新型橫鋸切割系統作業提速的分析和計算

王燁 宋瑞宏 張浩 史文杰

摘? 要：文章提出了一套新型橫鋸切割系統，并對該系統進行切割提速，以兩倍于目前的作業速度進行了提速可行性計算。在整臺裝置各部分零件保持不變的情況下，根據縱移機構中主要受力零件的許用應力上限對加速條件下裝置縱向移動的加速進給、勻速切割和減速停止以及回程的四個階段的運行速度和作業時間進行了計算和設定。縱移作業提速計算完畢后，又計算出該條件下裝置橫移機構進行橫向切割時相應階段的運行速度和作業時間，并對橫移機構中的主要連接件進行了強度校驗。提速后的各項運行參數滿足該裝置縱、橫向作業時的動作配合要求，并保證現有裝置的安全性和可靠性不受影響，同時提高生產效率。

關鍵字：新型橫鋸切割系統;提速計算;許用應力;強度校驗

中圖分類號：TH11 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2945（2019）06-0009-04

1 概述

市面上現有的橫鋸切割裝置的不足之處在于橫鋸與縱鋸采取拐角式配合作業，如圖1（a）所示。該作業方式下，板材經由縱鋸裝置切割后需要改變進給方向，即板材拐彎后才能到達橫鋸切割裝置，板材在變向階段進給出現停滯，進給連續性不足，導致板材進給速度受到限制且閑置空間過大。

本文提出了一套新的橫鋸切割系統，該系統能夠很好地解決上述問題，其作業方式如圖1（b）所示。該橫鋸切割系統適應現有縱鋸裝置，無需對現有的縱鋸裝置進行改動，并與縱鋸裝置呈直線式方位擺放。由于系統自身構造的優越性，從而在無需改變板材進給方向的前提下提供橫向切割。與此同時，該橫鋸切割系統在確保板材進給高度連續性的前提下可以實現切割過程的進一步提速。

2 新型橫鋸切割系統

該系統是一套基于絲杠傳動的橫鋸切割系統，由橫鋸縱移驅動機構、橫鋸縱移同步機構以及鋸刀橫移機構組成。該系統安裝在床身和底座上，搭配輸送帶機構和吸塵機構成為整套新型橫鋸切割裝置（圖2）。

2.1 縱移驅動機構

如圖3（a）所示，該機構主要由雙頭螺紋滾珠絲杠和電機組成，兩者間采用帶傳動。控制電機的往復運轉可實現絲杠的正、反向轉動，從而帶動帶座螺母機構的前后往復運動，從而實現與之連接的縱移同步機構和橫移機構在縱向上的移動。

2.2 縱移同步機構

如圖3（b）所示，該機構的兩根長軸經由軸承組件連接，左右兩端各有一個齒輪，兩個齒輪尺寸相同。

該機構的作用是連接縱移驅動機構和橫移機構，令后者在前者的帶動下進行縱向移動。同時，兩端的齒輪可在安裝于床身的齒條上滾動，目的是利用齒輪傳動的自身特點消除橫移機構左右兩端在縱向移動時可能出現的速度差，令其兩端同步移動，防止兩端速度不一致使得滑塊和導軌之間摩擦力增加，從而避免機器卡死的情況的發生。

2.3 橫移機構

如圖3（c）所示，該機構通過縱移同步機構與縱移驅動機構相連，在縱移驅動機構的牽引下，可以在板材的進給方向上做往復運動。同時，該機構上設有圓鋸，圓鋸在電機和同步帶的驅動下可實現橫向往復切割作業。

當橫移機構的縱向移動速度與板材進給速度一致時，橫鋸進行橫向切割，從而保證板材進給的連續性，提高生產效率。

3 橫鋸系統作業提速的分析和計算

目前，市面上的縱橫鋸裝置的板材進給速度都控制在100mm/s左右，文中提供研究的新型橫鋸裝置目前的作業速度也設定為100mm/s，板材切割尺寸為1500mm×1500mm。我們以兩倍于現階段的作業速度進行提速分析和計算，該過程包括橫鋸裝置縱向移動提速和橫向切割提速兩部分。

3.1 縱向移動提速

3.1.1 縱向可承受最大沖擊加速度的計算

作為承擔縱向移動中驅動機構和負載的主要連接機構——縱移同步機構，提速后的安全性必須得到保證，而最有可能出現折損的部位處于縱移同步機構的連接軸中央。

對橫鋸裝置工作時的縱移同步機構進行加速階段受力分析，該階段，由于機構連軸所連接的齒輪和左右支架所連接的外部負載（在左右支架的作用下分化為左右兩個單邊負載F負載）自身質量導致加速運動時兩端產生慣性力F齒和2F負載，簡化后得到的受力狀態如圖4所示。

圖4 縱移同步機構受力分析圖

考慮到連接軸自身受重力載荷作用，最終的力學方程為：

F驅=2F負載+Apal+2F齒

其中，單個齒輪質量為4.8kg，外部負載（包括左右支架）總質量為1296.1kg，由此可得單個齒輪F齒=m齒a=4.8a，單邊負載F負載=m負載a=648.05a。

4 結束語

對新型橫鋸切割系統進行了介紹并對以兩倍于目前作業的速度進行了提速可行性計算。

（1）該新型橫鋸切割系統采用絲杠驅動完成直線式板材進給方式，很好地解決了市面上現有橫鋸在板材進給時需要轉彎而引發的設備占地空間大，板材進給連續性不足，難以提速等缺點，采用雙頭螺紋滾珠絲杠進行縱向驅動，系統運行平穩，切割精度高。

（2）將板材進給速度提升至200mm/s，單次操作時間縮短為7.5s。在整臺裝置各部分零件保持不變的情況下，根據縱移機構中主要受力零件的許用應力上限對加速條件下裝置縱向移動的加速進給、勻速切割和減速停止以及回程的四個階段的運行速度和作業時間進行了計算和設定，得到了以系統縱向作業最大沖擊加速度368.7mm/s2為主要指標的縱向作業參數，在該參數下，系統勻速作業階段時間盡可能得到延長，為橫向切割作業的切割精度提供前提保證。

（3）縱移作業提速計算完畢后，又計算出該條件下裝置橫移機構進行橫向切割時相應階段的運行速度和作業時間。結果顯示，系統進行縱向勻速移動時，橫移機構也正好處于勻速切割階段，橫切移動速度為428.6mm/s，切割時間為3.5s。在配合縱向提速計算結果得到的橫向作業運動參數中，最大沖擊加速度為798.4mm/s2，發生在橫移機構回程作業階段。在該沖擊下，系統主要受力部件足以滿足強度極限要求，保證現有裝置的安全性和可靠性不受影響，同時提高生產效率。

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