节能型木材单板加工设备的设计与开发
许伟才
（山东百圣源集团有限公司 威海 264207）
摘要：节能型木材单板加工设备的研发具有挑战性，打破了国际垄断，对促进行业可持续发展具有推动作用。本项目主要是围绕节约能源、节约成本、提高木材利用率为出发点，改变传统的设计理念和方法，采用数控技术进行机床的设计。
关键词：节能、多功能、全数控、单板加工设备、设计与开发
研发背景
人造板工业是林产工业和循环经济的基础环节，是节能节材和环保的常青产业，因此人造板机械的现代化水平成为了业内人士关注的重点。而目前人造板机械，国内制造商一直延用了传统的设计理念和方法进行开发设计，其装备的自动化、智能化、效能、木材利用率和单板加工质量都落后于发达国家同行业的先进水平，这不仅影响了我国人造板机械的出口，更制约了我国人造板机械行业的发展。为了振兴人造板行业装备制造，资源综合利用，加快人造板行业赶超世界先进水平，近几年国内一些大型骨干人造板机械制造商纷纷加入了数控化机床研发和生产的行列，最具代表性的企业就是山东百圣源集团有限公司，他们在研发生产了目前国内最先进的旋切单板生产线成套设备后，又在进行了大量的市场调研的基础上开始了本产品的设计与开发。
项目的目标
本项目采用国际上最先进的设计理念，在产品的全数控化、机械的自动化、人性化方面加强了设计，并达到如下几个目标：
系统编程、控制人性化；
一机多功能设计；
有卡无卡旋切自动连续转换，转换时单板厚度不变；
旋切单板厚度精度达到0.05㎜；
木材利用率提高25%以上。
产品结构设计
该机床主要由床身部分、左右卡轴箱部分、刀架部分、双棍传动部分、连接横梁和支撑架部分、定心机构、上木机构、有卡旋切机构、无卡旋切机构、输木和输板机构、数控系统等组成。
床身部分主要是用来支撑连接有卡旋切机、连接横梁和上木机构。各组成部分通过与机身的刚性连接，保证了各部分的连接强度和连接精度，从而保证了各部分相应的运动精度。连接横梁和支撑架主要是用来保证其他机构与有卡旋切机的有效连接。无卡旋切机构和上木机构直接与横梁链接。保证了上木和有卡无卡旋切的连续转换。支撑架与定心装置和输木装置相连，保证了定心和上木的准确性。
定心机构通过电子光眼跟踪原木的位置，然后反馈给可编程序控制器，通过算计机进行数据处理后，发出指令给定心系统实现定心。该机构通过一套螺纹运动副，带动升降V型块升降，实现原木的定心。
上木机构连接在横梁上，其上安装了上木摆臂，摆臂上有运动滑道，保证卡爪伸缩自如，以便实现上木的准确。
有卡旋切机构采用多级链和齿轮机构带动主轴旋转，进给机构采用齿轮副和蜗轮副带动刀架进给实现旋切。
无卡旋切机构通过横梁与有卡轴机构紧密相连，采用齿轮副带动进给机构实现旋切。
双棍传动机构的设计改变了传统设计理念，采用伺服电机控制，降低了设备功率的储备，实现了无卡旋切的功能还提高了设备的防弯效果，减少了结构的重复设计。
输木输送机构与支撑架相连，采用减速机链条式输送带，带动原木移动实现原木的输送。
输板机构采用简易滑板式机构输出，通过传送机构输出。
控制系统采用现行最先的进三棱QnU可编程控制器 Q1760CPU FR-F700变频速器 HF-SPB伺服放大器 GOT1000图形操作终端组成的功能强大，处理速度快，性能稳定的控制系统，然后经过工程技术演绎和工程师的软件开发，使该系统达到了人机合一的人性化设计。
机床的工作程序
原木由输送机构输送到旋切机上指定位置，伺服电机驱动V型铁对原木进行定心，夹紧臂夹紧原木退回，并回转到卡轴位置，将原木输送到卡轴上，同时定心，V型铁退回进行第二次定心；卡轴夹紧原木后机床旋切，卡轴旋切时压尺辊由刀架伺服电机驱动带动原木旋切，同时双棍也由伺服电机驱动挤压原木旋切，至原木直径为150毫米时卡轴退回，由双棍驱动原木继续旋切到最小值，完成一个循环动作。旋切单板由输板机构输出，进行下道工序加工。
产品的性能特点
产品设计水平直接影响了产品的性能。本机床设计是产品满足了机床如下几个方面的特点：
1.数控化程度高。本机床数控系统采用了三棱QnU系列可编程控制器。该控制器主板选择了Q312DB，由电源模块、主CPU、运动控制模块、高速计数模块、输入模块、输出模块、外部模块组成，扩展基板65B由电源模块、通讯模块、模拟输出模块等组成，性能高精、功能强大、模块兼容性强。有三方面的显著特点：一是提高生产效率，主要体现在多CPU高速主基板、I/O点多达4000点、程序容量达到40K步、指令总数达到764、处理速度LD达到0.0095毫秒，运动运行周期仅为0.088ms,运动CPU单元中带有运动控制和事件处理用的 64位RISC处理器，能够在不影响运动控制性能的情况下，与计算机之间进行大量的数据通讯，减少产品制造时间并改善加工精度、高速高精度数据处理、高速连续处理、高速高精度机器控制上。二是使用简单。主要体现在程序部品化、结构化，易于处理大容量数据，通过高速大容量网络进行数据交换，数据长期储存，使用储存卡进行简易程序传输等。三是易于维护。其次是采用了具有高水准驱动性能的FR—A700系列变频调速器，可以实现超低速区域高精度的运转，位置控制和快响应、高精度的速度控制及转矩控制。第三是采用了MR—J3—B系列伺服控制器，大大缩短通讯周期仅为0.44ms，实现高精度高速度控制。第四是采用了三菱图形操作终端GOT1000，具有语言切换功能，支持位软元件与字软元件的特性，内存容量达到了3MB以上，内置了时钟功能可使用报警和事件显示，对PLC软件的监控与修改等，这样的控制系统设计使该产品拥有完善的的性能。
2.功能齐全。本机床拥有定心上木、有卡旋切、无卡旋切四种功能，是人造板机械中有效功能最多的机床。四种功能是由四个精密简易的机构实现的，与现行使用的单板生产线成套设备相比少了单台主机组成的附属部分和两台辅助机床，使空间占用面积减少70%以上，成本降低50%以上，效率提高30%以上，木材利用率提高25%以上。
3.制造和使用成本低。该机床因将多种功能融于一体，因此减少了原材料及其他部件的占用数量，成本只有由单机组成生产线成套设备的1/4，完成相同的功能动作，人员减少3人以上，主要机床调整，由机床自动完成，减少了调整的工作量和难度，性能也较同类产品提高许多。
4.机床的加工范围。该机床的加工范围较小，适合于大规模生产规格小、规格少的单板生产线。
5.主要技术参数。
卡轴直径95㎜；
最大旋切直径400㎜；
最小旋切直径150㎜；
最小木芯直径40㎜；
旋切单板厚度0.8—3.2㎜；
最大旋切长度1450㎜；
旋刀长度1560㎜；
出板速度100㎜；
板厚控制精度±1%；
最高旋切速度大于60米/分；
板厚设定分辨率为0.01㎜；
压榨率5—10%。
机床的创新点
原木输送、原木定心上木、单双卡旋切、无卡旋切四五种功能与一体的多功能机床，结构更紧凑；
采用数控系统控制原木输送、原木定心上木、单卡旋切、无卡旋切的全自动化操作。
双压辊通过伺服电机控制，使切削进给更准确，切削过程更平稳；
有卡旋切到无卡旋切连续不间断进行，单板厚度保持不变，体改木材利用率25%以上；
双压辊在驱动进给的同时，还起到切削过程的防弯作用，使防弯效果较普通防弯装置更好；
夹（摆）臂回转装置由伺服电机控制，较普通液压机构回转精度更高，回转速度更快；
定心机构采用光眼感应反馈数据由计算机处理定心，定心的速度更快，定心更准确，定心结构较光环定心机机构更紧凑；
项目的市场前景
目前，世界各国森林资源短缺，森林资源的有效利用，综合利用已成为世界各国政府关注的主要问题，木材深加工成套设备的生产和销售已成为世界各国同行业致力研究的课题。人造板机械尤其是数控人造板机械国外发展比较快水平比较高，我国还处在初级发展阶段。本项目研发生产和销售加快了我国人造板机械赶超世界先进水平的步伐，将取代进口成为我国唯一能同国外同类产品竞争的产品。机床的主要性能指标达到了国际先进水平，填补了国内空白。是最理想的人造板加工设备，具有非常广阔的发展前景。
作者简介：
许伟才，山东百圣源集团有限公司董事长兼总经理 高级工程师
