许伟才 宋修财：数控有卡无卡一体旋切机的原理与结构

数控有卡无卡一体旋切机的原理与结构

许伟才 宋修财

（山东百圣源集团有限公司 威海 264205）

摘  要：介绍了BQK1913/4数控有卡无卡一体旋切机的设计基本结构、基本原理、技术性能指标与参数、关键技术和创新点，且与国内外同类产品进行了比较。

关键词：数控；胶合板生产；数控有卡无卡一体旋切机；基本结构

Working Ｐrincipal and Structure: Numerical Control

Chucks & Non-chucks Rotary Lathe

Song Ruiting

（Xiamen University, School of information science and engineering ,Department of electronic engineering, Xiamen, 361005,China）

Abstract: This article introduces the NC chucks & non-chucks rotary lathe, model BOK1626/8, including basic structure, working principle, performance index, parameters, key technology, and the innovations. This paper also compares the presented products with similar products available on the overseas market.

Key words: numerical control; veneer product; NC chucks & non-chucks rotary lathe; basic structure

BQK1913/4数控有卡无卡一体旋切机是胶合板（三合板或多层胶合板）生产中单板旋切生产的最新设备。该设备集原木输送、原木定心上木、单卡轴旋切、无卡轴旋切、碎板剪切处理等多种功能与一体，完全自动化控制；双压辊驱动进给比普通防弯装置的防弯效果更好，每分钟可旋切小径原木2～3根，主要性能指标达到国际先进水平，个别指标达到国际领先水平，成为同类产品进口的替代产品，与没有配置有卡-无卡一体机的生产线相比，木材利用率提高20%，加工精度提高15%，生产效率提高30%，生产成本降低40%。

BQK1913/4数控有卡无卡一体旋切机2010年11月通过山东省科技厅鉴定，鉴定批准登记号为鲁科成鉴字[2010]年第828号。鉴定结果：该设备首次集有卡、无卡旋切于一体，实现有卡到无卡旋切连续不间断转换，集成了自动定心上木、碎板剪切技术于一体，并具有自主知识产权。自动化程度高，工作稳定可靠，效率高，实现了自动高速旋切，达到了提高木材利用率的目标。其集有卡无卡旋切、自动定心上木、碎板剪切于一体及连续控制技术等属于国内首创，填补国内空白，产品达到了国际先进水平。

1、设计基本结构 

BQK 1913/4数控有卡无卡一体旋切机的基本结构主要由床身部分、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、碎板剪切机构、数控系统等组成。其外形如图1所示。

图 1  数控有卡无卡一体旋切机

1.1床身部分采用钢板及型钢焊接结构，整体刚性好，强度高，是各组成部分的支撑体。主要是用来支撑连接有卡旋切机、连接横梁和定心上木机构。

1.2左右卡轴箱是旋切机主轴的传动、测速和刹车机构。该机构通过主电机提供动力，采用直流测速电机，保证工作的平稳和有效制动。左右卡轴箱由高牌号的铸铁制成，是各种传动部件的支撑体。

1.3刀架部分组成包括进给、装刀系统和压尺架。刀架进给靠进给伺服电机驱动，通过编码器读取卡轴的转速，进给伺服电机由控制系统控制进给速度，旋切出不同厚度的单板；装刀系统采用液压装刀，装卸刀快捷方便，装刀精度高；压尺架用来支撑压尺及其附件。

1.4双棍传动部分由液压马达驱动旋转，液压缸拉动防弯辊装置上下移动，并带动防弯辊做相应的回转，这样两排驱动辊将木芯抱住，并给予一定的动力，保证木芯旋切不易爆裂，提高了单板的质量。

1.5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，保证上木、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，保证定心和上木的准确性。

1.6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，通过计算机进行数据处理后，发出指令给定心系统实现定心。该机构通过一台伺服电机和一套螺纹运动副，带动升降V型块升降，实现原木的定心。

1.7上木机构连接在横梁上，其上安装了上木摆臂，摆臂前端装有卡爪，摆臂上有运动滑道，卡爪通过伺服电机带动，保证卡爪伸缩自如，以便实现上木的准确。

1.8有卡旋切机构采用多级链机构带动主轴旋转，进给机构采用齿轮副和滚珠丝杠副带动刀架进给实现旋切。旋切功能靠刀架部分实现，主要由进给系统、装刀系统和压尺架组成。

1.9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，实现了无卡旋切的功能，提高了设备的防弯效果，减少了结构的重复设计。

1.10输木和输板机构：原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。

1.11碎板剪切机构：碎板机构与机座相连，由光电扫描系统、启动剪切系统、碎板运输系统组成，实现碎板的剪切和有效处理。

1.12数控系统由日本三菱QnU系列可编程控制器、运动控制器、FR-F700变频速器、伺服放大器、GOT1000系列触摸屏组成的功能强大，处理速度快，性能稳定的控制系统。

2、设计基本原理

2.1旋切原理

（1）恒线速切削原理的研究：有卡旋切过程中随着被旋切原木直径的减小，旋切的线速度逐渐减小，线速度变化将影响单板和卷板质量，恒线速切削可以解决上述问题。控制切削参数中的卡轴转速，建立卡轴转速与原木直径变化的关系，保持不变的旋切线速度，实现恒线速切削。

无卡轴旋切原理与有卡轴旋切原理不同，有卡轴旋切原木轴线位置在旋切过程中是不变的，无卡轴旋切原木轴线位置在旋切的过程中是实时改变的。为了使切削过程稳定，保持旋切圆心和旋切速度不变，建立了伺服电机转速、传动辊转速、刀架体行程和单板厚度之间关系的数学模型，通过数控装置，控制伺服电机的动作，提高刀具的进给精度，使单板的输出速度保持不变。

（2）有卡旋切过渡到无卡旋切连续性的研究：有卡旋切时，卡轴带动原木转动；由有卡旋切过度到无卡旋切时，卡轴退回，由驱动辊带动原木转动，有卡旋切过度到无卡旋切时切削参数需保持不便，以保证有卡无卡切削的连续性和单板厚度不变。

（3）定心原理的研究：利用机械位移结合光电扫描传感器，测出原木两端表面的最高点，由计算机按预先设计的程序计算出原木的中心线，给出原木两端垂直方向的偏移量，控制定心装置自动调整原木的位置，上木卡爪夹紧原木自动送到旋切机上。

2.2控制系统

BQK 1913/4数控有卡无卡一体旋切机功能多，控制系统复杂，控制准确性要求高。主要由以下部分构成：一、可编程控制器、运动控制器，主要用来实现机床的逻辑动作控制以及伺服电机的运动控制。三菱QnU系列可编程控制器及Q172DCPU运动控制器具有运行速度块，程序容量大，功能齐全，控制精度高，稳定性好，扩展和升级方便等特点。二、变频器，变频器主要用来驱动主卡轴的高精度运转。根据刀架位置、切削板厚、出板速度实时准确控制卡轴的转速，给原木以稳定的转动力。三、伺服控制放大器，伺服控制放大器主要控制伺服电机，根据机床的动作要求，快速、高精度的实现机床的多轴联动控制。

2.3机械结构的设计及加工工艺

BQK 1913/4数控有卡无卡一体旋切机的结构设计综合了齿轮传动机构、链传动机构、液压传动机构、自动进给机构、恒线速切削机构、自动装刀机构、自动调整刀门机构、自动定心机构、摆臂上木机构、有卡无卡自动旋切机构等多个机构的研究，为了保证机床的稳定和旋切单板精度，关键零部件采用数控加工中心、专用机床等设备，保证加工精度。

2.4液压技术

液压系统设计综合考虑压力补偿、冲击动量、有效控制液压工作的冲击性和稳定性，减少了系统的损耗和油液温升。

2.5机床工作程序

启动各液压系统和控制系统，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等待，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，至原木直径为设定值时卡轴退回，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。

3、主要技术性能指标及设计参数

3.1主要技术性能指标：

控制方式：自动/半自动

控制内容：速度控制，速度位置控制，位置跟踪控制，同步控制

板厚控制精度：±1％

    板厚设定分辨率：0.01 mm

    回零误差：0.01 mm

    人机界面规格：10.4寸液晶显示器

    故障自诊断：人工智能

    原木转速检测：自动（或人工设定）

    压榨率：5-10%

驱动方式：交流伺服驱动

3.2主要设计参数：

最大旋切直径：φ400mm     最小旋切直径：φ150mm

最大旋切长度：1450mm      最小旋切长度：950mm

最终木芯直径：φ40 mm      卡轴直径：φ95mm

    出板速度：90m/min          旋切单板厚度：0.8-3.2 mm

    旋切小径木工作效率2-3根/每分钟 

4、关键技术和创新点

4.1关键技术

国内现有的旋切单板生产线是由四至五台主机三台辅机组成的，生产线呈单机分布，制造成本和生产占用空间大，各部分采用单独或联动控制方式，主要控制手段是机械液压或通过PLC控制系统控制各单机的动作，控制范围涉及六台单机。有卡旋切、无卡旋切是在两台单机上完成的，无卡旋切后，通过运输上木机将有卡旋切剩余木芯输送到无卡轴旋切上再旋切，存在旋切单板厚度不均匀的问题，约有一米长的单板无法使用，造成木材的浪费。针对上述问题进行研究开发和攻关，在以下技术领域取得重大突破。

4.1.1数控有卡无卡一体旋切机数控系统采用日本三菱QnU系列可编程控制器、运动控制器、FR-F700变频速器、伺服放大器、GOT1000系列触摸屏组成的功能强大，处理速度快，性能稳定的控制系统，实现全集成自动化。该软件实现了运动控制系统和驱动控制系统的完美结合。

4.1.2原木自动定心技术

定心装置设有底座、左立柱、右立柱、横梁和V形托板装置，V形托板装置包括V形板和托架，托架与V形板固定连接。本机构具有结构新颖、使用方便、自动检测定位、定心、定位精度高、生产效率高等优点。本机构申请了一项发明专利和一项实用新型专利，发明专利有卡无卡旋切机的原木定心装置受理号为：200910254083.6。

4.1.3自动组合旋切技术。

有卡无卡一体旋切机的旋切装置，解决了单机旋切的诸多不足。有卡无卡旋切转换时，伺服系统通过计算机控制，其主要加工参数不变，保证了转换的连续性和单板厚度不变。这是本机床的核心技术。

该装置具有结构新颖、设备成本低、工人劳动强度小、木材利用率高、工作效率高、科技含量高、自动化程度高、占用空间小等优点。本机构申请了一项发明专利和一项实用新型专利，发明专利有卡无卡一体旋切机的旋切装置授权号为：ZL200910254084.0。

4.1.4组合防弯技术。

防弯机构是由有卡旋切机构中的单辊与无卡旋切机构的双辊组成的。该机构在有卡旋切时可对旋切过程提供动力，随着被旋切原木直径的减小，三辊逐渐起到防弯作用，无卡旋切时三辊起到自动定心和提供动力的作用。该机构防弯效果好，动作由伺服系统控制，防弯动力平稳，防弯精度高。

4.1.5碎板自动剪切技术。

碎板机构由光电扫描系统、启动剪切系统、碎板运输系统组成。光电扫描系统与计算机处理系统结合，实现剪切、碎板输送、碎板堆垛的有效处理。

4.2创新点

4.2.1集自动定心上木、有卡无卡旋切、碎板剪切与一体的多功能旋切机，自动化程度高，能源消耗低，生产占用面积小。

4.2.2有卡到无卡旋切连续不间断转换，旋切单板厚度不变，旋切效率和精度高，木材利用率提高25%以上。

4.2.3采用伺服电机驱动滚珠丝杠副带动V形托板装置沿线性导轨上下移动，原木定心的速度快，定心准确。

4.2.4采用双压辊通过伺服电机控制，使无卡旋切进给更准确，防弯效果好，切削过程更平稳。

4.2.5采用碎板自动剪切处理技术，提高了检板的效率和有效性。

4、与国内外同类技术比较

BQK 1913/4数控有卡无卡一体旋切机与国内外同类产品对比情况见表1。

 表1 BQK 1913/4数控有卡无卡一体旋切机与国内外同类产品对比情况

4  结束语

BQK 1913/4数控有卡无卡一体旋切机具有自主知识产权，创新程度高，主要技术性能指标达到国际先进水平，是节约型木材单板生产线配套的主要产品，集原木定心上木、有卡无卡旋切功能于一体，大大简化了生产线单机配套产品设计，更适合小径木的旋切加工，机床具有适应性强、性能稳定、技术先进、功能多等特点。与同类相近产品相比具有更广泛的适用性、稳定性、准确性和高效率性。产品已经出口越南、印尼、俄罗斯、土耳其等亚欧国家，深受国内外用户好评。