（机械工程专业论文）数控双向裁板锯设计及下锯优化研究.pdf

摘要 摘要 随着人造板加工工艺技术的进步，人造板在板式家具、建筑装修等行业的大量使用， 促进了板材锯切设备的快速发展。然而，我国传统的锯切设备存在着技术落后、出材率 低、自动化程度低等诸多问题，无论是加工精度、机床结构形式以及生产效率等都不能 满足现代生产的要求。因此，亟需开发设计一种结合电子、数控、计算机等技术的新型 数控裁板锯，以提高板材锯切加工精度、生产效率和自动化程度。 本文设计的数控双向裁板锯可以在一台设备上实现板材的纵横向锯切，其整体结构 采用龙门形式，机床主要由床身、进出料台、工作台、定位系统、纵横向压紧系统、纵 横向进给结构、9 0 度回转台、升降锯座以及配备的电器控制系统等部分组成。其中锯切 部分由安装在锯座主副锯片完成；进给部分包括纵向( x 向) 进给和横向( y 向) 进给， 且纵向和横向进给都是通过步进电机驱动齿轮齿条副在相应的直线导轨上移动实现的： 纵横向锯切的转换是通过回转台回转9 0 度实现的。 文中结合数控双向裁板锯的具体结构分析了板材的锯切工艺，指出了纵横锯切时应 该注意的问题以及锯切加工工艺的主要内容。本文通过对常用的下料优化算法的研究， 提出了针对数控双向裁板锯的下锯优化的启发式算法，该算法较好地解决了数控双向裁 板锯一刀切约束条件下的二维矩形件优化排样问题，应用在数控双向裁板锯加工中能够 获得较高的板材利用率。最后，通过在p r o e 环境下建立整台数控双向裁板锯运动模型， 并进行模型的运动仿真分析，为设计的改进和完善提供指导。 本文开发设计的数控双向裁板锯设备及下锯优化理论的研究，通过在机床结构和加 工方面的创新，实现了优化排料、最优下锯、双向锯切、空行程数控调速、进给数控调 速等功能。该设备基本可以实现自动化、高出材率、无误差、大批量地数控锯切人造板。 大大提高了板材利用率，节约资源，解决了板材下料工序数控化低的问题，有助于提升 国内数控裁板锯设备的技术含量，此设备应该具有很大的市场空间和经济效益。 关键词数控裁板锯；双向锯切；机床设计；下锯优化；矩形件排样 a b s t r a c t a bs t r a c t w i t ht h ep r o g r e s so fw o o d - b a s e dp a n e lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，a n dt h ee x t e n s i v eu s eo f w o o d b a s e dp a n e l si np l a t et y p ef u r n i t u r ea n db u i l d i n gd e c o r a t i o ni n d u s t r y , p a n e ls a w i n g e q u i p m e n t sh a v eb e e np r o m o t e da n dg a i n e dr a p i dd e v e l o p m e n t h o w e v e r , t h e r ea r em a n y p r o b l e m sf o rt h et r a d i t i o n a ls a w i n ge q u i p m e n t si nc h i n a , s u c ha sb a c k w a r dt e c h n o l o g y ，l o w o u t t u mp e r c e n t a g ea n dl o wa u t o m a t i o n , s ow h e t h e rm a c h i n i n ga c c u r a c y , m a c h i n et o o l s t r u c t u r eo rp r o d u c t i o ne f f i c i e n c yc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so fm o d e r np r o d u c t i o n t h e r e f o r e ，an e wk i n do fn cp a n e ls a w i n ge q u i p m e n t ，c o m b i n i n ge l e c t r o n i c ，d i g i t a la n d c o m p u t e rt e c h n o l o g i e s ，h a sb e e nu r g e n t l yn e e d e dt od e s i g n , i no r d e rt oe n h a n c et h em a c h i n i n g a c c u r a c y , p r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n da u t o m a t i o no fs a w i n gp a n e l s t h en c t w o w a yp a n e ls a w i n ge q u i p m e n td e s i g n e di nt h i sp a p e rc a n a c h i e v et h ef u n c t i o n o fv e r t i c a la n dh o r i z o n t a ls a w i n gi nas i n g l ed e v i c e , w h i c hh a v ea d o p t e dt h ef o r mo fg a n t r yf o r t h eo v e r a l ls t r u c t u r e , a n dm a c h i n et o o lh a sc o n s i s t e do fb e d ，m a t e r i a ls e t so fe n t r a n c ea n de x i t w o r k t a b l e ，p o s i t i o n i n gs y s t e m ，v e r t i c a l a n dh o r i z o n t a lc o m p r e s s i o ns y s t e m ，v e r t i c a la n d h o r i z o n t a lf e e ds y s t e m ，9 0d e g r e e sr o t a t i n gp l a t f o r m ，s a wc a r r i a g ew i t ht y p eo fr i s ea n dd r o p ， a sw e l la se l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e me q u i p p e d s a w i n gf u n c t i o nh a v eb e e na c c o m p l i s h e db y m a i na n ds u b s i d i a r ys a wb l a d ei n s t a l l e do ns a wc a r r i a g e ；f e e ds y s t e mh a si n c l u d e d l o n g i t u d i n a l ( xd i r e c t i o n ) a n dh o r i z o n t a l ( yd i r e c t i o n ) f e e d ，m o r e o v e r , v e r t i c a la n dh o r i z o n t a l f e e dh a v eb e e na c h i e v e db ys t e p p i n gm o t o rd r i v i n gr a c ka n dp i n i o nt r a n s m i s s i o nt om o v ei n t h ec o r r e s p o n d i n gl i n e a rg u i d er a i l ；t h ec o n v e r s i o no fv e r t i c a la n dh o r i z o n t a lc u t t i n gh a v e b e e nc o m p l e t e db y9 0d e g r e e sr o t a t i n gp l a t f o r m t h es a w i n gp r o c e s s e sf o rp a n e l sh a v eb e e na n a l y z e dc o m b i n i n gw i t ht h es p e c i f i c s t r u c t u r eo fn ct w o - w a yp a n e ls a wi nt h ea r t i c l e ，a n ds o m ei s s u e sw h i c hs h o u l db ep a i d a t t e n t i o no nt h et i m eo fv e r t i c a lo rh o r i z o n t a lc u t t i n gh a v eb e e np o i n t e do u t ，a sw e l la st h e m a i nc o n t e n to fs a w i n gp r o c e s s e s h e u r i s t i ca l g o r i t h mo fs a w i n go p t i m i z a t i o nf o rn c t w o w a yp a n e ls a wh a v eb e e np u tf o r w a r dt h o u g ht h es t u d yf o rc o m m o ns a w i n go p t i m a l a l g o r i t h m t h ea l g o r i t h mp r o p o s e dc a ns o l v et h ep r o b l e mw e l lo f t w o d i m e n s i o n a lr e c t a n g u l a r o p t i m a ll a y o u ti nt h ec o n d i t i o nc o n s t r a i n e db yn ct w o - w a y p a n e ls a wc u t t i n gi te v e na to n e s t r o k e c o n s e q u e n t l yt h eh i g h e r u t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo fp a n e lh a sb e e ng a i n e di nt h e m a c h i n i n gu s e o fn ct w o - w a yp a n e ls a w f i n a l l y ，t h em o t i o nm o d e lo fw h o l en ct w o - w a y p a n e ls a we q u i p m e n th a v e b e e ne s t a b l i s h e di np r o ee n v i r o n m e n t ，a n dm o t i o ns i m u l a t i o no f t h em o d e lh a v eb e e na n a l y z e d ，w h i c hp r o v i d eg u i d a n c ef o rt h ed e s i g nt oi m p r o v ea n dp e r f e c t t h en ct w o - w a ye q u i p m e n tf o rp a n e ls a w ，d e v e l o p e da n dd e s i g n e dw i t ht h es t u d yo f s a w i n go p t i m i z a t i o nt h e o r ya n dt h ei n n o v a t i o n sf o rt h em a c h i n es t r u c t u r ea n dp r o c e s s i n g ，h a s i i a b s t r a c t - _ _ _ _ _ i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 鲁墨曩_ _ - - _ _ - _ _ _ _ _ _ 一 a c h i e v e dm a n yf u n c t i o n ss u c ha st h eo p t i m a ll a y o u tf o rm a t e r i a l ，t h eo p t i m a lw a yo fs a w i n g ， t w o - w a yc u r i n g , d i g i t a ls p e e dc o n t r o lf o re m p t yr u n ，a n dd i g i t a ls p e e dc o n t r o lf o rf e e d t h e e q u i p m e n td e s i g n e dc a l lb a s i c a l l ya c t u a l i z es a w i n gp l y w o o dw i t ha u t o m a t i o n ，h i g h e ro u t t u m r a t e ，e r r o r - f r e ea n dl a r g eq u a n t i t i e s a sar e s u l t ，u t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo fp a n e lh a v eag r e a t i n c r e a s e ，r e s o u r c e sh a v eb e e ne c o n o m i z e d ，a n dp r o b l e mo fl o wd e g r e en cf o rp r o c e s so f c u r i n gp l a t e sh a v eb e e ns o l v e d ，a l lo f w h i c hh a v ee n h a n c e dt h et e c h n i c a lc o n t e n to fd o m e s t i c n cp a n e ls a w t h u st h ed e v i c es h o u l dh a v ea l a r g em a r k e ts p a c ea n de c o n o m i cb e n e f i t s k e y w o r d s n cp a n e ls a w ；t w o w a ys a w i n g ：m a c h i n ed e s i g n ；s a w i n go p t i m i z a t i o n ) l a y o u t f o rr e c t a n g u l a rw o r k p i e c e 一i i i l 绪论 1 绪论 1 1 引言 制材是木材加工的首道工序，制材工业是木材加工业中最大的生产部门，木工锯机 在制材业中具有不可替代的作用。据统计，世界工业用材6 0 左右的原木需经过制材加 工，目前先进国家锯材合格率达到9 5 以上，而我国仅为5 0 - - - 6 0 。如此之大的差距， 需要靠提高机械制造水平和加强新技术的利用来加以弥补。 随着板材加工工艺的进步，人造板作为加工基材的大量使用，尤其是板式家具生产 技术的迅速发展，传统的木工锯切设备无论是加工精度、结构形式以及生产效率等都已 不能满足生产的要求。因此，各式专门用于板材下料的圆锯机、锯板机获得了迅速发展。 从生产效率较低的手动进给或机械进给的中小型锯板机，到生产率和自动化程度均很高 的、带有数字程序控制器，并配以自动装卸料机构的各种大型的纵横锯板系统，机床品 种繁多，其设计制造水平在不断进步。其主要的用途都是将大幅面的板材锯切成符合一 定尺寸规格及精度要求的各种板件心1 。 目前，数控加工技术正在向集传统的制造技术、计算机、现代控制、传感检测、信 息处理、光机电技术于一体的方向发展，这也大大推动了木工锯机数控化的发展。然而， 目前我国的数控锯切设备的数控化率仍然很低，传统锯切设备已不能够满足国内对锯切 设备性能的要求，它的诸多弊端如生产率低、能源消耗大、自动化及可视化程度低等充 分暴露出来。 1 2 传统锯切设备简介 制材设备是指以原木或人造板为对象，将原木或人造板加工成各种成材、半成材所 用的设备。其中，主要的木工锯切设备包括带锯机、圆锯机、裁板锯等d 1 。 1 2 1 带锯机 以环状无端的带锯条为锯具，绕在两个锯轮上作单向连续的直线运动来锯切木材的 锯机。带锯机主要由机体、上下锯轮、锯条张紧装置和锯条导向装置等组成。 带锯机使用最为广泛。其主要优点是，可以锯切大径机原木；锯口宽度小；可以实 现看材下锯，出材率高于圆锯机；进料速度高等。其主要缺点是，锯条自由长度大、带 锯条薄、易产生振动和跑锯，影响锯切精度，锯材质量不好；操作要求技术高，生产率 低等口1 。带锯机有普通木工带锯机、细木工带锯机、卧式木工带锯机等多个系别。 1 2 2 圆锯机 圆锯机是以固定于主轴上的圆锯片为刀具，使之做连续的旋转运动，完成锯割原木 或板材的木工机床。广泛用于原木、板材、方材的纵剖、横截、裁边等锯割加工工序。 圆锯机类型多，应用广，是木材机械加工最常用的设备之一。按照加工特征，圆锯机可 东北林业人学硕j 二学位论文 分为纵剖圆锯机、横截圆锯机和万能圆锯机；按加工的工艺特点不同可分为原木圆锯机、 再剖圆锯机、裁边圆锯机、截断圆锯机等。 圆锯机和带锯机相比它的特点是，机床结构比较简单，造价低；切削速度高，能适 应各种原材料和产品的加工要求；机械进料速度高。圆锯机的缺点是，锯片工作稳定性 差、锯路比其它锯机的锯路宽；锯材尺寸精度低，出材率低于带锯机口1 。 1 2 3 裁板锯 裁板锯是用于将人造板制成各种家具零件的裁截机床。主要用于裁截胶合板、刨花 板、纤维板、贴面板、层积板和塑料板等，是板式家具生产线的重要设备。裁板锯根据 结构特点可分为精密裁板锯和锯片往复运动裁板锯。裁板锯主要的结构特点是使用两个 锯片，即主锯片和划线锯。锯切时，划线锯超前进行锯削，在被加工板件底面，先划出 深度为卜2 m m ，宽度为o 卜0 2 m m 的沟槽，以保证主锯切削时，锯缝边缘不会破裂，以 获得良好质量口1 。 精密裁板锯能用作软、硬实木、胶合板、刨花板、纤维板以及用薄木、纸、塑料等 的纵切横截或成角度的锯切，也可用于各种塑料板、绝缘板、薄铝板和铝型材等切割。 加工时，将加工件放在移动工作台上，手工推送工作台，使工件实现进给，操作方便， 机动灵活晗1 。精密裁板锯一般由床身、固定工作台、移动工作台、切削机构、导向装置、 防护和吸尘装置等组成。精密裁板锯的一个主要结构特点是划线锯片和主锯片固定不动， 用手推动载有被加工板件的铝型材制做的移动工作台前后移动，实现锯削加工。由于移 动工作台的导轨采用特殊的结构，所以手工推动其进给时轻便省力，并且加工精度很高。 锯片往复运动裁板锯具有通用性强、生产率高、原材料省、锯切质量好、精度高、 易于实现自动化和电脑控制，可用两台或数台机床进行组合，可纳入板件自动生产线等 特点。主要由床身、压紧机构、锯行走机构、辅助工作台、牵引机构、电气系统等组成。 机床以最大加工长度作为主参数，其范围在1 5 0 0 - 6 5 0 0 m m ，我国行业标准z b j 6 5 0 0 8 - 8 9 规定了2 0 0 0 m m ，2 5 0 0 m m ，3 1 5 0 m m 三个规格。机床的操作和控制包括装卸和工作进给 等，有手工方式、机械方式及利用电子程序装置和微机控制等方式乜1 。 锯片往复式裁板锯切削速度较高，并设有主锯片、副锯片，实行预裁口，有较高的 锯切精度。它的结构特点是床身上面有一横梁，加工时板料送入后由定位装置定位，横 梁在气缸的作用下压紧工件，主锯和划线锯装在可跑动的锯座上；锯切开始时，锯座抬 起，沿着导轨前进，将板件锯切到终点后锯座下降，拉回到原来位置，主副锯片沉至工 作台面下。 1 3 传统锯切设备存在的问题 传统锯切加工方式如带锯加工、圆锯加工等，在一定的历史时期这些加工方式减轻 了劳动强度，提高了生产率，促进了生产力的发展，随着科学技术的发展，这些加工方 式逐渐暴露出一些问题h 1 。通过分析传统锯切加工主要存在以下几个问题瞄1 ： ( 1 ) 木材出材率低 - 2 - l 绪论 由于全世界森林资源日趋减少，可供制材的原木日趋下降，可采资源逐步减少，优 质材供应急剧下降，使锯材出材率日益降低。长期以来，对制材的研究工作不够重视， 特别是原木资源发生了变化，对小径级材为原料的高效制材锯机的研究和利用远远落后 于原木结构的变化。因此，节约原材料，最大限度的提高木材利用率是最主要的任务。 ( 2 ) 加工精度普遍偏低 随着科学技术的发展，金属切削机床的加工精度已达到纳米级。由于木工锯机加工 的木材本身的弹性很大，很难达到金属机床的加工精度。国产木工机械的加工精度还很 低，带锯机侧向进尺的最高精度为0 5 m m ，而德国豪迈公司生产的数控裁板锯，加工精 度可达到0 i m m 。加之大部分木工锯机的结构设计不合理和工艺落后，而且多数手动控 制的操作方式，自动化和数控化程度低，这进一步造成了木工锯切加工精度低的问题。 ( 3 ) 数控化程度低，劳动强度大 国际木工机械已数控化，我国数控化的木工机械不到5 。高技术在我国木工机械的 普及似乎很远，现代化木工机械要从数控技术的普及入手。实现锯切的自动化后，可以 提高加工效率和劳动生产率，还可以提高产品质量的稳定性，改善劳动条件。 ( 4 ) 加工过程的危害性大哺钉 安全、噪声、粉尘是木材加工业的三大危害。木材加工时，由于锯片高速运动和机械 自动化水平低，加工过程多为有人参与的手工加工，使其具有明显的危害性。主要表现在 一是操作者的手意外触碰刀具引起切割伤害；二是木料反弹或刀具损坏冲击崩裂伤人； 三是化学、生物、粉尘伤害；四是噪声。 1 4 裁板锯的发展现状 目前我国的家具产量虽然居世界第一位，但家具行业整体的设计生产能力和水平与 发达国家相比还有很大差距；我国的人造板产量亦位于世界前列，但人造板机械设备的 总体规模、生产能力和产品的技术水平仍与国际大公司的产品相距甚远。发达国家在木 材加工领域已基本实现数控化生产，从而使木制品的品类、精度水平和劳动生产率都得 到了大幅度的提高。在欧洲，对数控木材加工机械的研究已经走向数控加工生产线，人 造板机械的数控加工技术也发展的非常完善。数控技术己渗透到木制品加工的各个加工 工序，木制品加工的c a d c a p p c a m 集成化的发展已经具体化，家具工业已实现具体产品 的全套数控化生产呻1 。 我国的木材加工业从2 0 世纪9 0 年代初开始引进国外的数控木材加工设备，但除少 数规模较大的木工机械制造厂近年来添置了少量的加工中心和精密机床外，绝大多数企 业仍在使用比较陈旧的常规锯切加工设备。在制造工艺、质量检测等方面，技术水平还 很低，生产的产品精度不高，稳定性与可靠性都较差哺1 。 锯切是家具加工的首道下料工序，家具锯切类设备主要包括细木工带锯机、板材下 料锯床、带移动工作台的木工锯扳机、木工线锯机等。我国这些锯切设备的数控化任重 而道远，目前国内仅有细木工带锯机实现了数控化，但还不能完全应用于实际生产，其 东北林业大学硕十学位论文 系统软件还不完善，生产效率几乎没有提高。生产家具时的排料、上料、自动识别路径、 最优下锯、斜下锯、空行程数控调速、进给数控调速、进锯和出锯的微调速等都应实现 计算机集中控制，这样的数控锯机才能有市场，才有实际意义阳1 。 我国的木工锯机经历了从引进设计图样到测绘仿制，再到自行设计制造等阶段，逐 渐形成了科研、生产、销售、服务、信息及人才培养的较完整体系。但高质量、高性能 的锯机高端产品依然与国外产品存在较大差距，国内生产企业在使用高端产品时还依赖 进口，在一定程度上制约了我国木工裁板锯的发展。目前，国内裁板锯具有以下特点n 们： ( 1 ) 小型化、低水平的产品占据市场大部份额。 ( 2 ) 进给方式主要要以人工给料为大多数。 ( 3 ) 控制方式上，多数采用常规电气控制，较少采用p l c 、n c 及工业控制计算机。 ( 4 ) 刀具材料不及发达国家的水平，多数采用碳钢，较少采用高速钢或硬质合金。 1 5 国内外数控裁板锯的研究进展 随着数控技术向高精度、高效率、高柔性和智能化的方向发展，大大推动了木工锯 机数控化的发展，数控裁板锯也正向数控柔性化、加工技术复合化、功能多样化和高效 率、高精度、高智能方向发展。 数控锯切下料在国际上已经形成了一个新的研究方向，数控锯切下料的开发工作是 瑞典科学院林业与林产品研究所的研究人员上世纪7 0 年代开始的，申请专利后，先后在 澳大利亚、美国、英国、北欧、德国等国推广。目前，这种设备在德国和意大利已经成 为定型产品，由于其先进性，在北欧、德国、美国和加拿大等发达国家已经普及。我国 在这方面的研究刚刚处于开发的初级阶段，即引进吸收阶段。1 9 9 6 年我国开始引进高档 数控锯切下料机，1 9 9 9 年，由于产品适应市场的需求，市场销路好，1 9 9 9 年，引进全套 德国数控下料机的工厂越来越多。 在引进国外技术的基础上，国内数控锯机也有一定的发展。上海跃通生产的数控锯 片往复锯板机，进给装置采用双滑轨自动进料装置；伺服电机与精密齿轮、齿条相配合 工作，具有较高的定位精度；气浮工作台使工作移动更轻松；人性化的人机界面设计使 操作更方便、可靠。 随着相关技术的发展，数控往复裁板锯在锯切精度方面也越来越高，一般锯切面的 直线度为0 1 - 0 5 m m 。如德国赫兹玛( h o l z m a ) 生产的这类裁板锯板材的定位精度可达 0 卜0 2 m m ；奥地利谢林( s e h e l l i n g ) 的产品可达0 1 m m ；德国安东( a n t h o n ) 公司和 意大利季班( g i b e n ) 公司生产的锯板机定位精度可达0 1 5 m m 。我国g b l 0 9 6 0 - 8 9 规定 了锯割面的直线度，试件长度小于等于3 0 0 0 m m 时为0 4 m m ；试件长度大于等于3 0 0 0 m m 时为0 6 m m ：锯割面的平行度为0 2 r a m ；作直角锯切时，1 0 0 0 m m 5 0 0 m m 幅面的板材 锯割面对角长度公差为l m m 瞄1 。 在控制方面，高级的数控裁板锯都增加了电子数字程序控制，这种数字控制的裁板 锯可以预先设定锯路宽度、所需板件的尺寸规格和数量，并以此发出指令，控制推料和 1 绪论 机床的动作。简单的可预设2 - 6 个锯切尺寸，有些容量较大。如意大利s c m 公司生产的 z 系列锯板机上使用的电子数字程序控制装置可以储存2 5 6 个锯切尺寸，每个锯切尺寸 可以重复9 9 次；德国赫兹玛公司生产的h p p 、h p l 等系列所使用的电子数字程序控制的 锯板机可存储2 0 0 - 5 0 0 种锯切尺寸，并用微机处理优化裁切方案，以此控制机床工作妇1 。 1 6 研发背景和开发意义 数控锯切技术是集数控最优排料、数控双向锯切、加工模拟、自动装卡、除尘、出 材率于一身的新技术。根据家具、人造板加工、塑料板材下料经常出现自动排料难的特 点有必要开发一种针对人造板、木材的数控锯切设备。本设备的开发是基于下锯优化的 理论研究，结合裁板锯数控下料加工环节的具体要求设计开发的板材优化下料软件系统 和数控双向裁板锯加工设备。其融合先进的计算机辅助优化下料技术，实现优化排料、 最优下锯、空行程数控调速、进给数控调速、进锯和出锯的微调速等功能 通过对该设备及相关技术的研究开发具有重要的意义： ( 1 ) 缩短国内外之间的差距，提升木工机械的数控化程度：我国的整个木工机械行 业数控化程度不到5 ，锯切设备的数控化程度更低，而国外同类产品数控化已达到7 0 以上。开发此设备可以提高中小企业的加工质量，彻底解决手工下料的问题。使我国可 在一定时期内普及数控下料机。 ( 2 ) 实现了传统的优化下料技术与数控加工技术的结合：数控双向裁板锯设计及下 锯优化研究，使传统的优化下料技术与数控a n - r _ 技术相结合，可以构建面向数控加工的 下料优化系统。将计算机技术应用于下锯优化环节，大大提高了裁板锯切加工设备的智 能化和可视化。 ( 3 ) 该设备具有先进的技术和广阔的市场前景：数控双向裁板锯可自动化地、高出 材率地、无人为误差地、大批量地数控锯切木材、人造板、塑料类板材。大大提高了原 材料利用率，降低生产成本和能源消耗，防止资源浪费。解决下料工序数控化低的问题。 在能源短缺和构建资源节约型社会的背景下，这种设备的研究与开发必然在家具制造、 人造板加工等产业有着广阔巨大的市场空间和经济效益。 技术的先进性使数控锯切设备易于推广。目前国内的数控成本已经降低，进行数控 化普及可以让很多厂家接受。这对提升国内数控裁板锯设备技术含量，增加高额附加值， 缩小与国外的差距，增强我国板材锯切设备在国际上的竞争力及其进一步提高我国整个 木工机械行业技术水平都具有一定的研究价值。 1 7 市场需求和经济效益预测 我国是一个木制品生产大国，目前家具年产量位居世界第一。随着我国森林资源供 应同趋平稳，对木制品数控锯切下料需求越发紧迫。通过该设备的研制，可使板材下料 精度和出材率进一步提高。因此数控双向裁板锯及其下锯优化的研究具有巨大的经济价 值，数控裁板锯采用下锯优化技术中，具有投资低、设备适应强、产品成本低，节约能 东北林业大学硕l ：学位论文 源等优点。同时，利用数控化普及的趋势，大幅度降低制造成本，使其可以面向以木制 品生产为主的中小企业，扩大市场，实现最优的加工效益，进而带动相关木制品工业的 发展。因此，数控双向裁板锯及其下锯优化的研究应该具有广阔的市场前景和经济效益。 1 8 论文研究主要内容 ( 1 ) 介绍传统板材锯切设备的原理和发展现状，并分析各种传统板材锯切存设备存 在的主要问题。详细了解国内外数控裁板锯的发展现状和新的研究进展，通过上述了解 对数控双向裁板锯的市场需求和经济效益进行简单的预测分析，明确开发此设备的方向 及目的意义所在。 ( 2 ) 介绍数控裁板锯切技术；分析讨论数控双向裁板锯总体布局的基本要求、影响 总体布局的基本因素、坐标系和运动方式的确定；确定数控双向裁板锯的总体布局方案； 确定主传动系统和伺服进给系统的方案；简单介绍数控双向裁板锯数控系统硬件电路设 计和软件设计；并详细分析数控双向裁板锯机械系统的组成及各组成部分的功能，并说 明机床的规格及主要的技术参数。 ( 3 ) 研究主运动系统传动机构的设计，重点设计主锯的结构及相关的主要设计参数， 并对锯切加工过程的主副锯切削力、主副锯切削功率进行计算，以此作为主副锯电机的 选择依据；其次研究数控双向裁板锯进给系统传动机构的设计，设计进给系统传动链的 组成及传动链设计计算，包括齿轮和齿条的设计、直线导轨副的设计及蜗轮蜗杆副的选 择；分析介绍步进电机控制方案和控制原理，着重步进电机的特点、步进电机的选型等； ( 4 ) 介绍圆锯片的结构和切削性能，分析锯片在锯切加工中出现的夹锯现象及解决 方法，并结合数控双向裁板锯结构和加工方式明确在纵横锯切时应该注意的问题和锯切 加工工艺分析的主要内容，介绍锯切表面粗糙度的评定办法和表面粗糙度的影响因素。 ( 5 ) 介绍常用的下料优化算法，并应用启发式算法的思想提出针对数控双向裁板锯 的下锯优化的排样规则、约束条件、数学模型、算法的描述与流程，应用v i s u a lc + + 6 0 实现该算法的软件设计。通过实例计算和对下料利用率影响因素的分析，可以得出本算 法较好地解决数控双向裁板锯一刀切约束条件下的二维矩形件优化排样问题，能够获得 较高的板材利用率。 ( 6 ) 介绍p r o e 在运动仿真方面的功能和特点，对数控双向裁板锯进行了运动仿真 分析，包括实体建模、建立运动仿真模型和获取分析结果，通过仿真分析用以发现设计 中的缺陷和潜在问题，提前进行改进和完善。 2 数控双向裁板锯的总体设计研究 2 数控双向裁板锯的总体设计研究 2 1 裁板锯切技术 2 1 1 板材锯切技术 现代精密的锯切技术一般以使用硬质合金锯片锯切木材。采用新型木材刀具材料大 大提高了刀具寿命，节省了维修时间，既提高了锯切效率，又提高了锯切质量。为了节 省木材，提高木材利用率和锯切效率，各种锯刨合一的刨削锯片相继问世。这一时期木 材锯切理论口益成熟，形成了较完善的理论体系，各种新型锯子不断涌现，木材锯切技 术应用范围扩展到木材刨削加工领域，。 其中锯切技术也是围绕着锯切效率、锯切质量和锯切效益的提高而发展，即围绕如 何提高锯切速度和进给速度，如何使锯切表面平整光滑，如何节省木材，提高木材利用 率，如何降低锯片的制造以及维护费用，如何改善作业环境等问题展开。主要在以下几 个方面展开研究：锯齿材料研究：减小锯路损失研究；提高锯切表面质量研究；锯切表 面粗糙度影响因素研究；降低噪声研究；锯切功率影响因素研究等】。 2 1 2 数控裁板锯切技术 裁板锯是人造板行业是重要的制材设备，近年来随着人造板需求量和制造量的大幅 提升，相对应的人造板锯切设备也有相应的发展，并形成了一定的规模。但大多的裁板 设备如圆锯机，推台锯等大都采用单机作业，手工或半自动化操作。完全的自动化的数 控裁板锯的普及还远远没有达到。针对我国数控裁板锯切技术研发落后、自动化程度低， 制材出材率低等问题，目前的数控裁板锯切技术结合计算机技术、自动控制技术、传感 技术等，力求达到锯切高精度、锯口高质量，生产及出材高效率；控制自动化、模块集 成化、操作可视化。 首先，在机床机械设计方面，多采用利于保证精度，质量和寿命的机构和材料。如 强度高刚性好的机身设计，齿轮齿条的驱动设计，先进的合金锯片等。 其次，在控制方面，多采用p l c 和计算机上下双位机控制。广泛应用数字控制，气 压控制和传感检测等。 第三，在优化方面，数控裁板锯都配备锯切优化系统及锯切型式、锯切过程的即时 显示系统等。可以连续跟踪锯切的型式，计算出板材数量以及随时编辑等功能。 2 2 数控双向裁板锯的总体布局 数控机床总体布局主要是指将机床各功能部件通过一定的方法连接起来。机床的布 局应根据数控机床加工所需的运动个数、运动性质，考虑实现运动简便容易，机械结构 紧凑，便于操作、使用、维护、修理；便于制造、装配、调试。其主要内容有：确定机 床形式，机床的主要零部件及其相对位置关系等。 东北林业人学硕j ：学位论文 2 2 1 总体布局的基本要求 机床布局与加工毛坯的形状，尺寸；毛坯在装料，加工与卸料时的状态：刀具型式 以及它与毛坯相对位置等因素有关。概括起来，布局的基本要求要从以下三方面考虑n2 | ： ( 1 ) 符合满足技术经济的要求，包括以下五点 符合生产要求：机床的布局设计首先要能保证机床能够按预定要求锯切所需板 材，并且符合板材锯切的工艺流程。 0 符合精度要求：机床各零部件的设计、选购、安装和调试要满足机床基本加工精 度的要求，使锯切后的板材达到所需精度。 零件的数量最少：在满足上述两项要求后，机床的布局和设计应使所用零件最少， 减少机床加工成本，减轻机床重量。 占地面积最小：机床的外形结构尺寸应尽量小，以使机床占地面积最小，节约空 间，也有利于融合板式家具生产线和柔性制造系统之中。 易于融入自动线：机床的布局应使各种控制线路有足够的空间，并且利于操作。 ( 2 ) 符合满足使用要求，符合人机工程学的要求，维修方便，安全。 ( 3 ) 美学要求：工艺设备应具备外形美观，即运用艺术创造思想，对它的表面形状， 零件构造以及色泽的选择等方面加以充分考虑，使制品呈现美感。 2 2 2 影响数控双向裁板锯总体布局的基本因素 在满足上述总体布局的基本要求的基础上，数控裁板局的总体布局还应具体考虑以 下基本因素u 引。 ( 1 ) 锯切路线和锯切方案的影响：不同锯切加工路线往往采用不同的加工方式，从 而板材表面形成的锯路的形式和数目也就不同，并导致布局的差异。相同锯切路线，由 于工件的技术要求和生产率要求等不同，也可以采用不同锯切方式，从而形成不同的布 局。因此，锯切的工艺顺序和锯切路线直接决定了数控双向裁板锯的布局形式，是影响 数控双向裁板锯布局的决定性因素。因而，在数控双向裁板锯布局时应根据板材的加工 要求和锯切的方案，综合地考虑加工工艺，以期做出具有较好技术经济效果的布局设计。 ( 2 ) 运动分配的影响：加工路线和板材技术要求的不同，使数控双向裁板锯的运动 分配不同。对于同一种运动分配的布局，由于导轨的布置及其它结构形式的不同，也将 使数控双向裁板锯的布局出现变化。在分配裁板锯的运动时，一般应注意以下三点： 移动和转动部件的重量应尽量轻。在其他条件相同的情况下，移动和转动部件的 重量越小，所需电机功率和传动件的尺寸也越小。 0 悬臂部件的悬臂长度应在满足要求的情况下尽量短，有利于提高机床刚度。 应有利于提高加工精度和数控裁板锯的整体刚度。 ( 3 ) 工件的尺寸、厚度和形状的影响：工件的尺寸、厚度和形状不同，数控双向裁 板锯的布局也会有很大差异。另外，还应考虑数控双向裁板锯性能要求的影响，如振动、 噪声、热变形、刚度和抗振性等的影响等。 2 数控双阳截板锯的总体改汁研究 2 2 3 坐标系统的确定 建立数控机床啦标系是确定数控机床刀具、1 i _ ：中t - 之m 相对位置的关键。统一规定数 控机床华标轴的名称及j e 运动的j f 负方向，町使编程简单并叮保证i d 求数据的互换性。 日前，我幽执行数控标准j b t 3 0 5 1 1 9 9 9 。该标准规定了刀具k l l x , t f 静止工件而运动的 腺则，即无论足j 具运动i ：f t = 固定，还足刀具固定：i ：件运动的情况，一律规定为：l 件固 定，川具运动。 该标准规定，数控机床采用右手直角笛卡尔坐标系，如图2 一l 所示。基本直角坐标 轴x 、y 、zi 者的关系及其正方向按右手定则判定，围绕x 、y 、z 各轴作旋转的轴a 、b 、 cj 者的正方向按右手螺旋法则判定。该标准还规定，增大工件与刀具之间距离的方向 为j f 方向；z 轴为平行于机床主轴的坐标轴，若机床无主轴，则z 坐标垂直于工件装央 面：x 轴为水平或平行于工件装央面的轴，其余各轴根据右手定则和右手螺旋法则判定。 数控双向裁板锯的坐标系统也采用右手直角笛卡尔坐标系。基本坐标系为x 、y 、z 和c 。z 轴j i - 1 方向为垂直装央面向上，x 轴j 下方向平行于主要切削方向，y 轴j f 方向根据 右手定则判定，c 为绕z 轴旋转的坐标方向，如图2 - 2 所示。 图2 1 彳i 手直角笛卡尔坐标系图2 2 数控双向裁扳锯坐标系 2 2 4 运动方式的确定 数控机床按其进刀与工件相对运动的方式，叮以分为点位控制、直线控制和轮廓控 制。数控双向裁板锯属于威线控制的数控机未，a 1 j o t 床的运动部件不仪要实现一个坐标 f 移置到另一个位置的精确移动和定位，i 面目能实现平行十坐标轴的直线进给运动或控制 两个 佟标轴实现斜线进给运动。其中锯切斜直线时具订两坐标联动的直线插补运算功能， 即两点问沿着汽线的点群来逼近，沿此直线控$ , l j j 具的运动。 2 3 总体布局方案 通过f ：述分析州以知道，我们在对数控机床进行总体枷局没计时，一方面是要考虑 机脒的加i ：胤理，f ：! | j 机木择部件的, f l l x , l - 运动关系。结合考虑+ i ：f t 的形状、尺、j , f l i f l 胃等 豢，米确定行一卜喽部什之m 的, f l l x , i , l 筲天系和配霄。乃一方嘶还要伞面考虑机术的外 部冈豢，_ 虫i i 外观造7 纵操作维修，乍产竹理和人机父系等i u j 题。总体设汁方案如图2 一：3 j 听，j ，j 乓总体结构陈身、进料二、定化系统、纵横向瓜紧系统、龙门移动进给结构、 ni ，g 东北林业人学硕士学位论文 悬臂移动进给机构、9 0 。回转台、升降锯座以及配备的电器控制系统等部分组成。其中， 龙门框架采用的是整体龙门的设计概念，即把横梁与左右立柱设计成一体，虽然使铸造 和装配调整时的难度加大，但整体龙门框架的刚性好，更重要的是可以做为横向进给悬 臂机构、回转台等部件的装配基准n 引。 数控双向裁板锯运动的实现过程是：纵向( x 向) 锯切是由悬臂移动机构通过步进 电机驱动齿轮齿条副沿龙门横梁上的直线导轨移动将锯座移动到锯切位置，再由龙门进 给机构通过步进电机驱动齿轮齿条副沿床身上的直线导轨进行锯切；横向( y 向) 锯切 是由龙门移动机构通过步进电机驱动齿轮齿条副沿机身上的直线导轨移动将锯座移动到 锯切位置，再由悬臂进给机构通过步进电机驱动齿轮齿条副沿龙门横梁上的直线导轨进 行锯切：也可通过二者的插补进行斜直线锯切。纵横向锯切的转换是通过回转台回转9 0 度实现的。锯座返回或空行程时锯座升起，以防锯片划破板材或与其他装置干涉。纵向 和横向锯切时其对应的压紧系统应压紧板材。整个锯切过程板材始终保持位置不动。 图2 - 3 机床总体布局方案 2 4 主传动系统和伺服进给系统方案的确定 数控双向裁板锯运动系统主要包括主传动系统和伺服进给传动系统。 2 4 1 主传动系统 主传动系统是用来实现机床主运动的，主要包括电动机、传动系统和主轴组件。数 控双向裁板锯主传动系统的设计要满足如下要求n 引：主副锯片的主副轴有一定的转速， 能够实现运动的开停、换向和制动；主