新型横锯切割系统作业提速的分析和计算

王烨 宋瑞宏 张浩 史文杰

摘  要：文章提出了一套新型横锯切割系统，并对该系统进行切割提速，以两倍于目前的作业速度进行了提速可行性计算。在整台装置各部分零件保持不变的情况下，根据纵移机构中主要受力零件的许用应力上限对加速条件下装置纵向移动的加速进给、匀速切割和减速停止以及回程的四个阶段的运行速度和作业时间进行了计算和设定。纵移作业提速计算完毕后，又计算出该条件下装置横移机构进行横向切割时相应阶段的运行速度和作业时间，并对横移机构中的主要连接件进行了强度校验。提速后的各项运行参数满足该装置纵、横向作业时的动作配合要求，并保证现有装置的安全性和可靠性不受影响，同时提高生产效率。

关键字：新型横锯切割系统;提速计算;许用应力;强度校验

中图分类号：TH11 文献标识码：A 文章编号：2095-2945（2019）06-0009-04

1 概述

市面上現有的横锯切割装置的不足之处在于横锯与纵锯采取拐角式配合作业，如图1（a）所示。该作业方式下，板材经由纵锯装置切割后需要改变进给方向，即板材拐弯后才能到达横锯切割装置，板材在变向阶段进给出现停滞，进给连续性不足，导致板材进给速度受到限制且闲置空间过大。

本文提出了一套新的横锯切割系统，该系统能够很好地解决上述问题，其作业方式如图1（b）所示。该横锯切割系统适应现有纵锯装置，无需对现有的纵锯装置进行改动，并与纵锯装置呈直线式方位摆放。由于系统自身构造的优越性，从而在无需改变板材进给方向的前提下提供横向切割。与此同时，该横锯切割系统在确保板材进给高度连续性的前提下可以实现切割过程的进一步提速。

2 新型横锯切割系统

该系统是一套基于丝杠传动的横锯切割系统，由横锯纵移驱动机构、横锯纵移同步机构以及锯刀横移机构组成。该系统安装在床身和底座上，搭配输送带机构和吸尘机构成为整套新型横锯切割装置（图2）。

2.1 纵移驱动机构

如图3（a）所示，该机构主要由双头螺纹滚珠丝杠和电机组成，两者间采用带传动。控制电机的往复运转可实现丝杠的正、反向转动，从而带动带座螺母机构的前后往复运动，从而实现与之连接的纵移同步机构和横移机构在纵向上的移动。

2.2 纵移同步机构

如图3（b）所示，该机构的两根长轴经由轴承组件连接，左右两端各有一个齿轮，两个齿轮尺寸相同。

该机构的作用是连接纵移驱动机构和横移机构，令后者在前者的带动下进行纵向移动。同时，两端的齿轮可在安装于床身的齿条上滚动，目的是利用齿轮传动的自身特点消除横移机构左右两端在纵向移动时可能出现的速度差，令其两端同步移动，防止两端速度不一致使得滑块和导轨之间摩擦力增加，从而避免机器卡死的情况的发生。

2.3 横移机构

如图3（c）所示，该机构通过纵移同步机构与纵移驱动机构相连，在纵移驱动机构的牵引下，可以在板材的进给方向上做往复运动。同时，该机构上设有圆锯，圆锯在电机和同步带的驱动下可实现横向往复切割作业。

当横移机构的纵向移动速度与板材进给速度一致时，横锯进行横向切割，从而保证板材进给的连续性，提高生产效率。

3 横锯系统作业提速的分析和计算

目前，市面上的纵横锯装置的板材进给速度都控制在100mm/s左右，文中提供研究的新型横锯装置目前的作业速度也设定为100mm/s，板材切割尺寸为1500mm×1500mm。我们以两倍于现阶段的作业速度进行提速分析和计算，该过程包括横锯装置纵向移动提速和横向切割提速两部分。

3.1 纵向移动提速

3.1.1 纵向可承受最大冲击加速度的计算

作为承担纵向移动中驱动机构和负载的主要连接机构——纵移同步机构，提速后的安全性必须得到保证，而最有可能出现折损的部位处于纵移同步机构的连接轴中央。

对横锯装置工作时的纵移同步机构进行加速阶段受力分析，该阶段，由于机构连轴所连接的齿轮和左右支架所连接的外部负载（在左右支架的作用下分化为左右两个单边负载F负载）自身质量导致加速运动时两端产生惯性力F齿和2F负载，简化后得到的受力状态如图4所示。

图4 纵移同步机构受力分析图

考虑到连接轴自身受重力载荷作用，最终的力学方程为：

F驱=2F负载+Apal+2F齿

其中，单个齿轮质量为4.8kg，外部负载（包括左右支架）总质量为1296.1kg，由此可得单个齿轮F齿=m齿a=4.8a，单边负载F负载=m负载a=648.05a。

4 结束语

对新型横锯切割系统进行了介绍并对以两倍于目前作业的速度进行了提速可行性计算。

（1）该新型横锯切割系统采用丝杠驱动完成直线式板材进给方式，很好地解决了市面上现有横锯在板材进给时需要转弯而引发的设备占地空间大，板材进给连续性不足，难以提速等缺点，采用双头螺纹滚珠丝杠进行纵向驱动，系统运行平稳，切割精度高。

（2）将板材进给速度提升至200mm/s，单次操作时间缩短为7.5s。在整台装置各部分零件保持不变的情况下，根据纵移机构中主要受力零件的许用应力上限对加速条件下装置纵向移动的加速进给、匀速切割和减速停止以及回程的四个阶段的运行速度和作业时间进行了计算和设定，得到了以系统纵向作业最大冲击加速度368.7mm/s2为主要指标的纵向作业参数，在该参数下，系统匀速作业阶段时间尽可能得到延长，为横向切割作业的切割精度提供前提保证。

（3）纵移作业提速计算完毕后，又计算出该条件下装置横移机构进行横向切割时相应阶段的运行速度和作业时间。结果显示，系统进行纵向匀速移动时，横移机构也正好处于匀速切割阶段，横切移动速度为428.6mm/s，切割时间为3.5s。在配合纵向提速计算结果得到的横向作业运动参数中，最大冲击加速度为798.4mm/s2，发生在横移机构回程作业阶段。在该冲击下，系统主要受力部件足以满足强度极限要求，保证现有装置的安全性和可靠性不受影响，同时提高生产效率。

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