繩鋸線弓角靜態(tài)測量方法的研究

金閃閃， 鄒　航， 郭　樺

(1.華僑大學(xué) 脆性材料加工技術(shù)教育部工程研究中心， 福建 廈門 361021;2.華僑大學(xué) 制造工程研究院， 福建 廈門 361021)

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繩鋸線弓角靜態(tài)測量方法的研究

金閃閃1，2， 鄒航1，2， 郭樺1，2

(1.華僑大學(xué) 脆性材料加工技術(shù)教育部工程研究中心， 福建 廈門 361021;2.華僑大學(xué) 制造工程研究院， 福建 廈門 361021)

金剛石繩鋸在切割圓弧板材時(shí)，受到進(jìn)給方向的阻力，形成“線弓角”，使板材中部產(chǎn)生“過切”，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致材料報(bào)廢.為解決這一問題，提出了線弓角的概念，從理論上提出了一種基于懸臂式力傳感器的繩鋸線弓角的靜態(tài)測量方法，通過軸力傳感器輸出的電壓值計(jì)算出線弓角度.試驗(yàn)在自行設(shè)計(jì)和搭建的繩鋸線弓角測量平臺上進(jìn)行，用鋼絲繩模擬串珠繩產(chǎn)生線弓角，并進(jìn)行導(dǎo)輪受力與線弓角關(guān)系的靜態(tài)測量試驗(yàn)分析，以驗(yàn)證該方法測量線弓角的可行性.試驗(yàn)結(jié)果表明：在一定范圍內(nèi)，串珠繩初始張緊力越大，線弓角的計(jì)算值越接近理論值.因此，采用所提出的測量方法，當(dāng)裝有軸力傳感器的導(dǎo)輪處在剛好與鋼絲繩接觸的狀態(tài)下，選擇合適的初始張緊力，可以測得較準(zhǔn)確的角度值.

繩鋸； 軸力傳感器； 線弓角

金剛石繩鋸加工技術(shù)具有資源利用率高、環(huán)境影響小、鋸切效率高、荒料質(zhì)量好、施工簡單、人工成本低及適用石材范圍廣等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此能實(shí)現(xiàn)各種異形面加工、大型土建拆遷、管道施工等工程領(lǐng)域的高效切割以及適用于如海底構(gòu)件的維修、核電廠的拆除等特殊領(lǐng)域的工作，可支撐石材礦山的可持續(xù)開采，推進(jìn)石材制品更加規(guī)模化、藝術(shù)化[1-6].

許多學(xué)者對金剛石串珠繩及繩鋸切割過程作了大量研究.劉寶昌等[7]從理論上分析了金剛石繩鋸的鋸切軌跡及鋸切機(jī)理，得出金剛石繩鋸的鋸切軌跡近似為圓的漸開線，但沒有提出線弓角的概念.張進(jìn)生等[8]結(jié)合金剛石串珠鋸在石島紅花崗石高效回采中的應(yīng)用試驗(yàn)研究，討論了串珠鋸的磨損形式和鋸切線速度、串珠繩預(yù)緊力等工作參數(shù)之間的關(guān)系，忽略了串珠繩線弓角對石材切割的影響.章兼植[9]探討了繩鋸在鋸切時(shí)的受力情況及鋸切軌跡，并著重分析了承載鋼絲繩的應(yīng)力組成，及鋼絲繩作業(yè)時(shí)的曲率對壽命的影響，但沒有測量鋼絲繩作業(yè)時(shí)的受力值.黃國欽等[10]建立了串珠繩鋸切弧區(qū)內(nèi)單顆磨粒平均切削深度與鋸切參數(shù)之間的理論關(guān)系，在此基礎(chǔ)上采用單因素法和正交法進(jìn)行鋸切參數(shù)對鋸切力和鋸切功率的影響試驗(yàn)研究.王飛等[6]分析了串珠的磨(破)損、鋸切力與加工參數(shù)的關(guān)系，認(rèn)為單載荷作用時(shí)串珠磨損取決于金剛石出刃、串珠組分與鋸切參數(shù)；鋸切力隨著進(jìn)給速度與鋸切長度增大而增大，隨著串珠繩線速度增加而降低.Turchetta[11]提出了金剛石磨粒在不同磨損條件下的切削力模型.王海波等[12]強(qiáng)調(diào)了金剛石串珠繩的張緊力對繩鋸機(jī)的切割效率和使用壽命具有非常直接的影響.以上研究中，研究者主要針對金剛石串珠繩鋸的鋸切參數(shù)等進(jìn)行研究，很少關(guān)注串珠繩在切割石材過程中產(chǎn)生的線弓角.Liedke等[13]描述了金剛石線鋸在切割硅片時(shí)形成的線弓的形狀.Teomete[14]采用柯達(dá)DX 7630 6.1像素的數(shù)碼相機(jī)對金剛石線鋸在切割硅片時(shí)產(chǎn)生的線弓角進(jìn)行拍攝，然后測量線弓角，其雖然可以作為串珠繩線弓角測量方法的參考，但這種方法還未用于串珠繩線弓角的測量.閆先華[15]闡述了異型繩鋸機(jī)加工誤差產(chǎn)生的主要原因是金剛石繩鋸在切割過程中出現(xiàn)的撓度，也提出當(dāng)金剛石繩鋸兩端的進(jìn)給運(yùn)動由垂直(水平)轉(zhuǎn)變?yōu)樗?垂直)時(shí)停止進(jìn)給，進(jìn)行延時(shí)切割或完成延時(shí)切割后沿進(jìn)給軌跡反方向回退以減少撓度，但是沒有對這種撓度進(jìn)行準(zhǔn)確描述，也沒有提出撓度所對應(yīng)轉(zhuǎn)角的測量方法.Turchetta等[16]研究了一種新型金剛石繩鋸機(jī)，金剛石繩鋸在加工石材時(shí)可以保持彎曲狀態(tài)切割，且曲率會隨著繩鋸張緊力及切割力增加而增大，從而成倍地提高石材的去除率，這說明繩鋸曲率會對石材的切割產(chǎn)生一定影響，但文中并未提出測量辦法.實(shí)際上，在金剛石繩鋸切割圓弧板材時(shí)，繩鋸以一定的進(jìn)給速度從板材的邊緣切入，當(dāng)繩鋸越過圓弧板材中心線回走時(shí)，由于進(jìn)給方向阻力的存在會使得繩鋸發(fā)生彎曲變形，嚴(yán)重時(shí)會使圓弧板材在中心線處產(chǎn)生“過切”現(xiàn)象，導(dǎo)致材料報(bào)廢.本文將繩鋸在產(chǎn)生過切現(xiàn)象時(shí)的彎曲撓度定義為“線弓角”.

本文提供了一種繩鋸線弓角的靜態(tài)測量方法，用鋼絲繩模擬串珠繩產(chǎn)生線弓角并對其進(jìn)行測量試驗(yàn)，分析了鋼絲繩初始張緊力的大小及裝有傳感器的導(dǎo)輪軸的高度對測量結(jié)果的影響.擬通過該方法測得準(zhǔn)確線弓角，根據(jù)線弓角的大小調(diào)整進(jìn)給速度，避免產(chǎn)生過切現(xiàn)象，進(jìn)而保證繩鋸加工的精度，對提高圓弧等異型板材加工質(zhì)量具有重要意義.

1　導(dǎo)輪受力與角度關(guān)系的理論分析

試驗(yàn)在自行設(shè)計(jì)和搭建的繩鋸線弓角測量平臺上進(jìn)行.如圖1所示，左側(cè)導(dǎo)輪、中間導(dǎo)輪、右側(cè)張緊導(dǎo)輪在同一平面內(nèi)；左導(dǎo)輪與右側(cè)張緊導(dǎo)輪在同一高度.圖中豎直進(jìn)給裝置3和水平張緊裝置5均采用絲杠與光軸配合的直線運(yùn)動裝置，旋轉(zhuǎn)手柄2可使裝置3對串珠繩起到向上頂?shù)淖饔?，模擬串珠繩切割石材的過程；串珠繩受到導(dǎo)輪1的阻力形成線弓角，以此模擬繩鋸線弓角的產(chǎn)生.水平張緊裝置5用來對繩鋸進(jìn)行張緊.圖中導(dǎo)輪1的軸上裝有力傳感器，用來測量串珠繩在形成線弓角之后串珠繩水平方向的力Fx和豎直方向的力Fy.圖2所示是線弓角測量平臺.

由于金剛石繩鋸是具有一定彈性的連續(xù)體，在鋸切過程中不會產(chǎn)生折點(diǎn)，為簡化起見，把金剛石繩鋸看作是一條連續(xù)的鋸切線[7].故本試驗(yàn)選用鋼絲繩代替串珠繩進(jìn)行線弓角靜態(tài)測量試驗(yàn).導(dǎo)輪受力分析如圖3所示，F(xiàn)1為鋼絲繩或串珠繩的張力且處處相等，根據(jù)實(shí)際繩鋸機(jī)的工作情況，F(xiàn)1一端應(yīng)為水平方向，另一端會隨著角α(即線弓角)的改變而改變；F合為繩子對導(dǎo)輪的合力，指向圓心；Fx,Fy分別是F合在水平方向和豎直方向的分力.通過Fx，F(xiàn)y求出繩子與水平方向的夾角α.具體推導(dǎo)過程如下：

1—導(dǎo)輪(軸上裝有傳感器)；2—豎直進(jìn)給手輪；3—豎直進(jìn)給裝置；4—串珠繩；5—水平張緊裝置；6—水平張緊手輪；7—螺栓；8—膨脹螺栓；9—底板.圖1　線弓角測量裝置示意圖Fig.1　Measure device schematic diagram of wire saw deflection angle

圖2　線弓角測量平臺Fig.2　The equipment of measuring wire saw deflection angle

圖3　導(dǎo)輪1受力分析圖Fig.3　The force analysis of guide wheel 1

(1)

(2)

(3)

(4)

可以利用公式(4)，通過測得Fx，F(xiàn)y求出串珠繩與水平方向的夾角α.

2　試驗(yàn)條件與方案

2.1試驗(yàn)條件

試驗(yàn)設(shè)備：鋼絲繩、自行設(shè)計(jì)和搭建的測量平臺.

試驗(yàn)儀器：福祿克數(shù)字萬用表F101/F101KIT、數(shù)顯角度尺、數(shù)顯式拉力計(jì)和直流開關(guān)電源NES-200-24 200W 24V LED(將220 V交流電轉(zhuǎn)化為24 V直流電).

試驗(yàn)平臺的測力系統(tǒng)組成如圖4所示.

圖4試驗(yàn)平臺測力系統(tǒng)組成

Fig.4The composition of force measuring system of test platform

導(dǎo)輪的軸上安裝懸臂式軸力傳感器，材料為42CrMo，調(diào)質(zhì)處理，保證硬度220～240 HBS.由于傳感器在室溫下使用，導(dǎo)輪旋轉(zhuǎn)引起的溫度變化不大，所以傳感器溫度補(bǔ)償范圍為20～70 ℃.本試驗(yàn)中所設(shè)計(jì)的軸力傳感器量程為：水平方向?yàn)?50 N，豎直方向?yàn)? 500 N；又根據(jù)多個(gè)傳感器加工廠家提供的數(shù)據(jù)，將傳感器綜合精度設(shè)計(jì)為0.5%；傳感器的采樣頻率設(shè)定為200 Hz.

傳感器配接的信號放大器的參數(shù)如表1，水平方向輸出電壓0～5 V代表0～150 N的力，豎直方向輸出電壓0～5 V代表0～1 500 N的力.

表1與傳感器配接的信號放大器的參數(shù)

Table 1The parameters of signal amplifier connected with sensor

放大器供電24VDCFx=±150N輸出信號±5VDCFy=±1500N輸出信號±5VDC

傳感器受力大小與輸出電壓成線性關(guān)系，但實(shí)際上，傳感器的最大量程與電壓輸出的最大值并不正好對應(yīng)，即傳感器存在標(biāo)定系數(shù).將實(shí)際加載力與傳感器測量的力的比值定義為標(biāo)定系數(shù)λ,則有:

Fx=(Ux-Ux0)×30×λ1,

(5)

Fy=(Uy-Uy0)×300×λ2.

(6)

式中：λ1，λ2分別是傳感器水平和豎直方向的標(biāo)定系數(shù)；Ux0，Uy0分別是傳感器在水平方向和豎直方向的初始電壓；Ux，Uy分別是水平方向和豎直方向的最終輸出電壓.

在本試驗(yàn)提供的測量平臺上，采用2種方法對傳感器進(jìn)行校核.如圖5所示，(a)是在串珠繩上加裝數(shù)顯式拉力計(jì)，(b)是在導(dǎo)輪(導(dǎo)輪軸上裝有力傳感器)上直接加載砝碼.(a)的具體實(shí)施方法是：轉(zhuǎn)動水平張緊手輪以改變加載力大小，標(biāo)定水平方向時(shí)，初始張緊力從0 N開始，記下軸力傳感器初始電壓值Ux0，每次加載20 N，記下每次拉力計(jì)示數(shù)Fx以及軸力傳感器輸出電壓值Ux，根據(jù)公式(5)計(jì)算出水平方向標(biāo)定系數(shù)λ1.標(biāo)定豎直方向時(shí)，方法相同，每次加載200 N，利用公式(6)計(jì)算λ2；(b)的具體實(shí)施方法與(a)類似，通過加減砝碼改變加載力大小，水平方向每次加載20 N，豎直方向每次加載200 N.通過多次標(biāo)定得出：水平方向標(biāo)定系數(shù)λ1在1.188～1.189之間；豎直方向標(biāo)定系數(shù)在0.985～1.000之間.雖然標(biāo)定系數(shù)不為1，但是用傳感器測量的力與實(shí)際加載力之間具有很好的線性關(guān)系.通過調(diào)整信號放大器內(nèi)部旋鈕，將傳感器初始值歸零，可以使標(biāo)定系數(shù)約等于1.后續(xù)試驗(yàn)中標(biāo)定系數(shù)均按1計(jì)算.

圖5　傳感器校核示意圖Fig.5　Configuration of sensor calibrating

2.2試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)選用鋼絲繩代替串珠繩進(jìn)行導(dǎo)輪受力與線弓角關(guān)系的靜態(tài)測量試驗(yàn).將鋼絲繩安裝于測量平臺的左右導(dǎo)輪上，轉(zhuǎn)動水平張緊手輪6，使鋼絲繩達(dá)到預(yù)定的初始張緊力，分別記下初始位置時(shí)傳感器水平和豎直方向輸出電壓Ux0，Uy0.再轉(zhuǎn)動豎直進(jìn)給手輪2，每次轉(zhuǎn)動一定的圈數(shù)，使角度上升1°，記下各次傳感器水平(x軸)方向輸出電壓Ux和豎直(y軸)方向的輸出電Uy.因傳感器輸出的電壓信號與受到的壓力成線性關(guān)系，可利用式(5)，(6)和(4)計(jì)算出角度值α1.

另一方面，理論上升角度α2與絲杠總進(jìn)給圈數(shù)n(n為轉(zhuǎn)動豎直進(jìn)給手輪的圈數(shù))的關(guān)系為

(7)

式中：p為絲杠螺距，p=6 mm；L為豎直進(jìn)給手輪與導(dǎo)輪1的水平距離，L=700 mm.因此可得理論上升角度α2與絲杠總進(jìn)給圈數(shù)n的關(guān)系，如表2所示.

表2理論上升角度α2與圈數(shù)n的關(guān)系

Table 2The relationship between theoretical angleα2and number of turnsn

α2/(°)1234567n/圈2.04.16.18.210.212.314.3α2/(°)891011121314n/圈16.418.520.622.724.826.929.1

因此，可以通過改變n的大小來改變理論上升角度α2的大小.使用數(shù)顯角度尺測量實(shí)際線弓角度α3，將其與理論角度α2比較，如表3所示.

表3實(shí)際角度α3與理論角度α2對比

Table 3The contrast of practical angleα3and theoretical angleα2

α2/(°)α3/(°)1.01.10.80.80.91.02.02.12.11.92.11.83.03.22.93.03.03.04.04.14.24.03.94.05.05.15.15.15.15.26.06.06.06.26.26.27.07.27.27.27.27.18.08.08.18.17.98.19.09.09.19.29.29.110.010.310.010.010.39.911.011.111.211.211.311.212.012.112.112.112.212.113.013.013.113.113.213.2

從表3中可以看出，實(shí)際角度與理論角度基本吻合，所以試驗(yàn)中只對計(jì)算角度α1和理論角度α2的誤差作分析，計(jì)算角度α1與實(shí)際角度α3的誤差不再詳細(xì)分析.記μ為計(jì)算角度α1和理論角度α2的誤差，則有

(8)

另外，由于傳感器精度為0.5%，F(xiàn)x的誤差值為±0.75 N，實(shí)際上，在0～2°范圍內(nèi)，F(xiàn)x的值小于0.5 N，小于其傳感器本身測量精度，所以0～2°范圍內(nèi)的角度測量必定不準(zhǔn)確.又根據(jù)實(shí)際繩鋸加工過程中出現(xiàn)過切現(xiàn)象時(shí)線弓角一般不小于7°，所以不測量2°范圍以內(nèi)的角度不會影響整個(gè)試驗(yàn).后續(xù)試驗(yàn)所測角度均從3°開始.

在鋼絲繩上加裝數(shù)顯式拉力計(jì)以明確張緊力大小，手搖水平張緊絲杠的手輪對鋼絲繩進(jìn)行張緊.本文加裝軸力傳感器的導(dǎo)輪與鋼絲繩剛好接觸，手動旋轉(zhuǎn)該導(dǎo)輪，鋼絲繩基本保持不動，肉眼看不出導(dǎo)輪與鋼絲繩間隙的位置定義為零點(diǎn)，記此時(shí)裝有傳感器的導(dǎo)輪軸(以下簡稱傳感器軸)的位置為H=0 mm處.

為了驗(yàn)證本文提出的線弓角測量方法的可行性，并考慮到實(shí)際試驗(yàn)中出現(xiàn)的情況，針對不同的鋼絲繩初始張緊力和傳感器軸的高度，分別進(jìn)行角度測量試驗(yàn).試驗(yàn)方案如表4.

表4　試驗(yàn)方案

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1鋼絲繩初始張緊力大小對角度測量的影響

將鋼絲繩安裝在測量平臺上，保證導(dǎo)輪不傾斜，取傳感器軸的高度H=-4，0，4 mm，進(jìn)行3組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)的初始張緊力F又分別為800，1 000，1 200，1 400 N，進(jìn)行4次線弓角靜態(tài)測量試驗(yàn).α1是計(jì)算角度，α2是理論角度，μ為兩者誤差，測量結(jié)果如表5所示.

表5H=-4 mm，初始張緊力F改變時(shí)的α1和μ

Table 5H=-4 mm， theα1andμwhen the initial tensionFchanges

α2/(°)F/N800100012001400α1/(°)μ/%α1/(°)μ/%α1/(°)μ/%α1/(°)μ/%3.02.89-3.82.63-12.32.85-5.03.217.14.03.89-2.63.66-8.53.88-3.04.358.75.04.31-13.74.59-8.15.295.75.285.66.05.02-16.35.47-8.96.172.96.172.87.05.59-20.16.46-7.77.192.77.040.68.06.51-18.67.39-7.68.303.78.162.09.07.80-13.38.42-6.49.404.49.030.410.08.72-12.89.29-7.110.484.810.121.211.09.89-10.110.33-6.111.575.211.565.112.011.06-7.811.42-4.812.473.912.242.013.012.18-6.312.57-3.313.362.713.342.6

圖6　H=-4 mm，F(xiàn)改變時(shí)α1的變化規(guī)律Fig.6　H=-4 mm， the change rule of α1 when F changes

由表5和圖6可知，當(dāng)傳感器軸在-4 mm的位置時(shí)，初始張緊力為800，1 000 N時(shí)，計(jì)算角度會比理論值??；初始張緊力為1 200，1 400 N時(shí)，計(jì)算角度基本上比理論角度略大；計(jì)算角度與理論角度的誤差值隨著張緊力的增大而減小.由圖6可以看出，隨著初始張緊力的增加，計(jì)算角度會逐漸向理論角度靠近.

由表6和圖7可知，當(dāng)傳感器軸在0 mm位置時(shí)，計(jì)算角度與理論角度比較接近：800 N時(shí)，計(jì)算角度會比理論值??；初始張緊力為1 000，1 200，1 400 N時(shí)，計(jì)算角度基本上比理論角度略大；計(jì)算角度與理論角度的誤差值隨著張緊力的增大而逐漸減小.由圖7可以看出，隨著初始張緊力的增加，計(jì)算角度逐漸向理論角度靠近.初始張緊力為1 000 N及以上時(shí)，測量得到的計(jì)算角度相對準(zhǔn)確.

表6H=0 mm，初始張緊力F改變時(shí)的α1和μ

Table 6H=0 mm， theα1andμwhen the initial tensionFchanges

α2/(°)F/N800100012001400α1/(°)μ/%α1/(°)μ/%α1/(°)μ/%α1/(°)μ/%3.02.07-31.02.73-8.82.62-12.62.90-3.24.03.00-25.04.184.44.133.34.071.85.04.22-15.65.326.55.173.35.346.96.05.37-10.56.274.46.193.16.325.37.06.55-6.57.466.67.314.57.415.88.07.61-4.98.536.78.212.78.070.99.08.63-4.19.091.08.96-0.49.111.210.09.49-5.19.90-1.09.95-0.510.292.911.010.09-8.311.141.211.262.511.524.712.011.09-7.612.221.912.393.312.654.613.012.07-7.213.221.713.493.813.624.7

圖7　高度H=0 mm，F(xiàn)改變時(shí)α1的變化規(guī)律Fig.7　H=0 mm， the change rule of α1 when F changes

由表7和圖8可知：當(dāng)傳感器軸在4 mm位置時(shí)，計(jì)算角度會比理論角度略大；初始張緊力為800 N時(shí)，計(jì)算角度與理論角度的誤差值為13.6%～25.5%，初始張緊力為1 400 N時(shí)，誤差值為0.1%～12.2%，所以，隨著張緊力的增大，計(jì)算角度與理論角度的誤差值逐漸減小，計(jì)算角度逐漸向理論角度靠近.

表7H=4 mm，初始張緊力F改變時(shí)的α1和μ

Table 7H=4 mm， theα1andμwhen the initial tensionFchanges

α2/(°)F/N800100012001400α1/(°)μ/%α1/(°)μ/%α1/(°)μ/%α1/(°)μ/%3.03.0718.33.268.83.093.13.000.14.04.9222.94.7418.64.399.84.041.15.06.1022.05.7214.55.6212.35.5811.56.07.5325.256.8213.76.6010.06.7312.27.08.5021.48.0014.37.639.07.8512.28.09.5219.09.0913.68.669.58.699.69.010.5016.710.1813.19.869.59.869.610.011.3613.611.1211.211.1311.310.939.311.012.5013.612.2010.912.1510.412.059.512.013.5412.813.2410.313.2110.113.119.313.014.6412.614.269.714.199.214.199.2

圖8　H=4 mm，F(xiàn)改變時(shí)α1的變化規(guī)律Fig.8　H=4 mm， the change rule of α1 when F changes

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可知，通過測量電壓值計(jì)算得出的角度會隨著初始張緊力的增加更加接近理論值.一方面，當(dāng)初始張緊力較小時(shí)，軸力傳感器測量出的力也較小，甚至低于傳感器精度而引起誤差產(chǎn)生，這就導(dǎo)致測量角度不準(zhǔn)確；另一方面是由鋼絲繩本身的性質(zhì)決定的，鋼絲繩是一種柔性的空間螺旋結(jié)構(gòu)鋼制品，具有柔軟性、阻尼吸收和強(qiáng)度高的特點(diǎn)[17].鋼絲繩隨著拉力的增加，彈性模量先是增加，當(dāng)拉力增加到一定值時(shí)，彈性模量值不增反降[18].因此，當(dāng)初始張緊力較小時(shí)，鋼絲繩的長度變化不與所受載荷成線性關(guān)系，這會導(dǎo)致計(jì)算角度與理論角度有一定偏差.在一定范圍內(nèi)，初始張緊力增大，線性關(guān)系越好，測量計(jì)算出的角度就更接近理論值.

3.2傳感器軸的高度對角度測量的影響

根據(jù)以上試驗(yàn)可得出，傳感器軸的高度也會影響計(jì)算角度與理論角度的偏差.以F=1 000 N為例，分別測量H=-4，0，4 mm時(shí)的線弓角度.

由表8和圖9可知：當(dāng)傳感器軸在-4 mm位置時(shí)，計(jì)算角度比理論角度小3.3%～12.3%；傳感器軸在4 mm位置時(shí)，計(jì)算角度比理論角度大8.8%～18.6%；傳感器軸在0 mm位置時(shí)，計(jì)算角度與理論角度最接近，且5°以上的誤差控制在3.5%以內(nèi).因此，傳感器軸在0 mm位置時(shí)測得的角度最接近真實(shí)值.

表8F=1 000 N，改變H時(shí)的α1和μ

Table 8F=1 000 N， theα1andμwhenHchanges

α2/(°)H/mm-404α1/(°)μ/%α1/(°)μ/%α1/(°)μ/%3.02.63-12.32.73-9.03.268.84.03.66-8.53.78-5.64.7418.65.04.59-8.14.97-0.55.7214.56.05.47-8.96.101.76.2813.77.06.46-7.77.212.98.0014.38.07.39-7.68.283.59.0913.69.08.42-6.49.252.810.1813.110.09.29-7.110.323.211.1211.211.010.33-6.111.070.612.2010.912.011.42-4.812.161.413.2310.313.012.57-3.313.120.914.4411.1

圖9　F=1 000 N，改變H時(shí)α1的變化規(guī)律Fig.9　F=1 000 N， the change rule of α1 when H changes

4　結(jié)　論

本文提出了一種繩鋸線弓角的靜態(tài)測量方法，用鋼絲繩模擬串珠繩產(chǎn)生線弓角并對其進(jìn)行測量試驗(yàn)，分析了鋼絲繩初始張緊力的大小和傳感器軸的高度對測量結(jié)果的影響.試驗(yàn)表明：隨著初始張緊力的增加，計(jì)算角度會逐漸向理論角度靠近，一方面可能是由于傳感器精度較低，導(dǎo)致張緊力較低時(shí)測量不準(zhǔn)，另一方面是鋼絲繩本身的特點(diǎn)決定的；當(dāng)傳感器軸的位置在0 mm時(shí)，計(jì)算角度最接近理論值.因此，當(dāng)導(dǎo)輪處在剛好與鋼絲繩接觸的狀態(tài)下，選擇合適的初始張緊力，可以測得準(zhǔn)確的角度值.這證明了自行設(shè)計(jì)和搭建的測量平臺的合理性，也驗(yàn)證了文中線弓角測量方法的可行性.

[1] SPIELVOGEL E. An investigation into the economics of wire saws[J].Industrial Diamond Review，1999,59:178-182．

[2] GARRARD R， PEACOCK S R， HORI M. The future role of diamond in the construction industry[J]. Industrial Diamond Review， 2001(2):121-129．

[3] T?NSHOFF H K. Diamond tools for wire sawing metal components[J]. Diamond and Related Materials， 2002， 250(3/6):742-748．

[4] WRIGHT D N， ENGELS J A. The environment and cost benefits of using diamond wire for quarrying and processing of natural stone[J]. Industrial Diamond Review， 2003(4):16-24．

[5] 王慧.水下金剛石繩鋸機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究與樣機(jī)研制[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，2008: 1-8．

WANG Hui. Key technology and model machine research on underwater diamond wire saw[D]. Harbin: Harbin Engineering University， School of Mechanical and Electrical Engineering， 2008: 1-8．

[6] 王飛，張進(jìn)生，王志.金剛石串珠繩鋸鋸切技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].金剛石與磨料磨具工程，2013,33(1):36-42．

WANG Fei， ZHANG Jin-sheng， WANG Zhi. Current situation and development of diamond wire saw cutting technology[J]. Diamond & Abrasives Engineering， 2013,33(1):36-42．

[7] 劉寶昌，張祖培，孫友宏，等.金剛石繩鋸的鋸切軌跡及鋸切機(jī)理研究[J].金剛石與磨料磨具工程，2002(6): 17-20.

LIU Bao-chang， ZHANG Zu-pei， SUN You-hong， et al. Research on sawing trajectory and mechanism of diamond wire saw[J]. Diamond & Abrasives Engineering， 2002(6): 17-20．

[8] 張進(jìn)生，王志，黃波，等.金剛石串珠鋸在花崗巖高效回采中的應(yīng)用[J].金剛石與磨料磨具工程，2004(6):12-15．

ZHANG Jin-sheng， WANG Zhi， HUANG Bo， et al. Application research of diamond wire-saw in high efficiency quarrying of granite[J]. Diamond & Abrasives Engineering， 2004(6):12-15．

[9] 章兼植.金剛石串珠繩鋸的受力分析[J].石材，2005(1): 38-43．

ZHANG Jian-zhi. Analysis of the force of diamond wire saw[J].Stone, 2005(1): 38-43.

[10] 黃國欽，黃輝，郭樺，等.串珠繩鋸切花崗石過程中鋸切參數(shù)對鋸切力和能耗的影響[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009,45(3):234-239．

HUANG Guo-qin， HUANG Hui， GUO Hua， et al. Influences of sawing parameters on forces and energy in wire sawing of granite[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2009,45(3):234-239．

[11] TURCHETTA S. Cutting force and diamond tool wear in stone machining[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2012,61(5/8):441-448．

[12] 王海波，張嵐，孟慶新，等.水下繩鋸機(jī)切割油氣管道鋸切參數(shù)優(yōu)化研究[J].機(jī)床與液壓,2016,44(7):36-39．

WANG Hai-bo， ZHANG Lan， MENG Qing-xin， et al. Sawing parameters optimization study of underwater wire saw cutting oil and gas pipelines[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2016,44(7):36-39．

[13] LIEDKE T， KUNA M. A macroscopic mechanical model of the wire sawing process[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2011,51(9):711-720．

[14] TEOMETE E. Investigation of long waviness induced by the wire saw process[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Prat B: Journal of Engineering Manufacture, 2011, 225(7):1153-1162．

[15] 閏先華.怎樣提高金剛石異型繩鋸機(jī)的加工精度[J].石材,2013(2):18-19．

RUN Xian-hua. How to improve the machining precision of diamond wire saw machine in special shape cutting[J].Stone,2013(2):18-19．

[16] TURCHETTA S， POLINI W， GELFUSA G， et al. A new sawing machine by diamond wire[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2014, 70(1/4): 73-78．

[17] 劉玉輝.鋼繩繩內(nèi)在特性和力學(xué)性能研究[D].太原：太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2014: 2-5．

LIU Yu-hui. Research on inherent properties and mechanical performances of wire rope[D]. Taiyuan: Taiyuan University of Technology， School of Mechanical Engineering, 2014: 2-5．

[18] 倪松遠(yuǎn).鋼絲繩機(jī)械性質(zhì)的研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，2004: 11-12，47．

NI Song-yuan. The study of the steel wire rope mechanical character[D]. Harbin: Northeast Forestry University， College of Engineering and Technology, 2004: 11-12,47．

Research on static measuring method of wire saw deflection angle

JIN Shan-shan1，2， ZOU Hang1，2， GUO Hua1，2

(1. Engineering Research Center for Machining of Brittle Materials of Ministry of Education， Huaqiao University，Xiamen 361021， China; 2. Institute of Manufacturing Engineering， Huaqiao University， Xiamen 361021， China)

When diamond wire saw cuts circular arc, wire saw deflection angle will be formed due to resistance in the feed direction. If the bending is serious enough, the center of the circular plate will be cut excessively and leads to material scrap. In order to solve the problem, wire saw deflection angle is defined. The static measuring methodology of wire saw deflection angle was proposed. This methodology was based on cantilever type axis force sensor. Through the axis force sensor, voltage values were output and recorded to calculate wire saw deflection angle. Static measuring experiments were carried out in the physical equipment designed and built by authors. In the experiments, the steel rope was used to simulate diamond wire saw and created wire saw deflection angle. The static measuring experiments were carried out to study the relationship between the force of guide wheel and wire saw deflection angle. It was found that, the measured angle was close to the theoretical angle with the increase of initial tension within certain range. Therefore, when the edge of guide wheel whose axis assembles the force sensor is just contacted with steel cable, the wire saw deflection angle can be measured relative accurately by this method.

wire saw; axis force sensor; wire saw deflection angle

2016-04-08.

本刊網(wǎng)址·在線期刊：http://www.journals.zju.edu.cn/gcsjxb

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51175193);國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012BAF13B04)；華僑大學(xué)研究生科研創(chuàng)新能力培育計(jì)劃資助項(xiàng)目(1400203013).

金閃閃(1991—)，女，河南商丘人，碩士生，從事高效精密加工研究，E-mail： 1400203013@hqu.edu.cn.

10.3785/j.issn. 1006-754X.2016.04.002

TH 113.21

A

1006-754X(2016)04-0309-08

http://orcid.org//0000-0003-2618-8972

通信聯(lián)系人：郭樺(1956—)，男，湖南常德人，教授，碩士生導(dǎo)師，博士，從事超硬材料及相關(guān)設(shè)備的研究，E-mail:guoh1214@hqu.edu.cn.