一種全自動(dòng)縱橫切電腦裁板鋸的總體設(shè)計(jì)與研究

李俊清

（南興裝備股份有限公司，東莞 523993）

0 引言

電腦裁板鋸是一種采用PC機(jī)控制的具有自動(dòng)排板優(yōu)化、自動(dòng)送料、自動(dòng)定位裁切，人機(jī)一體化操作的人造板開料設(shè)備，在木工機(jī)械分類中歸屬鋸類產(chǎn)品。隨著“中國(guó)制造2025”的提出及落實(shí)為木工機(jī)械的發(fā)展指明了方向，中國(guó)木工機(jī)械制造2025將為家具行業(yè)開啟新時(shí)代[1,2]。為順應(yīng)自動(dòng)化，智能化的發(fā)展趨勢(shì)以及滿足房地產(chǎn)行業(yè)精裝房家具制造企業(yè)工程訂單及宜家代工廠批量訂單需求，本文研究開發(fā)了一種全自動(dòng)縱橫切電腦裁板鋸。

1 全自動(dòng)縱橫切電腦裁板鋸原理方案及總體結(jié)構(gòu)的擬定

1.1 全自動(dòng)縱橫切電腦裁板鋸的功能要求

眾所周知，人造板的下料可以用數(shù)控推臺(tái)鋸，數(shù)控往復(fù)鋸，也可以用木材加工中心。但是前二者一次只能完成一個(gè)方向的裁切，如要裁出所需要規(guī)格尺寸的板材，還需要人工掉頭裁切；木材加工中心雖然無需掉頭裁切，但是不能多塊板材堆疊裁切，效率較低。鑒于以上不足之處及結(jié)合家具廠工程單對(duì)設(shè)備的要求確定本設(shè)計(jì)的電腦裁板鋸的功能要求為：1）可優(yōu)化排板；2）可自動(dòng)上料；3）可自動(dòng)縱切；4）可自動(dòng)橫切；5）可以自動(dòng)處理修邊余料；6）單次鋸板可堆疊厚度120mm；7）48尺板（1220mm×2440mm×12mm）平均每天鋸1400張（8小時(shí)計(jì)算）；8）運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，可靠性高。

1.2 全自動(dòng)縱橫切電腦裁板鋸的原理方案選擇

1）鋸切運(yùn)動(dòng)原理方式的選擇

圖1 板運(yùn)動(dòng)，鋸座固定

圖2 板固定，鋸座運(yùn)動(dòng)

原理方式是否合理決定了設(shè)計(jì)能否達(dá)到要求及成本的高低。板材的鋸切方式，從原理上講，無非有兩種，一種是鋸座固定不動(dòng)，板朝鋸片運(yùn)動(dòng)（如圖1所示），典型的例子如推臺(tái)鋸，采用這種原理方式的鋸機(jī)結(jié)構(gòu)可以做的很簡(jiǎn)單，但只適合單塊板開料，多塊板堆疊開料質(zhì)量難以保證；另一種是鋸切時(shí)，板固定不動(dòng)，鋸座部分來回做往復(fù)運(yùn)動(dòng)鋸切（如圖2所示），這種方式鋸切質(zhì)量更易保證且更適合多塊板堆疊鋸切。根據(jù)設(shè)計(jì)要求結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)采用后者原理方式。

2）鋸切運(yùn)動(dòng)組合方式的選擇

圖3 縱切橫切平行組合

圖4 縱切橫切垂直組合

板材的鋸切有兩個(gè)方向，即縱向和橫向，也就有了兩個(gè)方向鋸切的組合。確定了基本鋸切運(yùn)動(dòng)原理方式后，還要確定板材縱切及橫切的組合方式。組合方式也有兩種，一種是縱切和橫切平行布置組合，即板材經(jīng)過縱切后，再將板材旋轉(zhuǎn)90度進(jìn)行橫切（如圖3所示）；另一種是縱切和橫切垂直布置組合，即板材經(jīng)過縱切后，不需旋轉(zhuǎn)就進(jìn)入垂直擺放的橫切單元中進(jìn)行橫切（如圖4所示）。前者，需要增加板材轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，復(fù)雜的如機(jī)械手，簡(jiǎn)單的如轉(zhuǎn)向滾筒組，機(jī)械手可靠性高但成本也高，采用轉(zhuǎn)向滾筒組則速度不宜快且板容易走位，可靠性低?？v切橫切垂直布置組合，板材無需轉(zhuǎn)向，省略了轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，更具優(yōu)勢(shì)[3～5]。故采用板固定鋸座動(dòng)且縱切橫切垂直布置的鋸切原理方式。

1.3 確定全自動(dòng)縱橫切電腦裁板鋸鋸切流程

根據(jù)選擇的縱向和橫向鋸切運(yùn)動(dòng)的組合方式即可確定整個(gè)鋸切流程，分別為上料、縱切、橫切、下料；但結(jié)合實(shí)際情況，堆疊板材不可能是百分之百整齊的，為了保證裁切的精準(zhǔn)，所以在縱向和橫向鋸切前增加齊板流程；另外，縱向鋸切完后的板要出來，所以還得加個(gè)取板送板流程，最終確定的流程如圖5所示。

圖5 鋸切流程

1.4 由功能要求及鋸切流程確立各個(gè)功能單元

鋸切流程確定后便可根據(jù)功能要求確定各個(gè)功能單元，詳細(xì)如下：控制單元、上料單元、縱向鋸切前齊板單元、縱向鋸切單元、取板送板單元、側(cè)齊板單元、橫向鋸切前齊板單元、橫向鋸切單元、出料單元，考慮到板材鋸切時(shí)還會(huì)產(chǎn)生修邊余料，所以再加上修邊余料處理單元。

1.5 確立各個(gè)功能單元的結(jié)構(gòu)方案

1）控制單元

控制單元一般的控制方案都是包含操作軟件（附帶優(yōu)化功能及標(biāo)簽生產(chǎn)功能）的工業(yè)PC為上位機(jī)，西門子PLC帶擴(kuò)展模塊為下位機(jī)，兩者通過通訊線纜連接，這里不過多介紹。

2）上料單元

客戶常規(guī)使用板材為1220mm×2440mm×（8/10/12/14/18mm）三聚氰胺貼面中纖板及刨花板；偶爾使用的板材規(guī)格為1830mm×3050mm。人造板原材料碼垛高度1000mm～1200mm左右。上板總重量按密度較大的中纖板計(jì)算，中纖密度750～780kg/m2，M=ρV=780×1830×3050×1200×10-9=5224kg。

上料單元可采用的結(jié)構(gòu)方案有很多種，如類似卷揚(yáng)機(jī)的鏈傳動(dòng)升降機(jī)構(gòu)，大功率減速電機(jī)絲杠機(jī)構(gòu)等，通過上述計(jì)算可知上板重量達(dá)5噸，液壓傳動(dòng)輸出力大且平穩(wěn)，考慮到經(jīng)濟(jì)性及結(jié)構(gòu)可靠性，故采用帶動(dòng)力滾筒液壓雙剪升降臺(tái)結(jié)構(gòu)，堆垛的板材則通過滾筒線送入。如圖6所示。

圖6 上料單元

3）縱向鋸切齊板單元

原板材的碼垛不可能很整齊，加上搬運(yùn)也會(huì)使板走位，故需要前靠齊，縱切是板材鋸切第一道鋸切工序，所要靠齊的板最大重量為1830×3050×120×780×10-9=522.4kg?？紤]到板材沖擊力很大，故齊板機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)剛性要好，并且要有緩沖功能，板材靠齊后還要通過齊板機(jī)構(gòu)上方，故齊板機(jī)構(gòu)還要能空間避讓。經(jīng)過思考及結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種氣缸翻轉(zhuǎn)擋桿機(jī)構(gòu)，氣缸不僅可以驅(qū)動(dòng)擋桿翻轉(zhuǎn)升起擋板及回收避讓，還可以起到緩沖板材沖擊的作用。如圖7所示。

圖7 縱切齊板單元

4）側(cè)齊板單元及橫向鋸切前齊板單元

側(cè)齊板單元只需對(duì)板材側(cè)面靠齊，故可布置在板材側(cè)面，不在板材運(yùn)動(dòng)軌跡正面，故無需避讓，可以采用固定結(jié)構(gòu)。橫切前齊板單元所針對(duì)要靠齊的板材是經(jīng)過鋸小的板材，板材靠齊時(shí)沖擊要小一些，故可采用氣缸升降式擋板機(jī)構(gòu)。

5）縱向鋸切單元及橫向鋸切單元

板材的鋸切，在板材底部出鋸口的地方都會(huì)發(fā)生材料在切削力的作用下擠壓撕裂，業(yè)內(nèi)稱叫爆邊。故鋸機(jī)都帶有槽鋸，其功能就是將底層材料先去除，俗稱開槽。對(duì)于堆疊板材的裁切，槽鋸只能消除最底層板爆邊影響，底層板材以上的板材都需要其下層板材的上表面支撐力抵消鋸齒擠壓力。自然堆疊狀態(tài)板材之間是有間隙的，所以不可能起到完全支撐作用。故縱向鋸切單元及橫向鋸切單元首先需要的結(jié)構(gòu)是壓力橫梁將板材壓實(shí)，其下的支撐結(jié)構(gòu)就是工作臺(tái)，板材由壓力橫梁壓實(shí)在工作臺(tái)上消除上下板間間隙；考慮鋸車要在工作臺(tái)下來回跑動(dòng)鋸切，故采用龍門結(jié)構(gòu)懸掛式工作臺(tái)（如圖8所示）。另外，板材的進(jìn)給機(jī)構(gòu)則采用帶氣動(dòng)夾手的伺服驅(qū)動(dòng)送料橫梁（如圖9所示）?？紤]到板材在經(jīng)過鋸切后會(huì)產(chǎn)生多疊不同尺寸的小板，根據(jù)鋸切排板，多疊板材一起進(jìn)給鋸切的情況很多，故進(jìn)給部分對(duì)板材支撐的平臺(tái)則采用多根導(dǎo)向流利條組成的送料滾輪臺(tái)（如圖10所示），導(dǎo)向作用是保證多疊板材在進(jìn)給時(shí)不容易分散。兩個(gè)鋸切單元結(jié)構(gòu)組成一校，都有龍門結(jié)構(gòu)懸掛工作臺(tái)、鋸車、壓力橫梁、帶氣動(dòng)抓手的伺服驅(qū)動(dòng)送料橫梁及導(dǎo)向送料滾輪臺(tái)，不同的是縱切單元的鋸切寬度為3200mm；橫切單元鋸切寬度為1900mm。

圖8 龍門結(jié)構(gòu)懸掛式工作臺(tái)主機(jī)結(jié)構(gòu)

圖9 伺服驅(qū)動(dòng)的帶氣動(dòng)抓手送料橫梁

圖10 送料滾輪臺(tái)

6）取板送板單元

縱切完成的板材需要從縱切單元送到橫切單元，考慮到兩個(gè)鋸切單元一個(gè)鋸切寬度大，另一個(gè)鋸切寬度小，鋸切速度不匹配。故在縱切單元與橫切單元之間布置緩沖區(qū)，即待料區(qū)，待料區(qū)布置在取板送板單元中，待料區(qū)采用上述導(dǎo)向滾輪臺(tái)結(jié)構(gòu)。而取板送板機(jī)構(gòu)則采用伺服驅(qū)動(dòng)帶氣缸勾手橫梁機(jī)構(gòu)（如圖11所示），其將板材從縱切單元勾出后放在待料區(qū)，待橫切任務(wù)完成后再將板材推入橫切單元。由于待料區(qū)及橫切單元滾輪臺(tái)具有導(dǎo)向作用，而縱切單元和橫切單元鋸切線路是垂直布置的，板材不可能同時(shí)具有兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的自由度，所以取板送板單元還需布置分時(shí)單向?qū)驖L輪臺(tái)；為力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，設(shè)計(jì)出一種縱氣缸驅(qū)動(dòng)升降式縱橫雙向輸送滾輪平臺(tái)（如圖12所示），其包含縱向滾輪臺(tái)和橫向滾輪臺(tái)，其中縱向滾輪臺(tái)由縱向流利條組成，橫向滾輪臺(tái)由橫向流利條組成；正常狀態(tài)縱向滾輪臺(tái)低于橫向滾輪臺(tái)，板材只能橫向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)有板材要從待料區(qū)進(jìn)入橫切單元時(shí)，縱向滾輪臺(tái)由氣缸驅(qū)動(dòng)升起，板材縱向運(yùn)動(dòng)進(jìn)入橫切單元。

圖11 取板送板機(jī)構(gòu)

圖12 升降式縱橫雙向輸送滾輪平臺(tái)

7）修邊余料處理單元

修邊余料的處理從功能要求入手分析，首先要讓修邊余料落下去，再輸送出去切碎。故該單元設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)要包括落料部分，余料輸送部分及余料處理部分。落料部分采用氣缸翻轉(zhuǎn)落料機(jī)構(gòu)（如圖13所示），送料方式工業(yè)常用的有輸送帶機(jī)構(gòu)，帶附板鏈輸送機(jī)構(gòu)等；由于板材余料有時(shí)也較大，且批量鋸板余料量大，故碎料力要大，首先考慮用液壓油缸驅(qū)動(dòng)碎料刀剪切，從而設(shè)計(jì)出液壓碎料機(jī)（如圖14所示）；整個(gè)余料處理單元結(jié)構(gòu)最好要緊湊，所以余料輸出口即接碎料入口，考慮到余料在剪切時(shí)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)要停止，如果輸送機(jī)構(gòu)不停止的話，靜止的板材會(huì)跟運(yùn)動(dòng)的輸送機(jī)構(gòu)皮帶或者底板摩擦，而輸送機(jī)構(gòu)頻繁啟動(dòng)停止對(duì)電機(jī)傷害大，為解決這個(gè)問題，引入其他行業(yè)使用的振動(dòng)原理輸送方式，從而設(shè)計(jì)了一種振動(dòng)輸送槽（如圖15所示）。

圖13 氣缸翻轉(zhuǎn)落料機(jī)構(gòu)

圖14 液壓碎料機(jī)

圖15 修邊余料處理單元

2 全自動(dòng)縱橫切電腦裁板鋸的總體布局

各個(gè)部分結(jié)構(gòu)方案確定后，便可結(jié)合工作流程對(duì)機(jī)器整體進(jìn)行布局。設(shè)計(jì)的總體布局如圖16所示。

全自動(dòng)縱橫切電腦裁板鋸的總體參數(shù)設(shè)計(jì)及對(duì)接參數(shù)的確定

板材原材料最大規(guī)格：1830mm×3050mm×（8/10/12/14/18mm），為能鋸切上述規(guī)格板材即縱切單元鋸切寬度3200mm；橫切單元鋸切寬度1900mm。鋸切最大厚度120mm；鋸12mm厚中纖板產(chǎn)量平均每天鋸1400張（8小時(shí)計(jì)算），換算成單個(gè)鋸切流程所耗時(shí)間t=8×60÷（1400÷120×12）=3.4min；人造板原材料碼垛高度1000～1200mm左右。

圖16 整機(jī)總體布局圖

2.1 主要參數(shù)的計(jì)算

主要參數(shù)有：鋸座前進(jìn)速度，鋸切送送板速度，取板送板速度，壓力橫梁壓板力，主鋸切削力等[6]。篇幅有限，以主鋸切削力計(jì)算為例，其余不詳述，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)式(7)、式(8)計(jì)算如下：

式中：∑Fi為作用在鋸片上的切削力，N；Ft為每齒切削力，N；Pt為過渡鋸切時(shí)的單位切削力，MPa；b為鋸路寬度，mm；θav為運(yùn)動(dòng)遇角，°；α為影響摩擦力變化強(qiáng)度的系數(shù)；H為鋸路高度，mm；fz為每齒進(jìn)給量，mm；t為齒鋸，mm。

已知參數(shù)：b=4.8mm，α=0.07，H=120mm；未知參數(shù)：fz、θav、Pt、t求解如下：

1）每齒進(jìn)給量fz：

式中：Vf為鋸車鋸切前進(jìn)速度，取80m/min；Z為圓鋸片齒數(shù)，取72；n=為圓鋸片轉(zhuǎn)速為4200r/min。將上述數(shù)值代入式(2)，得出fz=0.265mm。

2）運(yùn)動(dòng)遇角θav：

式中：C為圓鋸片中心到工作臺(tái)面高度，取95mm；R為鋸片半徑，取225mm。代入式(3)得出：θav=46.5°。

3）單位切削力Pt（MPa）

鋸切厚度120mm，大于0.1mm，為厚切削情況，故：

式中：Cp為變鈍系數(shù)，按新刃磨鋸片取值，Cp=1.0；ft為系數(shù)，取ft=0.49×9.81（N/mm）；壓料齒切削厚度fzav =0.192mm；At、Bt、Ct均為修正系數(shù)，At=0.056×9.81（MPa），Bt=0.020×9.81（MPa），Ct=2.00×9.81（MPa），切削速度V=πDn / 60000 = 3.14×450×4200/60000=98.9m/s，切削角δ取60°。將數(shù)值代入式(4)，則Pt=57.77N。

4）鋸齒齒鋸t：

式中D為圓鋸片直徑，為450mm，Z為鋸片齒數(shù)。將數(shù)值代入式(5)，得T=19.6mm。將1）、2）、3）、4）計(jì)算結(jié)果代入式(1)中，得到主鋸切削力Fc=339.9N。根據(jù)人機(jī)工程學(xué)要求初步確定工作臺(tái)高度950mm。

2.2 確定各個(gè)功能單元之間對(duì)接參數(shù)

總體布局完成后，要分工協(xié)同設(shè)計(jì)，那么就需要先確定各個(gè)功能單元之間的對(duì)接參數(shù)。包括兩大類，一類是功能方面的對(duì)接參數(shù)，如送料速度，出料速度，板材進(jìn)料尺寸，出料尺寸等，另一類是各個(gè)單元間空間結(jié)構(gòu)及位置關(guān)系對(duì)接參數(shù)，如圖17中，縱鋸主機(jī)高度參數(shù)A，橫鋸主機(jī)高度E，這兩個(gè)參數(shù)關(guān)系到縱鋸鋸切出來的板材能順利進(jìn)入橫鋸，還有取板送板單元橫梁寬度C,橫梁高度B等等。這類空間位置參數(shù)不是固定的，在設(shè)計(jì)時(shí)負(fù)責(zé)不同單元設(shè)計(jì)的工程師隨著機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)件具體化計(jì)算及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，相互之間不斷傳遞空間關(guān)聯(lián)尺寸，各自修正的各自負(fù)責(zé)部分的三維模型。

圖17 空間結(jié)構(gòu)及位置關(guān)系對(duì)接參數(shù)

3 各個(gè)功能模塊的并行設(shè)計(jì)

總體布局完成了，各個(gè)功能單元結(jié)構(gòu)方案確定了，對(duì)接參數(shù)也確定了，接下來就是各個(gè)部分的具體設(shè)計(jì)了。設(shè)計(jì)的全自動(dòng)縱橫切電腦裁板鋸已推向市場(chǎng)，實(shí)物如圖18所示，機(jī)器參數(shù)如表1所示。

圖18 整機(jī)實(shí)物圖片

表1 機(jī)器參數(shù)

表1 （續(xù)）

4 結(jié)束語

本文對(duì)全自動(dòng)縱橫切電腦裁板鋸進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，從確定總體原理方案入手，再確定工作流程，然后由工作流程確定各個(gè)功能單元及各個(gè)功能單元的結(jié)構(gòu)方案，再對(duì)主要參數(shù)進(jìn)行計(jì)算及確定對(duì)接參數(shù)，最后協(xié)同設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的電腦裁板鋸已推向市場(chǎng)，效率是普通電腦裁板鋸的3倍左右，其工作可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，客戶反應(yīng)良好。同時(shí)該機(jī)整機(jī)及文中所述的功能單元已獲得國(guó)家專利授權(quán)。