新型橫鋸切割系統(tǒng)作業(yè)提速的分析和計(jì)算

王燁 宋瑞宏 張浩 史文杰

摘? 要：文章提出了一套新型橫鋸切割系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行切割提速，以兩倍于目前的作業(yè)速度進(jìn)行了提速可行性計(jì)算。在整臺(tái)裝置各部分零件保持不變的情況下，根據(jù)縱移機(jī)構(gòu)中主要受力零件的許用應(yīng)力上限對(duì)加速條件下裝置縱向移動(dòng)的加速進(jìn)給、勻速切割和減速停止以及回程的四個(gè)階段的運(yùn)行速度和作業(yè)時(shí)間進(jìn)行了計(jì)算和設(shè)定?？v移作業(yè)提速計(jì)算完畢后，又計(jì)算出該條件下裝置橫移機(jī)構(gòu)進(jìn)行橫向切割時(shí)相應(yīng)階段的運(yùn)行速度和作業(yè)時(shí)間，并對(duì)橫移機(jī)構(gòu)中的主要連接件進(jìn)行了強(qiáng)度校驗(yàn)。提速后的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)滿足該裝置縱、橫向作業(yè)時(shí)的動(dòng)作配合要求，并保證現(xiàn)有裝置的安全性和可靠性不受影響，同時(shí)提高生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵字：新型橫鋸切割系統(tǒng);提速計(jì)算;許用應(yīng)力;強(qiáng)度校驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TH11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）06-0009-04

1 概述

市面上現(xiàn)有的橫鋸切割裝置的不足之處在于橫鋸與縱鋸采取拐角式配合作業(yè)，如圖1（a）所示。該作業(yè)方式下，板材經(jīng)由縱鋸裝置切割后需要改變進(jìn)給方向，即板材拐彎后才能到達(dá)橫鋸切割裝置，板材在變向階段進(jìn)給出現(xiàn)停滯，進(jìn)給連續(xù)性不足，導(dǎo)致板材進(jìn)給速度受到限制且閑置空間過大。

本文提出了一套新的橫鋸切割系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠很好地解決上述問題，其作業(yè)方式如圖1（b）所示。該橫鋸切割系統(tǒng)適應(yīng)現(xiàn)有縱鋸裝置，無需對(duì)現(xiàn)有的縱鋸裝置進(jìn)行改動(dòng)，并與縱鋸裝置呈直線式方位擺放。由于系統(tǒng)自身構(gòu)造的優(yōu)越性，從而在無需改變板材進(jìn)給方向的前提下提供橫向切割。與此同時(shí)，該橫鋸切割系統(tǒng)在確保板材進(jìn)給高度連續(xù)性的前提下可以實(shí)現(xiàn)切割過程的進(jìn)一步提速。

2 新型橫鋸切割系統(tǒng)

該系統(tǒng)是一套基于絲杠傳動(dòng)的橫鋸切割系統(tǒng)，由橫鋸縱移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、橫鋸縱移同步機(jī)構(gòu)以及鋸刀橫移機(jī)構(gòu)組成。該系統(tǒng)安裝在床身和底座上，搭配輸送帶機(jī)構(gòu)和吸塵機(jī)構(gòu)成為整套新型橫鋸切割裝置（圖2）。

2.1 縱移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

如圖3（a）所示，該機(jī)構(gòu)主要由雙頭螺紋滾珠絲杠和電機(jī)組成，兩者間采用帶傳動(dòng)?？刂齐姍C(jī)的往復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)絲杠的正、反向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)帶座螺母機(jī)構(gòu)的前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)與之連接的縱移同步機(jī)構(gòu)和橫移機(jī)構(gòu)在縱向上的移動(dòng)。

2.2 縱移同步機(jī)構(gòu)

如圖3（b）所示，該機(jī)構(gòu)的兩根長(zhǎng)軸經(jīng)由軸承組件連接，左右兩端各有一個(gè)齒輪，兩個(gè)齒輪尺寸相同。

該機(jī)構(gòu)的作用是連接縱移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和橫移機(jī)構(gòu)，令后者在前者的帶動(dòng)下進(jìn)行縱向移動(dòng)。同時(shí)，兩端的齒輪可在安裝于床身的齒條上滾動(dòng)，目的是利用齒輪傳動(dòng)的自身特點(diǎn)消除橫移機(jī)構(gòu)左右兩端在縱向移動(dòng)時(shí)可能出現(xiàn)的速度差，令其兩端同步移動(dòng)，防止兩端速度不一致使得滑塊和導(dǎo)軌之間摩擦力增加，從而避免機(jī)器卡死的情況的發(fā)生。

2.3 橫移機(jī)構(gòu)

如圖3（c）所示，該機(jī)構(gòu)通過縱移同步機(jī)構(gòu)與縱移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，在縱移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的牽引下，可以在板材的進(jìn)給方向上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，該機(jī)構(gòu)上設(shè)有圓鋸，圓鋸在電機(jī)和同步帶的驅(qū)動(dòng)下可實(shí)現(xiàn)橫向往復(fù)切割作業(yè)。

當(dāng)橫移機(jī)構(gòu)的縱向移動(dòng)速度與板材進(jìn)給速度一致時(shí)，橫鋸進(jìn)行橫向切割，從而保證板材進(jìn)給的連續(xù)性，提高生產(chǎn)效率。

3 橫鋸系統(tǒng)作業(yè)提速的分析和計(jì)算

目前，市面上的縱橫鋸裝置的板材進(jìn)給速度都控制在100mm/s左右，文中提供研究的新型橫鋸裝置目前的作業(yè)速度也設(shè)定為100mm/s，板材切割尺寸為1500mm×1500mm。我們以兩倍于現(xiàn)階段的作業(yè)速度進(jìn)行提速分析和計(jì)算，該過程包括橫鋸裝置縱向移動(dòng)提速和橫向切割提速兩部分。

3.1 縱向移動(dòng)提速

3.1.1 縱向可承受最大沖擊加速度的計(jì)算

作為承擔(dān)縱向移動(dòng)中驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和負(fù)載的主要連接機(jī)構(gòu)——縱移同步機(jī)構(gòu)，提速后的安全性必須得到保證，而最有可能出現(xiàn)折損的部位處于縱移同步機(jī)構(gòu)的連接軸中央。

對(duì)橫鋸裝置工作時(shí)的縱移同步機(jī)構(gòu)進(jìn)行加速階段受力分析，該階段，由于機(jī)構(gòu)連軸所連接的齒輪和左右支架所連接的外部負(fù)載（在左右支架的作用下分化為左右兩個(gè)單邊負(fù)載F負(fù)載）自身質(zhì)量導(dǎo)致加速運(yùn)動(dòng)時(shí)兩端產(chǎn)生慣性力F齒和2F負(fù)載，簡(jiǎn)化后得到的受力狀態(tài)如圖4所示。

圖4 縱移同步機(jī)構(gòu)受力分析圖

考慮到連接軸自身受重力載荷作用，最終的力學(xué)方程為：

F驅(qū)=2F負(fù)載+Apal+2F齒

其中，單個(gè)齒輪質(zhì)量為4.8kg，外部負(fù)載（包括左右支架）總質(zhì)量為1296.1kg，由此可得單個(gè)齒輪F齒=m齒a=4.8a，單邊負(fù)載F負(fù)載=m負(fù)載a=648.05a。

4 結(jié)束語

對(duì)新型橫鋸切割系統(tǒng)進(jìn)行了介紹并對(duì)以兩倍于目前作業(yè)的速度進(jìn)行了提速可行性計(jì)算。

（1）該新型橫鋸切割系統(tǒng)采用絲杠驅(qū)動(dòng)完成直線式板材進(jìn)給方式，很好地解決了市面上現(xiàn)有橫鋸在板材進(jìn)給時(shí)需要轉(zhuǎn)彎而引發(fā)的設(shè)備占地空間大，板材進(jìn)給連續(xù)性不足，難以提速等缺點(diǎn)，采用雙頭螺紋滾珠絲杠進(jìn)行縱向驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，切割精度高。

（2）將板材進(jìn)給速度提升至200mm/s，單次操作時(shí)間縮短為7.5s。在整臺(tái)裝置各部分零件保持不變的情況下，根據(jù)縱移機(jī)構(gòu)中主要受力零件的許用應(yīng)力上限對(duì)加速條件下裝置縱向移動(dòng)的加速進(jìn)給、勻速切割和減速停止以及回程的四個(gè)階段的運(yùn)行速度和作業(yè)時(shí)間進(jìn)行了計(jì)算和設(shè)定，得到了以系統(tǒng)縱向作業(yè)最大沖擊加速度368.7mm/s2為主要指標(biāo)的縱向作業(yè)參數(shù)，在該參數(shù)下，系統(tǒng)勻速作業(yè)階段時(shí)間盡可能得到延長(zhǎng)，為橫向切割作業(yè)的切割精度提供前提保證。

（3）縱移作業(yè)提速計(jì)算完畢后，又計(jì)算出該條件下裝置橫移機(jī)構(gòu)進(jìn)行橫向切割時(shí)相應(yīng)階段的運(yùn)行速度和作業(yè)時(shí)間。結(jié)果顯示，系統(tǒng)進(jìn)行縱向勻速移動(dòng)時(shí)，橫移機(jī)構(gòu)也正好處于勻速切割階段，橫切移動(dòng)速度為428.6mm/s，切割時(shí)間為3.5s。在配合縱向提速計(jì)算結(jié)果得到的橫向作業(yè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)中，最大沖擊加速度為798.4mm/s2，發(fā)生在橫移機(jī)構(gòu)回程作業(yè)階段。在該沖擊下，系統(tǒng)主要受力部件足以滿足強(qiáng)度極限要求，保證現(xiàn)有裝置的安全性和可靠性不受影響，同時(shí)提高生產(chǎn)效率。

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