一种优选横截锯的结构设计

田振成，王继荣，王士华，时连文，代相伍

(青岛大学 机电工程学院，山东 青岛 266071)

0 引言

随着经济的发展，劳动力密集型的生产模式已不适用于当今机械制造业的发展。由于劳动成本的增加和制造业市场的发展缓慢，使得企业必须对生产设备进行改造，减少人工的参与，降低成本，巩固产品在市场中的地位。德国威力集团生产的优选横截锯改变了传统的生产方式，但其售价过于昂贵[1]，未能在国内广泛应用。国内的江佳、瑞力特、优必选等企业生产的优选横截锯以售价低，效率高，质量好等优点在国内广泛应用，但这些优选横截锯只能实现木材的横截锯切。为了降低创业公司、小型企业的劳动成本，从增加产品功能的多样性角度出发，设计了一种新型的优选横截锯。使优选横截锯能从多个角度切割，而不仅仅横截锯切，使设备能够做到一机多用。

1 优选横截锯的工作原理

干燥的木材需要经过刨削、纵切，横截等流程[2]才能成为制作木门、地板等产品的毛料。在横截的工艺中，采用优选横截锯不仅可以将木材横截，还能剔除掉木材的结疤、缺陷等瑕疵。国内的大部分优选横截锯采用识别荧光粉的原理自动锯切木材。工人将木材搬到画线区[3]，采用特制的荧光粉笔对木材的各部分标记质量等级和对需要剔除掉的疤痕、缺陷的横向边界画线，然后再将画好线的木材放到传送带上，传送带上的传感器对荧光粉进行识别并将数据传入到电脑中，电脑根据画线的位置让装载锯片的气缸按要求推出和退回活塞杆，使一直旋转的锯片按照要求实现进给、锯切。

本文设计的优选横截锯引入机器视觉和基于深度学习的智能木料检测方法，采用机器视觉将木材的具体情况变成图像，通过电脑的智能算法自动识别图像的缺陷和自动划分木材的等级。这样，在锯切的过程中就无须人工干预，不仅降低了工人的劳动强度，也避免了因工人状态不好等原因造成木材评级错误等材料浪费的现象。本文设计的优选横截锯预计实现锯切一米的木材精度为±1 mm，最大锯切厚度为100 mm×100 mm(宽×高)，最小锯切厚度为200 mm×30 mm，最小锯切长度为100 mm。

2 优选横截锯的结构设计

优选横截锯的三维模型如图1所示，木材从木料检测机构出来后进入到优选横截锯的工作台面上，进给轮带动木材向前移动，根据木料检测机构的自动识别结果，PLC控制锯片进给机构带动锯片进给，完成木材的锯切。根据不同的木材厚度，可以调节进给轮的高度，从而完成不同厚度的木材锯切。因此，本文设计的优选横截锯主要分为锯片锯切机构、锯片进给机构和木材进给机构。

图1 优选横截锯的三维模型

2.1 锯片锯切机构

采用同步带传动将电机的转速、动力传递到锯片所在轴上，一般锯切木材的转速为3 400 r/min。无论锯片是处于锯切还是不锯切的状态，锯片都要始终保持旋转，通过对锯片切削力的计算和锯片需要长期转动等特点，选用了5.5 kW的三相异步电动机。

由于在锯切的过程中，同步带轮之间的中心距随锯片的位置始终在发生变化，当中心距瞬间变小时，同步带会发生打滑或脱离同步带轮的现象，为了避免这种现象设计了同步带的张紧机构，当配重块的重量足够时，利用杠杆原理使张紧轮能够始终支撑和张紧同步带。当同步带因长时间工作而变松时，可以调节张紧调节杆在机架中的位置，实现对同步带的张紧(见图2)。

图2 锯片锯切机构

2.2 锯片进给机构

本文基于曲柄滑块机构设计了锯片的进给机构，采用伺服电机控制主动齿轮的转动。曲柄采用一对外啮合齿轮实现。相对于普通杆件，一对外啮合齿轮具有转动平稳，可以在更短的时间内完成机构的停止等优点。

2.3 木材进给机构

当木材进入到工作台时，气缸推出活塞缸，使压紧轮压紧木材。同时伺服电机的旋转通过链条带动各链轮的转动，链轮的另一面与进给轮同轴，链轮的转动带动进给轮转动，使木材往前运行。增加了压紧轮和进给轮的数量，减小了轮与轮之间的间距，使其尽可能地运输长度较小的木材。为了锯切不同厚度的木材，将机体断开、分为竖直方向的工作安装面和水平方向的工作台，工作安装面与滚珠丝杠固定连接，滚珠丝杠的螺母与水平的工作台面固定。由于螺母固定不动，因此旋转手轮只能让竖直的工作安装面随滚珠丝杠一起绕水平工作面做相对的上下移动，从而调节进给轮的高度，实现锯切不同厚度的木材锯切(见图3)。

图3 木材进给机构的正面

本文设计的优选横截锯可以实现多角度锯切。为了降低产品的设计成本，在工作台上靠近锯片的位置留有一定深度的凹槽，将带有角度刻度的靠尺固定板放入到凹槽内，并用螺钉紧固。并用螺钉将靠尺固定在所需角度处。当木材进给时，通过靠尺的侧面改变木材的进给方向从而实现木材的任意角度斜切。

3 结语

本文设计的优选横截锯不仅采用了机器视觉和深度学习等高自动化水平的技术、方法，还改变了传统的优选横截锯单一的锯切方向，能够实现任意角度的切割，提高了设备功能的多样性，降低了企业的劳动成本。但仍有不足之处，该设计的任意角度切割的效率远不如横截的效率高。