都绘7 我秃微不至静关怀，为我截遗了 良好的学习磷究条件，并多次安排我进行社会实践。愿师那渊博的学识、丰富的 科研经验、严谨求实的治学态度、孜孜以求的敬业精神、正赢而富有感染力的人 格、宽浮待入兹长者菇范深深邃整在我的记配孛，将使我终黧受益。在藏，落自 恩师散以最崇高的敬懑和衷心鲍感谢。 感谢导师组的余泳昌教授、李照荚教授、徐国强教授、零保谦教授、刘翠副 教授、史景锊繇教授秽李云东戮教授等老筛辩我论文工作酶悉心指导戳及对我学 习过毽中的严格要求秘无私帮助，我熬每一步戒长都禽不嚣饿们辛勤靛汗水。 感谢研究生处和机电学院的所肖领导与老师，感谢他们给予我的帮助和支 持。师弟丁攀、张强、王文爨、刘杰和同窗好友范剩红，王书产、侯瑞娟，狄恳 佥、王五全、雾撵潢、侯军必、赵袭辉、周纛乾、李器杰，感澎毽织绘予我一个 团结融洽的学习环境。与各位老师、同学、朋友共同度过的三年时光是令人难以 忘怀的，这题一个值得留恋的集体。 离家求学绘家蹇带来豹瓣耀是苓害嚣喻耱，对家入簿攘疚之倍是罐戳露添言 表达的，感谢我的家人，是他们给我了无穷的力量和酉倍的信心，在此我要向我 的家人致以墩崇高的敬意。褥次向所有关心，支持和帮助我的家人、朋友、老师 零露学表示深深赘澎爨。 赵大旭 7 2 0 0 6 年6 月于河南农业大学 摘要 中国是森林赘源贫乏的国家，但是术材需求量却非常大，始肖关瓷料统计，全国森林资源年 耗量毫这4 亿矗资潦赤字魏l 仨f 。避中年来，蓄积量减少了2 8 0 0 万0 ，成熬、遗袋熟抟垂 积减少了近5 0 蠢驴。本世纪裙，本嚣簸妖璧已经达多| 迓5 0 0 0 嚣岔。与瑟两露，串瓣义秘有丰 富的人工林、速擞林资源，天然林资源的严重萎缩和供需矛盾的加剧，为开发利用小径术、速生 林木材技术造成了客观上的前提。 本文对木材单板生产设备一木材旋切机的现状及其发展前景徽了简要概述，分析丁在人工 拣、速生捧资源撵为本糖船工豹主要原耪辩褥孺下，怎群发震本材擞王业。根摇国内枣场发震的 簧求谎赘瞬究凝麓凳专辘本糖蕤凌辊静努饕瞧。薪鳌无卡辘本枣孝旋锈援是蕨晦 豪戎零，掩嵩垂羲 亿水平和拓宽加工范围的角度出发，以p l c 作为旋切机控制核心，遴过变频调速控制单板的旋切。 由于采用新型结构和机电一体化系统的设计思想，新型无卡轴术材旋切机具有较高自动化程度， 可以提高木材利用帛，而且整体结构简浩新颖，具有良好的推广成用的价值 一 本文主要通过分糖计算单扳旋切建鬏鹩各项因素，对新型凳卡辙本材旋留机进行了逡型、设 谤与袭遴。 ( 1 ) 针对辩箭豳内市场木材旋切机存在的问题，对新型无卡轴术材旋切机木料邀避形式、 机床整体结构进杼丁选型； ( 2 ) 分析了冤卡轴旋切机连续旋切的条件，推导出了新的。遘合新型无卡轴术材旋切机的 旋切公式，为详缨设计提供了依据； ( 3 ) 壤撂谤骞努耪，完成了耨型焉带辘本誊| 囊援撬设谤、裁逢瓣全套技寒囊辩，绘弱7 氨 械零部件圈和电气设备布线圈； ( 4 ) 设计了新型无卡轴木材旋切机的控制系统，该系统以可编程逻辑控制器( p l c ) 为核心， 由旋转编码器检测熊杠进给，通过变频器对进给电动机进行调逋。提高了自动化程度，保证了较 高的旋切质量和术辑利用辜。 关键诱；本耱热羔攀扳无专辘蕤穗撬瓤逄一体证 河南农业大学硕士学位论文 1 文献综述 1 1 课题研究的背景 2 1 世纪初，木材工业的进一步发展正面临着森林资源的锐减，环境保护压力增加，社会需 求持续增长等重大问题的严重挑战。据国际林联会议资料报导，8 6 年世界木材总伐量为3 2 亿 一，到上世纪末。世界工业用材的需求量增加了一倍。然而世界森林资源，特别是非洲、亚洲和 中南美洲的热带森林。破坏严重。过去大量出口木材的一些非洲国家已逐渐变成了进口国。2 0 0 0 年以后，东南亚热带地区木材出口能力也将下降。北美和原苏联作为世界最重要的针叶树材供 应地。有2 3 的森林资源也面临数量和质量的逐步下降。 。 中国本来就是森林资源贫乏的国家，而且人口众多。技术水平落后，长期处于简单利用木 材资源的租伐状况之下，以致大径级天然林资源已近枯竭，供需矛盾日趋扩大，据有关资料统 计，全国森林资源年耗量高达4 亿一，资源赤字约1 亿m ，近十年来，蓄积量减少2 8 0 0 万3 ， 成熟、过成熟林面积减少了近5 0 0 0 万3 。本世纪初，木材短缺量已经达到近5 0 0 0 万m “”。 正是由于天然林赘源的如此严重萎缩和供需矛盾的加剧，为中国开发利用小径木、速生林 木材技术造成了客观上的前提。因为天然林的锐减也就意味着天然林木材资源的枯竭，实际上， 这已直接导致了木材材质的普遍下降，尤其是原木径级的大幅度减小，黑龙江森工部门所作的 资源调查表明，在国有林区，所产商品材的直径多在1 4 0 2 8 0 m m 之间。需求的增长迫使人们不 得不在无大径材可采的情况下去大量砍伐小径木，这样便顺理成章的使小径木成了木材加工的 主要原材料“1 据联合国统计，目前全世界仅杨树人工林面积就己达到4 0 0 0 多万亩。这类速生材的轮伐期 通常仅需1 0 1 5 年左右，发展营造这类速生材已成为世界各国缩小日益加剧的术材供需矛盾行 之有效的重要途径。同时，这类速生材也已经成为了木材加工的重要资源之一例如，意大利 早在4 0 多年前就开始发展营造杨树速生丰产林。现全国已达到2 0 0 多万亩，年产术材达3 0 0 万 一，占其木材总供应量的一半以上中国7 0 年代就已营造杨树人工林，总面积达2 0 0 0 多万亩， 面积位居世界之首，但培育效果较好的仅有4 0 0 多万亩，平均胸径达到2 0 0 m , 以上部分已进 入采伐利用期。近些年来，我国进一步加强了对速生丰产林的栽培和管理，林业部已作出总体 发展设想，计划用3 0 年时间，建设杨树速生丰产林基地3 亿亩，上世纪束，已经先营造了1 亿 亩，到2 0 0 0 年达到年产木材以达2 5 0 0 万一目前，除了湖北、湖南等省份之外我国华北，中 原一些省区营造的杨树、泡桐树等也相继成材。情况表明，人工速生材将可能成为木材加工业 今后相当长时间内的主要加工对象”3 1 2 市场需求变化对木材旋切机发展的影响 原料是影响胶合板工业发展的最主要素之一，随着术材资源的萎缩和人工速生林的发展， 胶合板生产用原材料也出现了明显的变化。突出的变化就是原木径级普遍减小和材质下降。北 京，东北等地近1 0 家大型胶产板厂所用木材的径级在4 0 0 r a m 以上的仅占1 0 6 7 ，3 0 0 衄左右的 占4 5 9 ，在2 8 0 r a m 以下的占4 3 4 3 。据估计，部分南方地区的胶合板厂及一些规模较小的厂 家所用木材的平均径级可能还要小到2 8 0 r a m 左右。和几年前才比，术材径级几乎平均下降了6 0 r a m 左右，例如，黑龙江松江胶合板厂在8 3 年主要用材的平均径级分别为锻术3 3 2 m ，水曲柳3 6 6 m m ， 丽现在却分别降到了椴木2 8 5 m m ，水曲柳2 9 8 m m 。国外的情况也是如此，由于森林更新跟不上术 材需求量的增长，胶合板用材可供选择的余地越来越小原木径级一直在不断下降，甚至资源 丰富的印尼和马来西亚等国家也已明显的感觉到了来自这方面的压力。如马来西亚，在过去十 年中，胶合板用原木已由平均径级6 0 0 m 降到了3 0 0 r a m 左右。据估计，今后大部分胶合板用材 可能是1 3 0 2 3 0 m m 的原木，小径木、速生木成为胶合板材的主要来源已成必然趋势。我国木 材资源十分紧缺，目前木材价格日益昂贵，更应当提倡利用人工林速生材 原材料的变化对加工企业的影响首先反映在木工机械上，木材旋切机是生产胶合板的主机， 随着胶合板用材径级的变化，以及术材材质的下降，适合于加工这些木材的旋切机却不多见， 在大多数胶合板生生产企业中，几乎都存在着旋切机规格参数不合理现象。现有有卡轴旋切机 的剩余木芯直径大，如板率低，而且能源浪费严重，所以必须迅速改变现有旋切机的性能，使 其最大限度提高术材利用率，以适应我国森林资源匮乏的现状。因此，市场需要适合于加工速 生木材的高效旋切机。除了胶合板工业之外，还有火柴、卫生筷及新兴的复合地板等建筑装修 加工行业也都迫切需要这样的旋切机。 木材旋切机是人造板、胶合板生产过程中的关键设备，旋切的一般方法如图1 1 所示：原 木被带动旋转，安装在刀床上的旋切刀刀刃平行于卡轴轴线，旋切时旋刀刀刃与圆术沿其垂直方 作相对直线进给运动，沿原木年轮方向旋切出等厚的单板。无论是恒转速旋切，还是恒线速旋 切，为了获得一定厚度的单板，都应使原木每转一转，刀床的进给量保持不变，其进给量大小 等于单板的名义厚度。改变这个进给量，就可获得不同厚度的单板。1 。为了提高出板率，防止在 旋切机切出的单板送到卷扳机卷板过程中出现拉断和堆积的现象一般需要保证旋切机和卷扳 机等配套设备在同一线速度下同步运行，所以现在的旋切机大都采用恒线速度旋切。 2 r 傣 念 受念l 一 巡岁心 圈1 ，1 旋切示意图 按照圆术被带动旋转的方式，旋切机可以分为有卡轴式和无卡式轴式两种。传统的木材旋 切加工，通常采用有卡旋切机进行旋切，有卡旋切机主要由驱动电机、左右卡轴箱、刀架( 刀床) 、 压尺架、进给传动机构、进给滑座，刀架和压尺架快速进退机构、机座、防弯装置、中心支架， 液压系统，气动系统、电控装置等组成。旋切时，依靠左右卡轴夹紧木段两端并带动其旋转。 由于卡轴存在卡心，当木材小于一定直径时，木材就无法旋切。另外，当圆木直径较小时，由 于圆木只有两边卡爪支撑。圆木较长中间刚性较弱，常发生让刀和跳刀现象，使旋出单板厚度 误差很大，致使圆木直径较小时无法旋切，只好把木心制成木工心板，价值很低，造成圆木的 大量浪费，利用率低。 为提高木材的利用率，自8 0 年代无卡轴旋切机在中国开始应用以来，很多厂家研制了无卡 轴旋切机。由于取消了卡轴，这种旋切机可以旋切内部存在缺陷的木段，旋切时原木无须进行 定心，旋切后的剩余直径可以由有卡式的1 1 0 1 2 0 m m ，减小至4 0 5 0r m ，其工作原理如图1 2 所示“1 ：旋切时，蒸煮过的木段经进料器卡在两个进料辊筒和压头( 压尺辊) 之间。支承在三根 长度相当于被加工木段尺寸的驱动辊轴上，木段由转动的辊筒带动做旋转主运动，同时辊筒或 者刀床的直线运动推动木段相对刀具做进给运动。无卡轴旋切的特点是木段无需卡轴卡紧，装 夹原料不受木段心材质量的影响，可降低木段剩余直径，提高木材利用率，可旋切小径木材。 3 河肃丧监走学馥士学位论空 ， 2 l ，压厦( 辊) l2 单板；氧辩箍j 籼靼韵辊；乳圈术 嘲 2 元卡轴埔证杭幂麓砸 1 3 冒惠矫寅动他水工裉禚的发展 年挖束船，日本、德国、震犬利等国家的一些糸工机械制遗厂纛疵用机龟体化技术， 辊继推出了静凳繁多、技术先避的数控本工机床，由干这些产品集舞动控制，计算机技术，糟 密铡爨魇机床制造等技术予体，健其具有避应多矗种、夺辩量、高效率、产鼎蔓薪抉捉罔期 短、劳动生产率商和产品质繁高且稳定等许雾优点。园藤，它的罐现迅速地推动了本材期王的 现代化，使褥国搿土木材加工机撼雏艘屉丽步于机械行韭。进 8 0 年代，数控技术在术材赫z 机壤土的应用更为普及，为本材工娅提供了瓤的如王_ 葶段，有效地带动了家具、建材、室冉装 饰等额域的快速发展。 建渴驮来中蓐本王概嫒有了校囊鹤笈袋，据统计，1 9 9 t 年中犀生产备粪本王枫拣选l l 多种，早在1 9 9 2 年，就出口奉王帆擞m 争万古。镑往馈，荑、采南耍和嚣欧等地瓣但是，申 萄霉前在术工萝k 械书斑麓数控技术鹩研究聂黼逢土每先进靖象鞋距较大。目前值莪够璧产步壤 较高水平的鸯动化本芏规褴。 豫内髓木王京戡、象其制造业及驻毕瓣辨萄企监所成用的数控本置机床基本都妊承井昂 贵舶设吾。在技术改造上，现在许多盎业一瞍班挂传统鹊强调盎原来瓤寐上进杼改造豹做溘， 而是赌置太量新的、功能更垒、精度要离辩数控 蹙各，甚蔓坯考虑8 艚研默摁王趸为复杂赞勰 王。这种超前辨散法，其结果不仅期丈7 投蛰雅面且遥导致许亭劢艇长嘏丽置髂演赞。可见 在数控极床曲管瑷和使屠方面惩存在许多问题渊出于中膳林联、城矮盼中小型盎韭及私 盘监 l 河南农业大学硕士学位论文 较多，受加工环境及经济条件的制约，仅有很少的企业能支付得起进口数控木工机床的昂贵费 用。因此。科技人员应该加快研制开发适合中国国情的自动化木工机械。 国外目前广泛应用用电子计算机或专用电子计算机控制的高效自动化木工机床，综合了自 动控制，计算机技术、精密机床和机床结构等工业技术方面的成果，在制材生产线、细木工机 床和家具生产设备等机械上大量应用。如计算机控制的c n c 机床，一般利用c a d c a m 系统编制 n c 模块程序，来控制机床的加工过程。数控机床的生产效率比一般木工机床高3 4 倍，且加工 精度高，没有人为误差，质量稳定，从而可减少质量控制点的检查次数”1 。典型例子如：瑞典 k o c k u m s 公司建立的电子计算机控制的自动化锯材厂”；日本庄田铁工株式会社开发的日本第一 台数控镂铣机n c m 型和其他数控木工机械；美国开发的h m c 8 0 0 c n c 镂铣机可以加工大尺寸 ( 至3 m ) 和形状不规则的术制工艺品；而s h i n xc n c 镂铣机具有4 个垂直镂铣头和一个水平双端 镂铣头，其移动速度为s o m m i n ，能同时控制三维动作，从而镂刻不同厚度的三维木制品 胶合板、人造板业是现代木材加工业的主要领域，国外人造板机械设备的发展趋势是： ( 1 ) 大型化。在国外工业发达国家，为有利于采用新技术，实现生产的连续化、自动化， 提高劳动生产率，节省单位生产能力的投资，降低产品成本，提高产品的竞争能力，人造板厂 的生产规模越来越大。例如，胶合板厂的生产规模：美国平均为年产4 4 万3 ，日本平均为年 产4 万m 3 ，硬质纤维板厂平均年生产能力：欧洲为6 万t ，美国为1 3 万t 。国外现有中密度纤维 板厂最大的年产量为1 6 万m ：。国外刨花板厂平均年生产能力为6 万叠，美国平均年生产能力已 超过1 0 万m 2 。所使用的人造板机械设备的规格也越来越大。 ( 2 ) 高速化。旋切机的主轴转速已由1 0 0 r m i n 左右提高到3 0 0 r r a i n ，美国最高已达 4 0 0 r m i n ，旋切速度最高可达1 0 m s 。芬兰劳特公司的无卡轴旋切机，旋切过程用微机控制。在 木段预先旋圆情况下，旋切2 0 0 m 直径的原木段时，可保证旋切到木芯直径5 0 r a m ，生产率为1 6 根r a i n “。其他人造板机械的主轴转速、进料速度等也普遍提高。由于设备的高速化，使得设 备的生产加工速度，运输传送速度大大加快，从而大大提高了设备的生产能力。 ( 3 ) 自动化程度不断提高，广泛应用高新技术。在国外人造板生产的机械化、自动化程 度越来越高，各种高新技术应用越来越广泛，单机和生产线正在向完全自动化方向发展。通过 广泛应用高新技术，特别是电子计算机的普遍应用，实现了自动检测、自动调节、自动控制， 自动信号联锁、自动保护和自动化管理等，进一步提高了生产过程的连续化和自动化程度以及 生产的安全程度，从而提高了设备的劳动生产率，设备的利用率和产品质量。 ( 4 ) 扩大了原材料范围，提高了木材利用率和产品质量。在国外，为适应木材资源不足、 河南农业大学硕士学位论文 木材利用率和产品质量不断提高、人造板产品品种不断增加和产品结构不断变化的要求，研制 出了一些新型的人造扳机械，其设备的性能、制造精度和产品质量不断提高，结构不断改进。 在胶合板生产中，为了解决小径材、劣质材的利用问题和提高术材利用率，国外已与普遍采用 具有动力压辊或刺盘的旋切机和外圆传动的无卡轴旋切机，以及在定心、上木和剪切工序采用 光电扫描和计算机控制的先过技术，使出板率高达6 0 7 0 。在纤维板生产中，具有低温预热 蒸煮装置的热磨机，提高了纤维质量和获浆率。在刨花板生产中，新型刨片机可将木料加工成 优质刨花，并减少了碎料量；锥鼓式刨花拌胶机减少了搅拌过程中产生的细碎刨花，并使耗胶 量减少了5 1 0 9 6 “ ( 5 ) 重视环境保护。为了保持和改善人类的生存环境，各国政府对控制环境污染问题越 来越重视，颁布了一系列要求更严的环保法为了防治环境污染，一些发达国家增加投资，从 工艺和设备等方面对人造板生产中产生的粉尘、污水、有害挥发物和噪声等的防治开展了大量 的研究工作，并已取得较大进展。 1 4 本课题的提出 1 4 1 有卡轴式旋切机发展现状 用卡轴式旋切机加工原木。精度高、质量好，今天应用仍然广泛。 目前，针对卡轴式的旋切机，主要改进是设置精确的定心上木机构、改进刀床进给驱动机 构、改进关键部件和增设辅助装置和提高旋切机卡轴转速。例如，用计算机控制的x - - y 扫描定 心机构为装入机械定心机的原木初定中心，改进刀床进给驱动机构，采用计算机、液压伺服控 制的直线定位器驱动刀床系统，或者用滚珠丝杠代替普通丝杠，可以实现精确进给，显著提高 刀床进给精度。尤其是计算机、液压伺服控制的直线定位器驱动刀床系统，由于采用了具有可 测出0 0 2 5 m 精度的反馈传感器，以及低电压、低电流、高精度的伺服阀( 其阀体与阀芯间隙 仅为0 0 0 2 5 1 m ) ，不仅进给精度高，而且消除了机械传动件及进刀丝枉产生的误差，进给误差不 超过o 0 5 咖旋切出的单板厚度均匀一致、质量好；系统工作稳定、可靠，维修工作量少；操 作简便、省力3 。 但是由于卡轴的存在，旋切后的原木剩余直径仍然很大( 1 1 0 1 2 0m ) ，即使经过以上改 进，每分钟定心木段也不过9 1 0 根，出板率也仍偏低“”。 1 4 2 无卡轴式旋切机发展现状 无卡轴旋式切机由于取消卡轴，旋切不受卡轴限制，木材利用率高，木芯剩余直径小( 最 小为4 0 m ) ，在单板质量满足使用要求情况下，显著提高了出板率；生产率高，如国外某些旋切 6 河南农业大学硕士学位论文 机每分钟可旋切直径2 0 0 l m 的木段1 0 1 5 根；取消了定心，装夹木段的时间，以及减少了调整 刀门和开启刀门清理废料的时间，辅助工作花费的时间少，故操作省力，操作人员少“”。 目前，无卡轴旋切机进给系统主要有两种驱动方式，一种是采用液压驱动，另一种是采用 调速电动机通过丝杆驱动。由于液压驱动方式旋切生产的单板厚薄均匀性和粗糙度都较差，而 且难以顺利完成切屑厚度在0 8 m m 以下的单板生产任务，故市场需求量逐渐萎缩。现在大多厂 家着重研究生产丝杆驱动方式的无卡轴旋切机，以解决原木旋切生产中单板的厚薄均匀性和粗 糙度质量问题，以及切屑厚度范围问题。实践表明，丝杆驱动方式无卡轴旋切机可以很好地实 现单板厚度在0 3 3 7 咖的旋切生产。 1 4 3 现有无卡轴旋切机方案对比 根据已经掌握的资料，现有几种无卡轴旋切机进给机构采用的方案主要有液压进给，丝杠 进给和凸轮进给。 ， 液压进给系统在一定材质和原木直径的情况下，始终对木芯产生一定的正压推力。同时， 还要执行压尺架的回转和压紧旋刀等项工作。旋切过程中通过调节进给油缸所需供油量的流量， 使其对木芯产生的正压推力随术段直径的减小而保持恒定，当需要不同板厚的单板时，只需要 调整对木芯产生的正压推力值即可这种方式比较简单，但是板厚均匀性不佳，随着木段直径 减小，旋切出的板厚会变大，而且树种、材质均匀性以及木材含水量都会影响单板质量“”。 现有采用丝杠进给的旋切机大多采用的仍然是机械控制方式，也有引入了数控技术。采用 自动化控制的，一般采取两个驱动辊固定，中心距不变，由丝杠驱动刀床进给1 ，如图3 所示- 这种进给方式由于刀床的运动，会使出板速度受到影响，而且驱动辊中心距固定，随着木段直 径减小，会引起夹持力变化，影响木材压紧程度。 7 河南农业大学硕士学位论文 2 i ，驱动辊；2 压尺( 辊) i3 ，刀具 圈1 3 刀床进给式无卡轴旋切机示意图 凸轮进给的旋切机可以保证驱动辊的进给沿直线轨迹，能够保证驱动辊中心距随着木段直 径减小而调整。如图1 3 所示“”： 圈1 4 凸轮进给式无卡轴旋切机示意图 这种方式的特点是驱动辊进给轨迹比较简单，但是凸轮、顶杆以及支架的磨损将比较严重，无 法避免，随着磨损量的积累，旋切质量将下降。以上方案各有优缺点，它们以加工对象主要是 小径木材，甚至以用卡轴式旋切机加工余料为加工对象，旋切板厚为0 3 3 7 u ，加工范围显 然较小。 8 i r l ； flr-r； i 河南农业大学硕士学位论文 2 本设计研究内容 2 1 方案提出 本课题目的是研究一种新型无卡轴旋切机，使旋切机整体结构以及驱动辊的进给机构简化， 使用自动化控制系统控制机床，使其能够适合不同板厚的单板旋切，进给运动符合木段直径变 化规律，使旋切后的单板厚度均匀，保证旋切的效率和木材利用率，扩大无卡轴旋切机的加工 范围，在保证旋切质量的同时降低整个系统的能耗。 为了实现恒线速度旋切，旋切时，驱动辊的转速为恒定，由于木段直径不断减小，圆木做 非线性加速旋转运动，这要求驱动辊的送进与之适应。进给速度与原木剩余直径成反比，与旋 切厚度成正比，显然，依靠单纯的机械结构，能够满足变加速运动的进给系统将是十分复杂的， 而采用简单的机械结构也难以准确反映进给速度的变化规律。简单或不合理的机械结构都将造 成超速或欠速进给，影响设备的运行质量和加工质量。超速进给势必造成过度挤压原木以至挤 碎原木，甚至因超负荷导致电机堵转而损坏设备；欠速进给造成单板切屑厚度逐渐变薄而断裂。 所以依靠简单的机械结构或机械设计不舍理都难以满足复杂和高质量的进给变速要求，必须从 理论上对它进行分析和计算，并且选择合理的电气控制系统。 本课题采用驱动辊沿直线进给的丝杠驱动方案，旋切加工时，刀床固定不动，驱动辊随着 木段直径的减小沿直线进给，而且两个驱动辊的中心距也随着减小，驱动辊的转速在加工过程 中保持恒定，保证恒线速度旋切。与凸轮进给的无卡轴旋切机相比，驱动辊进给轨迹同样简单， 而且易于实现变速进给的控制。如图2 1 所示。 圈2 1 驱动辊直线进给示意图 图中：止4 驱动辊进给轨迹 b b 驱动辊与原木切点轨迹 n 任一时刻原木剩余直径 9 河南农业大学硕士学位论文 d 0 原木最终剩余直径 d 驱动辊直径 d 压尺辊直径 z 允4 i 延长线与过原木中心的垂直直线交点d 到压尺辊与原木切点距离 控制系统采用可编程逻辑控制器( p l c ) 控制变频调速器改变频率驱动进给电动机，由于木 段剩余直径与螺母进给量有函数关系，所以丝杠旋转圈数( 螺母进给量) 可以作为原木剩余直 径确定依据，丝杠旋转圈数由旋转编码器检测，而驱动辊进给速度在板厚设定后，只与原木剩 余直径有关，每个检测周期通过计算，可以得出每个调速周期内驱动辊进给速度，最后实现恒 线速度旋切。 2 2 整体方案设计与参数选择， 无卡轴旋切机旋切过程中，圆木由两驱动辊和压尺( 辊) 夹持，能够自动定心，而且没 有卡轴对旋切的干扰，可降低木段终了剩余直径。木材利用率的提高取决于木段的最终剩余直 径的减小，这与驱动辊的直径、两驱动辊中心距，刀具位置、进给模式选择等有关系。如何通 过分析各相关因素，计算参数值，选择合适的进给方案是旋切机设计的重要参考依据。 2 2 i 旋切终止时的约束条件 旋切终止时木段，辊及刀具的位置关系为约束条件，可作为其他参数选择的依据，如图2 2 示： 圈2 2 旋切终止时各部分位置示意图 1 压尺( 辊) ；2 一刀具；3 一( 剩余) 术段4 ，单板；5 驱动辊；口一刀具角度； 口。一两驱动辊中心距；以一驱动辊直径；九压尺( 辊) 直径；九一木段剩余直径 旋切终止前，木段应能够被有效夹持，两辊与刀具、压尺( 辊) 相互无运动干涉，当口很小时， b 相当于压尺( 辊) 与木段触点到两辊中心线距离，刀具和驱动辊不干涉的条件是： 1 0 ill-r 河南农业大学硕士学位论文 以，( 农+ 丸) 2 一2 魂 丁7 一+ 虿( 般噍卜丸) 可得两驱动辊中心距口。应满足： r 。1 ：。- _ _ p - 一 口o ( 农+ 丸) 2 一( 农一死) 2 = 2 以疵 同时，两驱动辊不能相接触，木段仍能够被有效夹持： 丸 口o _ 以+ 九 因此可得约束条件： 以 嘞 2 屯九 ( 1 ) 一般取丸5 5 r a m “”，可以保证较高木材利用率，为傈持一定旋切线速度、驱动力和辊刚度， 取噍= 1 0 0 1 1 0 “”，当以和丸确定后，不等式( 1 ) 就为口。的选择依据。 2 2 2 刀床进给方案分析 根据现有文献及考查，目前丝杠式无卡轴旋切机大多采用刀床进给的模式，如图2 3 所示 黟。 田2 3 旋切终止时各部分位置示意图 两驱动辊的位置保持固定，用九表示原木最大直径，识表示任意时刻木段的剩余直径，两驱动 辊中心矩为常数，随旋切过程中木段直径谚的减小，刀床沿垂直于c l c j 方向进给，这种进 给模式方便设置驱动辊动力装置，技术成熟，但缺点也很明显，刀具进给过程中有切削振动， 降低了刀具的稳定性，对旋切质量也有一定的不利影响。而且，根据旋切初始时条件知，木段 重心c 1 到辊中心线中点c 距离为 河南农业大学硕士学位论文 c j c 2 = 当旋切单板厚度一定时要满足夹持稳定，就必须使比例系数 白：争鱼：竺 ! 坚不能太大，要么增大，要么减小丸，由于受条件( 1 ) ! 。“。 的限制，这种进给模式不能兼顾夹持旋切稳定性和比较宽的木径范围，一般只适合诺2 2 0 m m 和旋切为0 5 2 6 r a m 厚的单板。 2 3 3 驱动辊进给方案分析。 相对刀床进给模式，如果两驱动辊中心矩不变，则两者除因刀具固定旋切稳定，单板质 量好之外，仍是同一性质的进给方式( 相对运动相同) ，仍不能克服缺点。因此在本设计中采取 辊中心距可变的进给模式，如图2 4 所示。 驱辊位置由彳7 、b 沿a a 7 、b b 进给到a 、b ，木段直径由丸减小到九，辊中心距由“ 减小到，可满足较宽木径范围。 八万厂 lv 匕刍哆， 厂麒蕊、k 彩 付 骶 c0 厂婚渊 、 ， ! j a 。 ，j i ? ? 、。o 。一i 曼! 。 h _ _ * ao 圈2 4 驱动辊进给旋切示意图 谚旋切时刻后剩余直径( 九 以 - 0 ，如图2 5 所 示5 1 4 i ，llr 0r 河南农业大学硕士学位论文 其中： 以= 噍= a o 一农 田2 5 旋切终了示意图 + 2 。一生2 ： 根据嘞和噍不同，进行分析选取： 办= 1 0 0 经比较，选择以= 1 1 0 ；嘞= 1 2 0 ；对应噍= 力= 1 0 ( 1 2 ) ( 1 3 ) 经计算，当选择九4 0 0 时，驱动辊初始( 最大) 中心矩以= 4 0 8 ；驱动辊垂直方向进给量 h = 2 8 8 ，驱动辊进给线段与x 轴夹角= a r e t a n 2 = 6 3 4 3 。 裹2 1 总体信息 河南农业大学硕士学位论文 上部机架结构如图2 6 所示，采用三角形结构，结构简单牢固，易于加工 圈2 6 机架结构简图 下部机架结构视进给系统设计而定，形式灵活，可以因地制宜。机架全部采用型钢焊接，结构 和强度都满足要求。机架结构效果图如图2 7 所示，预留了安装进给系统、压尺和旋刀系统的 空间。 1 6 llrr，ir- 输入转速l “o r n i m ，温度不超过4 0 。，电机经常反转制动。所以选择采用y 9 0 l - 4 笼型电机 裹2 2y 9 0 h 型电机安装型式尺寸 2 4 2 选择减速器 ( 1 ) 已知装配形式如图2 8 所示： 1 7 -l-rl-， y l-ii-ii-i-i i-r 翌堕查些盔兰堡主兰堡丝苎 图2 8 减速器安装方位 取传动比i = l o 输入功率p = 1 5l 【- 选r v 系列蜗轮减速器型为号n 搋v 0 7 5 - f 1 a s 一1 0 - y 。r - b a ( 3 ) 减速器外形尺寸与安装尺寸如图2 9 所示： 舶29 减速器外形与安装 襄2 3 减速器外形尺寸与安装尺寸 a1 2 0h8 6 t4 0 k n ( 船) 1 3 0 b5 0i7 5 v6 0k o1 4 ( n 4 ) c1 7 2l1 1 2k 9 0l o p 2 0 0 d ( h 8 ) 2 8m1 1 5 k e m 8 1 4 ( n = 8 )k q 1 7 0 1 ) l ( j 6 ) 2 4 n ( h 8 ) 9 5a4 5 。b ( n 9 ) 8 e 2 0 5n i5 7 l 【ai i ib i8 f7 2 0i i k b1 3f船 g1 1 2 5 p1 4 0k c6t 3 1 3 6 11 2 0q 9 3a l45。tt 2 7 1 8 li-i 牡习 塑蜥 惧 批 传 弼辫教照大学硬士学盘论文 丝杠形式如图2 1 l 所示： 鞭2 1 丝杠三维效果羽 河南农业大学硕士学位论文 计算及校核过程：根据螺杆和螺母的材料初选中径系数1 i ，；1 8 0 ，f = o 8 ，许用压强 p ：2 1 5 0 m p a ，螺杆材料的许用应力 a - - 9 4 o o m p a 螺杆的许用弯曲应力p i = 4 0 m p a ，螺 杆的许用剪切应力【f f ：3 0 m p a ，螺母的许用弯曲应力p l = 5 0 o o m p a ，螺母的许用剪切应力 h = 3 5 h p a rr l-ir lr【l l-tlr lrl 河南农业大学硕士学位论文 2 l i， l ll ： -i 牙底豳角 原始麓角形高 r 2 h 0 5 0 1 6 7 9 r 2 m a x = 穗c h = i 8 6 6 p 鳔霉采取镧芯麴铁套结搀箍够兼鞭瓣癌性嚣强度要求，蘩鬻2 ，1 2 薪示。 鞭2 。挫螺母三雏设寺 效鬃翻 2 2 簿藏表翌大学疆圭学盈滏交 嘲2 1 3 进给模块三维设计效慕豳 2 5 压尺辊系绒的设计 压尺辊及旋切机上横粱系统设计时为了增加系统的强度和刚发，将此辊设计成两段，其整 薅鳐擒絮强2 1 4 掰示： 圈2 1 4 旋切机压尺辊与上横梁系统猫构幽 豳2 1 5 压尺辊结构圈 河南农业大学硕士学位论文 2 5 1 压尺辊心轴的设计与校核 1 、轴的结构如图2 1 5 所示： 圈2 1 6 压尺辊心轴结构图 2 、心轴的校核 根据同类产品估算压尺辊心轴的法向力f 4 0 0 0 0 n ，轴的材料为4 5 9 钢，1 7 0 2 1 7 h b s o a = 6 0 0 m p ac r j = 3 0 0 m p a ，初选轴端直径为3 5 ，轴的校核如下所示： 计算项目计算内容 计算结果 计算支承反力 画轴弯矩 许用应力 应力较正系数 瓦= 9 8 7 2 n 尼= 1 0 1 2 8 n m i = e x 0 0 7 3 = 9 8 7 2 x 7 3 m t 2 7 2 1 0 0 0 m 册 m 2 = 6 3 8 0 0 0 n r a m m 2 = 晶x 0 0 6 3 = 1 0 1 2 8 x 6 3 见图- - 1 8 b 用插入法由表1 6 3 查得 k 。1 - - - - , 姗，h 。】= 5 5 a 。 口= 蹦= 芸 朋 l， ：lrr 、 o o m m 。 x 伽一瑚珊一佻 = = 只 日 一 一叭一舛一 = z 嵋i 一 加一 记一 x 一 鼹一 。 o 一 ： = 一 竺 = 一 m 一 图 一 矩 一弯矩一量弯一 当量 一 海辩农遂丈学疆学篷论文 通过以上计算轴的设计满足要求。 2 。2 援足辊壤薅豹设圣 毒较兹 1 、辊筒的缩构如圈2 1 6 所示： 蹦2 ，1 e 压尺辊辊篱 2 ，计算与校榱； 根据同类声晶储算压尺辊辊筒所受鳇难力约为2 0 0 0 0 n ，辊筒的材料为4 5 # 钢，箕许用拉应 秀矗】= 5 0 m p a ，诲蘧压应力轨 = 1 6 0 m p a t 辊蓑慧长l * o 。7 0 5 m ，均毒蓑饕q ；2 8 3 7 。x 座， 弹性模鐾e = 2 0 0 g p a ，截面的轴惯健矩i ：o 0 0 0 0 0 4 0 2 1 m ，对于圜环形截面，由于关于中性 轴对称，因而最太拉、压应力吒。相等，辊筒的校核如下所泳： rr、 河南农业大学硕士学位论文 通过以上数据校核，辊筒的设计满足要求。 2 6 驱动辊系统设计 ， 2 6 1 结构对比选择 驱动辊的的作用是支撑并且驱动木段旋转，需要有足够的强度和刚度以免加工出的单板出 现质量缺陷，同时，驱动辊表面和木料的摩擦系数要足够大，一般在辊表面采用表面滚花处理， 本方案总共考虑了三种不同的结构方案，通过对比选择最合适的，这三种驱动辊结构方案如图 2 1 8 所示： ( c ) 田2 1 8 驱动辊结构对比图 ( 1 ) 如图( a ) 所示：由中心轴，驱动辊轮毂和辊筒组成驱动辊。该形式同轴度较精确，用材 li_ir 、-r1-olir 辫鬻表整大学硬士学经论文 较少，易于加z 。 ( 2 ) 如图( b ) 所示：由驱动辊辊筒姆两个轴头直接焊接农襁筒上而成。这种形式嗣轴精度最 差，耀毒| 最三。瞧较荔予翱王。 ( 3 ) 蟊霞( c ) 衡器：采蘑阶梯实心辍畿接傲为驱动辊。阶梯实心辘形式霹输耩发簸离，不建 用材最多，熙由于为长轴，不易加工。 三种形式都光明显的优点，却都霄不同的缺路。相比较i 珂瓷。第三种的缺点多于优点。故排 除它。第一种秘第= 静形式优缺点蓦本榴嗣，不过考建到旋惦概对驱动辊的舞轴度较蔫的要求， 第一辞寿案羡联了夔筢嚣蕊工健要袋，敬选褒第一静形式，羚孛心辘魏耱毂燕辊簿缝椽。驱羲 辊端部如图一2 1 9 所示： 豳2 1 9 驱动辊端部剖视臆 2 8 ，2 驱动辊的棱核计算 ( 1 ) 驱动辊糍麓的强度校孩； 努褥露氟辍镑藏绶弯蕴联合避好强炭嫒攘 裙稔条僚： 囊动勰辘簿，努经蟊= l l o m m 疼经= 9 0 r a m ，参考霹类产品，选择簸入功率： 河南农业大学硕士学位论文 p = 5 5 k w 三相异步电动机两台转速：甩= 8 0 r r a i n 选取辊筒的材料为4 5 # 钢，调质处理 许用应力为k 】= 6 0 m p a 经验算得 d 、l 4 。6 。9 。4 。9 。8 。2 。+ 。6 。0 。5 。2 。3 。1 2 、4 。6 。9 。4 。9 。8 。2 。+ 。6 。0 。5 。2 。3 。1 2 飞砑r 一2 百爵矛一 得盯。= 3 0 6 m p a 阢l 】= 6 0 m p a 故中心轴的强度足够。 2 7 旋切机的主传动系统设计 2 7 1 总体信息 ( 1 ) 主传动系统设计任务 切向力旋切力e = f ，b ，压紧程度1 5 时，f ，2 n m ，c = c n c t 20 8 2 6 5 ， e = x b 2 5 0 0n 3 、工作条件 单班制，预期使用寿命l o 年。每3 0 0 个工作日，在使用期限内，工作时间占2 0 ，动力机为电 动机，工作中用中等震动，传动不逆转，齿轮对称布置，三相交流屯电压3 8 0 2 2 0 v 。 2 7 2 传动方案对比与选取 载荷冲击，运行平稳，无噪声，制造和安装精度不象啮合传动那样严格，过载时将引起带在带 轮上打滑，可防止其他零件的损坏。方案二，为纯齿轮减速器传动其特点；工作可靠，使用 寿命长，传动效率高，但其制造需要专用机床和设备，成本较高，精度低时，振动和噪声较大， 且不宣用于轴间距离的传动，综上所述。因电动机在工作中有中等振动，则方案一从适用性及 经济性上讲。更合理。故选取方案一 传动比 带型 小带轮基准直径 大带轮基准直径 带长 实际轴间距 小带轮包角 v 带根数 尢 毫米( 衄) 毫米( m ) 毫米( m ) 毫米( 衄) 度( 。) 带轮宽度 5 0 0 0毫米( 胍) 单根v 带预紧力 1 9 5 1 1牛顿( n ) 作用在轴上的力 1 0 8 2 。1 2牛顿( n ) 3 0 o 删 ：8 舍j 引 a 施 鼍| | 詈 眠 帆 1 4 距 8 l 转速( r m i n ) 1 4 4 0 电压( v ) 3 8 0 额定电流( a ) i i 6 效率( ) 8 5 5 功率因数(cos)084 堵转电流额定电流 7 堵转转矩额定转矩 2 2 最大转矩额定转矩 2 3 转动惯量( k g 哥) 0 0 2 1 4 噪声( d b ) 7 8 3 1 河南农业大学硕士学位论文 重量( k g ) 机座号 6 8 1 3 2 s 2 7 5 校核传动比 选取电动机转速为1 4 4 0 ，m i n ，工作机转速为8 0r m i n ，标准减速器传动比为5 6 ， 由此，计算得高速轴转速为4 5 0r n f i n 。 由实际选取的传动部件计算得高速轴的转速为4 4 5 8 ，r a i n ，工作机( 即低速轴) 转速 为8 0 0 3r m i n ，可得标准减速器实际传动比为4 4 5 8 8 0 0 3 = 5 5 7 。实际传动比与所选传动 比相符。 2 8 旋刀系统的设计 旋切刀是旋切机的直接工作部分，目前刀具已经标准化；可以直接从市场购买，刀具的安 装调整也都已经规范化。旋切刀系统设计重点是刀架部分。 2 8 1 设计要求 旋刀应能够有效旋切单板，后角打磨合适，一般选择2 0 。左右；刀架具有足够刚度，能够 承受最大旋切阻力；可以调节刀门间隙和旋切角度。 2 8 2 系统总体结构设计 旋刀系统由旋刀架、旋刀和支撑体三部分组成。 ( 1 ) 旋刀架 主体采用1 2 6 4 槽钢；长度l = 1 7 5 0 ；旋刀与刀架螺栓连接，钻7 个通孔( m l g x 6 5 ) ( 2 ) 旋切刀( 标准件) ：选取长度规格l = l s o o m ；宽b = 1 8 0 2 2 0 m m 。 ( 3 ) 支撑体：钢板加肋焊接构成。 2 8 3 调节装置设计 为了是旋刀系统在生产过程中，有一定的位置调动范围，以适应不同的工作生产情况，可 采用下列措施： ( 1 ) 在支撑体侧面钻通孔，用以连接在机架不同高度位置，从而使旋切刀的高度能发生变化， 实现旋切刀的升降调节。 ( 2 ) 为使旋切刀有一定角度的调节，在旋切刀和刀架之间加一钢板，其与刀架一侧有连接，三 者仍用螺栓与螺母联结，若在钢板与刀架之间加垫圈，则可实现旋切刀的角度微调。 河南农业大学硕士学位论文 3 电控系统设计 新型旋切机在设计之初就以机电一体化系统的设计思想进行设计，机械部分结构非常简洁， 虽然没有复杂的传动系统，但是其性能却远高于纯机械式旋切机，整个机器的关键就是电控系 统。 3 1 方案选择 控制系统可选方案很多，木工机械工作环境以及加工对象的特点要求控制系统首先具有高 可靠性，然后要具有较高控制精度，因此本方案在对比各方案后，选择可编程控制器( p l c ) 作 为控制器，变频器作为进给电动机的驱动器。而螺母进给量传感器选择旋转编码器，系统原理 框图如图3 1 所示： 田3 1 旋切机电控系统原理框图 3 2 系统功能实现原理 选择如图3 1 所示控制系统，利用变频调速原理，通过改变进给系统电机的速度实现丝枉变 加速进给运动，系统中由