自动进料快速对心数控破竹机的设计与研究

作     者：常飞虎 

作者单位：中国林业科学研究院 

学位级别：硕士

导师姓名：张长青

授予年度：2020年

学科分类：082902[工学-木材科学与技术] 08[工学] 0829[工学-林业工程] 

主      题：自动进料 快速对心 数控自动破竹机 有限元 试验验证 

摘      要：原竹剖分是竹材工业前序工段高效加工中的重要共性技术。目前原竹的剖分加工,主要靠人工目测原竹胸径、更换刀盘,手持式撞击破竹,存在原竹剖分精度低、自动化程度低、加工效率低、劳动强度大、安全性能差等问题。针对以上问题,开发了一种自动进料快速对心的连续破竹技术及数控自动破竹设备,该设备集合了竹段自动上料和自动检测技术,竹段径级识别和自动换刀技术、竹段快速对心矫正等技术。本文阐述了自动进料快速对心数控自动破竹机的开发过程、机械结构设计原理,详述了关键部件的设计,针对数控破竹机整体机械结构,绘制了三维模型;介绍了设备的总体控制系统和各个功能控制系统,并进行了有限元静力学分析,得到了关键部位的应力和位移云图,计算校核其刚度和强度,最后对自动进料快速对心数控破竹机进行了样机试制和运行试验。得出研究结果及创新成果如下:（1）研究了自动进料快速对心数控破竹机的设计目标和功能,确定了样机总体结构方案。通过功能分析,对自动进料快速对心破竹机进行机构设计,确定了核心机构的主要参数。对推竹机构的工作原理和结构进行分析和设计,根据额定功率的计算结果,准确选型电机,避免造成能源浪费。（2）完成了自动进料快速对心数控破竹机的机械设计。设计“钩抓自动上料装置,实现了单个竹段连续上料;设计了竹段径级识别及自动换刀装置,同时根据竹段直径自动更换所需刀具,实现了破竹智能化换刀;通过对竹段对心机构的研究分析,设计了刀具、夹料臂、推竹盘三线合一的破竹模式。（3）利用有限元分析软件Ansys workbench15.0建立主要受力核心结构等关键部件的有限元模型,对刀盘和破竹刀具进行有限元静力学分析,得到了相应结构的等效应力、等效位移云图,对主要受力结构的刚度和强度进行了校核,以保证刀盘刀具强度,刚度等满足使用要求。（4）设备系统采用PLC控制技术,实现全程自动控制,同时可实现手动操作系统进行控制,设计了实时状态监控系统,对设备运行进行实时监控。（5）进行了样机试验验证,计算了样机的出材率,对中率和毛边率,并进行了样机的破竹效率与传统人工破竹设备对比试验。经试验验证得出:样机的破竹速度最快可达到16.8m/min（8段/分钟）,与传统人工破竹相比,效率提高了2倍。出材率与传统人工破竹相近,毛边率为7.6%,比人工破竹的毛边率更低,对中率达到了93.6%,满足竹条的均匀性要求。自动进料快速对心连续破竹机具有对心快速、加工效率高、操作简单、运行稳定、作业安全等优点,设备的研发有力促进了破竹机技术的发展,对于单机设备技术提升和竹条连续化智能化生产线的研发打下了坚实的技术基础。