中小型自动木板裁板机结构设计

中小型自动木板裁板机结构设计

摘要

在木材的切割、家具的制作以及木质的雕刻等多个工作领域中，常常需要使用木

板裁板机来裁剪木质板材C由于木材种类繁多，形状复杂，传统木板切割形式主要是由

人工使用手工工具来完成的，这种切割方法不仅成本高，而且工作效率也相对较低，企

业需要投入大量的人力和物力资源。同时，随着现代工业的发展，人们对加工精度提出

越来越高的要求，传统的手动锯床己不能满足这种需求，因此开发一种高效率的木工专

用切割机成为当务之急。本课题设计一款全中小型的自动化木板裁板机，该装置具有自

动上料，自动定位夹紧及切割功能，能实现连续化生产。

本课题设计一款中小型自动木板裁板机，集木板夹紧定位、压紧、切割于一体，包

括调节机构、压紧机构、裁板机构等组成。在开始设计之前，我们需要深入分析设计的

原因，明确当前木板裁板机研究中的优缺点，并在仔细研究后，确定一个最合适的生产

流程。随后，我们对关键部件进行了选型计算和验证，确保它们满足使用标准，并对生

产流程进行了简化。在制定了整体设计方案后，我们使用三维模拟软件对其进行了仿真

分析，以防止部件之间的相互干涉。基于这些仿真结果，我们进一步模拟了该机构的运

动状态，确保了其工作流程的流畅性、可靠性、安全性，以及操作的便捷性和高效性。

关键词：自动木板裁板机；工作效率；三维建模；平稳运行；

Structuraldesignofsmallandmedium-sizedautomatic

woodcuttingmachine

Abstract

Inmanyfields,suchaswoodcutting,furnituremakingandwoodcarving,itisoften

necessarylousewoodcullingmachinetocutwoodplates.Becauseofthevarietyand

complexshapeofwood,thetraditionalwoodboardcuttingismainlydonebymanualtools.

Thiscuttingmethodisnotonlyexpensive,butalsorelativelyinefficient,andenterprisesneed

toinvestalotofhumanandmaterialresources.Atthesametime,withthedevelopmentof

modernindustry,peopleputforwardhigherandhigherrequirementsformachiningaccuracy,

andthetraditionalmanualsawingmachinecannolongermeetthisdemand,soitisurgentto

developanefficientspecialcuttingmachinetorwoodworking.Ihispaperdesignsasmalland

medium-sizedautomaticboardcuttingmachine,whichhasthefunctionsofautomaticfeeding,

automaticpositioning,clampingandcutting,andcanrealizecontinuousproduction.

Inthispaper,asmallandmedium-sizedautomaticboardcullingmachineisdesigned,

whichintegratesboardclamping,positioning,pressingandcutting,includingadjusting

mechanism,pressingmechanismandboardcuttingmechanism.Theutilitymodelcanreduce

thelaborintensityofmanualwoodcutting,whichisbeneficialtoliberatingpeopleshands,

andthesystemhassimplestructureandhighdegreeofautomation,andhasapplicationvalue

inwoodproductionenterprises.Beforestartingthedesign,weneedtodeeplyanalyzethe

reasonsforthedesign,makecleartheadvantagesanddisadvantagesofthecurrentresearchon

boardcuttingmachine,anddeterminethemostsuitableproductionprocessaftercareful

research.Subsequently,wecarriedoutin-depthselectioncalculationandverificationofkey

componentstoensurethattheymeettheusestandards,andoptimizedtheproductionprocess,

thussimplifyingtheworkflowandreducingtheprocessingtime.Aftermakingtheoverall

designscheme,weusethree-dimensionalsimulationsoftwaretosimulateandanalyzeitto

preventthemutualinterferencebetweencomponents.Basedonthesesimulationresults,we

furthersimulatedthemotionstateofthemechanism,ensuringthefluency,reliabilityand

safetyofitsworkflow,aswellastheconvenienceandefficiencyofoperation.

KEYWORDS:Automaticboardcuttingmachine;Workefficiency;Three-dimensional

modeling;Smoothoperalion;

目录

1.绪论...............................................................1

1.1课题的研究背景和意义.........................................1

1.2国内外的发展现况与趋势........................................1

1.3本课题研究内容..................................................2

1.4课题研究方法....................................................2

1.5本章小结.......................................................3

2.整体方案设计及结构组成.............................................4

2.1研究思路.......................................................4

2.2各部件结构设计.................................................4

2.3整体结构组成..................................................7

3.中小型木板裁板机设计计算...........................................8

3.1电机的选型及计算..............................................8

3.2齿轮齿条的选型计算.............................................9

3.2.1传动方式概述..............................................9

3.2.2齿轮齿条的设计计算.....................................10

3.3气缸的选型计算...............................................13

4.零件建模与装配....................................................19

结论与展望...........................................................22

参考文献.............................................................23

致谢.................................................................25

1.绪论

1.1本课题的研究背景和意义

在木板切割的生产过程中，传统的手工操作方式存在许多问题，如效率不高、

劳动强度大、安全性不足和成本过高。这些问题已经不能满足当前木板加工的需

求，因此，采用自动化木板裁板机来替代传统的切割方式变得迫在眉睫，相关的

研究和开发也在持续进行中。

本科课题设计一款能够自动切割木板的设备，该自动木板裁板机拥有高度的

自动化和较少的人工干预，用户只需将板材放置在工作台上，并按下开始按钮，

裁板机就可以按照预定的程序进行操作，从而实现对木板的裁板作业。该自动木

板裁板机还具备手动切割与自动切割两种模式，当工人选择一种模式时，系统会

控制电机启动，从而带动锯片旋转切割出所需大小的木板。这个装置的自动化水

平相当高，整个切割过程完全依赖于机器本身完成,这不仅显著提升了工作效率,

还避免了大量的人工消耗。此外，该装置功能相当全面，能够在各种环境下进行

切割操作。本实用新型属于机械制造领域，主要应用于生产加工行业中木板裁剪

方面的技术领域。通过对木板裁板机的研究和开发，我们希望能够最大限度地替

代生产线上的劳动力，从而显著提高工作效率。这不仅可以将劳动力转移到更多

需要的岗位，还可以帮助人们摆脱日益加重的工业劳动负担，摆脱人工劳动和机

械自动化操作的限制，从而推动国家的经济发展。同时，也为国家节省了人力成

本，降低了生产成本，具有一定的经济效益。加强裁板机的研究对于提升我国的

自动化制造技术、推动整个制造业的进步、促进产业的升级和整体经济增长都具

有深远的影响。

随着全球经济的持续增长，尽管受到了疫情的冲击，全球的自动化设备销售

仍在稳步上升。自动化机械产业在国家经济中扮演了关键角色，其发展势头日益

迅猛。这不仅降低了劳动力的劳动强度，同时也增强了企业的生产效益并减少了

生产成本。目前，我国已经成为工业大国，但与发达国家相比还有很大差距，尤

其是在自动化方面还存在一定不足。因此，如果我们希望增强我国的经济能力并

在全球竞争中获得优势，那么对我国的自动化机械制造技术的进一步提升是不可

或缺的。当前，随着社会科学技术水平和工业制造工艺的不断进步与完善，我国

自动化行业得到快速发展，尤其是在电子信息技术等先进领域更是有很大进步。

随着科技的不断创新和突破性的进展，自动化产业正逐渐进入市场，这也使得市

场对自动化智能机械提出了更高的标准。

1.2国内外发展现状与趋势

自动化裁板机是木板加工行业中自动化设备的一种，它的研发受到了国内外

1

科研人员的高度关注。得益于西方国家科研人员的持续努力和各国环境科技部门

的大力支持，自动化裁板机从国外的机械技术起步，逐渐走向成熟。目前，德国

和美国是裁板机使用最广泛的国家，他们在裁板机的研发过程中，非常重视先进

技术的应用，如五轴数控技术和自动化技术等，这使得裁板机的性能得到了显著

的提升，为工业生产提供了有力的保障。同时，我国也有不少学者和专家对裁板

机进行过大量的理论分析，并将其成功的引入中国的实际工程当中，取得了很好

的成效。因此，裁板机的应用范围在整个行业中得到了扩展，从而使得最终产品

的质量和卓越性都得到了提升，满足了制造技术和装备的品质标准。本文将针对

我国自动化裁板机系统发展现状进行分析并提出相应建议，以期能够更好地为我

国企业提供参考依据。关于自动化裁板机的设计，其初衷是为了节省人力资源和

降低企业的生产成本。国外的工程师们从第一代自动化裁板机的研发开始，就己

经在实际应用中识别出了存在的问题，并根据这些问题进行了持续的改进和更新。

最终，他们成功研发出了一款能够满足企'也生产需求的自动化裁板机，以促进企

业生产效率的提升，并为社会的持续进步做出了积极的贡献。

尽管我国是木板制品的主要消费国，并且生产规模相当大，但关于木板切割

设备和机构的研究却相对较少，多数情况下仍然采用传统的人工切割方式。在国

外发达国家，裁切技术已相当成熟，其机械化程度高、效率高。随着我国社会的

持续进步，国内对自动化裁板机的需求也日益增长。由于目前国内还缺乏专门设

计制造自动化裁板机床的专业厂家，因此大部分国产数控裁板机都是从国外进口

的。虽然国外的裁板机技术比国内更为先进，但我国仍然具备与国际标准接轨和

超越的能力。在初期的研窕中，我们使用的裁板机是半自动化的机械设备，满足

了生产和使用的基本需求，但尚未达到完全自动化切割的标准。由于受当时技术

条件所限，裁板速度低，精度差等问题始终未能解决，使得我国在国际上一直处

于领先地位，并长期占据世界主要市场。随着我国经济的持续增长，科技和技术

水平也得到了普遍提升。因此，企业对生产效率有了更高的期望。为了满足木板

自动化切割的需求，越来越多的机械工程师开始投身于自动化裁板机的研究。科

研人员也投入了大量的研究资源，以开发出更符合企业生产需求的自动化裁板机

产品，这无疑进一步推动了机械行业的持续发展。

L3课题研究内容：

本研究课题旨在追过对国内外自动化裁板机发展历史的深入研究和分析总

结，来设计一款适用于中小型自动木板裁板机,提高生产加工的工作效率和质量。

该研窕的核心内容涵盖了如定位装置、夹紧装置和裁板装置等，旨在实现木板切

割过程的自动化操作、解决目前木板切割过程中人工操作效率低下和劳动强度高

的问题，帮助人们释放双手。随着经济和科技的快速发展，社会对木材加工提出

了更高要求，传统手工制作木板已经不能满足市场需求，而采用机械化生产是必

2

然的趋势。我们对中小型自动木板裁板机的主要研究内容如下：

(1)鉴于我们在早期对自动化木板裁板机的认识相对有限，我们首先需要对

其有一个基础的认识，有许多可能的方法和途径，例如：到图书馆查有关资料文

献和上网查有关信息，尽可能熟悉整个自动化木板裁板机。

(2)本研究深入探讨了自动化木板裁板机在全球范围内的历史进程和当前

的发展状况，并对其未来可能的发展方向进行了预测。基于这些分析，我们总结

出设计的自动化木板裁板机应满足现代社会的需求，特别是在提高自动化水平、

操作便捷性和效率等关键领域。

(3)进行自动化木板裁板机的整体方案设计，然后进行各结构部件设计，将

所学的机械设计的相关原理应用到设计中，论证是否符合实际要求。

(4)运用三维设计软件进行辅助设计，在设计的过程中，结合生产实际条件

进行不断的修正。

(5)根据实际木板切割时作业工况，进行详细的设计计算，对电机、齿轮齿

条、气缸等进行选型校核，保证设计的零部件满足使用要求。

1.4课题研究方法：

(1)收集、阅读、分析和运用各种资料，手册等科技文献。

(2)调查及实测法。调查研究现在市面上存在的自动木板裁板机及用户的使

用情况，了解我们所要设计的自动木板裁板机需要满足的作业场地及需要满足功

能等基本参数。

(3)理论联系实际开展整机方案设计。依据木板切割相关工艺要求，设计整

机结构，确定了自动裁板机的关键部件：定位机阂、夹紧机构、裁板机构等。

(4)三维仿真设计。通过方案制定后，对关键部进行三维仿真设计，将方案

通过三维立体的形式进行形象体现。

(5)二维CAD图纸绘制零部件加工生产图。

通过一系列的研究方法，既有理论与实际的相结合，又有详细的设计计算过

程及三维二维的设计论证，最终完成自动木板裁板机的设计。

1.5本章小结

首先，我们探讨了中小型自动木板裁板机的研究价值和关键性。通过学习和

研究国内外的自动裁板机，深入了解了它们的工作机制和主要结构，经过分类和

比较，确定了最佳的研究方向，并据此制定了整体的设计方案。本研究以中小规

模的自动木板裁板机为对象，旨在解决传统手工裁切木板的低效率和高劳动强度

问题，从而减轻人工裁切的劳动负担，并为释放人们的双手提供了有益的贡献。

3

2.整体方案设计及结构组成

2.1研究思路：

先制作整体方案简图，如图2-1所示:

123

图2-1整机方案简图

如图2-1所示，中小型自动木板裁板机主要有：1.裁板机构、2.压紧机构、3、

定位机构。

定位机构3的作用实现木板的定长调节，首先在控制系统中输入所需要裁

剪后木板长度，通过电机驱动齿轮齿条传动，在导轨滑块的导向作用下，将定位

板移动到固定的位置布木板进行定位。压紧机构2的作用实现对木板的压紧固定,

方便裁板机构对木板进行裁剪。确定裁剪长度的木板通过压紧机构进行压紧，由

压紧气缸提供下压动力，通过导向轴的导向作用，带动压紧板向下压紧木板。裁

板机构1的作用完成走木板的裁剪，电机驱动裁板刀旋转，完成对木板的裁剪作

业。

2.2各部件结构设计

(1)定位机构：

4

图2-2定位机构

如图2-2所示，定位机构主要有：1.电机、2.驱动齿轮、3.定位溜板、4.

齿条、5.直线导轨、6.木板、7.木板定位板。

电机1为定位机构移动提供动力，驱动齿轮2直接固定在电机上，电机的转动

带动驱动齿轮旋转，驱动齿轮与齿条4啮合在一起，同时通过直线导轨滑块5的定

位导向作用，带动定位溜板3在水平方向移动。定位溜板对定位机构起到支撑的

作用，由铝板一体加工而成，结构强度高。木板6通过木板定位板7进行定位，定

位板由铝板一体加工而成，结构强度高，木板定位板固定在定位溜板上，随着定

位溜板的移动而移动，从而可以定出待裁板的木板的长度。

(2)压紧机构组成:

图2-3压紧机构

如图2-3所示，压紧机构主要有：1.支撑平台、2.压紧机构支撑架、3.直线轴

承、4.导向轴、5.压紧板、6.气缸等组成。

5

压紧机构的作用实现对木板的压紧固定，方便裁板机构对木板进行裁剪。压

紧机构由气缸6提供压紧力，气缸固定在压紧机构支撑架2上，另一端连接压紧板。

气缸的向下运动同时，通过直线轴承3及导向轴4的导向作用，带动压紧板对木板

进行压紧。压紧机构支撑架主体由40*40*1.5钢管一体焊接而成，上部焊接气缸

的固定板，结构强度高。压紧板同样由钢管一体焊接而成，在方管支架底部焊接

压板，通过压板对木板进行压紧作业。压紧机构整体固定在支撑平台1上，支撑

平台主体同样由钢管一体焊接而成，顶部焊接固定板，用于固定裁板机构、压紧

机构、定位机构等。

(3)裁板机构

321

图2-4裁板机构

如图2-4所示，裁板机构主要有：1.齿条、2.驱动齿轮、3.移动电机固定板、

4.移动电机、5.裁板电机、6.裁切刀、7.裁板电机固定板、8.直线滑块、9.直线

导轨。

裁板机构的作用完成对木板的裁翦，由两部分构成，一为横向移动机构，二

为裁剪机构。横向移动机构实现裁剪机构在横向的移动，从而可以将整板木板进

行裁剪；裁剪机构实现刀片的旋转，进而对木板进行切割。

移动电机4为裁板机构在横向运动提供动力，电机固定在电机固定板3上，电

机固定板由铝板一体加工而成，结构强度高。驱动齿轮2直接固定在电机上，电

机的转动带动驱动齿轮旋转，驱动齿轮与齿条1啮合在一起，同时通过直线导轨

滑块8的定位导向作用，带动裁板机构在水平方向移动。裁板电机5直接与裁切刀

固定在一起，电机的转动带动裁切刀转动，从而完成对木板的裁剪作业。

6

2.3整体结构设计

4

图27整机结构组成

如图2-7所示，中小型自动木板裁板机主要有：1.裁板机构、2.压紧机构、3、

定位机构。

定位机构3的作用实现木板的定长调节，首先在控制系统中输入所需要裁

剪后木板长度，通过电机驱动齿轮齿条传动，在导轨滑块的导向作用下，将定位

板移动到固定的位置走木板进行定位。

压紧机构2的作用实现对木板的压紧固定，方便裁板机构对木板进行裁剪。

确定裁剪长度的木板通过压紧机构进行压紧，由压紧气缸提供下压动力，通过导

向轴的导向作用，带动压紧板向下压紧木板。

裁板机构1的作用完成对木板的裁剪，电机驱动裁板刀旋转，完成对木板的

裁剪作业。

7

3.中小型自动木板裁板机设计计算

3.1电机的选型及计算

1、电动机的分类及计算：

步进电机的优点：其控制方式简洁，低速时的扭矩较大(与去年相比)，且

成本相对较低；具有良好的应用前景和经济效益。

缺点：其控制的精确度相对较低，当使用开环控制策略时，只需投入一个脉

冲步进电机来调整固定的角度，但转速并未被明确设定。当系统中的速度传感器

发生故障或测速电路出现问题时，就会产生较大的误差，使控制系统无法正常工

作。当转速逐渐增加时，转矩会相应地减少。

伺服电机是闭环控制(由编码器的反馈等来实现)，即会实时测定电机的速

度，控制精度高，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。

2、伺服电动机选型计算:

由于定位机构的精度要求较高，普通的三相异步电动机很难保证传动的精度

要求，综合考虑选用伺服电机进行驱动，伺服电机控制精度较高，可以转速可以

进行调节。定位固定板的重量约为20kg,定位移动速度速度为35m/min=0.58m/s,

直线导轨的摩擦系数为0.02,下面对电机的功率进行计算。

(1)齿轮齿条输送所需的功率计算:

P=Fv=jumgv=0.8x20xl0x0.58x93W

齿轮的传递效率为0.95,取电机安全系数为1.8,可以计算出电机的功率为

P93

P,=K-=1.8x——F76W

〃710.95

初步选择齿轮的齿数z=40,模数2模，这样可以计算出齿轮的分度圆直径

/9=40x2=80/77/7?

电机转矩T(N.m),压辐挤压力力F(N),

齿轮分度圆半径r(m),传动效率no

T=Fr//7=O.8x20xlOx0.58x0.08/0.95/2=3.9N.m

已知切削速度为35m/mi

8

lOOOv1000x35

x139.3/7min,

*JCD-3.14X80

选用日本安川伺服电机90ST-M02430,电机转速1500r/min,电机的额定功

率为0.37KW大于计算出的功率E/=O.I76KW,减速比为1：10。

输出的额定转速"wi=150>nm=139.3/7min

减速电机的输出扭矩加xi-4.3%切>7-3.9尺相

因此所选电机满足设计要求。

3.2齿轮齿条的选型及计算：

321传动方式的概述：

在现代机械设备中，传动机构的使用已经变得不可或缺。这些传动机构的主

要目的是为了连接并实现特定的功能。因此，传引部件在整个机械结构中的由色

变得尤为关键，它们还决定了整个机构是否能够保持稳定运行。因此，传动机构

的选择应综合考虑工程的实际需求、用户的需求以及成本等因素。目前，装置中

普遍采用的传动方式包括齿轮运动、蜗轮蜗杆运动、链传动、带传动和同步传动

等。我们对这个机构进行了全面的评估，并对其优势和劣势进行了对比，以下是

详细介绍：

1）齿轮的运动

齿轮运动比较普遍

优点：达到了较高的传动比和稳定的齿轮传动效果

缺点：制造过程相当复杂，并且制造成本也相对较高

2）蜗轮蜗杆的运动

蜗轮蜗杆是为需要降低速度的工作场所设计的，它主要由两大部分构成：蜗

杆作为主要的组件，而蜗轮则作为辅助的从动组件。由于这两种齿轮均具有良好

的承载能力和传动平稳性，因此可以采用它们来替代传统的齿轮机构。这一设计

方案尤其适合于两个轴在三维空间中相互交织的应用场景。

蜗轮蜗杆减速器的性能：

1、蜗轮和蜗杆主要适用于需要较大传动的工作环境，其传动比通常在10-80

之间，这种高传动比也有助于实现结构的紧凑性；

2、蜗轮和蜗杆的运行非常稳定和可靠，而且其驱动机制具有自动锁定的功

能；

3、缺点：传动效率较低

9

4、蜗轮蜗杆的一个明显缺陷是其制造成本相对较高，主要原因是其主要使

用的是青铜材料。由于青铜可以减少摩擦，所以蜗轮蜗杆在工作时会产生较大的

摩擦和热量，这也导致了铸铁材料的发热量过高，从而缩短了其使用寿命。

3)链传动

链传动的三要素：主动轮、从动轮和链。

链传动的特点主要有：

1、中心的距离较大，因此传输的距离也相近较远；

2、它的设计既简洁又不复杂，安装和保养都很便捷，而且成本也相对较低；

3、能够创造出高速的动力传输环境；

4、有多边形影响；

5、经过一段时间的使用后，务必进行张紧操作，以防止对轴和轴承产生过

大的压力，该项目是专门为链传动设计的。

4)同步传动

同步带的动力传递是通过齿形啮合来实现的，这样可以确保动力的平稳传输。

同步带传动特点：

1、由于同步带是通过齿轮啮合来传输的，所以它的传动过程非常流畅且准确；

2、由于同步带的平稳传动，传递的噪声相对较低；

3、不需要额外的润滑和维护，操作简便，成本也相对较低；

4、具有高传动比和高传动功率；

5、同步带能够实现远程传输的功能；

其不足之处在于难以开始生产，且成本相对较高。

由于定位机构传动时稳定性要求较高，结构紧凑，因此本课题选择齿轮齿条

传动方式。

3.2.2齿轮齿条的设计计算

本文所设计的齿轮齿条传动主要是用于定位机构在水平方向的移动，能够

保证其可靠与高效的传动，从而实现定位机构对于木板的准确定位。

选定齿轮的精度、材料以及齿数：

1.初齿轮齿数乙=40。

2.按齿面接触强度设计

由设计计算公式进行计算，即

2

KJi〃+1'ZJ

d=N2.32；[匕〃]J

(1)确定公式内的各计算数值

10

1）试选载荷系数K1=1.3。

2）计算小齿轮传递的转矩。（预设齿轮模数m=2mm）

,9550000P9550000x0.37一八，

7,=--------L=------------=23556.6N•nun

%150

3）查⑷选齿宽系数%=0.31；弹性影响系数ZE=189.8MP〃"

小齿轮的接触疲劳强度极限/.“二600MPa;齿条的接触疲劳强度极限

4）计算应力循环次数。

N、=60%儿=60x150x1x（2x0.08x200x4）=1.2xl06

5）通过查找机械设计手册取接触疲劳寿命系数=1.7。

6）计算接触疲劳许用应力。

取失效概率为1%,安全系数S=l,由公式得

\aH],=＞喂9=1.7xGOOMPa=1020MPa

⑵计算

1）试算齿轮分度圆直径d〃,代入口”]。

=79.6mm

取整为80mm

2）计算圆周速度v。

乃x80x150

0.628〃"s

60x100060x1(XX)

3）计算齿宽b。

b=由x4,=0.31x80=25mm

4）计算齿宽与齿高之比。

模数

11

-公-

m80=2

z,40

齿高

h=2.25/7?=2.25x2=4.5

人6

=25一=

A-5.

4.5

I）计算载荷系数。

根据,7级精度，查⑶查得动载荷系数K”=1;

直齿轮，Klla=KFa=\;

查⑶得使用系数KA=1.5;

查网用插值法查得7级精度、小齿轮为悬臂布置时Klip=1.250o

由泊.6,K印=1.250,通过查⑶得降力=1.185；故载荷系数

K=KAxKvxKH/JxKHa=\.5x\x\x1.250=1.875

2）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由公式得:

(।X75

4=d二80xg—=90.4〃7〃Z

uV1.3

7）计算模数mo

,〃=4=也=2.26

z140

取整为m=2。

3.按齿根弯曲强度设计

由公式得弯曲强度设计公式为

（1）确定公式内各计算数值

1）查⑷得小齿轮的弯曲疲劳强度极限。阳=50（WPa;

2）齿条的弯曲强度极限=380MPa；

12

3）查⑶取弯曲疲劳寿命系数K1=LI,KFN2=12;

4）计算弯曲疲劳许用应力。

取弯曲疲劳安全系数S=1.4,由公式得：

[]KFNNFEI=S-5()()=392.863

LFJ,S1.4

[]=SNQS=0380=325.71何代

LFhS1.4

4)计算载荷系数Ko

K=KAxKvxKFpxKFa=1.5x1x1x1.185=1.78

5)查取齿形系数。

查⑷得%।=2.65,rFa2=2.06o

6)查取应力校正系数。

查网得J=L58,42=1•刃o

3)计算齿轮齿条的柒鼻并加以比较。

_2.65xl.58

=0.011

口J

丫而2工。2_2・06xL97

齿条的数值大。

（2）设计计算

a:

m>3--:：s；=XV二——（）-.3-1X一4二（）2°x0.012=1.27mm

可由弯曲强度算得的模数2,按接触强度算得的分度圆直径&=80如〃,算出

齿轮齿数

以上计算过程验证了模数m=2,直径&=80〃〃〃的齿轮是符合强度要求的。

13

3.3气缸的选型计算

压紧装置是借助活塞杆部分把木板进行压紧定位，研究分析气缸装置作业性

能以及设计确定气缸装置缸径尺寸参数的时候，会引入负载率△这项参数，具

体如下：

气缸的实际负载

xlOO%

气缸的理论负载

基于《液压与气压传动技术》这一机械设计手册，查取表可得:

表37气缸运动状态与负载率参数取值表

惯性负载运动作业速度V

阻性负载

<\00m/n/s100~500mm/s>500mm/s

力=0.8<0.65<0.5<0.3

已知本次设计所需的升降运动作业速度取值是v=50mm/s,则有/?=0.1,

压紧气缸所受负载力为乙，即为压紧板的重量，根据Solidworks质量属性测

得重量约为15KG.

故计算可得气缸负载参数取值是:

产=E二150N

P

气缸内径尺寸设计：

（1）表3-2所示的是气缸内径尺寸计算公式。

表3-2气缸内径尺寸计算公式

项目计算公式

双作用气1.2311^

推力〃。才(1.23〜1.6)

缸缸

径

单作用气入1.27杵

拉力尸。。(1.23~1.65)

缸

则有:D=98.6

式中:F——气缸装置相应的输出压力大小;

14

P——气缸装置的工作压力大小，本次设计取值是P=OAMPa.

基于GB/T2348-2018设计标准将计算所得参数圆整处理.，可得D=100m

(3)活塞杆部件直径尺寸计算，基于d=0.5D算可得活塞杆部件的直径尺寸参数

取值是d=50o如下表3-3所示的是气缸装置活塞杆部件的直径尺寸参数取值表。

表3-3活塞杆部件直径尺寸参数取值表(mm)

4568101214161820222528

32364045505663708090100110125

140160180200220250280320360400

(4)缸筒部分长度尺寸参数设计计算:

缸筒长度计算公式如下：

5=1+8+30

L——活塞部分行程尺寸参数，5100mm；

B—-活塞部分厚度尺寸参数：

计算可得：8=(0.6-1.0)0=100

计算可得：

S=£+8+20=100+100+20=220

导向套滑动面部分长度尺寸参数是A:

滑动面部分长度尺寸参数是A,当D<80mm,满足关系A二(0.6-1.0)。；当

D>80mm,满足关系八二(0.6-1.0)或

故取:-=50。

最小导向长度尺寸参数是H：

设定气缸装置的最大行程尺寸参数是L,缸筒部分直径尺寸参数是D,计算

可得最小导向长度尺寸参数：

H=—,H=50mm

已知：2

计算可得活塞杆部分长度尺寸参数是：

/=£+8+/A+H=100+100+50+50=300mm

(5)气缸缸筒部分壁厚尺寸参数设计计算：

基于《液压与气压传动技术》这一机械设计手册，查取气缸筒部分壁厚尺寸

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参数计算公式，按照薄壁筒的计算公式开展相关计算:

M=—n

缸体部分选用45纲材料加工制造，已知％=600MR/,[b]=陋=120MRz

5

N——安全系数，本次设计取值是n=5；

外一一缸筒部分所用加工制造材料的抗拉强度（Pa）

P一缸筒部分能够承受的最大工作压力（MP加。当pW16MP〃，满足关系

P=1.5p；当p>16MPa,满足关系P=1.25p。

己知0.4MPa<16MPa,

则有：P=1.5p=1.5X0.4=0.6MPa

^=^D=0.4X100=017ZWW

2匕］2x120

基于下表3-4,选定本文设计所用气缸筒的壁厚尺寸参数，取3mm。

表3-4气缸筒部分壁厚尺寸参数取值表（mm）

缸径20253240506380100125160200250320

材料

铝合金

壁

2A122.52.5-33.5〜44.5〜5

20钢

无缝钢厚

2.533.54.5-55.5-6

管

（6）活塞杆部分强度校核

已知本文设计活塞杆部分长度满足关系L=10d,故既需要对其强度进行校核

计算，同时还要对其稳定性进行校核计算。活塞杆部分所用的加工制造材料是

45钢材料。基丁《机械设计手朋单行本》以及《液压气动技术手朋》等机械设

计手册。

p

F<LK.

1p（）—

已知：心

今。活塞杆部分在轴向方向上所能承受的最大压力（N）,本次设计

的取值是7%=150N；

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FK——纵向方向上的弯曲极限力（N）；

队一一稳定性安全系数，常见取值是1.54,本次设计基于实际情况以2；

细长杆比则有：

985诟即月二缘

K——活塞杆横截面位置的回转半径尺寸参数，由于它是实心杆。则满

足关系K=d/4；

计算可得:K=50/4=12.5mm：

M一一末端系数，本次设计基于实际情况取m=l/4

E一一所用材料相应的弹性模量参数，钢材材料取值是E=2.11x10“Pa；

J活塞杆部件横截而位置相应的惯性矩参数取值（〃/）,满足关系

,施“3.14x0.05

J=------=---=--3---x--1--0---]

6464

d——活塞杆部分直径尺寸参数（m）；

L——气缸装置安装长度等于活塞杆部分长度尺寸参数，取值是100mm；

则有:&=5八】06

计算可得：弓°=150N

综上可得，活塞杆部件所具有的稳定性能够较好的满足本文设计的相关条件;

活塞杆部件强度参数校核计算：

团=%

n

N——安全系数，常见取值是n=5；

对一一气缸缸筒部分所用加工制造材料相应的抗拉强度（Pa），已知使用的

是45钢材料，则有％=600MP〃，=%=120MPa,计算可得:

4x1501”jc

-------------=1.2onun<d=32mm

3.14x120

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通过上述参数计算可知，活塞杆部件的强度能够较好满足本文设计的相关要

求。

综上所述：本文设计挤压气缸活塞杆部分的稳定性以及强度方面均能够满足

设计的相关要求，所选用气缸为SC100*100S。

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4.零件建模与装配

在对零件进行计算和校验后，我们采用solidworks软件创建了一个三维实

体模型，专门为机架设计。以机架为研究对象，我们结合了实际的工作环境，并

全面考虑了几个关键因素：

1）具有小巧的体积、较低的制造成本，并且选用了合适的材料:。

2）这个设计方案不仅是可行的.还能达到高效的生产效果0

3）这有助于零部件的安装以及后续的维护。

4）机架内部的应力相对较低，但由于温度的波动，其塑性应力显著增加。

5）它展现出了出色的防震特性。

6）具有很强的抗腐蚀能力，从而减少了维修的频率和成本。

定位机构固定板作为的承载架，其将承载其上定位机构所有零部件，挡板、

电机、齿轮、直线滑块等，对定位机构的设计必须降低整体运动机构的中心，并

且能够吸收进给动作时的振动。因此定位机构固定板采用铝板一体加工成型，定

位机构固定板整体外形尺寸：1455mm*250n]in*16.0mm。图4T为定位机构固定板

三维建模过程，包含固定板的一次加工成型，安装孔的建模以及底部安装位置的

开孔。

图4-1定位机构固定板

挤压机构机架作为的承载架，其作用固定挤压机构上所有零部件，因此对于

挤压机构机架的设计必须降低整体运动机构的中心，并且能够吸收进给动作时的

振动。挤压机构机架主体采用钢管一体焊接而成，结构强度高，机架上部焊接固

定气缸用的固定板，底部焊接固定用的连接片。挤压机构机架整体外形尺寸：

1290mm*240mm*228mmo图4-2为挤压机构机架三维建模过程。

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图4-2挤压机构机架

挡板作为的承载架，其作用对木板起到限位的作用，对挡板的设计结构强度

要高。挡板的设计采用钢板一体焊接成型，包括中间加强板的一次焊接成型。挡

板整体外形尺寸：950nm*150mm*160mm。图4-3为挡板三维建模过程，包含司定

孔的一次加工成型以及底部安装位置的开孔。

图4-3挡板

电机固定板作为的承载架，其将承载电机及齿轮零部件，由于需要保证电机

工作时的稳定性，因此对电机支架的设计要保证其强度的稳定性，因此电机固定

板线先采用钢板激光下料，包括固定孔的一体加工成型，然后将钢板一体焊接处

理，结构强度高、稳定性好。图4-4为电机固定板三维建模过程，包含机架的一

次加工成型，电机安装孔的建模以及底部安装位置的开孔。

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图4-4电机固定板

将裁板机构、压紧机构、定位机构等在软件中虚拟装配即得到中小型自动木

板裁板机的三维模型如图4-5所示。

图4-5中小型自动木板裁板机

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结论与展望

此次课题研究的是中小型自动木板裁板机，比装置的关键机构有伺服电机、

滚珠丝杠、直线导轨滑块、齿轮传动等，完成重要部件的设计之后，在进行强度

校核，保证所有部件符合安全标准,通过设计方案、原理和关键零部件选型设计。

在研究的初步阶段，我们首先要明确这次研究的目标和背景，以及需要解决

的核心问题是什么？在此基础卜分析了目前国内小型木T机械市场存在的一些

问题，通过深入了解最近国内外中小型自动木板裁板机的发展状况，我们总结了

未来的研究方向和设计方案，并对关键组件进行了严格的校验，以确保其在使用

过程中的安全性和使用寿命都能满足工作条件的需求。

在对关键部件进行校验时，我们需要根据计算公式进行精确的计算，并根据

这些计算结果来选择合适的部件、以确保满足标准并增强其经济效益。本文通过

对小型自动木板裁板线总体方案的研究和分析，结合国内外先进技术和经验，提

出了适合于该设备使用的设计方案及方法，为今后同类机型的设计提供参考依据。

在完成总体设计方案的规划后，我们对其工作原理进行了持续的分析和总结，并

对结构进行了优化，以确保设计出的中小型自动木板裁板机在性价比上具有更高

的优势。

自动化设备不仅是社会进步的直接结果，也是劳动力解放、生产效率提升和

加工质量提升的象征。然而，我国目前的自动化水平尚未达到很高的水平，这就

需要我们加倍努力，持续前进，不断研发出更优质的产品。

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参考文献

[1]申永胜主编.机械原理教程（第3版）.北京.清华大学出版社.2015.12-：5

⑵濮良贵陈定国吴立言主编.机械设计（第十版）.高等教育出版社，

2019.22-25

[3]王伯平主编.互换性与测量技术基础（第四版）.黑龙江;机械工业