欧式木窗表面双端砂光机关键部件的结构设计

姜新波， 郭 璨， 马 岩， 杨春梅， 邓兆军

(东北林业大学林业与木工机械工程技术中心，黑龙江 哈尔滨 150040)

研究与设计

欧式木窗表面双端砂光机关键部件的结构设计

姜新波， 郭 璨， 马 岩*， 杨春梅， 邓兆军

(东北林业大学林业与木工机械工程技术中心，黑龙江 哈尔滨 150040)

通过分析欧式木窗表面双端砂光机生产工艺和整体方案，对研磨机构、夹紧机构、侧向夹紧机构及机器保护罩等关键部件进行了结构设计，并对研磨机构的主轴电机进行了选型。为了保证进给速度一致，防止欧式木窗在加工过程中出现变形，选用伺服电机作为进给电机，根据电机转子惯量、功率、电机负载转矩、实际转速，确定伺服电机型号。通过关键部件的结构设计，使欧式木窗表面双端砂光机在生产效率、生产质量、自动化程度等方面均有提高。

砂光机；关键部件；结构设计；伺服电机

随着人们对绿色消费理念认识的深入及对生活质量要求的不断提高，对木窗品质的要求越来越高，对木窗装饰性能的要求也不断提高。其中，木窗的喷涂质量将直接影响其装饰性能，提高木窗的表面装饰性能，除了要具有较高的涂饰技术水平，还应保证白坯件具有较高的砂光质量。砂光可去除白坯件的毛刺、污渍，提高漆膜附着力和表面质量，因此砂光设备是影响木窗表面质量的关键[1-4]。

目前，虽然市场上的砂光机种类较多，但国内外还没有针对木窗表面的专用双端砂光机进行研究设计，大部分的砂光机只能加工窗框的一条边框，自动化程度低，生产效率低，不能满足企业生产的需求。

1 欧式木窗砂光工艺分析和整体设计方案确定

由于欧式木窗的截面形状比较复杂，因此要求涂覆磨具磨料具有可挠性和柔韧性。挠性磨具主要分片状和轮状两种，片状磨具的形状适应性好，磨料材料粒度范围较大，可适应于粗糙、普通、精细、超细等各种加工的需求；轮状磨具各个部件都具有多种规格形状可根据加工需求进行组合[5]，适用范围更广，因此本设计选用轮式磨具作为砂光的主要磨具。

欧式木窗双端砂光机主要用于拼接完成后对其窗框砂光，可以同时对窗框的两条边框表面进行砂光，所以研磨组件到窗框的距离要能够调整，砂光机各砂光头所处的角度与木窗框各待加工表面要一致。木窗框的下表面与进给传送带接触，上表面需要被压紧，窗框的一侧需要有固定的定位，另一侧还要有可调节的压紧机构，这样才能满足不同尺寸窗框的定位要求。欧式木窗双端砂光机整体设计方案如图1所示。

图1 欧式木窗表面双端砂光机整体设计方案1.砂架；2.研磨机构；3.输送机构；4.侧向夹紧机构；5.机架；6.夹紧机构

2 研磨机构设计

2.1 研磨机构整体方案设计

研磨机构由刷式砂光头、哈茵电机、升降气缸、升降导轨、电机安装板、支撑板、导轨挡块、导轨固定座等组成。刷式砂光头通过轴套安装在哈茵电机的输出轴上，哈茵电机通过电机安装板与导轨固定座2和4通过螺纹连接。导轨固定座2和4内装有直线轴承用于固定导轨，通过调整导轨挡块的位置来调节砂光头的最大行程，通过升降气缸的升降来控制砂光头与工件的接触距离以完成砂光。研磨机构整体设计方案如图2所示。

图2 研磨机构整体设计方案1.刷式砂光头；2.电机安装板；3.哈茵电机；4.导轨固定座1；5.升降导轨；6.弹性挡圈；7.直线轴承；8.导轨固定座2；9.导轨挡块；10.支撑板；11.导轨固定座3；12.导轨固定座4；13.升降气缸

2.2 研磨机构主轴电机选择

选择电机应综合考虑以下问题。

(1)电机安装方式与类型需通过负载类型和生产工艺来确定，两者都对电机的启动、停止、反转、调速和工作环境等具有一定的要求。

(2)电机功率的确定需要考虑电机的承受温度、过载能力、转矩、速度变化范围和是否频繁启动等因素。

(3)根据使用场所的环境条件(如温度、湿度、灰尘等)，考虑必要的保护方式，选择电机的结构型式。

(4)根据企业的电网电压标准，确定电机的电压等级和类型。

(5)根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程性能要求，以及机械减速机的结构及其复杂程度，选择电机的额定转速[6-7]。

除此之外，选择电机还必须符合节能要求，考虑运行可靠性、设备的供货情况、备品备件的通用性、安装检修的难易，以及产品价格、设备费用、运行和维修费用、生产过程中前期与后期电机功率变化关系等多种因素[8-9]。

本设计中，主轴电机主要用于带动刷式砂光轮旋转对窗框进行砂光，因此主轴电机负载时转矩为主要转矩，但转矩较小。刷式砂光轮安装在电机输出轴上，主轴电机的启动转矩也较小，而且在工作过程中电机的转速和负载恒定。电机用于砂光作业时，工作环境的粉尘较多。

综合考虑以上因素，本设计选用的主轴电机为Y2-712-4型电机，其额定功率为0.37 kW，转速为1 400 r/min，效率为62%，功率因数为0.92，额定转矩为0.35 N·m。

3 夹紧机构设计

夹紧机构由压辊气缸安装板、福来轮压辊、直线轴承、压辊导向轴、升降气缸等主要部分构成。夹紧机构的主要作用是在磨削和进给时压紧工件防止工件移动，所以夹紧机构的设计既要能保证正常进给，还要有足够的压紧力保证工件不移动。夹紧机构采用气缸传动，气缸安装在气缸安装板上，直线轴承通过弹性挡圈也安装在气缸安装板上，直线导轨由直线轴承固定，直线导轨通过螺纹连接与福来轮安装板相连。加工时气缸伸出，使压轨压在工件上表面实现夹紧。夹紧机构设计方案如图3所示。

图3 夹紧机构设计方案1.福来轮压辊；2.福来轮安装板；3.气缸安装板；4.升降导轨；5.升降气缸；6.直线轴承；7.弹性挡圈

4 侧向夹紧机构设计

侧向夹紧机构由胶辊支撑架、福来轮压辊、压辊安装架、限位块、气缸固定块、直线轴承、压辊导向轴等主要部分构成。侧向定位气缸根据工件的长度可进行伸缩，以实现侧向定位夹紧工件。气缸与气缸固定块和胶辊支撑架通过螺纹连接相连，直线轴承通过弹性挡圈安装到气缸固定块上。导轨由直线轴承固定，通过两侧紧定螺钉使导轨固定在胶辊支撑架上，胶辊支撑架通过螺纹连接与压辊安装架相连。通过气缸的伸缩使福来轮压辊与工件外侧面接触，实现夹紧定位。侧向夹紧机构设计方案如图4所示。

图4 侧向夹紧机构设计方案1.福来轮安装板；2.胶辊支撑架；3.气缸固定块；4.弹性挡圈；5.升降导轨；6.限位块；7.直线轴承；8.升降气缸；9.福来轮压辊

5 机器保护罩设计

为了美观、防尘及生产安全的需要，设计有机器保护罩，其主要由支撑架、窗户、张合板、钣金主体组成。钣金主体包括顶部钣金、窗侧钣金、张合板上钣金、张合板下钣金四部分，其中顶部钣金通过螺纹连接将另外三部分连接成一体。为了保证钣金的安装与强度，支撑架与钣金均有螺纹连接。为工作时安装与维修方便，在钣金的正面装窗户，在背面装张合板，方便观察与拆卸。机器保护罩设计方案如图5所示。

图5 机器保护罩设计方案1.窗侧钣金；2.窗户；3.顶部钣金；4.张合板上钣金；5.张合板下钣金；6.底部钣金

6 伺服电机的选型计算

伺服电机具有传动精度高及可控制速度等优势，所以选用伺服电机作为进给动力来保证移动端和固定端的进给速度一致，防止欧式木窗在加工过程中出现变形。链传动选取的参数为齿数z=17，节距p=12.7 mm，平均速度v=10 m/min，传动比为1。

6.1 伺服电机额定转速计算

链传动的平均速度公式为：

(1)

电机实际转速n1为：

n1=i×n

(2)

电机的输出轴连接有行星斜齿轮减速器，减速比i=30，将其带入上式，通过计算可得电机的实际转速n1=1 392.31 r/min。

6.2 伺服电机负载惯量计算

物体运动过程的动能T1为：

(3)

式中：m为运动物体总质量(kg)；V为最大直线速度(mm/s)。

电机相对于运动物体的能量T2为：

(4)

式中：Jω0为电机上的负载惯量(kg/m2)；ω电机为电机的角速度，ω电机=2πn1。

根据能量守恒定律可知T1=T2，带入式(3)和式(4)可得，直线运动物体转移到电机上的负载惯量Jω0为：

(5)

考虑到传动效率(链传动效率η1、减速器效率η2)，所以窗框负载折算到伺服电机轴上的负载惯量为：

(6)

式中：Jω1为减速器高速轴上的转动惯量(kg/m2)。

取窗框质量m=20 kg，链传动效率η1=0.95，减速器效率η2=0.95，将这些数据带入式(6)中，通过计算可得伺服电机轴上的负载惯量Jω=7.59×10-5kg·m2。

根据惯性匹配理论，伺服电机转子惯量JM取值范围为：

JM=(1/10～1/3)Jω

(7)

6.3 伺服电机负载转矩计算

窗框进给砂光时电机负载最大，刷式砂光产生的磨削力很小可忽略不计，此时伺服电机的负载转矩为：

(8)

式中：μ为窗框与传送带的摩擦系数；F0为压紧装置的总压紧力(N)；F1为磨削时产生的切削力(N)，η为系统的传递效率，η=η1η2。

根据磨削特性原理分析[10-11]，此时的切向力为：

(9)

式中：q为压强(MPa)；S为受力面积(mm2)；dt为研磨粒子直径(mm)；Ka为修正系数；Kc为变钝系数。

通过计算和查阅相关资料可得：S=0.005 25 m2，q=206 kPa，dt=0.2 mm，Ka=0.95，Kc=1。将这些数据带入式(9)，通过计算可得：F1=20×0.005 25×(0.425+0.19×0.20.5)×0.95×1×103=50.82 N。压紧机构选用内径为ø50 mm的气缸，其工作压力为0.5 MP，单个气缸压紧力为981.5 N，则其10个气缸产生的总压紧力F0为9 815 N。假定窗框质量为m=20 kg，传送带与窗框的摩擦系数μ取0.45。在不考虑窗框与其他接触面产生摩擦力的情况下，其负载转矩为：

T负载=5.77(N·m)

6.4 确定伺服电机功率

将数据带入上面的相应各式，可得：

(10)

通过计算可得额定功率P0=0.93 kW。

最后确定选取台达ECMA-E31315PS型号伺服电机，电机功率为1.5 kW，额定转速为2 000 r/min，转子惯量为11.18 kg·cm2，额定力矩为7.16 N·m。

7 结束语

通过对实际加工需求的分析，完成了欧式木窗表面双端砂光机关键部件的结构设计和电机的选型，既保证了加工质量又降低了生产成本，满足了实际生产的需要和不同用户的个性化使用要求。对扩大企业生产范围，提高企业生产效率和市场竞争力具有一定的促进作用。

[1] 崔晓磊，沈隽.现代家具加工技术发展研究[J].森林工程，2014，30(6)：41-45.

[2] 王雪花，张占宽，刘君.木材刷式砂光机砂光参数的选择(1)[J].木材加工机械，2010(5)：4-7.

[3] 王雪花，张占宽，刘君良.木材刷式砂光机砂光参数的选择(2)[J].木材加工机械，2010(6)：6-9.

[4] 马岩.砂光机新产品的开发战略与前景[J].木材加工机械，2012(1)：14-21.

[5] 马岩.2012年米兰国际木工机械展会展示的新技术[J].林业机械与木工设备，2012，40(8)：6-11.

[6] 邵桂玲，陈何霞，张观珍.浅论三相异步电机的选用及养护[J].内蒙古石油化工，2011(15)：73-74.

[7] 白日.人造板砂光机维修实例[J].林业机械与木工设备，2015(5)：44-45.

[8] 马岩，许琼晓，许世祥，等.小径木刨切单板纤维化处理设备整机结构设计[J].林业工程学报，2016(6)：119-123.

[9] 杨春梅，朱建楠，宋文龙.小型履带式间伐采伐机切削系统的结构设计[J].林业工程学报，2016(5)：101-106.

[10] Li XX，Chen YG，Li L.Abrasive belt sanding technology of wood-based panel[J].Wood Process Mach，2010(3)：44-49.

[11] Sebahattin Tiryaki，Cokun Hamzaçebi，Abdulkadir Malkoçolu，Evaluation of process parameters for lower surface roughness in wood machining by using Taguchi design methodology[J].European Journal of Wood and Wood Products，2015，73(5)：37-45.

(责任编辑 张雅芳)

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

国家“十二五”科技支撑计划项目“黑龙江省数控一代木工机械产品创新应用示范工程”(2014BAF11B00)；木材数控微米刨铣加工及智能控制装备研究项目(GA14A401)

姜新波(1967-)，男，副教授，硕士生导师，博士，主要从事林业与木工机械的设计与制造，E-mail：jxb-1967@163.com。

*通讯作者：马 岩(1954-)，男，教授，博士生导师，硕士，研究方向为机械设计及理论，E-mail：myan@vip.163.com。

TS642

A

2095-2953(2017)03-0016-04