姜新波， 郭 璨， 馬 巖， 楊春梅， 鄧兆軍

(東北林業(yè)大學(xué)林業(yè)與木工機(jī)械工程技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150040)

研究與設(shè)計(jì)

歐式木窗表面雙端砂光機(jī)關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

姜新波， 郭 璨， 馬 巖*， 楊春梅， 鄧兆軍

(東北林業(yè)大學(xué)林業(yè)與木工機(jī)械工程技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150040)

通過(guò)分析歐式木窗表面雙端砂光機(jī)生產(chǎn)工藝和整體方案，對(duì)研磨機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)、側(cè)向夾緊機(jī)構(gòu)及機(jī)器保護(hù)罩等關(guān)鍵部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)研磨機(jī)構(gòu)的主軸電機(jī)進(jìn)行了選型。為了保證進(jìn)給速度一致，防止歐式木窗在加工過(guò)程中出現(xiàn)變形，選用伺服電機(jī)作為進(jìn)給電機(jī)，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量、功率、電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、實(shí)際轉(zhuǎn)速，確定伺服電機(jī)型號(hào)。通過(guò)關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使歐式木窗表面雙端砂光機(jī)在生產(chǎn)效率、生產(chǎn)質(zhì)量、自動(dòng)化程度等方面均有提高。

砂光機(jī)；關(guān)鍵部件；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；伺服電機(jī)

隨著人們對(duì)綠色消費(fèi)理念認(rèn)識(shí)的深入及對(duì)生活質(zhì)量要求的不斷提高，對(duì)木窗品質(zhì)的要求越來(lái)越高，對(duì)木窗裝飾性能的要求也不斷提高。其中，木窗的噴涂質(zhì)量將直接影響其裝飾性能，提高木窗的表面裝飾性能，除了要具有較高的涂飾技術(shù)水平，還應(yīng)保證白坯件具有較高的砂光質(zhì)量。砂光可去除白坯件的毛刺、污漬，提高漆膜附著力和表面質(zhì)量，因此砂光設(shè)備是影響木窗表面質(zhì)量的關(guān)鍵[1-4]。

目前，雖然市場(chǎng)上的砂光機(jī)種類較多，但國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有針對(duì)木窗表面的專用雙端砂光機(jī)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，大部分的砂光機(jī)只能加工窗框的一條邊框，自動(dòng)化程度低，生產(chǎn)效率低，不能滿足企業(yè)生產(chǎn)的需求。

1 歐式木窗砂光工藝分析和整體設(shè)計(jì)方案確定

由于歐式木窗的截面形狀比較復(fù)雜，因此要求涂覆磨具磨料具有可撓性和柔韌性。撓性磨具主要分片狀和輪狀兩種，片狀磨具的形狀適應(yīng)性好，磨料材料粒度范圍較大，可適應(yīng)于粗糙、普通、精細(xì)、超細(xì)等各種加工的需求；輪狀磨具各個(gè)部件都具有多種規(guī)格形狀可根據(jù)加工需求進(jìn)行組合[5]，適用范圍更廣，因此本設(shè)計(jì)選用輪式磨具作為砂光的主要磨具。

歐式木窗雙端砂光機(jī)主要用于拼接完成后對(duì)其窗框砂光，可以同時(shí)對(duì)窗框的兩條邊框表面進(jìn)行砂光，所以研磨組件到窗框的距離要能夠調(diào)整，砂光機(jī)各砂光頭所處的角度與木窗框各待加工表面要一致。木窗框的下表面與進(jìn)給傳送帶接觸，上表面需要被壓緊，窗框的一側(cè)需要有固定的定位，另一側(cè)還要有可調(diào)節(jié)的壓緊機(jī)構(gòu)，這樣才能滿足不同尺寸窗框的定位要求。歐式木窗雙端砂光機(jī)整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 歐式木窗表面雙端砂光機(jī)整體設(shè)計(jì)方案1.砂架；2.研磨機(jī)構(gòu)；3.輸送機(jī)構(gòu)；4.側(cè)向夾緊機(jī)構(gòu)；5.機(jī)架；6.夾緊機(jī)構(gòu)

2 研磨機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 研磨機(jī)構(gòu)整體方案設(shè)計(jì)

研磨機(jī)構(gòu)由刷式砂光頭、哈茵電機(jī)、升降氣缸、升降導(dǎo)軌、電機(jī)安裝板、支撐板、導(dǎo)軌擋塊、導(dǎo)軌固定座等組成。刷式砂光頭通過(guò)軸套安裝在哈茵電機(jī)的輸出軸上，哈茵電機(jī)通過(guò)電機(jī)安裝板與導(dǎo)軌固定座2和4通過(guò)螺紋連接。導(dǎo)軌固定座2和4內(nèi)裝有直線軸承用于固定導(dǎo)軌，通過(guò)調(diào)整導(dǎo)軌擋塊的位置來(lái)調(diào)節(jié)砂光頭的最大行程，通過(guò)升降氣缸的升降來(lái)控制砂光頭與工件的接觸距離以完成砂光。研磨機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 研磨機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)方案1.刷式砂光頭；2.電機(jī)安裝板；3.哈茵電機(jī)；4.導(dǎo)軌固定座1；5.升降導(dǎo)軌；6.彈性擋圈；7.直線軸承；8.導(dǎo)軌固定座2；9.導(dǎo)軌擋塊；10.支撐板；11.導(dǎo)軌固定座3；12.導(dǎo)軌固定座4；13.升降氣缸

2.2 研磨機(jī)構(gòu)主軸電機(jī)選擇

選擇電機(jī)應(yīng)綜合考慮以下問(wèn)題。

(1)電機(jī)安裝方式與類型需通過(guò)負(fù)載類型和生產(chǎn)工藝來(lái)確定，兩者都對(duì)電機(jī)的啟動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和工作環(huán)境等具有一定的要求。

(2)電機(jī)功率的確定需要考慮電機(jī)的承受溫度、過(guò)載能力、轉(zhuǎn)矩、速度變化范圍和是否頻繁啟動(dòng)等因素。

(3)根據(jù)使用場(chǎng)所的環(huán)境條件(如溫度、濕度、灰塵等)，考慮必要的保護(hù)方式，選擇電機(jī)的結(jié)構(gòu)型式。

(4)根據(jù)企業(yè)的電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)，確定電機(jī)的電壓等級(jí)和類型。

(5)根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的最高轉(zhuǎn)速和對(duì)電力傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程性能要求，以及機(jī)械減速機(jī)的結(jié)構(gòu)及其復(fù)雜程度，選擇電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速[6-7]。

除此之外，選擇電機(jī)還必須符合節(jié)能要求，考慮運(yùn)行可靠性、設(shè)備的供貨情況、備品備件的通用性、安裝檢修的難易，以及產(chǎn)品價(jià)格、設(shè)備費(fèi)用、運(yùn)行和維修費(fèi)用、生產(chǎn)過(guò)程中前期與后期電機(jī)功率變化關(guān)系等多種因素[8-9]。

本設(shè)計(jì)中，主軸電機(jī)主要用于帶動(dòng)刷式砂光輪旋轉(zhuǎn)對(duì)窗框進(jìn)行砂光，因此主軸電機(jī)負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)矩為主要轉(zhuǎn)矩，但轉(zhuǎn)矩較小。刷式砂光輪安裝在電機(jī)輸出軸上，主軸電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩也較小，而且在工作過(guò)程中電機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)載恒定。電機(jī)用于砂光作業(yè)時(shí)，工作環(huán)境的粉塵較多。

綜合考慮以上因素，本設(shè)計(jì)選用的主軸電機(jī)為Y2-712-4型電機(jī)，其額定功率為0.37 kW，轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，效率為62%，功率因數(shù)為0.92，額定轉(zhuǎn)矩為0.35 N·m。

3 夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

夾緊機(jī)構(gòu)由壓輥氣缸安裝板、福來(lái)輪壓輥、直線軸承、壓輥導(dǎo)向軸、升降氣缸等主要部分構(gòu)成。夾緊機(jī)構(gòu)的主要作用是在磨削和進(jìn)給時(shí)壓緊工件防止工件移動(dòng)，所以?shī)A緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)既要能保證正常進(jìn)給，還要有足夠的壓緊力保證工件不移動(dòng)。夾緊機(jī)構(gòu)采用氣缸傳動(dòng)，氣缸安裝在氣缸安裝板上，直線軸承通過(guò)彈性擋圈也安裝在氣缸安裝板上，直線導(dǎo)軌由直線軸承固定，直線導(dǎo)軌通過(guò)螺紋連接與福來(lái)輪安裝板相連。加工時(shí)氣缸伸出，使壓軌壓在工件上表面實(shí)現(xiàn)夾緊。夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3 夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案1.福來(lái)輪壓輥；2.福來(lái)輪安裝板；3.氣缸安裝板；4.升降導(dǎo)軌；5.升降氣缸；6.直線軸承；7.彈性擋圈

4 側(cè)向夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

側(cè)向夾緊機(jī)構(gòu)由膠輥支撐架、福來(lái)輪壓輥、壓輥安裝架、限位塊、氣缸固定塊、直線軸承、壓輥導(dǎo)向軸等主要部分構(gòu)成。側(cè)向定位氣缸根據(jù)工件的長(zhǎng)度可進(jìn)行伸縮，以實(shí)現(xiàn)側(cè)向定位夾緊工件。氣缸與氣缸固定塊和膠輥支撐架通過(guò)螺紋連接相連，直線軸承通過(guò)彈性擋圈安裝到氣缸固定塊上。導(dǎo)軌由直線軸承固定，通過(guò)兩側(cè)緊定螺釘使導(dǎo)軌固定在膠輥支撐架上，膠輥支撐架通過(guò)螺紋連接與壓輥安裝架相連。通過(guò)氣缸的伸縮使福來(lái)輪壓輥與工件外側(cè)面接觸，實(shí)現(xiàn)夾緊定位。側(cè)向夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

圖4 側(cè)向夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案1.福來(lái)輪安裝板；2.膠輥支撐架；3.氣缸固定塊；4.彈性擋圈；5.升降導(dǎo)軌；6.限位塊；7.直線軸承；8.升降氣缸；9.福來(lái)輪壓輥

5 機(jī)器保護(hù)罩設(shè)計(jì)

為了美觀、防塵及生產(chǎn)安全的需要，設(shè)計(jì)有機(jī)器保護(hù)罩，其主要由支撐架、窗戶、張合板、鈑金主體組成。鈑金主體包括頂部鈑金、窗側(cè)鈑金、張合板上鈑金、張合板下鈑金四部分，其中頂部鈑金通過(guò)螺紋連接將另外三部分連接成一體。為了保證鈑金的安裝與強(qiáng)度，支撐架與鈑金均有螺紋連接。為工作時(shí)安裝與維修方便，在鈑金的正面裝窗戶，在背面裝張合板，方便觀察與拆卸。機(jī)器保護(hù)罩設(shè)計(jì)方案如圖5所示。

圖5 機(jī)器保護(hù)罩設(shè)計(jì)方案1.窗側(cè)鈑金；2.窗戶；3.頂部鈑金；4.張合板上鈑金；5.張合板下鈑金；6.底部鈑金

6 伺服電機(jī)的選型計(jì)算

伺服電機(jī)具有傳動(dòng)精度高及可控制速度等優(yōu)勢(shì)，所以選用伺服電機(jī)作為進(jìn)給動(dòng)力來(lái)保證移動(dòng)端和固定端的進(jìn)給速度一致，防止歐式木窗在加工過(guò)程中出現(xiàn)變形。鏈傳動(dòng)選取的參數(shù)為齒數(shù)z=17，節(jié)距p=12.7 mm，平均速度v=10 m/min，傳動(dòng)比為1。

6.1 伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速計(jì)算

鏈傳動(dòng)的平均速度公式為：

(1)

電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速n1為：

n1=i×n

(2)

電機(jī)的輸出軸連接有行星斜齒輪減速器，減速比i=30，將其帶入上式，通過(guò)計(jì)算可得電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n1=1 392.31 r/min。

6.2 伺服電機(jī)負(fù)載慣量計(jì)算

物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程的動(dòng)能T1為：

(3)

式中：m為運(yùn)動(dòng)物體總質(zhì)量(kg)；V為最大直線速度(mm/s)。

電機(jī)相對(duì)于運(yùn)動(dòng)物體的能量T2為：

(4)

式中：Jω0為電機(jī)上的負(fù)載慣量(kg/m2)；ω電機(jī)為電機(jī)的角速度，ω電機(jī)=2πn1。

根據(jù)能量守恒定律可知T1=T2，帶入式(3)和式(4)可得，直線運(yùn)動(dòng)物體轉(zhuǎn)移到電機(jī)上的負(fù)載慣量Jω0為：

(5)

考慮到傳動(dòng)效率(鏈傳動(dòng)效率η1、減速器效率η2)，所以窗框負(fù)載折算到伺服電機(jī)軸上的負(fù)載慣量為：

(6)

式中：Jω1為減速器高速軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg/m2)。

取窗框質(zhì)量m=20 kg，鏈傳動(dòng)效率η1=0.95，減速器效率η2=0.95，將這些數(shù)據(jù)帶入式(6)中，通過(guò)計(jì)算可得伺服電機(jī)軸上的負(fù)載慣量Jω=7.59×10-5kg·m2。

根據(jù)慣性匹配理論，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量JM取值范圍為：

JM=(1/10～1/3)Jω

(7)

6.3 伺服電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算

窗框進(jìn)給砂光時(shí)電機(jī)負(fù)載最大，刷式砂光產(chǎn)生的磨削力很小可忽略不計(jì)，此時(shí)伺服電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：

(8)

式中：μ為窗框與傳送帶的摩擦系數(shù)；F0為壓緊裝置的總壓緊力(N)；F1為磨削時(shí)產(chǎn)生的切削力(N)，η為系統(tǒng)的傳遞效率，η=η1η2。

根據(jù)磨削特性原理分析[10-11]，此時(shí)的切向力為：

(9)

式中：q為壓強(qiáng)(MPa)；S為受力面積(mm2)；dt為研磨粒子直徑(mm)；Ka為修正系數(shù)；Kc為變鈍系數(shù)。

通過(guò)計(jì)算和查閱相關(guān)資料可得：S=0.005 25 m2，q=206 kPa，dt=0.2 mm，Ka=0.95，Kc=1。將這些數(shù)據(jù)帶入式(9)，通過(guò)計(jì)算可得：F1=20×0.005 25×(0.425+0.19×0.20.5)×0.95×1×103=50.82 N。壓緊機(jī)構(gòu)選用內(nèi)徑為?50 mm的氣缸，其工作壓力為0.5 MP，單個(gè)氣缸壓緊力為981.5 N，則其10個(gè)氣缸產(chǎn)生的總壓緊力F0為9 815 N。假定窗框質(zhì)量為m=20 kg，傳送帶與窗框的摩擦系數(shù)μ取0.45。在不考慮窗框與其他接觸面產(chǎn)生摩擦力的情況下，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：

T負(fù)載=5.77(N·m)

6.4 確定伺服電機(jī)功率

將數(shù)據(jù)帶入上面的相應(yīng)各式，可得：

(10)

通過(guò)計(jì)算可得額定功率P0=0.93 kW。

最后確定選取臺(tái)達(dá)ECMA-E31315PS型號(hào)伺服電機(jī)，電機(jī)功率為1.5 kW，額定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，轉(zhuǎn)子慣量為11.18 kg·cm2，額定力矩為7.16 N·m。

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)實(shí)際加工需求的分析，完成了歐式木窗表面雙端砂光機(jī)關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電機(jī)的選型，既保證了加工質(zhì)量又降低了生產(chǎn)成本，滿足了實(shí)際生產(chǎn)的需要和不同用戶的個(gè)性化使用要求。對(duì)擴(kuò)大企業(yè)生產(chǎn)范圍，提高企業(yè)生產(chǎn)效率和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有一定的促進(jìn)作用。

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(責(zé)任編輯 張雅芳)

Structural Design of Key Components of Sanders for BilateralSurface of European-style Wooden Windows

JIANG Xin-bo， GUO Can， MA Yan*， YANG Chun-mei， DENG Zhao-jun

(Forestry and Woodworking Machinery Engineering Technology Center，Northeast Forestry University，Harbin Heilongjiang 150040，China)

Through the analysis of the production process and overall of sanders for bilateral surface of European-style wood windows，the structural design of such key components as grinding mechanism，clamping mechanism，lateral clamping mechanism，machine protection cover is conducted，the grinding machine spindle motor selection is stated.In order to ensure the same feed rate and prevent the deformation of European-style wooden windows in the manufacturing process，servo motor are used as feed motors，with the motor rotor inertia，power，motor load torque，actual speed determined，based on which the type of serve motors can be selected rationally.The structural design of key components can improve the sanders for bilateral surface of European-style wood windows in terms of production efficiency，production quality and degree of automation.

sander；key components；structural design；servo motor

2016-12-30

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“黑龍江省數(shù)控一代木工機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新應(yīng)用示范工程”(2014BAF11B00)；木材數(shù)控微米刨銑加工及智能控制裝備研究項(xiàng)目(GA14A401)

姜新波(1967-)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，博士，主要從事林業(yè)與木工機(jī)械的設(shè)計(jì)與制造，E-mail：jxb-1967@163.com。

*通訊作者：馬 巖(1954-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論，E-mail：myan@vip.163.com。

TS642

A

2095-2953(2017)03-0016-04