砂光機結構設計 ZS-1000砂光機結構設計（全套含CAD圖紙）

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In this regard, sanding machine design model is very necessary. Based on the ZS-1000 sander machine as the research object the design of sand belt grinding, grinding force, the principle to determine the main parameters of power equipment based on; And according to the characteristics of the different shelves ,the paper designed the rolling grinding shelf - press abrading grinding shelf system . In addition, this paper also from the structure design, motor selection, transmission belt type, shaft strength check and other aspects of the design of sanding machine. ZS-1000 sander machine adopts the overall scheme of PLC control system according to the function of equipment and safety requirements. And it makes the foundation for the machine being used in a large-scale application in the production line. Keywords: Sander; Rolling Grinding shelf; Press Abrading Grinding Shelf; Structural strength; Control system 目 錄 摘 要 1 ABSTRACT 2 第一章 緒論 5 1.1 砂光技術發(fā)展概述 5 1.1.1 砂光技術及其優(yōu)點 5 1.1.2 砂光機及其概述 6 1.1.3 國內外現狀及發(fā)展趨勢 7 1.2 設計出發(fā)點 8 1.3 設計的主要內容 8 第二章 ZS-1000砂光機總體設計 10 2.1 主要技術參數的確定 10 2.1.1 砂帶磨削驅動功率的設計計算 10 2.1.2 砂帶磨削速度的設計和選擇 10 2.1.3 砂光機參數表 11 2.2 主要結構 13 2.2.1 砂光系統 14 2.2.2 升降系統 17 2.2.3 進給系統 18 2.2.4 吸塵系統 19 2.2.5 清潔系統 20 2.3 設計方案 20 2.4 安全要求 22 2.5 控制要求 23 本章小結 24 第三章 關鍵部件設計 25 3.1 砂架及動力傳動 25 3.1.1 砂架及傳動系統的結構設計 25 3.1.2砂架的參數設計 25 3.1.3 主切削力的確定 27 3.1.4 主傳動-V 帶傳動設計 27 3.2 軸的校核計算 30 3.3 軸承選擇計算 34 3.4 進給系統電機功率 35 第四章 總結 37 4.1 本機的結構特點 37 4.2 總結與展望 37 參考文獻 38 致 謝 39 第一章 緒論 砂光機作為木材加工行業(yè)廣泛應用的設備之一，主要用于各種人造板材、木制品構件和木制品零件的精加工。其加工原理為利用磨具對各種板類，木制品構件進行砂削，從而提高加工品的尺寸精度、表面平直度和光潔度，為加工品的油漆或板材的二次加工，如木紋印刷、貼紙等獲得良好的加工基準面。 1.1 砂光技術發(fā)展概述 1.1.1 砂光技術及其優(yōu)點 砂光技術是以表面接觸的方式，利用高速運動的磨具，對工件表面進行砂削的一種加工技術。相比起傳統的刨光機，砂光機擁有安全、低污染以及節(jié)省原材料等優(yōu)點?？蓽p少因刨刀加工造成的木材撕裂，節(jié)疤撕裂和表面損壞的現象。其要素主要包括：接觸輪、張緊輪、砂帶和工件。詳見圖1.1。在實際生產加工中，經常與銑床、車床等設備一起使用，實行成型加工與砂光加工結合的連續(xù)加工。 圖1.1 砂光機加工原理 作為一項新興技術，砂光技術中的砂帶磨削與傳統砂輪磨削、車削，銑削相比，在加工方面具有許多優(yōu)越性能。其主要優(yōu)點有： （1）“冷態(tài)”磨削：砂帶是砂帶磨削的主體，它是一種特殊的、多刀多刃的切削工具，主要由基體、結合劑和磨粒三部分組成，詳見圖1.2，即在具有可撓性且極為平坦的布料、紙料等基體表面上，整齊地排列著尖角朝外的磨粒，依靠粘結劑和基體材料來保持可撓性和彈性，屬于單層磨粒磨具。由于磨粒間容屑空間大，磨粒與工件的接觸面積小，磨削熱產生少。尤其帶式砂光，磨粒散熱時間間隔長。磨削后的工件表面殘余應力和表面硬化層的深度均大大低于砂輪磨削和輥式磨削，減少了工件的變形和燒傷。因此，砂光機動磨削方式又稱為“冷態(tài)”磨削。 圖 1.2 砂帶的組成 （2）“彈性”磨削：一方面，由于砂帶自身擁有良好的撓性和柔性，砂光機在砂削過程中與工件的接觸大都為柔性接觸，有較好的跑合和拋光作用，另一方面，砂帶在靜電植砂后的磨粒具有較小的負前角和較大的后角，使得砂光機在加工時，可以減少由于木紋紊亂造成的粗糙度問題，解決了刨切和銑削加工過程中將木材纖維撕裂或留下刨銑壓痕。 （3）“高效”磨削：砂帶磨削由于同時參與加工的磨粒數量眾多，因此其生產效率極高，在材料去除率方面，砂光機遠遠超過了砂輪磨床，約為普通砂輪磨削的 5～20 倍，銑削的 10 倍，功率利用率達96％。 1.1.2 砂光機及其概述 如前所述，砂光機是一種運用磨削技術來進行木材加工制作的機器。它的目的在于從工件上除一定厚度的材料，獲得確定的厚度和表面質量。隨著木材加工業(yè)、建筑裝潢業(yè)、特別是人造板工業(yè)的發(fā)展和板式家具的出現，表面的砂光對于各種木制品的質量和外觀起著決定性的作用。寬帶砂光機由于具有其砂帶長、散熱條件好、生產力高、不僅能精磨、亦能粗磨等特點，以其極高的效率和好的磨削精度而成為當今世界木材加工工業(yè)廣泛采用的重要的加工設備，特別是被刨花板和纖維板生產企業(yè)所采用。 簡圖1.3表達了砂光機設備的系統構成，當機器啟動后，待加工件坯從機器的右端向左進行加工。待加工件由進料輥送入。同時在入口處，設有限高板，防止過高的待加工件流入設備中，造成設備撞機。待加工件進入砂架后，砂架由砂輥、驅動輥、張緊氣缸、砂帶擺動單元等組成。砂帶在張緊情況下，由驅動輥和接觸輥提供摩擦驅動力。主電機通過萬向聯軸器與驅動輥直聯，驅動砂帶運轉。在加工過程中，接觸輥將砂帶壓在工件表面，從而進行工件磨削。在待加工件不斷進給的過程中，板材最后經出料端的清掃輥清除殘存表面的粉塵、木屑后送出料輥末端。由于砂光工藝、工種情況多種多樣，只有不同砂光頭的不同組合形式才能滿足這種變化，這就造成了寬帶砂光機設計的多樣化，這些將在本文后續(xù)章節(jié)中說明。 圖1.3 砂光機設備的運行簡圖 1.1.3 國內外現狀及發(fā)展趨勢 上世紀四十年代起，木材加工手段才逐漸由手工打磨向機械打磨方式轉變。到上世紀六十年代，砂光機加工技術在國外發(fā)展基本成熟。在上世紀七十年代，隨著我國經濟發(fā)展和對外開放政策的實施，國內許多廠家通過各種渠道引進國外多種形式的砂光機。1974年-1979年我國部分膠合板生產骨干企業(yè)，從日本引進了砂磨設備。這些砂光機的使用取得了滿意效果，對我國木材加工行業(yè)的進步起到推動作用。我國砂光機制造起步較晚，是在85年以后先后又有六家工廠在引進制造技術，參考樣機基礎上，試制成功多種型號的寬帶砂光機，填補我國砂帶磨削機械生產上的空白。95年前后，民營砂光機企業(yè)蓬勃發(fā)展起來。這些砂光機已被廣泛應用于家具、木制品、膠合板、刨花板、中密度纖維板、竹材人造板、貼面裝飾材料等工廠的生產。 國內生產寬帶砂光機的企業(yè)很少。牡丹江木工機械廠生產砂光機較早，自1982年開始研制，現已生產BSG2112、BSG2313，BSG2613、BSG4112、BSG2403A等幾種類型的寬帶砂光機。以后青島木工機械制造總公司自1986年從意大利DMC公司引進了整套的砂光機制造技術取得了成功，并想建成國內最大的砂光機基地，現已生產SFE13OsY130、MM5613、MM51 6、MM5213等系列寬帶砂光機1O多種。另外蘇州林業(yè)機械廠已研制BSG2613型寬帶砂光機，青島興隆機電設備公司生產三砂架精細砂光機。并在控制系統方面作了改進．尤其在光電控制砂帶擺動方面獲得成功。 總之．寬帶砂光機的市場還是比較大的，隨著新型人造板(如石膏纖維板、水泥刨花板、華夫板、各種層積塑料裝飾板等)的發(fā)展，大量的投資將集中在舊設備的更新上．砂光機的需求將因此而增加，寬帶砂光機的發(fā)展不僅要求其功能、系列得以開拓，而且在控制 方面應符合機電一體化的發(fā)展方向．國外砂光機應用數控、數顯、計算機控制已很普遍， 國內砂光機在這方面還很不夠。德國Heesemann公司砂光機上的數控終端能存儲2O個不同的砂光程序，各種操作值的設定、功能故障以及與生產線連接程序均能顯示在終端屏幕上，可以對機器進行有效地操作。 1.2 設計出發(fā)點 近幾年來，伴隨著人造板工業(yè)的高速發(fā)展，砂光機需求不論是在技術上還是在規(guī)模上都在不斷提高。新型的寬帶式砂光機由于其砂帶寬度的優(yōu)勢在市場上已經有了廣泛的應用，在相同的能耗工況下，具有節(jié)省輔料、便于操作、精度高、自動化程度高、具有規(guī)模生產功能等優(yōu)勢。為滿足市場需求，本人將結合在大學期間學習到的各種知識，主要就以下幾個方面進行研究與設計： 1 機械設計：對砂光機的各個零部件進行機械設計，實現設備工作所需的機械運動要求。 2 強度校核：對砂光機的關鍵部件進行強度校核，保證設備的使用壽命。 3 結構設計：對砂光機進行結構設計，保證設備結構合理，受力均勻。 4 功能設計：對砂光機各組成部分的功能進行設計，保證設備具備安全、高效、低能耗、低污染等功能。 本次畢業(yè)設計，一方面既可以對自己知識體系進行鞏固，另外一方面也可以實現一定的社會價值、經濟效益。 1.3 設計的主要內容 本論文研究的內容主要涉及： （1）砂光機的總體設計 本設計對應的砂光機主要由砂光系統，升降系統，吸塵系統，清潔系統和進給系統組成。整體結構采用采用上砂形式，動力系統、吸塵動力系統及壓縮空氣動力系統固定在輸送帶下部，以增加穩(wěn)定性，減少震動，提高設備整體剛性。機架采用槽鋼焊接成高強度剛性機架。 （2）砂光機的功能設計 本設計對應的砂光機要求能夠一機多用：通過更換砂帶及升降接觸輥、壓磨墊，選擇平面定厚、或精細砂光、或定厚及拋光結合的功能。且經濟適用：操作與維護方便，以及較低的使用成本與較高的加工精度 （3）砂光機關鍵部件的設計研究 本設通過對砂光機砂架及傳動系統、軸與軸承系統以及進給系統進行研究計算，求得各部件的基本參數、機械結構、驅動形式等；對各部件的傳動部位進行設計、選型、校核強度及壽命；對各部件主要技術特點進行相關的技術分析。 第二章 ZS-1000砂光機總體設計 砂光機的總體設計應遵循以下原則： （1） 對振動、噪聲、剛度、可靠性等因素要著重考慮。良好的振動抗性、結構剛性和可靠性能大大提升設備的使用年限。創(chuàng)造極高的經濟價值。 （2） 應考慮整個機床的吊裝、運輸、校平與固定的問題。由于砂光機的振幅交普通設備要大，因此需要考慮校平與固定等等問題，防止設備在加工過程中逐漸傾斜。 （3） 應了解不同工件的砂削工藝和砂帶性能。設計設備時應盡量兼容多廠家、國家的輔料，提高設備的應用面。 2.1 主要技術參數的確定 砂光機需要確定的主技術參數包括：砂帶磨削驅動功率、砂帶線速度等等，參數設計的合理性將對加工工件表面質量、加工精度和加工效率產生很大的影響，因此，確定主要技術參數對設備的設計而言十分重要。 2.1.1 砂帶磨削驅動功率的設計計算 砂帶磨削所需的功率是一個很重要的參數，直接決定了電機的選擇，如果電機功率選擇過大，勢必造成電能的浪費，而且也同時造成設備體積、重量的加大，不利于整體結構設計。反之，如果電機功率選得過小，則會達不到預期的磨削效果或者造成節(jié)拍緩慢，生產效率低下。因此，針對具體的加工條件和需求，對所需的驅動功率進行計算是十分必要的。 磨削功率公式如下： 本機根據經驗數據及國外同內設備的經驗配置，取N = 90kw 2.1.2 砂帶磨削速度的設計和選擇 不同的加工材料選用的的砂帶磨削速度應該是一一對應的，使用籠統的參數將造成尺寸和精度的不穩(wěn)定。其所對應的材料切除率、砂帶耐用度和表面粗糙度也是各不一致的。如下圖，體現了砂削量、進給量和驅動功率之間的關系。本機根據所列的砂帶磨削不同材料時建議采用的最佳速度范圍，本機選擇：Vs=22m/s 圖2.1 砂削量、進給量與驅動功率的關系 2.1.3 砂光機參數表 除磨削驅動功率、磨削速度等參數外，砂光機還有較多的其他參數，參考各類砂光機說明手冊得以下參數表： 表2.1 某廠家砂光機設備參數表 對照此參數表以及目前市場的需求分析，我將本次設計設計內容定為單面加工、組合式砂架、輥式粗磨、壓帶式精磨、輸送帶送料的寬帶砂光機設計，一種更能夠適應中小型加工廠生產需要的砂光機，命名為 ZS-1000砂光機，其中Z代表組合式的含義，S代表砂光機，1000代表了主要加工寬度 其主要技術參數如下： 最大加工寬度 mm 工件厚度范圍 mm 加工精度 mm 進料速度 m/min 砂帶尺寸（長×寬） mm 砂帶線速度 m/s左右 吸塵風速 m/min 主電機功率 90kw 除塵裝置風量 7800m3/h 壓縮空氣工作壓力 0.6MPa 外型尺寸（長×寬×高） 3000X2380X2660mm 凈重量 7500kg 2.2 主要結構 下圖為本設計中砂光機的主要結構 圖2.2 砂光機設計圖 1-床身下部；2-清潔裝置；3-吸塵裝置；4-床身上部； 5-砂光系統；6-導向裝置；7-進給裝置；8-驅動系統；9-升降系統。 如圖2.2 所示，該設備由上下床身、驅動、進給、升降、導向、砂光、吸塵、清潔等多裝置組成。砂光系統分粗砂與精砂兩個部分。單次進料即可滿足板材的定尺寸磨削，滿足設計要求。 設備的總體結構如圖所示，在機身的上部裝有三個吸塵排氣管，保證機床內木屑的及時排出以及設備的氣壓平衡。整機可分為兩個部分，以進給履帶處進行劃分，履帶以上為上機身，以下為下機身。上機身正面設有上側門，可在停機時檢查設備內部的情況。上機身側部安裝有操作面板，高度與普通身高的人視線平齊，便于操作。上機身內，其主要部件為兩個砂架，靠進給端為粗砂架、靠出料端為精砂架。下文將做詳述。輔助單元有砂帶的糾偏裝置，防止砂帶因為竄動導致加工質量不穩(wěn)。設備配備有各種控制氣缸，電磁閥以及安全防護裝置等。其輸送系統在進料口處設有導向輥，保證物料能順利送入設備中，在物料進給進程中設有前、中、后三組壓板，防止工件抖動。整機的設計綜合考慮了機床的各項性能，同時考慮了人機工程，方面操作工操作設備，以完成設計的預期目標。 以下為該砂光機主要結構設計論證。 2.2.1 砂光系統 1）砂架的設計 根據不同的工藝要求，砂光機有三種形式的砂架。它們分別是上砂式砂架、下砂式砂架以及混合砂架。其中，上砂式砂架的送料系統在砂帶的下方，利用送料工作臺的升降完成不同厚度工件的砂光。下砂式砂架的送料系統位于砂帶的上方。而混合砂架由上砂式砂架和下砂式砂架組成。本方案采用的是上砂式砂架。 2）砂光頭的設計 針對不同的工藝要求，砂光機上不同的砂架又可以安裝不同的砂光頭，見圖2.3 a-定厚砂光頭；b-砂光墊砂光頭；c-組合式砂光頭； d-壓帶器砂光頭；e-橫向砂光頭 圖2.3 砂光頭類型 其中，定厚砂光頭的特點是：砂削力較強，一般安裝較為粗糙的砂帶。其原理為砂帶與工件的接觸是線接觸，接觸面小，分配到單個磨料上的壓力非常大。由于接觸輥與工件是線性接觸，因此有利于去處大的砂光余量，但是砂削后會在工件表面留下條紋，適用于粗加工，不能用于進行末道工序的砂光。 而砂光墊砂光頭的特點是：：用砂光墊來砂光工件，可使壓力分散，砂帶與工件接觸面積大，與定厚砂光頭不同，為為平面磨削，參與磨削的磨料較多，單個磨料受到的壓力較小，有很多磨料同時參與工作，從而達到精細砂光的效果。其工藝磨削量小、需要增加光潔度的拋光工序，用于去除粗砂工序造成的各種波痕，從而獲得細膩光滑的砂光表面。相應的砂光頭上需安裝細粒度的砂帶。 組合式砂光頭的特點是：該砂光頭同時配有接觸輥和砂光墊，且兩組裝置可單獨調節(jié)，提高了工藝調整的空間，可達到更理想的砂光效果。這種接觸輥與壓磨墊的組合，同時具有定厚和精砂的功能。這種裝置在定厚砂削的場合是將接觸輥調整到工作位置，此時定厚輥作為過渡導向輥使用。該砂削方式的靈活性好，經常設置在定厚磨削之后，拋光磨削之前。同時也可作為拋光使用。 壓帶器砂光頭的特點是：這種砂光頭中的砂光墊寬度較大，與工件的接觸面積也相應增大，從而大大減輕了工件上的工作壓力，它采用一條氈質的壓力薄片帶。這條薄片帶在砂帶和砂光墊之間運行，薄片帶的動態(tài)動作提高了砂光強度，并有效地分散了砂光熱，提高了產品質量。這種砂光頭可以對油漆面進行直接上光，即不需用打有拋光蠟的砂帶進行特殊的砂光，意大利DMC公司擁有這方面的專利技術。 橫向砂光頭的特點是：與其他砂光頭不同，該砂光頭同時具有橫向和縱向兩個方向的砂光功能，橫向磨削時，砂光頭可磨掉木材細孔中露出的纖維，后繼的縱向砂光可有效地消除橫向砂光痕跡。這種交叉式砂光還可保證工件表面適于染色，可大大減少涂漆量，德國Hecseman公司擁有這項專利技術。 3）砂光頭的組合式設計 如前所述，由于砂光工藝、工種情況多種多樣，單個的砂光頭難以滿足日益多樣的砂光需求，因此將不同砂光頭進行不同形式的組合，以滿足各種工藝要求。 如下圖2.4所示為德國比飛靈(Butfering)公司AWS3型寬帶砂光機。 圖2.4 德國比飛靈公司AWS3型寬帶砂光機 設備擁有3個砂架．第一個是接觸輥砂架(肖氏硬度85°)．第二個是接觸輥(肖氏硬度65°)和砂光氣墊構成的組臺砂架．第三個是砂光氣墊。工作寬度范圍有1100和1350mm兩種。由于采用了多種砂光架的組合，本機有三種砂光功能。 (1)定厚砂光：使用第一砂架的接觸輥下降（可實現粗砂）或者第一、二砂架的接觸輥都下降（可實現粗-精砂）。輸送臺處于剛性狀態(tài)。 (2)單板砂光和細砂：第二砂架接觸輥砂架和第三砂架的砂光氣墊下降，或第二、第三砂架的砂光氣墊都下降，輸送床處于彈性狀態(tài)。此時，設備主要用于精加工。 (3)實木板砂光：第一和第二砂架的接觸輥和第三砂架的砂光氣墊下降，實現粗砂-精砂和拋光?；虻谝簧凹艿慕佑|輥和第二、三砂架的砂光氣墊都下降．輸送床處于剛性狀態(tài)。此時，設備全部砂架都參與加工，效率得到極大的發(fā)揮。 參照上述方案，并結合本設計的要求，決定采用粗砂和精砂結合的方案，即粗砂采用定厚砂光頭，精砂采用組合式砂光頭，以實現設備加工性的最優(yōu)化。 4）接觸輥、張緊輥和導向輥的設計 接觸輥、張緊輥和導向輥在砂光系統中各有作用。其定義分別是： 接觸輥是砂帶驅動器，其作用是驅動砂帶砂光工件。 張緊輥是用來張緊砂帶的輥子，以保持砂帶的磨削能力。 導向輥是接是用來支撐砂帶的輥子，用在組合式砂光頭中。 這三種軸輥在設計時，應充分考慮以下因素： （1）加工精度：由于設備在加工過程中，軸輥作為運動部件需要承受動載荷。尤其是高速回轉時，如果存在不平衡的現象，將直接導致加工完成品表面存在振紋。因此，這些軸輥需要一定精度的加工，并且其相對應的軸承也要保證精度和壽命，才能確保加工質量。 （2）抗震能力：由于砂光設備在加工時存在振動，同時板材在進給時也會發(fā)生滑移，因此目前的設備制造工藝中，經常在輥子的空腔內充入聚氨脂發(fā)泡劑以獲得良好的性能。同時對接觸輥而言，還需要要包一層橡膠，以獲得較大的耐磨性。 （3）散熱能力：對接觸輥而言，輥表面通常開有螺旋溝槽，如下圖2.5所示，以起散熱的作用，并疏通砂帶內表面粉塵，有的設計成人字槽，以使氣流向兩邊疏通．起到更好的效果。 圖2.4 接觸輥表面溝槽形式 2.2.2 升降系統 砂光機的升降系統主要用來實現設備的升降功能，并通過控制砂光系統和進給系統的間距，以實現加工工件的定厚磨削，升降系統可選用的機構有滾珠絲桿副以及滑動螺旋副，其區(qū)別在于滑動螺旋副內部傳動存在間隙，反映到設備的升降上，即升降時會出現尺寸偏差，而滾珠絲桿副由于有間隙控制的手段，其尺寸控制精度高，故本方案采用滾珠絲桿副。 本設計的升降系統由升降立柱連接軸、、轉向器、編碼器、電機等零部件組成，升降立柱（如圖2.5），由蝸輪蝸桿、滾珠絲桿副、預緊螺母、導向外筒、導向內筒、鋼球等組成。 圖2.5 升降系統示意圖 其工作原理為：減速電機啟動后，通過轉向器經升降立柱中的蝸輪蝸桿機構傳動，滾珠絲桿副中的絲桿轉動，絲桿螺母帶動設備實現升降。其中的旋轉編碼器與轉向器通過聯軸器實現連接，轉速與減速電機輸出軸的轉速相同，因此可將電機的轉動圈數——設備的位移量轉化為脈沖，然后反饋給可編程控制器PLC進行計數，實現輸入輸出的閉環(huán)系統，反饋升降的當前位置。升降立柱中的預緊螺母可調整軸承的游隙，以免游隙過大影響砂光機工作時工件的加工厚度。 考慮到設備的加工性，即工件尺寸0.1mm的尺寸公差，為避免滾珠絲桿副的反向間隙造成尺寸跑偏，要求能通過滾珠絲桿發(fā)預緊方向消除，實現反向間隙要求小于30μm。按照精度要求細化到每個傳動部件并結合結構需求，各個傳動部件的設計要求如下： 1）滾珠絲桿副螺母要求有預緊機構，消除軸向間隙； 2）滾珠絲桿副支撐角接觸軸承要求有預緊螺母，以緩解受機架重載荷造成的間隙； 3）蝸輪蝸桿要求有自鎖功能，防止?jié)L珠絲桿副的逆方向旋轉； 4）減速電機設有制動器，保證上機架的定位精度。 綜上，其對應方案為 1）滾珠絲桿副采用墊片預緊雙螺母，可通過墊片預緊消除反向間隙，預緊力 2）滾珠絲桿副支承軸承側設有預緊螺母，可提高支承軸承剛度，同時也可消除軸承側的間隙。 另外，除反向間隙外，滾珠絲桿副同時需要控制定位精度和重復定位精度。 通過分析升降系統的結構及負荷，可以發(fā)現影響定位精度的因素主要有：滾珠絲桿的剛度、支承軸承的剛度、滾珠絲桿副滾珠與滾道的接觸剛度以及蝸輪蝸桿、轉向器的傳動側隙等；影響重復定位精度的因素則只有蝸輪蝸桿、轉向器的傳動側隙。由于滾珠絲桿副在升降過程中，受到始終向下的重力作用，沒有起動、返回的軸向載荷的方向變化，因此滾珠絲桿副的傳動剛度不影響重復定位精度。 針對上述結構件間的間隙，控制定位精度和重復定位精度的措施有： 1）滾珠絲桿副的選型設計保證了傳動系統的剛度； 2）蝸輪蝸桿、轉向器的制造精度，要求達到8級精度。 2.2.3 進給系統 砂光機的進給機構有輥筒式和帶式兩種，本機采用的是輸送帶式進給。進料帶繞裝在工作臺兩端的輥筒上，由驅動電機經無級變速器后通過主動輥帶動輸送帶動作，工作臺面方向運動，除驅動部件外，其張緊強度通過張緊螺栓改變張緊輥的位置來進行調整。在砂架的前、后設有壓緊輥，它們與送料帶相配合，完成工件的進給。在輸送帶的設計中，同時考慮設計自動的直線控制進給裝置，以保證工件安全可靠的輸送，為了防止輸送帶跑偏。在帶式進給機構中，國外有的公司采用真空吸料裝置，以保證短小工件可靠的進給。進給傳遞系統通常采用無級變速，變速方式有機械式、直流電機和交流變頻等無級調速方式。 工件的進給速度是一個重要的設計參數，進給速度太小，生產率就很低，進給速度太快，又會增加單位時間的砂削力．進給速度的大小應與砂帶轉速、工件寬度、工件硬度、砂削量等參數相匹配?，F在國內外砂光機的進給速度一般在6～25m／min左右，送料電機通常采用無級調速式，進給速度為3～15m／min，6～25m／min，8～40m／min等。該參數可在實際使用時通過試驗獲得最優(yōu)方案。 2.2.4 吸塵系統 砂光機在砂削工作時，會產生大量的粉塵，污染環(huán)境，且危害人們的身體健康，并加速機械零件的磨損，對設備而言，粉塵可能造成砂帶糊死，砂帶堵塞，影響砂削效率、降低產品質量。因此，應對吸塵系統予以足夠重視。 砂光機除塵系統的設計與一般除塵系統類似，設計中應注意幾個問題如下 （1）應根據砂光的機規(guī)格型號、工作特點和排塵量情況，選擇合適的除塵形式，合理的布置管路，管路應順直少彎，半徑適宜，以減少局部構件； （2）由于板材粉塵的本身特點，砂光機的除塵系統不應接入車間集中氣力密集的系統中，防止混入集中供氣系統。應單獨設置一個除塵系統，便于選用適宜的分離器和風機； （3）砂光機除塵應使用聚集器的方式，其優(yōu)點是各支路互不影響，便于調整，管道容易布置，靈活性大。 （4）除塵風量的確定。根據產生的粉塵量設計，如除塵系統的風量過大，動力消耗將明顯升高，；吸塵系統風量不足，會降低除塵效果，降低產品質量和生產效率，同時會縮短砂帶壽命。 一般而言，不同砂削方式的排風量參考數據如下所示： 定厚砂光：每英寸（25.4mm）寬砂帶每分鐘需150-200立方英尺（4.25-5.67m3）。 普通砂光：每英寸（25.4mm）寬砂帶每分鐘需100-125立方英尺（2.84-3.55m3）。 精細砂光：使用沖程式砂光機，每英寸（25.4mm）砂帶寬每分鐘需150-200立方英尺（4.25-5.67m3）； 本方案在設計時主要考慮了以下幾點因素： （1） 保證集塵器與吸塵裝置接口處的真空度。 （2） 吸塵管內的平均氣流速度及吸塵風量， （3） 在吸塵管的中心管道處安裝空氣流量控制器，并加置控制器吸塵流量進行調節(jié)。 2.2.5 清潔系統 結合上述的吸塵系統，砂帶在砂削工件過程中，除被吸塵系統收集的粉塵外，會有一些木粉粘結在砂帶表面，如果不及時清除，砂粒將被堵塞，砂帶將喪失失應有的磨削作用，應設計一種高效間歇式吹風清潔系統，用一定壓力的壓縮空氣對砂帶進行噴射，使砂帶能夠保持清潔和鋒利的刃口，從而延長砂帶的使用壽命。另外，砂帶的高速砂削會產生大量的熱量，這些熱量會使粘結劑的老化加速，因此，采用清潔系統使砂帶快速冷卻。同時在設計時，應考慮讓吹風氣流通過空氣過濾器，對壓縮過的空氣進行氣水分離，避免砂帶在清潔時受潮變軟，影響磨削效果。 在砂光機的后端．還通常設計一臺獨立驅動的刷輥除去工件的粉塵，不讓粉塵帶出機床外面，以保持車間工作環(huán)境的清潔，減小對人員身體健康的影響。 2.3 設計方案 本設計對采用的砂帶磨削方式，其特點是砂削周期長，砂削力均勻，砂削質量高。由前文所述，本設計采用了粗砂加精砂帶模式，其中，粗砂由壓輥直接壓緊砂帶進行砂削，主要進行定厚及粗砂光；精砂由壓塊壓緊砂帶進行砂削，主要進行精砂光。接觸輥、張緊輥和導向輥的設計參考前文，充分考慮了其制造精度、耐磨性、抗震性和散熱能力。 由于本設計針對木材進行加工，工作環(huán)境特殊，要求不能有油液的污染，所以選擇采用脂潤滑，脂潤滑結構簡單，使用方便，無污染，通用性強。切采用脂潤滑系統可省卻油箱、油泵、油管及傳動件，使?jié)櫥到y大為簡化，具有體積小、重量輕、損耗能量小的特點。對機床制造者來說，可以降低成本。 砂光機接觸輥在磨削過程時高速旋轉，為了提高軸承的壽命和確保軸承的旋轉精度，必須采取密封措施，常用的密封方式有接觸式密封和非接觸式密封，其中接觸式密封會影響軸承溫升，縮短使用壽命，因此目前通常采用迷宮密封等非接觸式密封方式，對于要求不高的可以采用間隙密封，但必須準確地控制間隙的大小，一般是在0.2——0.4mm之間。在本設計中采用迷宮式非接觸密封方式。 本機使用工業(yè)用標準電機，可提供足夠的動力以滿足不同的砂削質量及砂削功率的要求。為了使砂帶始終保持足夠的張緊力，砂帶絕大多數采用氣缸或氣囊張緊，本機采用的是張緊氣缸張緊的方式。氣壓大小通過調壓閥調整，由壓力表指示。通過壓力開關控制，當砂帶的張緊力低于調整氣壓時，設備將發(fā)出報警，切驅動電機切斷，不能啟動。 設備加工時，砂帶高速旋轉并沿輥筒往復竄動，此時形成振動砂削，磨粒在此壓力作用下做切削運動，與工件表面進行相互作用，實現對工件表面的磨削和拋光等。按磨粒與工件表面接觸時干涉程度的不同，可以分為三個不同階段： 滑擦：此時磨粒與工件的表面相互接觸，干涉較少，在工件的表面發(fā)生的變形為彈塑性變形，比較類似于受力變形時的彈性階段，磨粒只在工件表面進行摩擦，不參與切除材料； 耕犁：隨著加工的進一步進行，磨削量不斷增加，砂帶磨粒與工件表面的干涉不斷增大，材料產生擠壓式運動，被磨粒從其下方和兩側擠出，即工件表面的材料發(fā)生了塑性流動，，磨粒在工件表面犁出“刻線”，此階段切除少量材料； 切削：在加工的最后階段，工件在一定的壓力作用下，磨粒與工件表面間產生了足夠的干涉，被加工材料在磨粒的前方產生了斷裂，形成切屑，此時開始真正地對工件進行“切削”，此時有較大的材料去除率。 其數學模型如下：砂帶上的磨粒在工件表面所劃出的正弦曲線形成互相交錯的網眼，交錯角的大小為正弦曲線對其中軸線的最大傾斜角θ的二倍。 設砂帶相對板面運動的速度為V，砂帶軸向竄動的最大速度為V`,則θ=arctan(V`/V)。 由上述公式可知，在一定的范圍內，擺幅和頻率越大，即θ越大，單位面積板面上磨粒的劃痕大，砂削表面質量越好，成正相關的關系。同時，砂帶竄動提高了砂削速度，使砂帶磨粒不斷受到交變載荷的作用，從而增加了磨粒的自銳性作用，提高了砂削效率。砂帶軸向竄動的每一周期內，磨粒間隙的運動使混入的磨屑被加速甩掉，減少了砂帶的堵塞，從而提高了砂帶的耐用度。 除主動力裝置外，設備還需考慮工件的支承方式，工件的支承裝置包括了工作臺、承壓輥、承壓板和規(guī)尺等等。 首先考慮對工作臺的支承，上砂式砂光機的工作臺可以分為固定式和浮動式。本機采用的是浮動式工作臺，由氣液浮動缸來實現，其升降裝置為絲杠螺母機構。為了確保砂光機的砂削質量，要求工作臺或機架上升運動時，不同位置的平行度為1000：0.03。為此，絲杠的螺距精度應在8級以上，絲杠進行淬火，并經磨削，裝有反向間隙補償彈簧，以保障調節(jié)時的精度精度。 承壓板布置在接觸輥或壓磨器的正上方，以承受砂削時的垂直分力。壓緊裝置布置在砂削機構的前后，砂削時壓緊工件，防止工件在加工過程中產生顫動，保證砂削質量。本機為雙砂架上砂式砂光機，砂架布置了前、中、后共四個壓板，以滿足壓緊要求。 設備工作原理為：待加工的工件從設備的右端進入，由進給輥和和壓緊輥筒送入設備中開始加工。首先通過粗砂工序完成工件表面凹凸處的平整，砂削量約占其總量的60-70%。然后進入精砂工序，由精砂砂帶完成最終尺寸的磨削和表面粗糙度的加工。在粗砂與精砂時，砂帶的旋轉方向與工件的進給方向相反，砂下的木粉經各自的吸塵口被強力氣流吸出。最后通過出料端的一對刷輥，清除砂削表面殘留的粉塵。 該設計兼顧了以下幾點原則： (1) 粗-精加工考慮到了木材砂削工藝方面的各種因素，可適合于不同工件的加工，確保了工藝的靈活性，以及較高的加工精度和穩(wěn)定的加工質量。 (2) 床身高度尺寸、上料高度尺寸充分考慮了人機工程，操作方便舒適，易于維護、修理和調整。 (3) 吸塵和清潔系統最大限度地降低振動、粉塵和噪聲，底部的調節(jié)螺釘提高機床的整體強度，保證其可靠性和安全性。 (4) 盡量使用壓縮空氣能源，減少污染排放。 (5) 結構布局及色調和諧（綠色），保證其外觀質量。 (6) 安裝有安全防護裝置，符合國家規(guī)定的砂光機標準。 2.4 安全要求 根據 GB/T6202《寬帶砂光機通用技術條件》，寬帶砂光機應實現以下安全保護: 1) 氣壓保護 當氣壓低于正常工作電壓時，機床禁止運行。 2）電機保護 各電機根據各自工作要求設置合理的安全保護，如短路保護、過載保護等。 3）緊急制動 出現緊急情況時，按下急停按鈕，機床立即停止運行，氣動制動器立即制動主傳 動及砂架系統，5秒鐘之內停止。 4）失電保護 砂光機突然停電時，氣動制動器立即制動主傳動及砂架系統，5秒鐘之內停止。 5）砂帶保護 當砂帶運行時跑偏、滑脫、爆帶（斷裂）時，氣動制動器立即制動主傳動及砂架系統，5秒鐘之內停止。 6）升降保護 砂光機升降系統設置上、下極限位置，上、下行程限位開關將使升降系統停止升降。 針對上述要求，本機床的安全防護設計為： 在設備正常運行時，如果發(fā)生上述狀況，設備將緊急停止。尤其是當機床發(fā)生嚴重故障，如拖帶或斷裂，此時砂帶將起作用于安全開關上，切斷各個電動機的電源。 與此同時，接觸輥端部的兩個氣壓制動閘立刻啟動，可在2～3s 內夾緊制動輪，使接觸輥停止運動。制動輪安裝在皮帶輪旁邊，在正常時，伸縮氣缸不動作，制動輪隨皮帶一起轉動，當發(fā)生故障時，氣缸軸伸出，張緊虎鉗彈簧，使虎鉗夾住制動輪，驅動制動輪制動。 本機在設計時，充分考慮了安全因素，制動輪上下各一個，其材料是球墨鑄鐵。同時，除氣動元件外，該制動輪也可使用機械方式驅動，避免電磁閥失效時無法制動。 2.5 控制要求 在機械結構相近的情況下，一臺設備的整體性價比往往取決于控制系統的選擇。觀察國內外砂光機的發(fā)展歷程，在控制方面經歷了手動控制和計算機控制兩個階段。手動控制方式，采用繼電器接觸器控制，線路非常復雜，采用固定接線的硬件實現控制邏輯，控制系統體積大、耗電多、可靠性差、生產效率低、精度差。而用計算機控制，一方面是可實現砂光機本身各功能及參數的控制，另一方面可以實現對整個與砂光機連接的生產作業(yè)線的控制，提高了生產的自動化程度。 可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller）簡稱PLC，是以微處理器為核心，綜合了計算機技術、自動控制技術和網絡通信技術等現代科技而發(fā)展起來的一種新型的工業(yè)自動控制裝置，它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。其具有抗千擾能力強、可靠性高、體積小等優(yōu)點，在現代型的制造企業(yè)中被普遍應用，是實現機電一體化的理想控制裝置。 砂光機除了要實現多臺普通電動機的啟停控制、緊急故障的制動、砂帶的擺動控制、各種安全限位保護的控制、各類運轉報警指示等開關量為主的控制外，還要實現對進給系統變頻電機調速、升降系統定位的控制。顯然使用PLC是較為理想的選擇。本設計利用三菱FX2N系列PLC作為核心控制器，其豐富的指令系統及特殊功能模塊能夠滿足寬帶砂光機的控制要求。其控制示意圖如下圖所示： 圖2.6 砂光機控制系統示意圖 本章小結 本章研究了砂光機的總體設計。通過功率和砂帶磨削速度等參數確定了砂光機主技術參數；并詳述了砂光機的主要組成部分，包括：砂光系統、升降系統、進給系統、吸塵系統和清潔系統。砂光系統采用了粗-精砂組合的方式；升降系統選用了滾動絲桿副；進給系統選用了輸送帶輸送方式；吸塵系統采用了獨立控制；清潔系統兼顧了砂帶清潔和車間環(huán)境。并就設備的安全系統進行了設計。最后，從砂光機控制功能要求及控制性角度選擇了PLC控制模式，明確了控制系統的總體方案。 第三章 關鍵部件設計 3.1 砂架及動力傳動 3.1.1 砂架及傳動系統的結構設計 如圖3.1所示，砂架系統由接觸輥、張緊輥、張緊氣缸、砂帶擺動單元組成。 其中，主傳動系統由電機、傳動皮帶輪、傳動軸、剎車盤、氣動制動器等組成，砂架系統與主傳動系統間由聯軸器相連。 氣動剎車裝置作用是在砂帶出現跑偏或斷裂時，在4-6秒內制動整個系統。 砂帶擺動單元由光電管、氣缸及調節(jié)機構組成，通過檢測以及調節(jié)裝置防止砂帶向一側跑偏，并起到縱橫砂削的效果，減小砂削痕跡，提高砂削質量。 1-接觸輥 2-接觸輥支承 3-半聯軸器 4-張緊輥 5-張緊輥支承 6-擺動系統 7-橡膠聯軸器 8-主傳動軸承座 9-傳動軸 10-剎車裝置 11-皮帶輪 12-主電機 圖3.1 砂架及傳動系統結構簡圖 3.1.2砂架的參數設計 作為砂光機的核心部件——砂架部分的設計是一臺砂光機能否順利制造的關鍵。其他各部分數據均需由此展開，因此優(yōu)先對砂架的參數進行設計。 1）接觸輥的基本參數設計 接觸輥與工件的相對運動簡圖如圖3.2，它是砂帶磨削重要的零部件之一。 （1）接觸輥直徑選擇 接觸輥直徑影響著材料的切除率和表面粗糙度，如圖3.1 所示。可做相關性表如下： 接觸輥直徑 與工件接觸面積 單位面積壓力 切削作用 切除率 粗糙度 小 小 大 增強 大 大 大 大 小 減弱 小 小 表3.1 接觸輥直徑相關性表 圖3.2 接觸輥與工件相對運動簡圖 理論上，應選取小直徑接觸輥，但是直徑過小時，砂帶的彎曲應力將急劇加大，同時粘結的磨粒也會由于過度撓曲而易脫落，影響砂帶壽命。故接觸輥直徑D 的減小也受到一定限制。 以上是從切削理論的角度來確定接觸輥直徑。但是實際上，接觸輥直徑還受到其他一些方面的限制。包括制造工藝等因素，根據上述原則及同類設備選用情況，選取接觸輥直徑D=330mm. 2）張緊輥的基本參數設計 張緊輥也是砂架的一個重要組成部分，和接觸輥一起組成砂架的主體，其基本參數主要是張緊輥的直徑。 張緊輥直徑的選擇主要受下面三種因素影響： （1）砂架空間結構的大小：張緊輥尺寸需要跟隨砂架做變化，并與砂架結構相稱； （2）張緊力的大?。簭埦o輥受力與張緊力成正比，同時軸系結構也與其成正比。 （3）磨削速度：張緊輥的轉速與砂帶磨削速度成正比，如果直徑過小，當磨削速度上升時，將造成設備抖動。 本機根據上述三個因素，選取張緊輥直徑D=340mm 3.1.3 主切削力的確定 如圖 3.1所示，砂光機的主傳動形式為回轉運動，驅動電機的動力經過V帶傳遞給傳動軸，傳動軸將動力通過聯軸器傳遞至接觸輥，接觸輥的轉動帶動砂帶及張緊輥運動。 傳送帶的功率傳遞公式為 參考同類型的砂光機電機選擇，其電機功率為90Kw。 計算功率 又由 則 3.1.4 主傳動-V 帶傳動設計 參考同類型砂光機，主電機選用Y280M4電機，傳遞功率為Pn=90kW，電機轉速n1= 1480r/min，根據機器結構，傳動中心距800mm左右，除去操作工人吃飯、換班、休息時間，設備每天工作大約22小時。 1）設計功率Pd 由《機械設計》帶傳動相關章節(jié)表格，選KA= 1.2 Pd=KA ·P=1.2x90=108Kw 2）選擇帶型 根據 Pd= 108kw 及n1= 1480r/min，查《機械設計》帶傳動相關章節(jié)表格，選用C型V帶 3）由砂帶線速度V=22m/s=1320m/min 由公式 可得 傳動比i= n1/ n2=1480/1273=1.16 為了達到砂帶要求的線速度，需采用降速的方法來實現。這時大帶輪在主傳動軸上，電機上為小帶輪。 4）小帶輪基準直徑d帶1 帶輪越小，彎曲應力越大，由于C型帶輪最小直徑為200mm，故選定小帶輪基準直徑d帶1=300mm 5）大帶輪基準直徑d帶2 由公式 則d帶2=1.16*300*（1-0.02）=341mm 查《機械設計》帶傳動相關章節(jié)表格,取大帶輪直徑φ350mm 6）帶速v 由公式 可得 7）初定中心距a 按設計要求，取a0=800mm。 8）確定帶的基準長度Ld 由公式 查《機械設計》帶傳動相關章節(jié)表格,取基準長度為Ld=2500mm 9）實際中心距a 由公式 安裝時所需最小中心距： 由公式 張緊或補償伸長所需最大的中心距 由公式 10）小帶輪包角α1 由公式 11）V帶的根數z 由公式 查《機械設計》帶傳動相關章節(jié)表格單根V帶的額定功率Po =19.44kW，ΔP0 =1.37kW，小帶輪包角修正系數Ka= 1，帶長修正系數Kl = 0.88。 計算得z=5.8，取整得z=6。 12）單根V帶的初拉力F0 由公式求得 13）作用于軸上的力Fr 由公式求得 3.2 軸的校核計算 軸的形式見圖3.3： 圖3.3 軸的形式圖 計算軸的受力情況見圖3.4： 圖3.4接觸輥的受力圖 根據電動機功率等參數計算軸傳遞的扭矩，以及軸的受力情況： 扭矩按脈動循環(huán)變化計算, 取a=0.6, 則 作圖如下： 圖3.5 軸的受力分析圖 a-a為危險截面，對其進行強度校核 a-a截面處當量彎矩為 考慮鍵槽的影響 安全系數校核： a-a為危險截面。軸的材料選用45鋼調質， =650 MPa, =360 MPa 由表所列公式計算疲勞極限： 對稱疲勞極限=0.44=0.44650=286 MPa =0.30=0.30650=195 MPa 脈動疲勞極限=1.7=1.7286=486 MPa =1.6195=312 MPa 等效系數=0.18 =0.25 彎矩應力幅 扭轉切應力 顯然，彎矩應力幅和扭轉切應力均小于極限值。 扭轉應力幅和平均切應力 =0.65 有效應力集中系數 因在此截面處，軸有直徑變化，過渡圓角半徑r=2 mm,由D/d=30/24=1.25 r/d=2/24=0.083 MPa 從附表中查出 如果一個截面上有多種產生應力集中的結構，則分別求出其有效應力集中系數，從中取最大值。 表面狀態(tài)系數 由《機械設計手冊》查得 =0.92 尺寸系數 由《機械設計手冊》查得 =0.91 =0.89 彎曲安全系數 設為無限壽命 =1 =58 扭曲安全系數 復合安全系數 =55.3 S 由安全系數法對a-a截面進行校核 a-a截面上的應力 彎曲平均應力： 扭轉應力幅： 扭轉平均應力： 材料的等效系數，查表得 a-a截面應力集中系數，查表得 表面狀態(tài)系數及尺寸系數，查表得 由公式 故該軸的設計是合理安全的。 3.3 軸承選擇計算 計算Y向絲杠上一對軸承 絲杠轉速 r/min，N,預期壽命15000h，靜載荷安全系數查手冊該軸承N，N，。 計算得軸承組的基本額定動載荷槍和額定靜載荷分別為： N 壽命計算 : :由手冊可查雙列 當量動載荷:求得 軸承組壽命 求得 靜載荷計算： 由手冊查得雙列 =1 = 當量靜載荷 由公式 取兩式中大值，計算得 計算額定載荷 由公式計算得 求得 所以,承的強度和壽命均滿足要求。 3.4 進給系統電機功率 砂帶的磨削力（F）計算： 式中： q-------磨削單位壓力，; A-------砂帶與木材的接觸面積; C-------砂帶與木材咬合系數，可以理解為單位磨削壓力下所需的磨削力。 C與木材的樹種有關，根據實驗：白樺： 松木： 橡木： 為驗證電動機的可靠性，現取C值最大的橡木，查表得其切削單位壓力 ； 砂帶長寬的設計尺寸根據廠家確認，現取砂帶長度為500mm，寬度為1100mm，求得接觸面積為0.55m2 切削功率（） 由初選的砂帶速度22m/s （4.23） 所選電機符合要求。 第四章 總結 4.1 本機的結構特點 (1)本機采用輥式砂架和組合式砂架實現粗-精砂結合，兼具尺寸定厚和精砂拋光的功能。 (2)采用PLC控制，具有自動化生產功能，生產效率較高。 (3)進給系統速度可調，輸送帶張緊度可調。 (4)升降系統采用滾動絲杠副，且安裝有反向間隙補償裝置，精度較高。可實現工件厚度的精確控制。 (5)吸塵系統獨立，不影響生產車間的集中系統。