姜新波， 郭 璨， 馬 巖， 楊春梅， 鄧兆軍

(東北林業(yè)大學林業(yè)與木工機械工程技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150040)

研究與設(shè)計

歐式木窗表面雙端砂光機關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

姜新波， 郭 璨， 馬 巖*， 楊春梅， 鄧兆軍

(東北林業(yè)大學林業(yè)與木工機械工程技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150040)

通過分析歐式木窗表面雙端砂光機生產(chǎn)工藝和整體方案，對研磨機構(gòu)、夾緊機構(gòu)、側(cè)向夾緊機構(gòu)及機器保護罩等關(guān)鍵部件進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對研磨機構(gòu)的主軸電機進行了選型。為了保證進給速度一致，防止歐式木窗在加工過程中出現(xiàn)變形，選用伺服電機作為進給電機，根據(jù)電機轉(zhuǎn)子慣量、功率、電機負載轉(zhuǎn)矩、實際轉(zhuǎn)速，確定伺服電機型號。通過關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使歐式木窗表面雙端砂光機在生產(chǎn)效率、生產(chǎn)質(zhì)量、自動化程度等方面均有提高。

砂光機；關(guān)鍵部件；結(jié)構(gòu)設(shè)計；伺服電機

隨著人們對綠色消費理念認識的深入及對生活質(zhì)量要求的不斷提高，對木窗品質(zhì)的要求越來越高，對木窗裝飾性能的要求也不斷提高。其中，木窗的噴涂質(zhì)量將直接影響其裝飾性能，提高木窗的表面裝飾性能，除了要具有較高的涂飾技術(shù)水平，還應(yīng)保證白坯件具有較高的砂光質(zhì)量。砂光可去除白坯件的毛刺、污漬，提高漆膜附著力和表面質(zhì)量，因此砂光設(shè)備是影響木窗表面質(zhì)量的關(guān)鍵[1-4]。

目前，雖然市場上的砂光機種類較多，但國內(nèi)外還沒有針對木窗表面的專用雙端砂光機進行研究設(shè)計，大部分的砂光機只能加工窗框的一條邊框，自動化程度低，生產(chǎn)效率低，不能滿足企業(yè)生產(chǎn)的需求。

1 歐式木窗砂光工藝分析和整體設(shè)計方案確定

由于歐式木窗的截面形狀比較復雜，因此要求涂覆磨具磨料具有可撓性和柔韌性。撓性磨具主要分片狀和輪狀兩種，片狀磨具的形狀適應(yīng)性好，磨料材料粒度范圍較大，可適應(yīng)于粗糙、普通、精細、超細等各種加工的需求；輪狀磨具各個部件都具有多種規(guī)格形狀可根據(jù)加工需求進行組合[5]，適用范圍更廣，因此本設(shè)計選用輪式磨具作為砂光的主要磨具。

歐式木窗雙端砂光機主要用于拼接完成后對其窗框砂光，可以同時對窗框的兩條邊框表面進行砂光，所以研磨組件到窗框的距離要能夠調(diào)整，砂光機各砂光頭所處的角度與木窗框各待加工表面要一致。木窗框的下表面與進給傳送帶接觸，上表面需要被壓緊，窗框的一側(cè)需要有固定的定位，另一側(cè)還要有可調(diào)節(jié)的壓緊機構(gòu)，這樣才能滿足不同尺寸窗框的定位要求。歐式木窗雙端砂光機整體設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 歐式木窗表面雙端砂光機整體設(shè)計方案1.砂架；2.研磨機構(gòu)；3.輸送機構(gòu)；4.側(cè)向夾緊機構(gòu)；5.機架；6.夾緊機構(gòu)

2 研磨機構(gòu)設(shè)計

2.1 研磨機構(gòu)整體方案設(shè)計

研磨機構(gòu)由刷式砂光頭、哈茵電機、升降氣缸、升降導軌、電機安裝板、支撐板、導軌擋塊、導軌固定座等組成。刷式砂光頭通過軸套安裝在哈茵電機的輸出軸上，哈茵電機通過電機安裝板與導軌固定座2和4通過螺紋連接。導軌固定座2和4內(nèi)裝有直線軸承用于固定導軌，通過調(diào)整導軌擋塊的位置來調(diào)節(jié)砂光頭的最大行程，通過升降氣缸的升降來控制砂光頭與工件的接觸距離以完成砂光。研磨機構(gòu)整體設(shè)計方案如圖2所示。

圖2 研磨機構(gòu)整體設(shè)計方案1.刷式砂光頭；2.電機安裝板；3.哈茵電機；4.導軌固定座1；5.升降導軌；6.彈性擋圈；7.直線軸承；8.導軌固定座2；9.導軌擋塊；10.支撐板；11.導軌固定座3；12.導軌固定座4；13.升降氣缸

2.2 研磨機構(gòu)主軸電機選擇

選擇電機應(yīng)綜合考慮以下問題。

(1)電機安裝方式與類型需通過負載類型和生產(chǎn)工藝來確定，兩者都對電機的啟動、停止、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和工作環(huán)境等具有一定的要求。

(2)電機功率的確定需要考慮電機的承受溫度、過載能力、轉(zhuǎn)矩、速度變化范圍和是否頻繁啟動等因素。

(3)根據(jù)使用場所的環(huán)境條件(如溫度、濕度、灰塵等)，考慮必要的保護方式，選擇電機的結(jié)構(gòu)型式。

(4)根據(jù)企業(yè)的電網(wǎng)電壓標準，確定電機的電壓等級和類型。

(5)根據(jù)生產(chǎn)機械的最高轉(zhuǎn)速和對電力傳動調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程性能要求，以及機械減速機的結(jié)構(gòu)及其復雜程度，選擇電機的額定轉(zhuǎn)速[6-7]。

除此之外，選擇電機還必須符合節(jié)能要求，考慮運行可靠性、設(shè)備的供貨情況、備品備件的通用性、安裝檢修的難易，以及產(chǎn)品價格、設(shè)備費用、運行和維修費用、生產(chǎn)過程中前期與后期電機功率變化關(guān)系等多種因素[8-9]。

本設(shè)計中，主軸電機主要用于帶動刷式砂光輪旋轉(zhuǎn)對窗框進行砂光，因此主軸電機負載時轉(zhuǎn)矩為主要轉(zhuǎn)矩，但轉(zhuǎn)矩較小。刷式砂光輪安裝在電機輸出軸上，主軸電機的啟動轉(zhuǎn)矩也較小，而且在工作過程中電機的轉(zhuǎn)速和負載恒定。電機用于砂光作業(yè)時，工作環(huán)境的粉塵較多。

綜合考慮以上因素，本設(shè)計選用的主軸電機為Y2-712-4型電機，其額定功率為0.37 kW，轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，效率為62%，功率因數(shù)為0.92，額定轉(zhuǎn)矩為0.35 N·m。

3 夾緊機構(gòu)設(shè)計

夾緊機構(gòu)由壓輥氣缸安裝板、福來輪壓輥、直線軸承、壓輥導向軸、升降氣缸等主要部分構(gòu)成。夾緊機構(gòu)的主要作用是在磨削和進給時壓緊工件防止工件移動，所以夾緊機構(gòu)的設(shè)計既要能保證正常進給，還要有足夠的壓緊力保證工件不移動。夾緊機構(gòu)采用氣缸傳動，氣缸安裝在氣缸安裝板上，直線軸承通過彈性擋圈也安裝在氣缸安裝板上，直線導軌由直線軸承固定，直線導軌通過螺紋連接與福來輪安裝板相連。加工時氣缸伸出，使壓軌壓在工件上表面實現(xiàn)夾緊。夾緊機構(gòu)設(shè)計方案如圖3所示。

圖3 夾緊機構(gòu)設(shè)計方案1.福來輪壓輥；2.福來輪安裝板；3.氣缸安裝板；4.升降導軌；5.升降氣缸；6.直線軸承；7.彈性擋圈

4 側(cè)向夾緊機構(gòu)設(shè)計

側(cè)向夾緊機構(gòu)由膠輥支撐架、福來輪壓輥、壓輥安裝架、限位塊、氣缸固定塊、直線軸承、壓輥導向軸等主要部分構(gòu)成。側(cè)向定位氣缸根據(jù)工件的長度可進行伸縮，以實現(xiàn)側(cè)向定位夾緊工件。氣缸與氣缸固定塊和膠輥支撐架通過螺紋連接相連，直線軸承通過彈性擋圈安裝到氣缸固定塊上。導軌由直線軸承固定，通過兩側(cè)緊定螺釘使導軌固定在膠輥支撐架上，膠輥支撐架通過螺紋連接與壓輥安裝架相連。通過氣缸的伸縮使福來輪壓輥與工件外側(cè)面接觸，實現(xiàn)夾緊定位。側(cè)向夾緊機構(gòu)設(shè)計方案如圖4所示。

圖4 側(cè)向夾緊機構(gòu)設(shè)計方案1.福來輪安裝板；2.膠輥支撐架；3.氣缸固定塊；4.彈性擋圈；5.升降導軌；6.限位塊；7.直線軸承；8.升降氣缸；9.福來輪壓輥

5 機器保護罩設(shè)計

為了美觀、防塵及生產(chǎn)安全的需要，設(shè)計有機器保護罩，其主要由支撐架、窗戶、張合板、鈑金主體組成。鈑金主體包括頂部鈑金、窗側(cè)鈑金、張合板上鈑金、張合板下鈑金四部分，其中頂部鈑金通過螺紋連接將另外三部分連接成一體。為了保證鈑金的安裝與強度，支撐架與鈑金均有螺紋連接。為工作時安裝與維修方便，在鈑金的正面裝窗戶，在背面裝張合板，方便觀察與拆卸。機器保護罩設(shè)計方案如圖5所示。

圖5 機器保護罩設(shè)計方案1.窗側(cè)鈑金；2.窗戶；3.頂部鈑金；4.張合板上鈑金；5.張合板下鈑金；6.底部鈑金

6 伺服電機的選型計算

伺服電機具有傳動精度高及可控制速度等優(yōu)勢，所以選用伺服電機作為進給動力來保證移動端和固定端的進給速度一致，防止歐式木窗在加工過程中出現(xiàn)變形。鏈傳動選取的參數(shù)為齒數(shù)z=17，節(jié)距p=12.7 mm，平均速度v=10 m/min，傳動比為1。

6.1 伺服電機額定轉(zhuǎn)速計算

鏈傳動的平均速度公式為：

(1)

電機實際轉(zhuǎn)速n1為：

n1=i×n

(2)

電機的輸出軸連接有行星斜齒輪減速器，減速比i=30，將其帶入上式，通過計算可得電機的實際轉(zhuǎn)速n1=1 392.31 r/min。

6.2 伺服電機負載慣量計算

物體運動過程的動能T1為：

(3)

式中：m為運動物體總質(zhì)量(kg)；V為最大直線速度(mm/s)。

電機相對于運動物體的能量T2為：

(4)

式中：Jω0為電機上的負載慣量(kg/m2)；ω電機為電機的角速度，ω電機=2πn1。

根據(jù)能量守恒定律可知T1=T2，帶入式(3)和式(4)可得，直線運動物體轉(zhuǎn)移到電機上的負載慣量Jω0為：

(5)

考慮到傳動效率(鏈傳動效率η1、減速器效率η2)，所以窗框負載折算到伺服電機軸上的負載慣量為：

(6)

式中：Jω1為減速器高速軸上的轉(zhuǎn)動慣量(kg/m2)。

取窗框質(zhì)量m=20 kg，鏈傳動效率η1=0.95，減速器效率η2=0.95，將這些數(shù)據(jù)帶入式(6)中，通過計算可得伺服電機軸上的負載慣量Jω=7.59×10-5kg·m2。

根據(jù)慣性匹配理論，伺服電機轉(zhuǎn)子慣量JM取值范圍為：

JM=(1/10～1/3)Jω

(7)

6.3 伺服電機負載轉(zhuǎn)矩計算

窗框進給砂光時電機負載最大，刷式砂光產(chǎn)生的磨削力很小可忽略不計，此時伺服電機的負載轉(zhuǎn)矩為：

(8)

式中：μ為窗框與傳送帶的摩擦系數(shù)；F0為壓緊裝置的總壓緊力(N)；F1為磨削時產(chǎn)生的切削力(N)，η為系統(tǒng)的傳遞效率，η=η1η2。

根據(jù)磨削特性原理分析[10-11]，此時的切向力為：

(9)

式中：q為壓強(MPa)；S為受力面積(mm2)；dt為研磨粒子直徑(mm)；Ka為修正系數(shù)；Kc為變鈍系數(shù)。

通過計算和查閱相關(guān)資料可得：S=0.005 25 m2，q=206 kPa，dt=0.2 mm，Ka=0.95，Kc=1。將這些數(shù)據(jù)帶入式(9)，通過計算可得：F1=20×0.005 25×(0.425+0.19×0.20.5)×0.95×1×103=50.82 N。壓緊機構(gòu)選用內(nèi)徑為?50 mm的氣缸，其工作壓力為0.5 MP，單個氣缸壓緊力為981.5 N，則其10個氣缸產(chǎn)生的總壓緊力F0為9 815 N。假定窗框質(zhì)量為m=20 kg，傳送帶與窗框的摩擦系數(shù)μ取0.45。在不考慮窗框與其他接觸面產(chǎn)生摩擦力的情況下，其負載轉(zhuǎn)矩為：

T負載=5.77(N·m)

6.4 確定伺服電機功率

將數(shù)據(jù)帶入上面的相應(yīng)各式，可得：

(10)

通過計算可得額定功率P0=0.93 kW。

最后確定選取臺達ECMA-E31315PS型號伺服電機，電機功率為1.5 kW，額定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，轉(zhuǎn)子慣量為11.18 kg·cm2，額定力矩為7.16 N·m。

7 結(jié)束語

通過對實際加工需求的分析，完成了歐式木窗表面雙端砂光機關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和電機的選型，既保證了加工質(zhì)量又降低了生產(chǎn)成本，滿足了實際生產(chǎn)的需要和不同用戶的個性化使用要求。對擴大企業(yè)生產(chǎn)范圍，提高企業(yè)生產(chǎn)效率和市場競爭力具有一定的促進作用。

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(責任編輯 張雅芳)

Structural Design of Key Components of Sanders for BilateralSurface of European-style Wooden Windows

JIANG Xin-bo， GUO Can， MA Yan*， YANG Chun-mei， DENG Zhao-jun

(Forestry and Woodworking Machinery Engineering Technology Center，Northeast Forestry University，Harbin Heilongjiang 150040，China)

Through the analysis of the production process and overall of sanders for bilateral surface of European-style wood windows，the structural design of such key components as grinding mechanism，clamping mechanism，lateral clamping mechanism，machine protection cover is conducted，the grinding machine spindle motor selection is stated.In order to ensure the same feed rate and prevent the deformation of European-style wooden windows in the manufacturing process，servo motor are used as feed motors，with the motor rotor inertia，power，motor load torque，actual speed determined，based on which the type of serve motors can be selected rationally.The structural design of key components can improve the sanders for bilateral surface of European-style wood windows in terms of production efficiency，production quality and degree of automation.

sander；key components；structural design；servo motor

2016-12-30

國家“十二五”科技支撐計劃項目“黑龍江省數(shù)控一代木工機械產(chǎn)品創(chuàng)新應(yīng)用示范工程”(2014BAF11B00)；木材數(shù)控微米刨銑加工及智能控制裝備研究項目(GA14A401)

姜新波(1967-)，男，副教授，碩士生導師，博士，主要從事林業(yè)與木工機械的設(shè)計與制造，E-mail：jxb-1967@163.com。

*通訊作者：馬 巖(1954-)，男，教授，博士生導師，碩士，研究方向為機械設(shè)計及理論，E-mail：myan@vip.163.com。

TS642

A

2095-2953(2017)03-0016-04