多參數金剛石圓鋸片鋸切性能試驗機的研制

劉全心 劉 青 吳水平 胡郁樂

（①鄂州職業大學機械系，湖北鄂州436000;②湖北長江精工材料技術有限公司，湖北鄂州436000;③中國地質大學（武漢），湖北武漢 430074）

金剛石圓鋸片是石材加工業必不可少的一類工具，也是金剛石工具中消耗量最大的一類刀具，約占消耗總量的95%以上。近年來，我國在優化金剛石圓鋸片節塊配方等方面進行了大量研究，國產鋸片的制造成本大大降低，鋸切性能顯著提高，其在國際市場的競爭力得到很大提升［1］。隨著金剛石圓鋸片的應用范圍日趨廣泛，加工對象日益復雜，目前對鋸片除有一般的耐磨性、鋒利性等性能要求外，還對其與被加工材料（如各種大理石、花崗巖、鋼筋混凝土、瀝青路面等）的適應性、加工條件（如干切、濕切、鋸切超薄板和高精度板等）以及環保（如噪聲、排污等）等，提出了更高要求，這些都對金剛石圓鋸片的設計與制造提出了新的挑戰，僅僅通過優化節塊配方來提高鋸片性能已遠遠不夠，還必須在改善鋸片結構方面取得更多進展和突破。但是，目前國內就各種基體材料與鋸齒結構對鋸片受力、剛性、變形、應力分布、摩擦和噪聲等的影響還缺乏深入系統的理論分析，以此來提升鋸片質量的理論依據尚不充分［2］。因此，市場上尋求更直接更有效的金剛石鋸片鋸切性能的測試方法和手段，顯得尤為迫切和必要，開發高精度全自動的金剛石工具生產和應用的智能型設備勢在必行。

本項目在缺乏相關行業標準前提下，集中科技力量開發出“TS－500Ⅱ型多參數金剛石圓鋸片鋸切性能試驗機”設備系統。通過該設備進行金剛石鋸片切割試驗，系統將自動采集鋸片切割試驗過程中的鋸切功率、鋸切阻力、鋸片轉速、給進速度和噪聲等多種參數，用以分析和評價金剛石鋸片的鋸切效率、使用壽命和加工質量等綜合性能指標，從而為提高其制造質量，鋸片產品與所切割石材的合理匹配等，提供科學的技術數據［3］。因此，鋸切試驗機是金剛石產品鏈的重要組成部分，對金剛石工具產業發展有著重要意義。

1 系統組成

金剛石圓鋸片鋸切性能試驗機主要由如下幾個部分組成:

（1）鋸切機總成部分。為機械設備本體，即為系統鋸切執行部分，主要實現對如大理石、花崗石板材、陶瓷、瓷磚、混凝土板材等加工對象的切割;

（2）參量檢測系統部分。采用先進的虛擬儀器技術，由多路傳感器、數據采集卡、PC機及測試軟件等部件構成，實時檢測鋸片轉速（或切割線速度）、主電動機功率、給進速度、給進力（切割阻力）、切割噪聲大小等多個參數;

（3）變頻調速控制部分。選用變頻調速技術，實現主電動機和給進電動機的無級調速控制，以滿足不同加工對象對切割線速度和給進速度的要求。如圖1所示。

2 參數測控工作原理

該試驗機各組成部分的工作原理是:

（1）鋸切機總成部分。其上面安裝有變頻調速的主電動機，以皮帶傳動方式帶動鋸片作高速旋轉運動，實現鋸切功能;在豎直方向安裝升降電動機，通過步進控制調整鋸片切割高度（或切入深度）;在水平方向上安裝給進電動機，以鏈傳動方式帶動工作臺往返移動，實現鋸切走刀功能。

（2）參量檢測部分。采用先進的虛擬儀器技術實現參量檢測。系統由多路傳感器、數據采集卡、PC機及測試軟件等3大單元組成。其中:（1）多路傳感器。實時檢測鋸片轉速（切割線速度）、主電動機功率、走刀速度、給進力、切割噪聲大小等多個測試參數，測試參數可以根據用戶需要添加或刪減;（2）數據采集卡。

選用研華PCL812PG數據采集卡，通過 AI－706M多路巡檢儀及CT8智能計數/計米器，完成系統的A/D和D/A轉換，以及各狀態量的輸入和開關量的輸出，實現計算機系統的智能檢測;（3）PC機及測試軟件。通過自主開發的測試程序，實現數據采集、存儲、顯示、分析和報表輸出等功能，測試參數高度集成，人機操作界面良好，測試效率優異，可綜合各種參數進行鋸片鋸切性能分析［4］。參量檢測部分的傳感器部件布置和參數檢測工藝路線如圖2、圖3所示。

表1 多參數金剛石圓鋸片鋸切性能試驗機元器件選用清單

（3）變頻調速控制部分。選用變頻調速技術，實現主電動機和給進電動機的無級調速控制，以滿足不同加工對象對切割線速度和走刀速度的要求。

本設備系統選用的元器件如表1所示，電氣裝配原理圖如圖4所示，主要技術參數如表2所示。

表2 TS－500Ⅱ型多參數金剛石圓鋸片切割試驗機主要技術參數

3 參量檢測程序的設計

本系統參量檢測部分主要包括各路傳感器、調理電路、數據采集卡等，以及通用微機、LabVIEW軟件、設備驅動程序等，構成一個完整的數據采集系統，從實際試驗操作中實時采集各種數據［5］。該系統構成框圖如圖5所示。

通過LabVIEW設計參數自動采集程序，試驗者僅通過操作電腦鼠標，即能完成包括電動機的啟動和調速、多機械參量的檢測與控制，數據的采集、顯示和保存，報表打印等所有工作。以噪聲檢測為例，前端配置常規的微型麥克風收集鋸切時產生的聲音信號，通過微機標配的聲卡作為聲音采集卡采集到微機系統中，然后依據噪聲算法轉換為分貝值（即按20 μPa作為參考聲壓值P0，檢測聲壓P與參考聲壓P0的比值取常用對數后，以20倍乘所得值），實時表現噪聲大小，以此作為一個參數來評判鋸片鋸切性能，多參數采集面板設計和噪聲檢測程序代碼示例如圖6、圖7所示。

4 結語

多參數金剛石圓鋸片鋸切性能試驗機的檢測部分采用虛擬儀器新技術，儀器高度集成且靈活性強，能按要求完成多種常見機械參量信號檢測，操作界面簡單，性能穩定可靠;其控制部分采用高性能數字專用集成電路，使整流和逆變控制、功率調節、接口操作、電路保護等均高度集成，具有強大的控制功能。該機型節能降耗、操作簡便，在負載適應性及穩定性等方面，具有非常明顯的優勢。

［1］王秦生.超硬材料及制品［M］.鄭州:鄭州大學出版社，2006:517－521.

［2］張昭和.金剛石與金剛石工具［M］.長沙:中南大學出版社，2005:336－342.

［3］劉憲剛.金剛石圓鋸片質量評價體系的建立［D］.山東:山東大學，2007:36－38.

［4］張恒春，胡郁樂，劉青，等.金剛石鋸片切割性的評價方法和檢測系統的研制［J］.金剛石與磨料磨具工程，2010，30（6）:90－92.

［5］戴鵬飛，王勝開，王格芳，等.測試工程與LabVIEW應用［M］.北京:電子工業出版社，2006:42－77.