楊起帆, 蔣志維
(東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150006)
我國(guó)的木工機(jī)械行業(yè)數(shù)控化發(fā)展起步較晚,圓鋸機(jī)在發(fā)展過程中存在著諸多問題與不足[1-5]?,F(xiàn)有技術(shù)中的高精密多片圓鋸機(jī),如何提高其加工精度、運(yùn)行效率、加工產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性是需要解決的三 大難題。并且由于調(diào)整鋸片過于繁瑣,需要停機(jī)通過手動(dòng)的方式更換隔套來(lái)調(diào)整鋸片間距,極大影響到木板的加工效率,存在相應(yīng)的局限性,同時(shí)用于有瑕疵的木材時(shí)具有不可控制性,無(wú)法做到避開瑕疵點(diǎn)優(yōu)選鋸切區(qū)域節(jié)省板材且生產(chǎn)效率低無(wú)法達(dá)到現(xiàn)代化的生產(chǎn)需求[6-9]。
本論文以解決我國(guó)木工機(jī)械行業(yè)數(shù)控化發(fā)展起步較晚、圓鋸機(jī)設(shè)計(jì)能力弱、加工精度低、效率低、性能差等難題為目標(biāo),通過自主專利技術(shù)和創(chuàng)新設(shè)計(jì),成功開發(fā)了高精密數(shù)控優(yōu)選多片圓鋸機(jī),具備高精度、高效率、穩(wěn)定性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。本研究填補(bǔ)了省內(nèi)高精密數(shù)控優(yōu)選多片圓鋸機(jī)研制的空白,對(duì)于推動(dòng)木工機(jī)械行業(yè)的重大變革,促進(jìn)木材加工和家具制造企業(yè)的快速發(fā)展具有重要意義。
借鑒高精度木板加工設(shè)備專利技術(shù)[10],自主設(shè)計(jì)了高精密數(shù)控優(yōu)選多片圓鋸機(jī),提出了分層次結(jié)構(gòu)布局的高精密數(shù)控優(yōu)選多片圓鋸機(jī)整體結(jié)構(gòu),如圖1所示。機(jī)床通過對(duì)整體結(jié)構(gòu)分層次結(jié)構(gòu)布局,及采取雙排式鋸片藉由緊湊式V型驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)集成鋸片群,加強(qiáng)了鋸片的調(diào)控,工作時(shí)受力均勻、機(jī)床穩(wěn)定,具備高精度的鋸切;其中伺服獨(dú)立控制模塊鋸片群,通過拔叉式支撐架固定鋸片,拔叉座頂端配備獨(dú)立控制伺服電機(jī),連接主副桿拉動(dòng)導(dǎo)軌底側(cè)的拔叉實(shí)現(xiàn)對(duì)鋸片群的間距進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)整,省去頻繁更換刀具固定裝置的步驟,能有效地調(diào)節(jié)木板的切削寬度,更加精確,同時(shí)也提升了木板的加工效率;高穩(wěn)定無(wú)角位偏移精準(zhǔn)傳輸結(jié)構(gòu),通過其中部凸出設(shè)置的輸送塊和對(duì)稱位于其兩端的一對(duì)耳板,每一對(duì)耳板之間均一體化設(shè)有連接體,鏈條由若干個(gè)鏈條扣件單元通過銷子首尾依次連接而成。在定位凹槽的作用下防止鏈條偏移,能夠有效減少鏈條卡住的現(xiàn)象,有利于提高鏈條的輸送效率。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工,滿足輕管理生產(chǎn)模式需求,提高了多片圓鋸機(jī)加工精度及效率,具有穩(wěn)定性強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。
圖1 整體床身分層次結(jié)構(gòu)布局示意圖1.支撐臺(tái);2.皮帶輪;3.安裝架;4.第一滑座;5.第一連接座;6.第一絲桿;7.第一支撐座;8.第二滑座;9.第二支撐座;10.第二絲桿11.第二連接座;12.第一拉桿;13.第二拉桿;14.導(dǎo)軌;15.直線軸承座;16.撥叉;17.固定軸座;18.主軸;19.壓板;20.彈簧座;21.鋸片;22.前板
自主研制高性能鋸切部件,通過鋸切部件性能影響因素分析與參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì),結(jié)合先進(jìn)制造工藝進(jìn)行加工制造,相較于同轉(zhuǎn)速多片圓鋸機(jī)具備更快的線速度,加工成型表面光潔度更高,加工一米以上板材可達(dá)到10絲加工精度。
研究高精密數(shù)控優(yōu)選多片圓鋸機(jī)動(dòng)力學(xué)特性,建立了多片圓鋸機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,分析各構(gòu)件結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)以及安裝位置對(duì)圓鋸機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能影響,建立轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主要零部件不平衡量與安裝圓鋸片處軸心不平衡響應(yīng)關(guān)系,從而提高穩(wěn)定性。
基于上述動(dòng)力學(xué)特性分析,針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中采用伸縮式鋸片導(dǎo)致穩(wěn)定性差、鋸片易搖擺、定位精度低等問題,自主設(shè)計(jì)了伺服獨(dú)立控制模塊鋸片群,通過拔叉式支撐架固定鋸片,拔叉座頂端配備獨(dú)立控制伺服電機(jī),連接主副桿拉動(dòng)導(dǎo)軌底側(cè)的拔叉,實(shí)現(xiàn)對(duì)鋸片群間距的精準(zhǔn)調(diào)整,省去頻繁更換刀具固定裝置的步驟,能有效地調(diào)節(jié)木板的切削寬度,使其更加的精確,同時(shí)也提升了木板的加工效率。同時(shí),建立了高精度伺服控制系統(tǒng)與控制方法如圖2所示,提出具有補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng)模糊控制方法,分析非線性復(fù)雜耦合條件下的反演控制器設(shè)計(jì),優(yōu)化切割方案。
圖2 控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
當(dāng)圓鋸片切割工件時(shí),由于圓鋸片轉(zhuǎn)速較高導(dǎo)致離心力產(chǎn)生,并且圓鋸片邊緣溫度高易產(chǎn)生熱應(yīng)力,從而引起圓鋸片的屈曲變形,降低切割精度[11-13]。本研究建立復(fù)雜接觸下的鋸切多點(diǎn)壓力過程仿真模擬方法,分析加載與卸載過程應(yīng)力與變形與溫度場(chǎng)分布,分析提出復(fù)雜接觸鋸切下的參數(shù)優(yōu)化方法,顯著提高了加工表面質(zhì)量和圓鋸片的壽命。
建立了圓鋸片的多點(diǎn)壓力張緊過程模型,根據(jù)圓鋸片多點(diǎn)壓力張緊過程的特點(diǎn),結(jié)合ABAQUS的動(dòng)態(tài)/顯式求解模塊和ANSYS有限元分析系統(tǒng)分析[14,15],如圖3所示,解決了復(fù)雜接觸問題收斂難的難題。
圖3 多點(diǎn)壓力分布與鋸切邊部分的溫度分布
對(duì)鋸切過程仿真,得到形變分布、溫度場(chǎng)分布和應(yīng)力場(chǎng)分布,建立圓鋸片壽命的評(píng)估模型,如圖4所示,分析圓鋸片結(jié)構(gòu)參數(shù)的直徑、齒數(shù)、齒距;以及運(yùn)行參數(shù)的步進(jìn)速度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析,提高圓鋸片壽命和加工精度。
圖4 步進(jìn)速度參數(shù)優(yōu)化分析
振動(dòng)噪聲極大影響端面加工質(zhì)量與圓跳動(dòng)指標(biāo)優(yōu)劣,多片圓鋸機(jī)工況復(fù)雜,切削層的木材、切屑和木材表面層的彈性、塑性變形所產(chǎn)生的抗力和刀具與切屑作用相互產(chǎn)生的振動(dòng)與噪聲控制一直以來(lái)都是難以解決的關(guān)鍵問題[16-19]。
對(duì)鋸切工況下鋸齒所受脈沖力偏置進(jìn)行了機(jī)理分析,利用有限元法分別對(duì)圓鋸片受偏置的徑向脈沖力和切向脈沖力的作用下的振動(dòng)、噪聲輻射機(jī)理進(jìn)行了研究,如圖5所示。揭示圓鋸片受徑向脈沖力時(shí)鋸片厚度、鋸片直徑、夾徑比對(duì)鋸片加速度噪聲的影響規(guī)律。結(jié)合頻譜線能量分布理論分析了齒間角類型、分組齒數(shù)對(duì)不等齒距鋸片降噪效果影響規(guī)律,從而優(yōu)化了齒間角類型和分組齒數(shù),解決振動(dòng)對(duì)高精密加工的影響。
圖5 圓鋸片振動(dòng)聲波圖
提出復(fù)雜約束條件下的振動(dòng)特征提取方法,提出小波分解去噪與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的振動(dòng)信號(hào)解耦方法如圖6所示,實(shí)時(shí)反饋振動(dòng)情況,高精密數(shù)控優(yōu)選多片圓鋸機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)警。
圖6 復(fù)雜約束條件下的振動(dòng)分析與監(jiān)測(cè)
針對(duì)由于板材的寬度變化,板材的各種缺陷等因素,致使板材被浪費(fèi)問題,自主設(shè)計(jì)了高附加優(yōu)選加工裝置,利用鐳射線及掃描儀雙結(jié)合,對(duì)板材的缺陷情況進(jìn)行優(yōu)選加工,實(shí)現(xiàn)高效的板材出產(chǎn)率。
自主研發(fā)了優(yōu)選加工裝置,如圖7所示,通過缺陷信號(hào)采集,結(jié)合智能算法提取缺陷區(qū)域,并進(jìn)行質(zhì)量分選和統(tǒng)計(jì)加工,為每塊板計(jì)算分配出最佳的寬度組合,并且鐳射線同步鋸片位置,與映射的位置相同步地投射在板材上的激光光線反映和顯示了各鋸片剖切的位置,反映最高出材率的最佳剖鋸方案,提高了利用效率。
圖7 智能缺陷檢測(cè)圖
以解決我國(guó)木工機(jī)械行業(yè)數(shù)控化發(fā)展起步較晚、圓鋸機(jī)設(shè)計(jì)能力弱、加工精度低、效率低、性能差等難題為目標(biāo),通過自主專利技術(shù)和創(chuàng)新設(shè)計(jì),成功開發(fā)了高精密數(shù)控優(yōu)選多片圓鋸機(jī),并對(duì)其進(jìn)行仿真分析,得出以下主要結(jié)論:
(1)創(chuàng)新性地提出了分層次結(jié)構(gòu)布局的高精密數(shù)控優(yōu)選多片圓鋸機(jī)整體結(jié)構(gòu),通過緊湊的V型驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)集成鋸片群,提高了鋸片工作時(shí)的受力均勻性和機(jī)床穩(wěn)定性能。采用高穩(wěn)定無(wú)角位偏移精準(zhǔn)傳輸結(jié)構(gòu),有效提高了鏈條的輸送效率。同時(shí),引入伺服獨(dú)立控制模塊鋸片群,通過精準(zhǔn)調(diào)整鋸片群的間距,省去了頻繁更換刀具固定裝置的步驟,實(shí)現(xiàn)了高精度的木板切削并提升了加工效率。
(2)通過對(duì)高精密數(shù)控優(yōu)選多片圓鋸機(jī)動(dòng)力學(xué)特性的研究,建立了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,分析了各構(gòu)件結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)以及安裝位置對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能的影響。采用自適應(yīng)模糊控制方法和反演控制器設(shè)計(jì),建立了高精度伺服控制系統(tǒng),優(yōu)化了切割方案,提高了加工精度和穩(wěn)定性。
(3)通過鋸切過程仿真模擬與參數(shù)優(yōu)化,解決了圓鋸片切割中的屈曲變形和熱應(yīng)力問題,提高了加工表面質(zhì)量和圓鋸片的壽命。對(duì)復(fù)雜約束條件下的振動(dòng)進(jìn)行分析,優(yōu)化了齒間角類型和分組齒數(shù),解決了振動(dòng)對(duì)加工質(zhì)量的影響。同時(shí),設(shè)計(jì)了智能缺陷檢測(cè)裝置,通過鐳射線和掃描儀的結(jié)合實(shí)現(xiàn)板材缺陷的優(yōu)選加工,提高了板材的出產(chǎn)率和利用效率。