電控變頻無卡軸在線旋切機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

吳海勇，張海義

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電控變頻無卡軸在線旋切機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

吳海勇1，張海義2

（1.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械與自動(dòng)化工程系，福建 漳州 363000；2.福建祥麟機(jī)械有限公司，福建 漳州 363000）

闡述新型電控變頻無卡軸在線旋切機(jī)的工作原理，分析了機(jī)床的主要參數(shù)，剖析了機(jī)床的主體結(jié)構(gòu)，提出了機(jī)床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)表明：機(jī)床具有較高的精度和較高的生產(chǎn)效率，具有較好的實(shí)用性和市場前景。

變頻；無卡軸旋切機(jī)；在線控制

隨著現(xiàn)代化生活水平的不斷提高，建材、家具、裝潢等行業(yè)得到了空前發(fā)展的同時(shí)也促進(jìn)了人造板、膠合板等制造技術(shù)的長足發(fā)展，國內(nèi)對木材旋切設(shè)備的需求與日俱增。但是，目前國內(nèi)使用的旋切機(jī)設(shè)備相對落后，自動(dòng)化程度較低，生產(chǎn)效率較低。因此，新型旋切機(jī)設(shè)備的研制成為一個(gè)擺在企業(yè)生產(chǎn)面前的重要課題。

傳統(tǒng)的木材旋切機(jī)是有卡軸旋切結(jié)構(gòu)，利用卡爪夾持待加工圓木的兩端，對于直徑較小的圓木，由于兩邊的卡爪作用，使得圓木的受力不均勻，中間的剛性較弱，會(huì)發(fā)生讓刀和調(diào)刀現(xiàn)象，加工出來的板材厚度誤差較大[1]。鑒于此，本文結(jié)合企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)踐，研發(fā)出一種設(shè)計(jì)思想源自無心磨床的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型電控變頻無卡軸在線旋切機(jī)。利用無卡軸對輥取消卡軸，圓木無需卡軸卡緊，無需進(jìn)行定心，圓木的裝夾不受芯材質(zhì)量的影響，并利用相關(guān)的機(jī)電控制技術(shù)合理調(diào)整控制旋切機(jī)的旋切速度和剪切速度，生產(chǎn)厚度均勻，長度規(guī)格統(tǒng)一的合格木板，在滿足木材加工精度的前提下，提高木材的加工效率和使用效率。

1 旋切機(jī)工作原理

本文所設(shè)計(jì)的電控變頻無卡軸在線旋切機(jī)工作原理如圖1所示。旋切機(jī)的工作核心部分主要由兩部分組成，一個(gè)是將圓木旋切成單板的旋切加工系統(tǒng)，另一個(gè)是通過剪切控制系統(tǒng)把單板剪切成合格尺寸的剪切加工系統(tǒng)。

旋切加工系統(tǒng)主要是由兩個(gè)固定驅(qū)動(dòng)輥、進(jìn)給驅(qū)動(dòng)輥和旋切刀具系統(tǒng)等組成，其中固定輥通過異步電動(dòng)機(jī)控制其轉(zhuǎn)動(dòng)速度，而進(jìn)給驅(qū)動(dòng)輥則是電機(jī)帶動(dòng)絲杠控制棍的旋轉(zhuǎn)速度，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)輥的進(jìn)給速度直接影響到圓木的旋切速度。通過固定驅(qū)動(dòng)棍和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)輥三者將圓木夾緊于工作臺(tái)上，工作時(shí)圓木在三個(gè)輥同步轉(zhuǎn)動(dòng)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)中被旋切刀具切成圓木單板。連續(xù)成片的單板在被旋切出來通過滑道時(shí)，由在線剪切控制系統(tǒng)根據(jù)給定的加工程序要求將單板剪切成規(guī)格合格統(tǒng)一的單板。在旋切加工過程中，圓木的尺寸由大逐漸變小，直徑逐漸減小，直至木芯從三輥之間脫落。為得到厚度均勻的單板必須合理控制旋切機(jī)的旋切速度，因此，圓木表面的旋切相對線速度在機(jī)床控制系統(tǒng)調(diào)制下須是恒定的，而進(jìn)給驅(qū)動(dòng)輥進(jìn)給的速度V在進(jìn)給時(shí)是變速進(jìn)給的，即進(jìn)給速度V是旋切刀具和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)輥位置坐標(biāo)x的函數(shù)，亦即：

對于絲杠進(jìn)給方式的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)輥，旋切刀具和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)輥的進(jìn)給量x是通過絲杠驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，因此對于進(jìn)給速度V的變化，從傳動(dòng)原理的角度上看，亦即絲杠驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的n的變化，故而可轉(zhuǎn)化為絲杠電機(jī)轉(zhuǎn)速n和x的函數(shù)關(guān)系：

因此在實(shí)際的加工中，可以根據(jù)人機(jī)交互系統(tǒng)控制旋切刀具的實(shí)際坐標(biāo)位置，計(jì)算出進(jìn)給電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)變速進(jìn)給，進(jìn)而保證旋切的板材厚度均勻[2]。

圖1 旋切機(jī)工作原理圖

1、2-固定驅(qū)動(dòng)輥；3-進(jìn)給驅(qū)動(dòng)棍；4-待加工圓木；5-旋切刀具；6-旋切單板；7-剪切刀具；8-剪切控制系統(tǒng)；9-皮帶輸送系統(tǒng)；10-機(jī)床工作平臺(tái)。

2 旋切機(jī)設(shè)計(jì)主要參數(shù)

根據(jù)旋切加工原理，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)輥沿直線進(jìn)給，加工過程中始終夾持著待加工圓木，參考同類產(chǎn)品[3]，經(jīng)過反復(fù)的工藝試驗(yàn)，確定了電控變頻無卡軸在線旋切機(jī)床的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

固定驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速：30~110r/min；

旋切（剪切）刀片長度：1500mm；

旋切單板厚度：0.4~4.0mm；（厚度可調(diào)，有多種等級）

主電動(dòng)機(jī)：三相異步電動(dòng)機(jī)Y132M-4（7.5kW）或Y132S-4（7.5kW）；

剪切驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)：三相異步電動(dòng)機(jī)Y90L-4（2.2kW）。

3 旋切機(jī)結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 旋切機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的旋切機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示。旋切機(jī)主要由機(jī)身，絲杠，導(dǎo)軌，旋切刀架，剪切刀架，皮帶輸送裝置和齒輪箱等主要部分組成。機(jī)身用安裝絲杠，刀架和皮帶輸送裝置等主體結(jié)構(gòu)，機(jī)身剛度的提高有利于提高加工的穩(wěn)定性。絲杠通過電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制旋切刀架的移動(dòng)和旋切刀具的加工速度。旋切刀架主要控制旋切刀具的整體移動(dòng)和旋切進(jìn)給，剪切刀架則是在剪切控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下控制圓木單板合格的加工尺寸，皮帶輸送裝置是將圓木單板輸送出機(jī)身，齒輪箱是將主電動(dòng)機(jī)的回轉(zhuǎn)傳動(dòng)傳遞給絲杠和刀架等加工部位。

圖2 旋切機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 旋切機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

旋切機(jī)的控制系統(tǒng)主要可以分為：總控系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、刀具控制系統(tǒng)和檢測、反饋系統(tǒng)等，各系統(tǒng)之間的組成和聯(lián)系如圖3所示。圓木在設(shè)計(jì)的旋切機(jī)上可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工，當(dāng)圓木到達(dá)旋切加工的工位時(shí)，旋切機(jī)的總控系統(tǒng)根據(jù)輸入的指令信息，在線完成對圓木的旋切加工。旋切機(jī)總控系統(tǒng)通過人機(jī)交互系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)操作員與機(jī)床實(shí)時(shí)加工交互，旋切加工中出現(xiàn)的誤操作和加工失敗等現(xiàn)象可以通過報(bào)警系統(tǒng)實(shí)時(shí)表現(xiàn)出來，提高加工的易操作性。通過人機(jī)交互系統(tǒng)與總控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，確定每根圓木的具體加工參數(shù)，圓木到達(dá)旋切工位時(shí)，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過位置傳感器的脈沖信號確定開始旋切的位置和旋切加工速度，刀具在不影響圓木正常輸送的過程中完成在線旋切[4]。旋切完的圓木單板通過刀具控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)指令將單板剪切成目標(biāo)尺寸，規(guī)格統(tǒng)一的單板最后通過檢測和反饋系統(tǒng)將具體的加工尺數(shù)據(jù)反應(yīng)到總控系統(tǒng)完成系統(tǒng)自反饋。潤滑和動(dòng)力系統(tǒng)則保證機(jī)床各個(gè)部分能夠較好地配合正常的運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖3 旋切機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

總控系統(tǒng)是旋切機(jī)設(shè)計(jì)的核心部件，是反應(yīng)旋切機(jī)旋切精度和實(shí)時(shí)在線控制的關(guān)鍵系統(tǒng)。其構(gòu)成主要有：控制系統(tǒng)核心可編程控制器PLC，可實(shí)現(xiàn)旋切速度控制的變頻通訊器，RS485接口和限位、緊急開關(guān)等。圓木在旋切加工過程中的各個(gè)開關(guān)量以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳送通過PLC進(jìn)行邏輯控制[5]，進(jìn)給量通過在線傳感器轉(zhuǎn)換成脈沖量反饋到PLC，由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算出其相應(yīng)的頻率，PLC通過PS485接口和變頻通訊器[6]，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)對于給定的對應(yīng)頻率，實(shí)現(xiàn)對旋切加工的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)速，進(jìn)給速度再通過檢測反饋系統(tǒng)反應(yīng)到PLC控制，進(jìn)給系統(tǒng)的正反轉(zhuǎn)控制也是通過PLC的集成控制來完成，控制系統(tǒng)的通過頻率脈沖輸入信號，實(shí)現(xiàn)了對旋切過程的實(shí)時(shí)在線變頻控制。旋切機(jī)總控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。

圖4 旋切機(jī)總控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 旋切機(jī)的運(yùn)用

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)旋切機(jī)的實(shí)用性和可操作性，在實(shí)踐中對基于上述理論基礎(chǔ)做了大量的試驗(yàn)、系統(tǒng)調(diào)試和改進(jìn)。目前本文所設(shè)計(jì)的旋切機(jī)已投入生產(chǎn)，取得了較好的生產(chǎn)效益，加工出來的旋切木材單板厚度均勻，規(guī)格統(tǒng)一，表面光滑，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

生產(chǎn)實(shí)踐中，由于生產(chǎn)流水線的特點(diǎn)，為提高旋切加工單板的質(zhì)量，待加工圓木在進(jìn)行旋切加工之前必須進(jìn)行平直化處理，以保證旋切加工圓木的橫截面直徑的一致性和平直性。表1是利用旋切機(jī)加工一組直徑在50~380mm桉木所得的圓木單板厚度和誤差抽樣情況表。桉木單板的目標(biāo)厚度是1.00mm，厚度誤差是實(shí)際加工出來的尺寸和目標(biāo)尺寸的絕對值，誤差率是厚度誤差和目標(biāo)單板厚度比值的百分?jǐn)?shù)。

表1 桉木加工單板厚度及其誤差

由表1可知，旋切加工出來的單板厚度的誤差率控制在5%以內(nèi)，完全符合產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用要求，具有較高的精度。

5 結(jié)論

本文以圓木加工的生產(chǎn)實(shí)踐和產(chǎn)品需求作為出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)國內(nèi)木材旋切機(jī)加工設(shè)備的運(yùn)用現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)開發(fā)了電控變頻無卡軸在線旋切機(jī)。在保證和提高了旋切設(shè)備的整體性能和使用效果的前提下，合理的設(shè)計(jì)了旋切機(jī)的結(jié)構(gòu)和總控系統(tǒng)等關(guān)鍵部分。經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐表明，本文所設(shè)計(jì)的旋切機(jī)具有精確度較高，人性化操作，木材利用效率較高等特點(diǎn)，有效的節(jié)約圓木材料，提高生產(chǎn)效率，具有較好的市場前景。

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Research on the Design and Application of Electrical Online Frequency Conversion Log-core Veneer Lathe

WU Hai-yong1，ZHANG Hai-yi2

（1.Mechanical & Automation Engineering Department, Zhangzhou Institute of Technology, Zhangzhou, Fujian, 363000, China; 2. Fujian Xianglin Machinery Limited Company, Zhangzhou, Fujian, 363000, China )

This article mainly introduce the new pattern of the working principle of electrical online frequency conversion log-core veneer lathe. The main parameters and major structure of the lathe are been designed. The scheme of the control system of the lathe is been discussed. According to the experimental production, the lathe has superior working accuracy and efficiency. And there will be a bright prospect of the new pattern log-core veneer lathe which is designed in this article.

frequency conversion; log-core veneer lathe; online control

（責(zé)任編輯：季平）

2012－04－20

吳海勇(1985－)，男，福建龍海人，助教，工學(xué)碩士，研究方向：機(jī)械制造及設(shè)計(jì)。

TH64

A

1673-1417（2012）02-0001-05