木板数控线切割机的研制

关肖龙；张可；李晓凯；王维；徐子杰；战祥悌；宋英健

（中国石油大学胜利学院，山东 东营257000）

摘要：随着制造工业的进步，数控加工已逐步主导了传统的机械加工，为了解决一些有着复杂曲线轮廓的工件，本文研制了一款木板数控线切割机，实现“计算机-控制卡-机床”的自动化控制，利用软件画图，通过计算机传达到控制卡，控制卡控制工作台完成预定的曲线轨迹。此研究在一定程度上不仅改善了传统曲线锯切设备加工效率低，木材利用率差，工人技术依赖性强的情况，而且可以将操作人员从危险的加工环境中解脱出来，降低了事故发生率，确保人身安全。

关键词：木板；往复运动；线切割；曲线加工

1前言

目前，我国木工机械制造业有了长足发展，基本能满足国内需求，而且还有一部分产品远销国外，但对于一些高精尖产品，还需要从国外进口。进入21世纪后 ，特别是近十年来，木工机床行业取得飞速发展，我国木工机床行业GDP分别越过意大利、德国成为世界最大的木工机床生产国。这时候更需要相应的高效设备进行精准加工。 

传统的曲线加工需要借助辅助基准以及技术高超的老工人进行加工，效率与精度低，且产生的木屑对人体造成一定伤害，较为先进的激光切割机会损伤木板，且费用高昂。因此，现有的锯切设备都存在一定的缺陷，本文所涉及木板数控线切割机，在加工过程中不需要辅助装置可直接加工，由计算机控制整个加工过程，可实现加工的整体自动化，降低工人的依赖性，适用于复杂曲线的加工，大大提高了工件加工范围，且生产率和产品质量可显著提高。

2木板数控线切割机整体分析

2.1木板数控线切割机的组成与工作原理

该机床主要有电源，往复机构，线锯，工作台，丝杆，可调速电机，步进电机，以及工件等组成。

在软件页面设计出需要加工的曲线轮廓，待加工的产品放在坐标工作台上，人工手摇对锯，将坐标工作台移动到适当位置，然后启动可调速电机，锯丝开始沿Z轴做往复直线运动，数控系统控制步进电机将坐标工作台运动到加工区进行加工。保持锯丝在Z轴方向做往复直线运动，坐标工作台沿着软件设计的轮廓曲线做平面运动。

与其它数控机床一致，此机床的坐标系符合国家标准，以右手直角笛卡尔坐标系为基础，参考锯丝相对静止工件的运动方向来决定：面向机床正面，横向为X方向，锯丝向右运动为X+方向，向左运动为X-方向；纵向为Y方向，锯丝向外运动为Y+方向，向内运动为Y-方向。

2.2经济实用的控制系统

本机床可配备多种数控系统，数控系统在满足性能稳定，技术先进的基础上，还要求操作编程简单方便，生产过程灵活快速且经济。本机采用MACH3运控控制卡，适合经济型数控机床，可以满足木板数控线切割机的需求。运动控制卡具有多重功能和优势,它是最好的工业运动控制解决方案,并可以很容易地到机和运动控制集成到机电脑操作界面。有着强大的PC控制,容易编程、调试和维护人机界面友好，具有中英文菜单显示，丰富的示教功能，方便操作人员使用。

2.3关键部位结构介绍

机床的传动系统采用平行四边形连轴机构和曲柄摇杆机构，此机构传动效率较高且稳定，曲柄摇杆机构将电机的回转运动转换为连轴机构的往复运动。曲柄摇杆机构运动一个周期，连轴机构就做一个来回的往复运动。

锯丝进行切割时，就是锯丝在直线形式或在曲线形式的轻压和推进的运动中，对木材进行快速切割的一个工作过程。锯条在这个过程中，由于锯条的锯齿不断地发生作用，木材对锯齿也产生较大的摩擦或挤压力，因此，锯条必须具备抵抗抗压力强度，具有一定的可塑性和耐热性，使锯齿的齿刃不会变钝。同时为了保证锯丝可以进行360度切割，锯丝采用多面线锯。

滚珠丝杠高效快速，传动精度高，对于安装要求比较高，且价格昂贵。丝杆副因其运动平稳，摩擦系数较小，磨损较小，使用寿命长，价格适中等特点，广泛应用于数控传动机构中。本机选用丝杆副作为传动装置，经过优化设计，在满足定位精度的基础上，采用轴向刚度高的轴承来减小系统间隙，提高进给传动机构的传动刚度。

工作台与移动装置相连接，采用三角支架结构，增加工件的稳定性，三角支架之间采用正反牙丝杆连接，从而使夹持机构可缩可扩，适应大小不同的木板加工。木板与夹持机构采用G字型夹头进行紧固，防止工件移动。

图1 整体示意图

3创新之处

本设计创新性的将金属电火花线切割思想运用到木板切割中，本设计采用往复机构带动锯条做沿z轴的往复运动，工作台利用步进电机驱动丝杆进行运动的结构组合，锯丝采用多面锯丝，从而可以进行360度切割，不再是单一方向切割。

4木板线切割机参数

4.1电机选型

此机床共包括两种电机，分别为带动平行四边形连轴机构的可调速电机和控制工作台进行微量低速进给的步进电机。

可调速电机的选择：连轴机构做往复运动，不需要间隙，即选用普通电机。设锯条行程为30mm，最大锯切厚度为50mm，锯条锯切木板时平均切削力为150N，非切削时锯条与木板间的平均摩擦力为50N。有《机械设计手册》查得：电机选用功率为180W，输出转速为1400r/min,可调最慢转速为400r/min的可调速单相电动机。

步进电机选择：由于工作台为低速进给，且考虑制造成本，电机选择步进电机。设加速时间t_a=0.1s，满载时重量约为10kg，最大进给转速为5rad/s，丝杆螺距为3mm，半径为7mm，长度为170mm。根据《机械设计手册》查得：电机选用扭矩为2.3Nm，长为81mm的57步进电机。

4.2应力分析

经过分析，连轴机构为主要受力件，利用solidworks绘制零件并对其分析，受力不会损伤零件且可正常工作。通过计算算得=45.00Mpa 查表可得[]=64.34Mpa          所以选用材料与尺寸满足条件。

图2 连轴机构受力分析图

3结束语

随着具有中国特色的木制品受到越来越多人的喜爱，对于木工机床的要求也越来越高，本文所设计的木板数控线切割机，采用步进电机驱动从而控制坐标工作台的运动方向，以及使用可以进行360度切割的锯条，在一定程度上改善了传统曲线锯切设备的缺点，并且此设备相对于激光切割与水切割来说污染极低，相信会为企业的经济效益带来显著地进步。

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