王百順,張志軍,劉 凱,張永超

(沈陽理工大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110159)

由于多線切割機床獨特的工作方式和高加工效率而被機床企業(yè)競相研發(fā)。多線切割機床在眾多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，如：各種硅片和石材的切割等[1]。

為使多線切割機床具有高切割精度和高生產(chǎn)效率，關(guān)鍵技術(shù)是線鋸在切割過程中具有恒定的張力。傳統(tǒng)的張力施加機構(gòu)采用重錘或機械彈簧式張緊機構(gòu)[2]。但重錘張緊機構(gòu)在工作時重錘不停的擺動影響走絲機構(gòu)的穩(wěn)定性；機械彈簧式張緊機構(gòu)在工作時的張力無法自動調(diào)整，張力忽大忽小也影響走絲機構(gòu)的穩(wěn)定性[3-4]。

為解決上述兩種張力機構(gòu)存在的問題，設(shè)計一種新型的恒張力傳動機構(gòu)和恒張力檢測機構(gòu)，使走絲機構(gòu)在工作過程中的張力保持恒定。

1 恒張力走絲機構(gòu)的設(shè)計

圖1為多線切割機床的結(jié)構(gòu)布局圖。圖2為走絲機構(gòu)三維結(jié)構(gòu)圖。圖3為走絲機構(gòu)工作原理圖。走絲機構(gòu)主要由供線機構(gòu)、導(dǎo)向機構(gòu)、張緊機構(gòu)、切割機構(gòu)、張力檢測機構(gòu)、走線機構(gòu)和支撐機構(gòu)等組成。

圖1 機床總體結(jié)構(gòu)布局圖

圖2 走絲機構(gòu)三維結(jié)構(gòu)圖

圖3 走絲機構(gòu)工作原理圖

走絲機構(gòu)工作原理：首先由二個液壓馬達分別帶動走線機構(gòu)11和供線機構(gòu)1一起同步同向轉(zhuǎn)動；此后張緊機構(gòu)5進行預(yù)張緊；張力檢測機構(gòu)9則測試線鋸2的張力大小，并將張力值傳遞給控制系統(tǒng)；經(jīng)信號調(diào)制后再反饋給張緊機構(gòu)5，張緊機構(gòu)5再進行張力的微調(diào)整。此后，在工作過程中張力的測試與反饋信號將不斷地重復(fù)上述過程。

2 張緊機構(gòu)的設(shè)計

2.1 技術(shù)要求

本文的張緊機構(gòu)基于下述三個技術(shù)要求而設(shè)計：(1)20根線鋸都要在恒張力條件下工作；(2)每根線鋸的張力變化范圍在±2N；(3)每根線鋸產(chǎn)生的應(yīng)力必須小于其許用應(yīng)力。

2.2 最大拉力的計算[5]

依據(jù)技術(shù)要求(3),在鋸切過程中，為防止單根線鋸發(fā)生斷裂，根據(jù)應(yīng)力疊加原理得

ξ·(σ1+σ2+σ3)≤σb

(1)

式中：ξ為安全系數(shù)；σ1為線鋸在鋸切點受到的最大拉力產(chǎn)生的拉應(yīng)力，σ1=T1/A；σ2為線鋸繞過加工輪時產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，σ2=E·r/ρ，其中r為線鋸的半徑，E為線鋸材料的彈性模量，取210GPa，ρ為曲率半徑，取105mm；σ3為慣性離心力的作用下線鋸產(chǎn)生的應(yīng)力，σ3=γ·v2/g，其中γ為線鋸單位體積質(zhì)量，取78000N/m3，v為線鋸的加工速度，取20m/s；σb為線鋸的抗拉強度。

由于慣性離心力產(chǎn)生的應(yīng)力遠小于線鋸的抗拉強度，σ3可忽略不計。所以式(1)可簡化為

ξ·(T1/A+E·r/ρ)≤σb

(2)

由式(2)可得線鋸產(chǎn)生的最大拉力為

T1=A·(σb/ξ-E·r·/ρ)

(3)

2.3 線鋸張緊力的計算

依據(jù)圖3中張緊機構(gòu)5的工作原理，建立單根線鋸張緊過程中的等效受力分析圖，如圖4所示。

圖4 張緊輪的等效受力分析圖

根據(jù)圖4受力平衡狀態(tài)得出

(4)

式中：F1、F2為張緊輪兩側(cè)線鋸拉力；p1為線鋸的張緊力；α、β為張緊輪張緊時與豎直方向間夾角。

由式(4)得出

(5)

因為線鋸彈性模量、線鋸的半徑、線鋸繞過導(dǎo)輪的曲率半徑均為常數(shù)，故T1恒為常數(shù)。圖3中設(shè)定張緊機構(gòu)處于導(dǎo)向輪4和加工輪6中間，故α=β。式(4)和式(5)聯(lián)立得

T1=p1/(2·sinα)

(6)

設(shè)定最大張緊位移為x=50mm，張緊輪與加工輪的距離為l=500mm。由式(6)求出單根線鋸的最大張緊力為p1=38N。本機床總的切割線鋸數(shù)為20根，其總的最大張緊力為

P=n·p1=20×38=760N

設(shè)計采用液壓彈簧進行預(yù)緊，張緊機構(gòu)采用杠桿機構(gòu)，其比例為1∶2，原理圖如圖5所示。

圖5 張緊機構(gòu)原理圖

整個機構(gòu)由支撐機構(gòu)、張緊機構(gòu)和加載系統(tǒng)三部分構(gòu)成。支撐機構(gòu)12安裝在整機的機架上；張緊機構(gòu)由擺動桿13和張緊輪14組成；液壓彈簧15對擺動桿13進行加載，完成對走絲機構(gòu)的恒張力調(diào)整。

3 張力檢測機構(gòu)的設(shè)計

為保證線鋸在切割過程中的穩(wěn)定性，要隨時測試線鋸的張力。因此，張力測試機構(gòu)的性能好壞至關(guān)重要。圖3中張力測試機構(gòu)9選擇S型的MCT-T9張力傳感器，其中間的空心軸上安裝有四個電阻應(yīng)變片，通過惠斯登電橋?qū)㈦娮钁?yīng)變片產(chǎn)生的機械變形轉(zhuǎn)化成電信號輸出[6]。

3.1 線鋸張力與張力傳感器輸出信號

檢測輪測定單根線鋸張力時的受力情況如圖6所示。

圖6 檢測輪的受力狀態(tài)圖

由圖6得出傳感器的受力為

Fp=2·T·cosφ

(7)

式中：Fp為傳感器所受的力；T為線鋸進行切割時的張力；φ為傳感器受力與線鋸張力之間的夾角。

線鋸的張力與電壓之間的關(guān)系為[7]

T=K/(2·cosφ)·ΔU

(8)

式中，K為標定系數(shù)，為固定常數(shù)；ΔU為傳感器的輸出的電壓值。

由式(7)和式(8)得到

Fp=K·ΔU

(9)

式(9)是斜率為K值的線性公式，利用式(9)可對傳感器進行較精確的標定。對多個線鋸來說，其檢測的張力是單線的n倍疊加。

3.2 張力檢測裝置結(jié)構(gòu)布局

為使傳感器得到的張力信號輸出最大和S型結(jié)構(gòu)的信號輸出對稱，將壓緊輪安裝在S型結(jié)構(gòu)的一端。此時電阻應(yīng)變片的機械變形量最大，全橋電路輸出的電信號最強，信號不易失真。張力檢測裝置結(jié)構(gòu)布局如圖7所示。

4 張緊機構(gòu)的有限元分析

4.1 理論上最大轉(zhuǎn)角和位移分析

據(jù)技術(shù)要求(2),張緊輪變化引起張力變化的范圍主要有兩種形式，如圖8所示，即：(1)張緊輪以軸中間為軸發(fā)生偏移；(2)張緊輪以一端為軸發(fā)生偏移。

圖7 張力檢測裝置結(jié)構(gòu)布局

圖8 張緊輪的偏轉(zhuǎn)示意圖

根據(jù)式(6)和勾股定理得出方程組

(10)

式中：β1為張緊輪實際狀態(tài)下的張緊夾角；θ為張緊輪產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角；L1為最大偏轉(zhuǎn)點與固定點的距離。

對式(10)進行化簡得

(11)

用Matlab軟件，當L1=95mm，x在0～50mm范圍時，θ隨x的變化曲線如圖9所示。

從圖9中看出，張緊輪的偏轉(zhuǎn)角單調(diào)遞增，為滿足技術(shù)要求(2)，其偏轉(zhuǎn)角度取最小值θ=1.5461°，此時張緊輪的最小偏轉(zhuǎn)位移x=2.5641mm。

圖9 θ隨x的變化曲線圖

4.2 張緊輪的靜力學分析

在張緊機構(gòu)的上端支撐部位施加全約束，在張緊輪的槽內(nèi)均施加豎直向下、大小為195N的力，底部施加水平方向、大小為360N的力，進行靜力分析后得到張緊輪的最大變形圖，如圖10所示。

圖10 靜力載荷作用下的最大變形圖

4.3 張緊輪的動力學分析

由于張緊輪在工作過程中不停的轉(zhuǎn)動，張緊輪的轉(zhuǎn)動又會產(chǎn)生較大周期性的振動。隨著轉(zhuǎn)速的不同，張緊機構(gòu)所產(chǎn)生的激振頻率也不同，對張緊機構(gòu)穩(wěn)定性的影響大小也不同。依據(jù)張緊輪的轉(zhuǎn)速范圍[8]，取張緊輪的工作頻率f=20～40Hz。取張緊機構(gòu)的前六階模態(tài)進行分析，如圖11所示。張緊機構(gòu)的固有頻率和模態(tài)振型中張緊輪Y方向的最大位移量如圖12所示。通過圖12能夠看出，模態(tài)分析得出的張緊輪Y方向的最大位移量遠低于理論計算值。

圖11 張緊機構(gòu)前六階模態(tài)振型圖

圖12 張緊輪Y方向最大位移模態(tài)分析與理論計算比較圖

由于張緊機構(gòu)的第一階固有頻率遠高于張緊輪轉(zhuǎn)動過程中所產(chǎn)生的激振頻率，所設(shè)計的張緊機構(gòu)在工作中不會發(fā)生共振現(xiàn)象。

5 結(jié)論

(1)張力測試機構(gòu)測定走絲機構(gòu)中線鋸的張力，便于調(diào)節(jié)線鋸張力的大小；

(2)加工過程中，張緊力可隨負荷的變化實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)；

(3)張緊機構(gòu)的穩(wěn)定性通過有限元的靜力和動態(tài)特性分析，在其理論允許的范圍之內(nèi)。

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