实木门砂光机核心模块的结构设计与研究

马 岩，许洪刚，杨春梅

(东北林业大学 林业与木工机械工程技术中心，黑龙江 哈尔滨 150040)

实木门自古以来就透着一种温情，不仅具有天然木纹纹理和色泽，而且款式多样，雕刻精美。随着人们生活水平的提高，对绿色消费、回归自然的需求越来越高，实木门的优越性受到越来越多人的青睐，同时人们对木门美观性及表面质量要求也越来越高[1]。而实木门表面砂光现多采用异形砂光机或者手动砂光完成，不仅容易产生漏砂、过砂等现象，而且砂光质量不高，效率低[2]，现有的适用于木门的专用砂光机更是少之又少，而且多为异形砂光机，其砂光质量不高，而且砂光宽度有限制，这成为木门产业向机械化发展的主要瓶颈。

本研究设计的砂光机是实木门砂光的专用设备，可以一次完成木门上中下挺、竖挺的上下两面及木门内部凹陷的四周边角的砂光。在设计过程中如何适应不同宽度实木门的砂光以及如何使砂光更加合理、高效是该设备设计的关键，设计了移动式组合砂光模块及传送模块来解决该问题，不仅可以砂光不同宽度的实木门，而且提高了砂光表面质量。

1 设计依据

1.1 砂光工艺原理

砂光工艺是家具生产过程中不可或缺的工序，主要用来去除工件表面误差，提高工件表面质量，是决定家具品质的重要一环，砂光工艺的本质机理其实是以磨粒作为刀具的特殊的、多刀刃的切削加工形式，即磨粒以一定的压力和速度对工件表面材料进行切除，同时自身也受损的过程(图1)，当切削加工时，每个磨粒大多以负前角和小后角进行切削，而被加工工件表面先后经历弹性形变、塑性形变(滑移、晶界滑动、扩散性蠕变)以及切削断裂3个阶段[3-4]，在压力的作用下，磨粒与工件有足够的相对位移，磨粒才开始真正“切削”，此时在磨粒的前方被切削材料产生断裂，从工件表面分离，完成整个砂光过程。

图1 砂光机理Fig.1 Sanding mechanism

1.2 实木门砂光机布局分析

砂光机布局是否合理决定了实木门是否可达砂光最优，合理的砂光布局不仅可以提高木门砂光质量，而且可以大大提高砂光效率。其布局合理性不仅与砂光类型的选择有关，而且还关系到实木门各挺的砂光顺序[5-6]。

1.2.1 砂光机类型 砂光机是利用磨料消除木材表面误差的机床，在木材加工行业中有着不可替代的作用。目前市场上砂光机种类繁多，样式各异，不仅可以砂光大幅面的人造板，也可以对窄木条进行砂光。但总体来说，砂光主要分为辊式、盘式、带式3种砂光类型(图2)。

图2 砂光类型Fig.2 Sanding types

1)辊式砂光机，辊式砂光机外表面上缠绕着砂布与剑麻纤维，运动时与工件的接触面为圆弧，其加工后的表面为波浪状，加工质量较差，多用在大幅面直线板件的边部曲线或环状部件的砂光。

2)盘式砂光机，盘式磨削是在圆盘上粘贴砂纸或砂布，通过圆盘的旋转来对工件进行磨削。砂盘在旋转时，其中心速度几乎为0，只能使用砂盘的边缘部分进行磨削，主要用于磨削工件上边棱、端头、转角等部位。

3)带式砂光机，砂带磨削是高速运动的“微刃切削刀具”磨粒的微量切削作用叠加而成，其磨削机理与砂轮磨削是一样的。但是，基于砂带磨削的特殊性，砂带磨削属于弹性磨削，具有磨削、研磨和抛光等多重作用，这也正是砂带磨削比砂轮磨削质量较高的原因所在，而且磨削温度较低[7]。

1.2.2 砂光结构布局确定 为保证最优砂光效果，首先要选择合理的砂光类型，结合各类型特点，对木门各挺平面砂光时采用带式砂光；对其边角采用盘式砂光机砂光，砂光灵活，能很好地解决漏砂现象；所有砂光类型采用上下对称布置，可以在保证砂光质量的同时大幅提高砂光效率，最终确立砂光布局(图3)，该布局可一次完成实木门上中下挺、竖挺的上下两面及内部凹陷的四周边角的砂光。

考虑到砂光机需要完成的砂光工序以及设计的合理性，将砂光部分设计为2组砂光模块(图3)，第1组砂光模块由第一、第二锥形砂光辊及y向带式砂光机组成；第2组由第三锥形砂光辊与x向带式砂光机组成。2组砂光模块分别对实木门不同区域砂光，第1组主要对木门上中下挺上下两面及除竖挺两侧的所有内部凹陷边角砂光，第2组主要对木门竖挺上下面及其两侧凹陷的边角砂光；在本设备前还有1台辅助砂光机及辅助进料台，辅助砂光机完成对木门边挺的砂光，辅助进料台保证木门顺利进料。

注：3-1.第1组砂光模块；3-2.第2组砂光模块。

图3砂光布局图
Fig.3 Sanding layout

2 确定砂光机方案

2.1 带式砂光机的选择

选择合理的带式砂光机，不仅可以保证木门的砂光质量，而且可以提高砂削效率，我国实木门门挺宽度一般不超过100 mm，为防止产生过砂现象，选用窄带式砂光机(选用宽度相对较大的砂光机，若中挺宽度超过100 mm，可根据其宽度更换砂带)；同样砂带线速度也是影响砂光质量的重要因素，线速度越高砂光质量越高，但切削热也成比例提高，会造成实木门表面被烧伤，速度过低则会影响砂光质量，对于不同实木类型，砂带线速度在10～20 m·s-1时砂光效果较好，而磨垫式砂光头的砂带速度一般为12～22 m·s-1，可选用窄带磨垫式砂光机；砂带粒度的粗细决定了切削去除率的高低，粒度越粗，去除率越高，相反则越低，对于实木门素门砂光过程中如樱桃木等表面材质较软的选用150目以上砂带砂光；如水曲柳等材质较硬的要选用80～150目砂带砂光，当然砂带的选择除与木材的软硬有关，还可能受到零件初始粗糙度、后期装饰方法等因素影响，在实际使用时可根据不同情况更换不同砂带[8-11](若要求较高，则可在生产线上连续布置2台分别选用不同目数砂带的此设备，增加砂光精度)。最终选用S400型号带式砂光机，工作气压为0.3 MPa，砂带可更换。

2.2 实木门砂光机基本参数

设计的砂光机专门用于实木门的素门砂光，一次就可完成实木门上中下挺、竖挺的上下两面及内部凹陷的四周边角的砂光，表1的参数是综合考虑实木门及砂光过程中动态特性得出的，可为后续砂光机设计提供理论基础。

表1 砂光机基本参数Table 1 Basic parameters of sander mm

2.3 实木门砂光机方案确定

根据上述布局分析，结构形式及基本参数的指定，确定砂光机结构见图4，主要由第1组砂光模块、传送模块、第2组砂光模块及底座4部分组成。第1组砂光模块完成对木门上中下挺上下两面及除竖挺两侧的所有内部凹陷边角的砂光；第2组砂光模块完成对木门竖挺上下面及其两侧凹陷的边角的砂光；传送模块为木门输送提供动力，分为移动端和固定端，移动端可以移动以适应不同实木门宽度；底座用来支撑整个砂光机。

注：4-1.第1组砂光模块；4-2.传送模块；4-3.第2组砂光模块；4-4.底座。

工作时，移动端传送模块根据实木门宽度调节位置，然后向前输送，当实木门的上挺输送到第1组砂光模块时停止输送，第1组砂光模块开始对木门上挺上下面及其两侧边角进行砂光，完成上挺砂光后木门继续向前输送，木门中挺、下挺砂光也是同样原理，所以第1组砂光模块是间歇式砂光；当实木门输送到第2组砂光模块时，第2组砂光模块开始对竖挺上下面及其凹陷的两侧边角进行砂光，砂光的同时木门继续向前输送，所以第2组砂光模块是连续式砂光；采用2个砂光模块的设计，不仅可以使结构紧凑，还能提高砂光效率。

3 砂光机核心模块设计

3.1 第1组砂光模块设计

根据第1组砂光模块的砂光要求，确定结构方案(图5)，由第一锥形砂光辊、连接架、y向带式砂光机、机架、第二锥形砂光辊5部分组成；第一锥形砂光辊与y向带式砂光机运动形式相同，所以将其都安装在连接架上，由步进电机1驱动其在机架上往复砂光；第二锥形砂光辊由4组盘式砂光机组成，其位置根据实木门宽度由步进电机2进行调节，完成对实木门两侧边挺内侧凹陷位置的砂光。

注:5-1.第1锥形砂光辊；5-2.连接架；5-3.y向带式砂光机；5-4.机架；5-5.第2锥形砂光辊。

图5第1组砂光模块
Fig.5 The first sanding module

第1组砂光模块是该砂光机的重要部件，其往复砂光运动由步进电机控制，电机选择是否合理是影响砂光质量的重要因素，所以对电机选型过程中所需扭矩进行分析计算是保证设计合理的关键，以下以步进电机1选型为例，对磨削力及整体往复运动时所受负载进行分析。

3.1.1 磨削力计算y向带式砂光机在磨削实木门时，磨削原理见图6，图中v是砂光机进给方向，q为磨削时压垫对木门施加的压力，F为磨削时产生的切向力。根据磨削物理特性，磨削时产生切向力计算[12-13]：

F=q·fm

(1)

式中，磨削系数fm主要与砂布磨粒直径、变钝程度以及被加工材料的性质有关。对于木材fm可用式(2)经验公式求得：

(2)

式中，di为主要磨粒的直径，Ks为树种修正系数(桦木Ks=1，松木Ks=0.95，栎木Ks=0.85)；Kp为磨粒变钝修正系数(尖锐Kp=1.3，中等尖锐Kp=1，钝的Kp=0.8)。

在计算系数时，为了保证设计的合理性，应按照极大值计算。因砂带目数最小时颗粒尺寸最大，查阅磨粒粒度及颗粒尺寸表可知，磨粒粒度为80时颗粒尺寸200～160 μm，取最大值200 μm，即di=0.2 mm，树种修正系数Ks取1，砂布磨粒变钝程度修正系数Kρ取1.3，将系数分别代入式(2)得fm=0.66。

选择的带式砂光机压垫气缸工作压力为P=0.3 MPa，气缸缸径d=20 mm，所以得：

(3)

图6 带式砂光机磨削原理Fig.6 The grinding principle of belt sander

将式(2)(3)计算所得结果代入式(1)得磨削切向力F=62.2N。

3.1.2 载荷计算 步进电机1在驱动砂光机构往复运动时主要承受惯性负载与摩擦负载，这2种负载是计算电机静力矩的基本依据，下面结合图7建立相对应的数学模型并对负载进行分析计算[14-15]。第1锥形砂光辊、y向带式砂光机及连接架在4个滑块上产生力见图7，图中P1-4为滑块受到径外加载荷，P(1-4)T为滑块受到的横向外加载荷，m1为连接架质量，m2为y向带式砂光机质量，m3为第1锥形砂光辊的质量。

3.1.2.1 摩擦负载 图中P3、P4方向向外，P1、P2方向向内，但其大小相同，根据图7可得径向外加载荷P1-4：

(4)

其中L0=410 mm，L1=65 mm，L2=30 mm，L4=150 mm，L5=325 mm，L6=200 mm，L7=215 mm，L7=320 mm,m1=57 kg，m2=102 kg，m3=80 kg，将其代入式(4)求得∣P(m1)1-4∣=380N；∣P(m2)1-4∣=731N；∣P(m3)1-4∣=853.3N。

图7 滑块受力图Fig.7 The force diagram of slide

因为m1、m2重心在滑块内侧，方向向下，所以作用在4个滑块上的横向外加载荷P1-4T方向向下；而m3重心在4个滑块的外侧，所以作用在滑块1、4上的横向外加载荷P1T、P4T方向向下，作用在滑块2、3上的横向外加载荷P2T、P3T方向向上，根据图7得式(5)：

(5)

综上所述，各滑块受到径向外加载荷P及滑块受到总的径向外加载荷P总，还有各滑块受到横向外加载荷PT及滑块受到总的横向外加载荷PT总如式(6)：

(6)

查得滑块与导轨摩擦系数μ=0.003，但由于受到装配、防尘件等因素影响，在设计计算时按照μ=0.03使用，所以砂光组件在往复砂光运动中受到导轨的摩擦阻力f如式(7)：

f=(P总+PT总)·μ=317N

(7)

所以步进电机需要克服的总的负载f总如式(8)所示：

f总=F+f=379.2N

(8)

其中电机轴驱动齿轮直径D=40 mm，齿轮齿条效率取η=0.95，步进电机减速比取i=5，从而求得电机轴上的负载转矩TL如式(9)所示：

TL=f总·D/2η·i=1.6N·m

(9)

3.1.2.2 负载惯量 步进电机1在带动砂光组件往复砂光运动时，会频繁加减速，所以步进电机还需要克服负载惯量产生的加减速力矩，因设计最大运动速度为Vmax=12 m/min，取最短加速时间t=0.1s(一般取0.1～1s，按照加速度极大值取)，所以所以求得加速度a、电机轴角加速度β及负载惯量J如式(10)所示[16]：

(10)

式中,Jm为负载的惯量，将各参数分别带入可得Jm=0.095 6 kg·m2，Jm1为小齿轮惯量，因其质量很小可忽略不计，从而求得J≈Jm=0.095 6 kg·m2，所以折算到电机轴上的惯量为J电=J/i2=0.003 824 kg·m2，综上可得电机轴克服惯量所需加减速转矩TS如式(11)所示：

TS=J电×β/η=0.04N·m

(11)

综上所述y向步进电机所需必须转矩T总=TL+TS=1.64 N·m，此结果仅包括负载力矩及加减速力矩，并没有考虑导轨和滑块装配时误差产生的摩擦、转动惯量等因素，因此，为解决这个问题，我们应该在此基础上再乘以一个安全系数，取安全系数S=2.5，所以得T实际=4.1 N·m ，最终选用型号86BYG350BH-0201，扭矩5 N·m，步距角1.2°。

以砂光过程中砂削力、摩擦负载及惯性负载的分析计算作为理论基础，选择合理的驱动电机，保证了第1组砂光模块设计的合理性。第2锥形砂光辊及第1组砂光模块上的控制电机理论计算基本与此类似，不再赘述。

3.2 第2组砂光模块设计

根据第2组砂光模块的砂光要求，确定结构方案(图8)，第2组砂光模块主要包括x向带式砂光机、第3锥形砂光辊、机架、及连接机架4部分组成；其中第3锥形砂光辊与x向带式砂光机运动形式相同，将其都安装在连接机架上，由步进电机驱动在y向小范围移动，以适应不同宽度木门的竖挺位置。

当实木门离开第1组砂光模块时，传感器检测木门竖挺位置，调整x向带式砂光机及第3锥形砂光辊位置，在木门到达x向砂光机前使其与木门竖挺中间位置对齐，以防止第三锥形砂光辊及x向带式砂光机砂光木门竖挺时产生漏砂、过砂现象。

注：8-1.x向带式砂光机；8-2.第3锥形砂光辊；8-3.机架；8-4.连接机架。

图8第2组砂光模块
Fig.8 The second sanding module

3.3 传送模块设计

传统的砂光机的传动结构可分为辊筒式进料与链板式进料。其中，辊筒输送机具有输送量大，幅面宽的优点，适用于底部是平面的物品输送；链板式输送机构输送能力高，常用于双端铣及封边机等的进给部分，但其成本较高，传动过程中振动较皮带传动大，接触精度低。最终选用表面有摩擦纹的带式传送，不仅传动平稳，而且成本较低。

因所设计砂光机需要适应不同宽度的实木门，所以将传送模块设计为固定端和移动端(图9)，固定端作为基准，移动端可移动调节；同时配有压辊组件，主要为木门输送过程中提供压力，以增大与皮带的摩擦力，保证输送过程的稳定性。

注：9-1.固定端传送机构；9-2.移动端传送机构。

4 结论与讨论

通过对实木门砂光机工作原理的分析，确立了整机布局，进而确定了总体方案；然后以第1组砂光模块砂光实木门过程中所产生砂削力及所受载荷为例，对其进行了分析计算，并以此作为理论基础进行了控制电机的选型，进而完成了第1组砂光模块与第2组砂光模块的设计；最后根据实木门砂光过程中的输送特点完成了传送模块的设计。

该实木门专用砂光机可一次完成木门上中下挺、竖挺的上下两面及木门内部四周凹陷边角的砂光，与国际上比较先进的德国豪迈、意大利SCM的砂光机及刘艳丽[17]描述的苏福马的宽带式砂光机相比解决了漏砂、过砂问题，而且各砂光模块分工更为明确，成本低；与王冠星[18]所设计的砂光机相比砂光效率高，而且砂光范围广；与国内比较先进的威特动力、建诚伟业的异性砂光机相比砂光表面质量好，效率高，投入使用后有很大的经济效益。

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