吳海勇，張海義

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電控變頻無卡軸在線旋切機的設(shè)計與應(yīng)用研究

吳海勇1，張海義2

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

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

變頻；無卡軸旋切機；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)展的同時也促進了人造板、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)使用的旋切機設(shè)備相對落后，自動化程度較低，生產(chǎn)效率較低。因此，新型旋切機設(shè)備的研制成為一個擺在企業(yè)生產(chǎn)面前的重要課題。

傳統(tǒng)的木材旋切機是有卡軸旋切結(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)實踐，研發(fā)出一種設(shè)計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。利用無卡軸對輥取消卡軸，圓木無需卡軸卡緊，無需進行定心，圓木的裝夾不受芯材質(zhì)量的影響，并利用相關(guān)的機電控制技術(shù)合理調(diào)整控制旋切機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 旋切機工作原理

本文所設(shè)計的電控變頻無卡軸在線旋切機工作原理如圖1所示。旋切機的工作核心部分主要由兩部分組成，一個是將圓木旋切成單板的旋切加工系統(tǒng)，另一個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)主要是由兩個固定驅(qū)動輥、進給驅(qū)動輥和旋切刀具系統(tǒng)等組成，其中固定輥通過異步電動機控制其轉(zhuǎn)動速度，而進給驅(qū)動輥則是電機帶動絲杠控制棍的旋轉(zhuǎn)速度，進給驅(qū)動輥的進給速度直接影響到圓木的旋切速度。通過固定驅(qū)動棍和進給驅(qū)動輥三者將圓木夾緊于工作臺上，工作時圓木在三個輥同步轉(zhuǎn)動的帶動下旋轉(zhuǎn)運動，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，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的旋切速度，因此，圓木表面的旋切相對線速度在機床控制系統(tǒng)調(diào)制下須是恒定的，而進給驅(qū)動輥進給的速度V在進給時是變速進給的，即進給速度V是旋切刀具和進給驅(qū)動輥位置坐標(biāo)x的函數(shù)，亦即：

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

因此在實際的加工中，可以根據(jù)人機交互系統(tǒng)控制旋切刀具的實際坐標(biāo)位置，計算出進給電機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)變速進給，進而保證旋切的板材厚度均勻[2]。

圖1 旋切機工作原理圖

1、2-固定驅(qū)動輥；3-進給驅(qū)動棍；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-機床工作平臺。

2 旋切機設(shè)計主要參數(shù)

根據(jù)旋切加工原理，進給驅(qū)動輥沿直線進給，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，確定了電控變頻無卡軸在線旋切機床的主要設(shè)計參數(shù)如下：

固定驅(qū)動輥轉(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）

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

剪切驅(qū)動電動機：三相異步電動機Y90L-4（2.2kW）。

3 旋切機結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 旋切機結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文所設(shè)計的旋切機結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖如圖2所示。旋切機主要由機身，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。機身用安裝絲杠，刀架和皮帶輸送裝置等主體結(jié)構(gòu)，機身剛度的提高有利于提高加工的穩(wěn)定性。絲杠通過電動機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制旋切刀架的移動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和旋切進給，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身，齒輪箱是將主電動機的回轉(zhuǎn)傳動傳遞給絲杠和刀架等加工部位。

圖2 旋切機結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 旋切機控制系統(tǒng)的設(shè)計

旋切機的控制系統(tǒng)主要可以分為：總控系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、進給系統(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)計的旋切機上可實現(xiàn)自動化加工，當(dāng)圓木到達旋切加工的工位時，旋切機的總控系統(tǒng)根據(jù)輸入的指令信息，在線完成對圓木的旋切加工。旋切機總控系統(tǒng)通過人機交互系統(tǒng)實現(xiàn)操作員與機床實時加工交互，旋切加工中出現(xiàn)的誤操作和加工失敗等現(xiàn)象可以通過報警系統(tǒng)實時表現(xiàn)出來，提高加工的易操作性。通過人機交互系統(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)，圓木到達旋切工位時，進給驅(qū)動系統(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。潤滑和動力系統(tǒng)則保證機床各個部分能夠較好地配合正常的運轉(zhuǎn)。

圖3 旋切機控制系統(tǒng)設(shè)計圖

總控系統(tǒng)是旋切機設(shè)計的核心部件，是反應(yīng)旋切機旋切精度和實時在線控制的關(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開關(guān)量以及數(shù)據(jù)存儲傳送通過PLC進行邏輯控制[5]，進給量通過在線傳感器轉(zhuǎn)換成脈沖量反饋到PLC，由計算機控制系統(tǒng)計算出其相應(yīng)的頻率，PLC通過PS485接口和變頻通訊器[6]，進給驅(qū)動電動機對于給定的對應(yīng)頻率，實現(xiàn)對旋切加工的實時動態(tài)調(diào)速，進給速度再通過檢測反饋系統(tǒng)反應(yīng)到PLC控制，進給系統(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，實現(xiàn)了對旋切過程的實時在線變頻控制。旋切機總控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。

圖4 旋切機總控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 旋切機的運用

為了驗證本文所設(shè)計旋切機的實用性和可操作性，在實踐中對基于上述理論基礎(chǔ)做了大量的試驗、系統(tǒng)調(diào)試和改進。目前本文所設(shè)計的旋切機已投入生產(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)濟效益。

生產(chǎn)實踐中，由于生產(chǎn)流水線的特點，為提高旋切加工單板的質(zhì)量，待加工圓木在進行旋切加工之前必須進行平直化處理，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)實踐和產(chǎn)品需求作為出發(fā)點，根據(jù)國內(nèi)木材旋切機加工設(shè)備的運用現(xiàn)狀，設(shè)計開發(fā)了電控變頻無卡軸在線旋切機。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)計了旋切機的結(jié)構(gòu)和總控系統(tǒng)等關(guān)鍵部分。經(jīng)過生產(chǎn)實踐表明，本文所設(shè)計的旋切機具有精確度較高，人性化操作，木材利用效率較高等特點，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：機械制造及設(shè)計。

TH64

A

1673-1417（2012）02-0001-05