一種全自動縱橫切電腦裁板鋸的總體設計與研究

李俊清

（南興裝備股份有限公司，東莞 523993）

0 引言

電腦裁板鋸是一種采用PC機控制的具有自動排板優(yōu)化、自動送料、自動定位裁切，人機一體化操作的人造板開料設備，在木工機械分類中歸屬鋸類產(chǎn)品。隨著“中國制造2025”的提出及落實為木工機械的發(fā)展指明了方向，中國木工機械制造2025將為家具行業(yè)開啟新時代[1,2]。為順應自動化，智能化的發(fā)展趨勢以及滿足房地產(chǎn)行業(yè)精裝房家具制造企業(yè)工程訂單及宜家代工廠批量訂單需求，本文研究開發(fā)了一種全自動縱橫切電腦裁板鋸。

1 全自動縱橫切電腦裁板鋸原理方案及總體結構的擬定

1.1 全自動縱橫切電腦裁板鋸的功能要求

眾所周知，人造板的下料可以用數(shù)控推臺鋸，數(shù)控往復鋸，也可以用木材加工中心。但是前二者一次只能完成一個方向的裁切，如要裁出所需要規(guī)格尺寸的板材，還需要人工掉頭裁切；木材加工中心雖然無需掉頭裁切，但是不能多塊板材堆疊裁切，效率較低。鑒于以上不足之處及結合家具廠工程單對設備的要求確定本設計的電腦裁板鋸的功能要求為：1）可優(yōu)化排板；2）可自動上料；3）可自動縱切；4）可自動橫切；5）可以自動處理修邊余料；6）單次鋸板可堆疊厚度120mm；7）48尺板（1220mm×2440mm×12mm）平均每天鋸1400張（8小時計算）；8）運轉平穩(wěn)，可靠性高。

1.2 全自動縱橫切電腦裁板鋸的原理方案選擇

1）鋸切運動原理方式的選擇

圖1 板運動，鋸座固定

圖2 板固定，鋸座運動

原理方式是否合理決定了設計能否達到要求及成本的高低。板材的鋸切方式，從原理上講，無非有兩種，一種是鋸座固定不動，板朝鋸片運動（如圖1所示），典型的例子如推臺鋸，采用這種原理方式的鋸機結構可以做的很簡單，但只適合單塊板開料，多塊板堆疊開料質量難以保證；另一種是鋸切時，板固定不動，鋸座部分來回做往復運動鋸切（如圖2所示），這種方式鋸切質量更易保證且更適合多塊板堆疊鋸切。根據(jù)設計要求結合實際經(jīng)驗采用后者原理方式。

2）鋸切運動組合方式的選擇

圖3 縱切橫切平行組合

圖4 縱切橫切垂直組合

板材的鋸切有兩個方向，即縱向和橫向，也就有了兩個方向鋸切的組合。確定了基本鋸切運動原理方式后，還要確定板材縱切及橫切的組合方式。組合方式也有兩種，一種是縱切和橫切平行布置組合，即板材經(jīng)過縱切后，再將板材旋轉90度進行橫切（如圖3所示）；另一種是縱切和橫切垂直布置組合，即板材經(jīng)過縱切后，不需旋轉就進入垂直擺放的橫切單元中進行橫切（如圖4所示）。前者，需要增加板材轉向機構，復雜的如機械手，簡單的如轉向滾筒組，機械手可靠性高但成本也高，采用轉向滾筒組則速度不宜快且板容易走位，可靠性低?？v切橫切垂直布置組合，板材無需轉向，省略了轉向機構，更具優(yōu)勢[3～5]。故采用板固定鋸座動且縱切橫切垂直布置的鋸切原理方式。

1.3 確定全自動縱橫切電腦裁板鋸鋸切流程

根據(jù)選擇的縱向和橫向鋸切運動的組合方式即可確定整個鋸切流程，分別為上料、縱切、橫切、下料；但結合實際情況，堆疊板材不可能是百分之百整齊的，為了保證裁切的精準，所以在縱向和橫向鋸切前增加齊板流程；另外，縱向鋸切完后的板要出來，所以還得加個取板送板流程，最終確定的流程如圖5所示。

圖5 鋸切流程

1.4 由功能要求及鋸切流程確立各個功能單元

鋸切流程確定后便可根據(jù)功能要求確定各個功能單元，詳細如下：控制單元、上料單元、縱向鋸切前齊板單元、縱向鋸切單元、取板送板單元、側齊板單元、橫向鋸切前齊板單元、橫向鋸切單元、出料單元，考慮到板材鋸切時還會產(chǎn)生修邊余料，所以再加上修邊余料處理單元。

1.5 確立各個功能單元的結構方案

1）控制單元

控制單元一般的控制方案都是包含操作軟件（附帶優(yōu)化功能及標簽生產(chǎn)功能）的工業(yè)PC為上位機，西門子PLC帶擴展模塊為下位機，兩者通過通訊線纜連接，這里不過多介紹。

2）上料單元

客戶常規(guī)使用板材為1220mm×2440mm×（8/10/12/14/18mm）三聚氰胺貼面中纖板及刨花板；偶爾使用的板材規(guī)格為1830mm×3050mm。人造板原材料碼垛高度1000mm～1200mm左右。上板總重量按密度較大的中纖板計算，中纖密度750～780kg/m2，M=ρV=780×1830×3050×1200×10-9=5224kg。

上料單元可采用的結構方案有很多種，如類似卷揚機的鏈傳動升降機構，大功率減速電機絲杠機構等，通過上述計算可知上板重量達5噸，液壓傳動輸出力大且平穩(wěn)，考慮到經(jīng)濟性及結構可靠性，故采用帶動力滾筒液壓雙剪升降臺結構，堆垛的板材則通過滾筒線送入。如圖6所示。

圖6 上料單元

3）縱向鋸切齊板單元

原板材的碼垛不可能很整齊，加上搬運也會使板走位，故需要前靠齊，縱切是板材鋸切第一道鋸切工序，所要靠齊的板最大重量為1830×3050×120×780×10-9=522.4kg?？紤]到板材沖擊力很大，故齊板機構結構剛性要好，并且要有緩沖功能，板材靠齊后還要通過齊板機構上方，故齊板機構還要能空間避讓。經(jīng)過思考及結合實踐經(jīng)驗，設計了一種氣缸翻轉擋桿機構，氣缸不僅可以驅動擋桿翻轉升起擋板及回收避讓，還可以起到緩沖板材沖擊的作用。如圖7所示。

圖7 縱切齊板單元

4）側齊板單元及橫向鋸切前齊板單元

側齊板單元只需對板材側面靠齊，故可布置在板材側面，不在板材運動軌跡正面，故無需避讓，可以采用固定結構。橫切前齊板單元所針對要靠齊的板材是經(jīng)過鋸小的板材，板材靠齊時沖擊要小一些，故可采用氣缸升降式擋板機構。

5）縱向鋸切單元及橫向鋸切單元

板材的鋸切，在板材底部出鋸口的地方都會發(fā)生材料在切削力的作用下擠壓撕裂，業(yè)內(nèi)稱叫爆邊。故鋸機都帶有槽鋸，其功能就是將底層材料先去除，俗稱開槽。對于堆疊板材的裁切，槽鋸只能消除最底層板爆邊影響，底層板材以上的板材都需要其下層板材的上表面支撐力抵消鋸齒擠壓力。自然堆疊狀態(tài)板材之間是有間隙的，所以不可能起到完全支撐作用。故縱向鋸切單元及橫向鋸切單元首先需要的結構是壓力橫梁將板材壓實，其下的支撐結構就是工作臺，板材由壓力橫梁壓實在工作臺上消除上下板間間隙；考慮鋸車要在工作臺下來回跑動鋸切，故采用龍門結構懸掛式工作臺（如圖8所示）。另外，板材的進給機構則采用帶氣動夾手的伺服驅動送料橫梁（如圖9所示）?？紤]到板材在經(jīng)過鋸切后會產(chǎn)生多疊不同尺寸的小板，根據(jù)鋸切排板，多疊板材一起進給鋸切的情況很多，故進給部分對板材支撐的平臺則采用多根導向流利條組成的送料滾輪臺（如圖10所示），導向作用是保證多疊板材在進給時不容易分散。兩個鋸切單元結構組成一校，都有龍門結構懸掛工作臺、鋸車、壓力橫梁、帶氣動抓手的伺服驅動送料橫梁及導向送料滾輪臺，不同的是縱切單元的鋸切寬度為3200mm；橫切單元鋸切寬度為1900mm。

圖8 龍門結構懸掛式工作臺主機結構

圖9 伺服驅動的帶氣動抓手送料橫梁

圖10 送料滾輪臺

6）取板送板單元

縱切完成的板材需要從縱切單元送到橫切單元，考慮到兩個鋸切單元一個鋸切寬度大，另一個鋸切寬度小，鋸切速度不匹配。故在縱切單元與橫切單元之間布置緩沖區(qū)，即待料區(qū)，待料區(qū)布置在取板送板單元中，待料區(qū)采用上述導向滾輪臺結構。而取板送板機構則采用伺服驅動帶氣缸勾手橫梁機構（如圖11所示），其將板材從縱切單元勾出后放在待料區(qū)，待橫切任務完成后再將板材推入橫切單元。由于待料區(qū)及橫切單元滾輪臺具有導向作用，而縱切單元和橫切單元鋸切線路是垂直布置的，板材不可能同時具有兩個方向運動的自由度，所以取板送板單元還需布置分時單向導向滾輪臺；為力求結構簡單，運行可靠，設計出一種縱氣缸驅動升降式縱橫雙向輸送滾輪平臺（如圖12所示），其包含縱向滾輪臺和橫向滾輪臺，其中縱向滾輪臺由縱向流利條組成，橫向滾輪臺由橫向流利條組成；正常狀態(tài)縱向滾輪臺低于橫向滾輪臺，板材只能橫向運動，當有板材要從待料區(qū)進入橫切單元時，縱向滾輪臺由氣缸驅動升起，板材縱向運動進入橫切單元。

圖11 取板送板機構

圖12 升降式縱橫雙向輸送滾輪平臺

7）修邊余料處理單元

修邊余料的處理從功能要求入手分析，首先要讓修邊余料落下去，再輸送出去切碎。故該單元設計的結構要包括落料部分，余料輸送部分及余料處理部分。落料部分采用氣缸翻轉落料機構（如圖13所示），送料方式工業(yè)常用的有輸送帶機構，帶附板鏈輸送機構等；由于板材余料有時也較大，且批量鋸板余料量大，故碎料力要大，首先考慮用液壓油缸驅動碎料刀剪切，從而設計出液壓碎料機（如圖14所示）；整個余料處理單元結構最好要緊湊，所以余料輸出口即接碎料入口，考慮到余料在剪切時前進運動要停止，如果輸送機構不停止的話，靜止的板材會跟運動的輸送機構皮帶或者底板摩擦，而輸送機構頻繁啟動停止對電機傷害大，為解決這個問題，引入其他行業(yè)使用的振動原理輸送方式，從而設計了一種振動輸送槽（如圖15所示）。

圖13 氣缸翻轉落料機構

圖14 液壓碎料機

圖15 修邊余料處理單元

2 全自動縱橫切電腦裁板鋸的總體布局

各個部分結構方案確定后，便可結合工作流程對機器整體進行布局。設計的總體布局如圖16所示。

全自動縱橫切電腦裁板鋸的總體參數(shù)設計及對接參數(shù)的確定

板材原材料最大規(guī)格：1830mm×3050mm×（8/10/12/14/18mm），為能鋸切上述規(guī)格板材即縱切單元鋸切寬度3200mm；橫切單元鋸切寬度1900mm。鋸切最大厚度120mm；鋸12mm厚中纖板產(chǎn)量平均每天鋸1400張（8小時計算），換算成單個鋸切流程所耗時間t=8×60÷（1400÷120×12）=3.4min；人造板原材料碼垛高度1000～1200mm左右。

圖16 整機總體布局圖

2.1 主要參數(shù)的計算

主要參數(shù)有：鋸座前進速度，鋸切送送板速度，取板送板速度，壓力橫梁壓板力，主鋸切削力等[6]。篇幅有限，以主鋸切削力計算為例，其余不詳述，根據(jù)經(jīng)驗式(7)、式(8)計算如下：

式中：∑Fi為作用在鋸片上的切削力，N；Ft為每齒切削力，N；Pt為過渡鋸切時的單位切削力，MPa；b為鋸路寬度，mm；θav為運動遇角，°；α為影響摩擦力變化強度的系數(shù)；H為鋸路高度，mm；fz為每齒進給量，mm；t為齒鋸，mm。

已知參數(shù)：b=4.8mm，α=0.07，H=120mm；未知參數(shù)：fz、θav、Pt、t求解如下：

1）每齒進給量fz：

式中：Vf為鋸車鋸切前進速度，取80m/min；Z為圓鋸片齒數(shù)，取72；n=為圓鋸片轉速為4200r/min。將上述數(shù)值代入式(2)，得出fz=0.265mm。

2）運動遇角θav：

式中：C為圓鋸片中心到工作臺面高度，取95mm；R為鋸片半徑，取225mm。代入式(3)得出：θav=46.5°。

3）單位切削力Pt（MPa）

鋸切厚度120mm，大于0.1mm，為厚切削情況，故：

式中：Cp為變鈍系數(shù)，按新刃磨鋸片取值，Cp=1.0；ft為系數(shù)，取ft=0.49×9.81（N/mm）；壓料齒切削厚度fzav =0.192mm；At、Bt、Ct均為修正系數(shù)，At=0.056×9.81（MPa），Bt=0.020×9.81（MPa），Ct=2.00×9.81（MPa），切削速度V=πDn / 60000 = 3.14×450×4200/60000=98.9m/s，切削角δ取60°。將數(shù)值代入式(4)，則Pt=57.77N。

4）鋸齒齒鋸t：

式中D為圓鋸片直徑，為450mm，Z為鋸片齒數(shù)。將數(shù)值代入式(5)，得T=19.6mm。將1）、2）、3）、4）計算結果代入式(1)中，得到主鋸切削力Fc=339.9N。根據(jù)人機工程學要求初步確定工作臺高度950mm。

2.2 確定各個功能單元之間對接參數(shù)

總體布局完成后，要分工協(xié)同設計，那么就需要先確定各個功能單元之間的對接參數(shù)。包括兩大類，一類是功能方面的對接參數(shù)，如送料速度，出料速度，板材進料尺寸，出料尺寸等，另一類是各個單元間空間結構及位置關系對接參數(shù)，如圖17中，縱鋸主機高度參數(shù)A，橫鋸主機高度E，這兩個參數(shù)關系到縱鋸鋸切出來的板材能順利進入橫鋸，還有取板送板單元橫梁寬度C,橫梁高度B等等。這類空間位置參數(shù)不是固定的，在設計時負責不同單元設計的工程師隨著機構結構件具體化計算及結構優(yōu)化，相互之間不斷傳遞空間關聯(lián)尺寸，各自修正的各自負責部分的三維模型。

圖17 空間結構及位置關系對接參數(shù)

3 各個功能模塊的并行設計

總體布局完成了，各個功能單元結構方案確定了，對接參數(shù)也確定了，接下來就是各個部分的具體設計了。設計的全自動縱橫切電腦裁板鋸已推向市場，實物如圖18所示，機器參數(shù)如表1所示。

圖18 整機實物圖片

表1 機器參數(shù)

表1 （續(xù)）

4 結束語

本文對全自動縱橫切電腦裁板鋸進行了總體設計，從確定總體原理方案入手，再確定工作流程，然后由工作流程確定各個功能單元及各個功能單元的結構方案，再對主要參數(shù)進行計算及確定對接參數(shù)，最后協(xié)同設計。所設計的電腦裁板鋸已推向市場，效率是普通電腦裁板鋸的3倍左右，其工作可靠，運行穩(wěn)定，客戶反應良好。同時該機整機及文中所述的功能單元已獲得國家專利授權。