I 摘 要 在國內(nèi)制材行業(yè)中，制材廠對原木形狀的 檢測 以及材積的測量計(jì)算一直采用人工檢尺的方法：由人工目測每根原木的外部形狀，進(jìn)行分類加工；人工用卷尺或卡尺量取原木的長度和檢尺直徑，然后，再通過查找材積手冊得到單根原木的材積，經(jīng)過逐根檢尺測量和累加計(jì)算才能得到整堆原木的材積；逐堆測量之后才能得到原木的進(jìn)貨量，檢尺的工作量是非常大的。本課題針對我國原木 檢測 技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出采用 8點(diǎn)檢測， 4點(diǎn)組合回歸描述的方法，運(yùn)用自動檢測技術(shù)及計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，對原木輸送機(jī)上運(yùn)行的原木進(jìn)行快速在線測量，可以提高設(shè)備的 檢測效率。 從原木外形輪廓與制材生產(chǎn)之間的關(guān)聯(lián)性出發(fā) ， 探討和研究了原木檢測機(jī)設(shè)計(jì)的原理及設(shè)計(jì)的方法 ， 為原木檢測機(jī)的設(shè)計(jì)和制造提供了理論依據(jù)， 原木檢測技術(shù)越來越為世界各國制材企業(yè)所重視。本論文所設(shè)計(jì)的原木檢測機(jī)作為一種試驗(yàn)階段的設(shè)備，在整體性能上還存在許多有待解決和改進(jìn)的方面，這些將會對今后的研究工作起到促進(jìn)作用。 關(guān)鍵詞 ： 光環(huán)投影 測量 機(jī) ；識別；自動測量；定心；回歸描述 II ABSTRACT In our country, the wood manufacture industry inspect the shape and the volume of the log by manual work. Estimate logs outer shape with eyes, and then label them before throwing into processing. People uses tape and caliper to confirm a logs length and diameter of the section, and look for it in the manual to obtain one logs volume. By accumulating all the volume of the log, the number of the stock can be gotten The work of inspecting the log by manual is very heavy. In this paper, the theory of the eight point inspection and the four point compounding simulation are presented. So we can quickly measure and get the logs external shape parameter accurately on-line with the automatic inspecting technique and computer stimulating technique. The equipment can enhance work efficiency. Based on the relativity of log shape and production, the design theory and method of logs shape inspecting equipment are discussed. At the same time, the theoretical basis for design and manufactury is provided in this paper. Log inspection technique is recognized increasingly by lumbering. The equipment designed in this paper is a sort of experiment facility and also there are many question and juvenility. All these will accelerate researching work for the future. Keywords: Log Shape； Identify； Automatic Inspection； Shape Identify； Regression 目 錄 摘要 . I Abstract . II 第 1章 緒論 . 1 1.1 概述 . 1 1.2 國內(nèi)和國外原木檢測機(jī)設(shè)備的發(fā)展分析 . 3 1.3 本課題研究的目的和意義 . 6 1.4 選題的研究內(nèi)容和設(shè)計(jì)設(shè)想 . 5 第 2章 原木檢測機(jī)總體設(shè)計(jì) . 6 2.1 原木檢測機(jī)總體原理介紹 . 7 2.1.1 原木檢測機(jī)設(shè)計(jì)原理 . 7 2.1.2 原木形狀識別機(jī)設(shè)計(jì)方案 . 8 2.2 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方法 . 9 2.3 原木檢測機(jī)機(jī)械部分設(shè)計(jì) .11 2.4 機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算 . 12 2.5 輸送機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 12 2.6 本章小結(jié) . 14 第 3章 動力部件選擇和傳動機(jī)構(gòu)的計(jì)算 . 15 3.1 電動機(jī)的選擇 . 15 3.2 鏈傳動的計(jì)算 . 16 3.2.1 小鏈條的選擇和校驗(yàn) . 16 3.2.2 大鏈條的校驗(yàn)計(jì)算 . 19 3.2.3 鏈輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 . 20 3.3 鏈輪軸的設(shè)計(jì)和校核 . 22 3.3.1 軸的 材料的選擇 . 22 3.3.2 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算 . 22 3.3.3 按彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算 . 24 3.3.4 軸的安全系數(shù)校核 . 27 3.4 軸承的選擇和校核 . 29 3.4.1 選擇 軸承 . 29 3.4.2 軸承的選用計(jì)算 . 29 3.5 鏈輪軸鍵的選擇和鍵聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算 . 30 3.5.1 鍵的類型選擇 . 30 3.5.2 計(jì)算鍵工作面剪切 . 30 3.5.3 計(jì)算鍵工 作面擠壓 . 30 3.6 螺栓的選擇和校核 . 31 3.7 本章小結(jié) . 32 第 4章 檢測機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 . 33 4.1 檢測機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 33 4.2檢測系統(tǒng)原理的計(jì)算 . 36 4.3 檢測機(jī)構(gòu)的零件的選擇和校核 . 37 4.3.1 傳感器的選擇和原理 . 39 4.3.2 檢測擺桿軸的選擇和校核 . 40 4.3.3 彈簧絲的選擇和計(jì)算 . 40 4.3.4 傳感器中軸承的選擇和計(jì)算 . 41 4.4 本章小結(jié) . 40 結(jié)論 . 41 參考文獻(xiàn) . 42 致謝 . 43 1 第 1章 緒 論 1.1 概述 全套資料帶 CAD圖， QQ聯(lián)系 414951605或 1304139763 2 隨著現(xiàn)代木材加工工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的制材技術(shù)正在逐步更新，以制材學(xué)和測樹學(xué)為基礎(chǔ)的原木描述理論已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代木材工業(yè)的發(fā)展。因此，有必要在理論、方法、手段上建立一套全新的原木外形及其缺陷的描述體系，采用新的、高精度的計(jì)算公式，將制材學(xué)與測樹學(xué)的原木描述理論向前 推進(jìn)一步；采用新發(fā)明、新技術(shù)制造新設(shè)備，實(shí)現(xiàn)原木檢測過程的高度自動化，以適應(yīng)現(xiàn)代木材加工工業(yè)的發(fā)展。一般情況下原木模型的實(shí)測參數(shù)越多，重建模型的精度越高。但實(shí)測參數(shù)越多會使檢測設(shè)備復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理和優(yōu)化計(jì)算量增大，導(dǎo)致對計(jì)算機(jī)的容量要求高、投資增大、不利于推廣應(yīng)用。所以，找出一種即可 3 以保證原木描述精度，又不需要大量檢測參數(shù)的原木最佳形狀識別體系，一直是國內(nèi)外從事原木模型描述學(xué)者潛心研究的課題。另外，如何利用先進(jìn)的原木檢測技術(shù)，對原木形狀進(jìn)行真實(shí)再現(xiàn)，以利于木材的分類、選擇、合理加工、提高其利用率，對制材企業(yè)來 說顯得尤為重要。 1.2 國內(nèi)和國外 光環(huán)投影 測量 機(jī)設(shè)計(jì) 設(shè)備的發(fā)展分析 我國對原木檢測技術(shù)的研究始于上世紀(jì) 80年代以前，從國內(nèi)的研究形勢和方向看，今后我國的研究重點(diǎn)可能會向以下幾個方面發(fā)展： (1)根據(jù)原木干形，建立原木的分段模型，提高原木的檢測精度。 (2)原木模型的設(shè)計(jì)必須與檢測設(shè)備的研究同步進(jìn)行。最佳的模型優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)節(jié)省設(shè)備投資，拋棄不實(shí)用的數(shù)學(xué)模型，推廣和完善有利于普及和應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型。 (3)逐步提高離散模型和仿真模型矩陣的階數(shù)發(fā)，展動態(tài)檢測技術(shù)，使離散模型盡快地應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。 目前，國 內(nèi)采用最多的原木檢測形式是人工檢測的方法。手工檢尺存在著諸多不利方面，其檢測結(jié)果受人為因素影響很大。這種方法完全由人操作、控制，依據(jù)工人的眼看心算，獲得原木的尺寸、規(guī)格等參數(shù)。檢尺員的工作經(jīng)驗(yàn)、工作態(tài)度等導(dǎo)致了工作結(jié)果差別很大。另外，這種方法的勞動強(qiáng)度大，效率低。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會生產(chǎn)率的快速提高，這種傳統(tǒng)方法難以適應(yīng)制材行業(yè)的發(fā)展。因此，人工檢測的方法是一種落后的生產(chǎn)方式，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展與普及，這種生產(chǎn)方式終將被淘汰。我國在原木檢測領(lǐng)域與發(fā)達(dá)國家相比差距較大。國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)中只有少數(shù)大型廠家 采用光環(huán)定心機(jī)對原木進(jìn)行定心檢測。光環(huán)定心機(jī)的工作原理是 :采用兩組同心光環(huán)分別打在原木的兩個端面上，由人工目測確定原木兩端面的中心點(diǎn)，然后通過液壓控制的機(jī)械式升降臺架來調(diào)整原木的位置，通過操作者的目測使其在兩端面上原木與光環(huán)相內(nèi)接，從而確定出兩端面的最大內(nèi)接圓。光環(huán)定心機(jī)對彎曲度不超過 3%的大徑級原木進(jìn)行定心比較有效，但對于彎曲度較大的小徑級原木來講就顯得有些力不從心。特別是隨著大徑級原木的不斷銳減以及單板旋切速度的不斷提高，對原木定心精度和定心速度的要求也隨之提高?，F(xiàn)在國外最高的定心速度已經(jīng)達(dá)到每分鐘 10根以上，光環(huán)定心機(jī)已經(jīng)無法滿足這樣旋切生產(chǎn)節(jié)拍的要求。除此之外，我國還有許多膠合板生產(chǎn)廠家還使用根據(jù) 3點(diǎn)定心和 4點(diǎn)定心原理研制開發(fā)的機(jī)械定心機(jī)對原木進(jìn)行定心。雖然這些機(jī)械定心機(jī)的定心精度比人工定心精度要高且出材率可提高 2% 4%，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中這種機(jī)械式定心機(jī)對原木的徑級和截面圓形度的要求較高，所以較難滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。 我國對原木旋切定心機(jī)的研制基本上是經(jīng)歷了一個從人工定心到 3點(diǎn)、 4點(diǎn)定心再 4 到光環(huán)定心的過程。但是我國對定心機(jī)的研制起步較晚，目前只有信陽木工機(jī)械廠等少數(shù)幾個廠家可生產(chǎn)較為先進(jìn)的光環(huán)投 影定心機(jī) (例如信陽木工機(jī)械廠生產(chǎn)的 BD1516和 BD1526型光環(huán)投影定心機(jī) )。多數(shù)廠家還停留在 3點(diǎn)、 4點(diǎn)及普通光環(huán)定心機(jī)的制造上。現(xiàn)在我國已經(jīng)在試制 6點(diǎn)機(jī)械式定心機(jī)及激光掃描定心機(jī)。將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到原木形狀識別領(lǐng)域，是近十年興起的新技術(shù)，在我國尚處于研究開發(fā)階段。計(jì)算機(jī)本身具有許多優(yōu)點(diǎn)，如運(yùn)算速度快、工作可靠、可進(jìn)行人機(jī)對話、隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲與查詢、模擬技術(shù)等，完全可以承擔(dān)對原木直徑、長度、外形輪廓的自動檢測。國內(nèi)在這方面有一些新的研究，如南京林業(yè)大學(xué)在其國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“原木斷層掃描圖像識別與虛擬切削 研究”中，應(yīng)用 X-CT掃描技術(shù)，重構(gòu)原木內(nèi)部缺陷信息的三維圖像，通過圖像處理與識別提取原木的外形和缺陷信息，同時進(jìn)行多種方案的模擬切削，以最優(yōu)化的方案獲得最大的出材率和經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)而控制鋸解或旋切木材的出材率；由北京航空航天大學(xué)和廣西南寧鳳凰紙業(yè)有限公司合作研制開發(fā)的“原木材積自動化檢測系統(tǒng)”，結(jié)合自動化測試技術(shù)與計(jì)算機(jī)視覺技術(shù) ,采用工控機(jī)控制高分辨率的工業(yè) CCD（電荷耦合器）數(shù)字成像單元，對原木端面攝像，并把圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た貦C(jī)，利用相應(yīng)的圖像處理和識別軟件處理后，將結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了隨時調(diào)用。 國 外原木檢測理論發(fā)展較早。 70年代中期，世界上研究原木數(shù)學(xué)模型有了新的進(jìn)展。 1973年 Airth和 Calvert提出了只為特定工序的專業(yè)下鋸設(shè)備應(yīng)用的幾種附加的數(shù)學(xué)模型。同一時期， Pneumations也建立了同樣的數(shù)學(xué)模型，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)原木描述理論的不足。從那時起這種以截頂圓錐體為理論基礎(chǔ)的原木數(shù)學(xué)模型，一直是原木數(shù)學(xué)描述領(lǐng)域中的權(quán)威模型。到 1982年， Petrouskii提出了以二次干曲線繞軸旋轉(zhuǎn)形成的圓截頂原木數(shù)學(xué)描述理論。同時期，美國 BOF研究室在研究中開始考慮了原木芯部缺陷和節(jié)子的分布。它假設(shè)節(jié)子在過 軸心線的平面內(nèi)，形狀是個圓錐體，原木的實(shí)測參數(shù)是材長、小頭直徑和錐角。這些改進(jìn)脫離了傳統(tǒng)的原木描述形式，開始趨向?qū)嵱没枋鲈救毕輸?shù)學(xué)模型建立的研究階段。由于原木描述方法開始用于描述原木缺陷，因此，在制材工業(yè)先進(jìn)國家中，這種原術(shù)數(shù)學(xué)模型開始廣泛使用。后來 BOF(下鋸優(yōu)化 )研究的權(quán)威 Lewis教授在“改進(jìn)的 BOF系統(tǒng)”中提出了中間彎曲的原木模型，在數(shù)學(xué)模型的建立過程中增測了小頭的長徑、短徑及水平面中間彎曲高度，使原木數(shù)學(xué)模型的建立從原木圓截面數(shù)學(xué)描述過渡到原木橢圓截面數(shù)學(xué)模型的描述，從直中心線過渡到彎曲中心線 ，開始了原木形狀數(shù)學(xué)描述的新領(lǐng)域。之后，原木數(shù)學(xué)描述學(xué)者又提出了弓形彎曲、翹曲和偏心原木的數(shù)學(xué)模型，使原木數(shù)學(xué)模型的建立有了新的進(jìn)展。 目前，世界上針對原木檢測機(jī)設(shè)備主要有以下幾種： 圖 1.1是 3點(diǎn)定心原理圖和圖 1.2是法國瓦萊特格洛公司生產(chǎn)的機(jī)械式原木 3點(diǎn)定 5 心機(jī)。它在工作時，木段上料支架將木段放在定心機(jī)構(gòu)上，隨后在液壓缸的推動下，兩組 3點(diǎn)連動定心機(jī)構(gòu)分別獨(dú)立用其定心觸點(diǎn)將木段頂起，隨后由上木機(jī)構(gòu)完成上木，實(shí)現(xiàn)一個定心上木工作循環(huán)。這種定心上木機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、定心上木生產(chǎn)效率高、自動化程度高、定心原 理可靠等優(yōu)點(diǎn)，整個生產(chǎn)線包括定心、上木、旋切等工序，整個過程僅由一人操作。該機(jī)構(gòu)最大的問題是其定心原理與原木實(shí)際截面輪廓之間的差異，當(dāng)原木截面為圓形時這種定心方法的定心精度極高，遇到截面不規(guī)則或有缺陷原 圖 1.1 3點(diǎn)定心原理圖 圖 1.2 機(jī)械式 3點(diǎn)定心機(jī) 木時，定心精度會受到很大的影響。 圖 1.3是激光掃描原木檢測系統(tǒng)原理圖，圖 1.4是芬蘭生產(chǎn)的原木外形激光掃描系統(tǒng)。對于各大制材企業(yè)來說，合理利用原木資源，不僅是獲取利潤的要求，也是企業(yè)能否長期生存，發(fā)展壯大的關(guān)鍵。 另外，我國林區(qū)各大貯木場長期以來在原木檢尺和原木等級分選方面采用人工方法，這樣統(tǒng)計(jì)出的數(shù)據(jù)人為因素較多，既無法實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理，又浪費(fèi)了大量人力、財力。同時，無法與先進(jìn)的制材加工設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，提高加工效率。當(dāng)前，世界許多國家都在研究原木檢測設(shè)備，使這一領(lǐng)域的技術(shù)日趨成熟，木材檢測設(shè)備日臻完善。 圖 1.3 激光掃描原理圖 圖 1.4 原木外形激光掃描系統(tǒng) 圖 1.5、圖 1.6是在近幾年世界木工機(jī)床展覽會上展出的最新木材檢測設(shè)備的照片： 對于各大制材企業(yè)來說，合理利用原 木資源，不僅是獲取利潤的要求，也是企業(yè)能否長期生存，發(fā)展壯大的關(guān)鍵。另外，我國林區(qū)各大貯木場長期以來在原木檢尺和被測原木 激光管 光電接收器 卡軸 6 原木等級分選方面采用人工方法，這樣統(tǒng)計(jì)出的數(shù)據(jù)人為因素較多，既無法實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理，又浪費(fèi)了大量人力、財力。同時，無法與先進(jìn)的制材加工設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，提高加工效率。當(dāng)前，世界許多國家都在研究原木形狀識別設(shè)備，使這一領(lǐng)域的技術(shù)日趨成熟，木材檢測設(shè)備日臻完善。 圖 1.5 原木檢測設(shè)備 圖 1.6 原木檢測設(shè)備 1.3 本課題研究的目的和意義 目前，我國木材出 材率和綜合利用率指標(biāo)與發(fā)達(dá)國家相比，有較大的差距，而我國的森林資源低于世界平均水平，木材加工時的極大浪費(fèi)與當(dāng)前森林資源的短缺極不 協(xié)調(diào)。因此，開發(fā)引進(jìn)先進(jìn)加工技術(shù)，千方百計(jì)提高木材出材率和利用率以降低各種木制品和各種用途用產(chǎn)品木材的消耗量是十分必要的。其中提高原木定心精度和效率也是達(dá)到上述目的的措施之一。高精度和高效率必然會帶來提高經(jīng)濟(jì)效益的結(jié)果。此外，考慮經(jīng)濟(jì)效益還應(yīng)兼顧出材率和優(yōu)等品出材率兩方面。在這種情況下，對原木外形特征描述時，要考慮節(jié)子、開裂、彎曲等缺陷對板材或單板等級的影響，以達(dá)到木材質(zhì)量的高效 利用。目前原木定心技術(shù)最發(fā)達(dá)的國家是芬蘭。芬蘭 Raute公司定心上木機(jī)，采用激光對原木 7個斷面掃描。每個斷面每隔 10為一個測點(diǎn)，共即 252個點(diǎn)。計(jì)算機(jī)接受掃描數(shù)據(jù)，繪制木段形狀圖及確定其最大的內(nèi)接圓柱體，找出最佳回轉(zhuǎn)中心，木段最終旋切位置精度達(dá)到 0.005mm.我們在研究、開發(fā)原木定心技術(shù)時可借鑒芬蘭的先進(jìn)技術(shù)。我們的研究不僅要趕上世界先進(jìn)水平，而且要超過世界先進(jìn)水平，并要積極促進(jìn)該技術(shù)向生產(chǎn)轉(zhuǎn)化。 80年代以后，我國的家具制造業(yè)和建筑材料業(yè)迅猛發(fā)展，經(jīng)濟(jì)連續(xù)高速的發(fā)展消耗了大量的林木資源。國家近幾年相繼 出臺了保護(hù)林木的若干政策，以防止我國的林木由于過度開采而枯竭。因此，對于制材行業(yè)的眾多企業(yè)來說，如何有效地利用有限的林木資源是企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。森林資源減少，限制采伐，必然形成國內(nèi)制材業(yè)原料短缺，原料價格上漲，使各個企業(yè)生產(chǎn)成本增加，競爭加劇的局面。在這種情況下，如何提高原材料的利用率，細(xì)化每一根原木的可利用部位，做到優(yōu)化下鋸，最大限度 7 擴(kuò)大木材的可利用率，是當(dāng)務(wù)之急。在面對國際競爭方面，近幾年由于進(jìn)出口貿(mào)易的增加以及木材價格的開放，將使我國的原料價格與國際市場價格拉平。隨著 21世紀(jì)到來，我國的制材企業(yè)更多地參 與國際競爭。在先進(jìn)的制材國家中，利用高精度原木檢測仿真系統(tǒng)對原木形狀進(jìn)行精確的描述，進(jìn)而引導(dǎo)加工設(shè)備合理加工，從而實(shí)現(xiàn) BOF制材，已經(jīng)變成企業(yè)生存的必要條件。在此基礎(chǔ)上，國外主要制材設(shè)備制造廠家均在他們生產(chǎn)的數(shù)控設(shè)備上采用了這些技術(shù)，瑞典、芬蘭、加拿大和美國的公司都在全球推銷基于 BOF技術(shù)的制材設(shè)備。國外著名的制材專家指出：在自動化制材中，應(yīng)進(jìn)一步提高對原木沿長度方向的形狀識別，特別是對弓形彎曲、翹曲和偏心原木的更精確的識別。從以上分析可以看出，原木的形狀識別在制材行業(yè)的地位是舉足輕重的。由此可以看出，在未 來幾年，木材檢測技術(shù)將在我國制材企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)中扮演重要角色。 1.4 本章小結(jié) 該原木檢測機(jī)分為機(jī)架，驅(qū)動機(jī)構(gòu)，檢測機(jī)構(gòu)，數(shù)據(jù)采集機(jī)構(gòu)，數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)構(gòu)及計(jì)算機(jī)模擬形狀圖象等，本設(shè)計(jì)就不介紹數(shù)據(jù)采集，計(jì)算和計(jì)算機(jī)模擬圖象信息，本設(shè)計(jì)主要介紹原木檢測機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，機(jī)械工作原理，驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和動力部件選擇和校核。 本系統(tǒng)在分析各種方法的基礎(chǔ)上提出了一種全新的思路，即首先檢測原木橫截面上均勻分布的 8個點(diǎn)，然后將這 8個點(diǎn)的坐標(biāo)值輸入計(jì)算機(jī)，利用其中的四個點(diǎn)進(jìn)行組合后，回歸出原木的橫截面模型，實(shí)現(xiàn)原木檢測的計(jì)算機(jī)化 ；同時，在檢測方式上，采用了在線快速實(shí)時測量，可以提高設(shè)備的檢測效率。 第 2章 光環(huán)投影 測量 機(jī)設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì) 2.1 光環(huán)投影 測量 機(jī)設(shè)計(jì) 總體原理介紹 2.1.1 光環(huán)投影 測量 機(jī) 設(shè)計(jì)原理 原木檢測機(jī)床提供了一種縱向快速檢測原木外形輪廓的機(jī)械設(shè)備及工藝技術(shù)。它利用 8個檢測觸頭檢測原木的截面形狀，為下一步計(jì)算機(jī)模擬識別原木整體外形提供必要的實(shí)測數(shù)據(jù)。其工作原理如下： 原木由運(yùn)輸輥臺送入，啟動電機(jī)后，傳輸鏈負(fù)載原木以一定速度勻速向前運(yùn)動。當(dāng)原木運(yùn)動到檢測框時，原木端部將檢測桿推開，檢測桿繞芯軸轉(zhuǎn)動，最終所 有擺桿的底部觸頭落到原木表面， 8根檢測桿在原木外輪廓上做相對運(yùn)動。在原木行進(jìn)過程中， 8 因?yàn)槠渫獗砻娌豢赡苁枪饣戎睆降?，某一時刻下原木表面的凹凸起伏變化會引起擺桿轉(zhuǎn)動，從而導(dǎo)致角度傳感器輸出值的變化。通過計(jì)算機(jī)實(shí)時采集到 8個傳感器的輸出值，確定出相應(yīng)檢測桿的轉(zhuǎn)角，經(jīng)運(yùn)算處理后，得出原木當(dāng)前截面上 8個采樣點(diǎn)的坐標(biāo)值。整根原木檢測完畢后，沿長度方向上的所有采樣截面的檢測數(shù)據(jù)被自動保存，并實(shí)時在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示刷新，作為原木形狀三維仿真和分析計(jì)算原木端面徑級等幾何參數(shù)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。 圖 2.1為整個硬件系統(tǒng)的工藝流程 ： 圖 2.1 光環(huán)投影 測量 機(jī)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的工藝流程 2.1.2 光環(huán)投影 測量 機(jī)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)方案 本系統(tǒng)要求完成對原木截面形狀數(shù)據(jù)的自動實(shí)時檢測。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，對原木外形進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬再現(xiàn)；經(jīng)過運(yùn)算分析得出原木端面徑級等幾何形狀參數(shù)；由數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一存儲和管理每根原木的參數(shù)信息，建立原木檔案，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；用戶實(shí)時監(jiān)控檢測狀態(tài)，當(dāng)前原木的檢測數(shù)據(jù)與參數(shù)的計(jì)算結(jié)果及時更新顯示；系統(tǒng)界面形式直接，人機(jī)交互操作簡單易懂，配合相應(yīng)的提示和幫助，以方便用戶使用。 本系統(tǒng)綜合采用了檢測技術(shù)以完成對原木形狀的識別過程。系統(tǒng)總體 設(shè)計(jì)流程如圖 2.2所示： 圖 2.2 光環(huán)投影 測量 機(jī)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程 9 （ 1）檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè)備采用接觸式測量方法，利用 8個檢測觸頭直接與原木表面接觸。由于原木是在設(shè)備上作勻速直線運(yùn)動，其不同截面外徑的變化和表面形狀的起伏會使檢測擺桿產(chǎn)生擺動，擺桿回轉(zhuǎn)軸與角度傳感器相連。在每根擺桿的擺動截面內(nèi)，將原木不同截面處的直線位移值轉(zhuǎn)換成檢測傳感器的轉(zhuǎn)動角度值，然后將角度值對應(yīng)的電信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)接?jì)算機(jī)處理系統(tǒng)進(jìn)行分析和處理。 （ 2）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 多通道數(shù)據(jù)采集一般是指同時對多路信號進(jìn)行采樣，并 把采樣信號按一定格式保存下來。本機(jī)采用多個通道共享 A/D轉(zhuǎn)換器的方式，該方式下的每個通道通過一個多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，按某一時間間隔，依次將各個通道的信號輸入到采樣保持電路，再經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。 A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號通過相應(yīng)的計(jì)算機(jī)接口電路，輸入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行保存。該采樣方式的工作過程中，每個通道的采樣頻率均等，統(tǒng)一在一臺計(jì)算機(jī)的控制之下，通過掃描的方式，依次將各通道的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，由計(jì)算機(jī)將其讀入并保存。 （ 3）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì) 采集到的數(shù)據(jù)輸入到算機(jī)，將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入到系統(tǒng)處 理程序，進(jìn)行處理。本實(shí)驗(yàn) 采用 matlab語言編制處理程序，包括每條數(shù)據(jù)帶的分析，然后將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入 matlab語言環(huán)境下的視窗界面，進(jìn)行三維輪廓的模擬再現(xiàn)。同時，對話界面將顯示出相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，使操作人員可以非常方便的獲知原木的輪廓信息；由于計(jì)算機(jī)界面模擬再現(xiàn)了原木的外輪廓，而且相應(yīng)的輪廓數(shù)值也顯示在人機(jī)對話界面上，這樣我們就可以在計(jì) 2.2 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方法 整體結(jié)構(gòu)布局見圖 2.3，考慮到生產(chǎn)率的問題，識別機(jī)采用既可以單機(jī)作業(yè)，又可以與其他設(shè)備連線作業(yè)的方式。原木在床身上做縱向水平運(yùn)動，檢測架置于整個機(jī)床的中間部位，在其上按圓周布置八個檢測觸頭。數(shù)據(jù)采集及處理設(shè)備位于控制室，通過信號傳輸線與檢測架連接。 10 圖 2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局簡圖 數(shù)據(jù)采集機(jī)構(gòu)是整個設(shè)備的關(guān)鍵部分，檢測框架采用螺紋連接與床身緊密結(jié)合在起，其上按圓周分布著 8個檢測擺桿，擺桿軸端安裝了檢測傳感器，傳感器既可選擇字式旋轉(zhuǎn)編碼器，又可選擇輸出信號為模擬量的角度傳感器，視具體使用情況選定。原木在設(shè)備上運(yùn)動時，由于原木不同截面處直徑的大小變化和原木外表面的凹凸不平會使與之接觸的檢測擺桿繞其軸轉(zhuǎn)動如圖 2.4，這樣帶動傳感器轉(zhuǎn)動，從而產(chǎn)生反映木外形的檢測信號。 圖 2.4 檢測機(jī)構(gòu)頭部示意圖 本文提出了原木 8點(diǎn)檢測的方法。當(dāng)沿一根原木縱向采集 8條數(shù)據(jù)帶時，測量機(jī)構(gòu)和被測對象之間必然有相對運(yùn)動。為了滿足測試的精度要求，我們卻不希望對象或機(jī)構(gòu)有運(yùn)動。因?yàn)檫\(yùn)動不可避免地產(chǎn)生振動，影響檢測精度。 在研究了以往設(shè)備定位的基礎(chǔ)上，我們可以設(shè)想出一種運(yùn)動靜態(tài)定位方法，這種方法的基本思想是：在保證檢測點(diǎn)和我們所需要的運(yùn)動的情況下，盡量消除其他方向的微小位移和振動，以保證檢測精度。在實(shí)驗(yàn)過程中，我們采用精密輸送用鏈條作為原木運(yùn)輸載體，其縱向運(yùn)動可以認(rèn)為是勻速的， 而在鏈條運(yùn)動過程中，為了消除其橫向的移動，在兩側(cè)加裝了限位裝置，這樣，就獲得了一個很穩(wěn)定的檢測狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集時，要求原木只按照其長度方向運(yùn)動，不能有徑向擺動、滾動和較大的震動，以保數(shù)據(jù)采集和處理 機(jī)床 檢測機(jī)構(gòu) 11 證檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在這里我們用兩條精密輥?zhàn)觽鬏旀溩鳛樵具\(yùn)動的載體，同時在傳輸鏈的托板上對稱安裝楔形墊塊，這種結(jié)構(gòu)保證了原木在運(yùn)動時的穩(wěn)定性；同時，考慮到設(shè)備流水作業(yè)的需要，設(shè)計(jì)床身使其有足夠長度，以防止當(dāng)一根原木正通過檢測架時，下一根原木也運(yùn)動到床身上并產(chǎn)生振動，對當(dāng)前檢測產(chǎn)生影響。 2.3 光環(huán)投影 測量 機(jī)設(shè)計(jì) 機(jī)械部分設(shè)計(jì) 目前，原木形狀的檢測主要有機(jī)械、光電、激光測量以及攝像等方法。這些方法在實(shí)際應(yīng)用中，要求由技術(shù)水平較高、操作熟練的技術(shù)人員來完成。其中，后兩種方法的設(shè)備資金投入較大；另外，在原木形狀檢測過程中，上述方法所選取的原木截面數(shù)量少，較難反映出原木的實(shí)際形狀。綜合考慮到生產(chǎn)成本，生產(chǎn)條件和生產(chǎn)環(huán)境的要求，傳統(tǒng)方法難以實(shí)用。因此，針對具體研究和應(yīng)用我自行研制了原木形狀檢測裝置 MQK3102原木檢測機(jī)，總體結(jié)構(gòu)如圖 2.5所示。 圖 2.5 原木檢測機(jī)機(jī)床主視圖 本文設(shè)計(jì)的原木檢測機(jī)的工作方式結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，不 是針對每一根原木所作的靜態(tài)檢測，而是用一個檢測架，在原木的輸送堆垛或鋸解加工的動態(tài)過程中，使原木由檢測架縱向通過，從而檢測出原木的外形參數(shù)，將這些數(shù)據(jù)適時儲存在計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫中，以便隨時提取所需原木的外形參數(shù)，并在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出所檢測原木的三維模擬圖形，從而實(shí)現(xiàn)原木的外形分析和原木的模擬鋸解和加工。在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)用了 AutoCAD設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行圖紙?jiān)O(shè)計(jì)工作。機(jī)器主要由機(jī)架、動力機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)、檢測機(jī)構(gòu)等組成，實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)如下： （ 1）檢測原木最大直徑： 300mm （ 2）檢測原木最小直徑： 200mm （ 3）檢測原木最大長度： 5,000mm （ 4）檢測原木最小長度： 1,000mm （ 5）機(jī)床功率： 0.75KW 12 （ 6）送料速度： 15m min （ 7）機(jī)床外形尺寸（長寬高）： 3,500 650 1,500mm （ 8）機(jī)床重量（凈重）： 1,112kg 2.4 機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算 機(jī)架的作用是支承其他零部件、保證它們的相互位置、承受各種作用力等。圖 2.6是機(jī)架結(jié)構(gòu)圖： 圖 2.6 機(jī)架結(jié)構(gòu)圖 機(jī)架要具有在外載荷作用下抵抗變形的能力，即要有足夠的剛度。我們在設(shè)計(jì)機(jī)架結(jié)構(gòu)時，考慮到加工過程中的變形和應(yīng)力，將機(jī)架上部設(shè)計(jì)成矩形框架，其結(jié)合處采用焊接形式，形成一個整體，保證了其上安裝的導(dǎo)軌和軸座基準(zhǔn)面可以在刨床上一次走刀加工完畢，確保整個機(jī)架的幾何和安裝精度 。支腿采用梯形結(jié)構(gòu)，按兩端和中間三點(diǎn)形式布置，使整個床身受力均勻，減小了上部橫梁在原木通過時承受壓力而變形的可能性。支腿與床身采用螺栓連接，使整個床身結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，增強(qiáng)了整體抗震性。實(shí)驗(yàn)原木外形尺寸定為長度 3000mm，機(jī)架整體長度設(shè)計(jì)為 3500mm，這樣每兩個支腿之間的距離為不足兩米，這樣當(dāng)原木置于床身上時，床身在垂直方向上的變形可以忽略不計(jì)。機(jī)架的前部設(shè)計(jì)安裝了檔料護(hù)板，防止原木滾落。 由于機(jī)架是支撐整個原木檢測機(jī)重量和運(yùn)轉(zhuǎn)時候原木的重量，所以要對機(jī)架進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證機(jī)架是否可以。把原木檢測機(jī)看作一個整體，機(jī) 架所受的力主要包括本身，檢測機(jī)構(gòu)，輸送機(jī)構(gòu)和被測原木的共同的重力，如果對機(jī)架所受的力進(jìn)行分析，將會非常的復(fù)雜，只要設(shè)計(jì)的機(jī)架大于原木檢測機(jī)的重力就可以了。 2.5 輸送機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 物料輸送機(jī)構(gòu)常采用的方式有：跑車、托板式皮帶運(yùn)輸機(jī)、輥臺、鏈條等。由于原木外表面凹凸不平，為了在檢測時確保檢測的準(zhǔn)確性，原木做縱向運(yùn)動時，其自身 13 必須保持靜止，既不要有縱向竄動，又不能有轉(zhuǎn)動。綜合考慮各種情況發(fā)現(xiàn)，原木在輥臺上運(yùn)動時，其表面的節(jié)子等突起與輥?zhàn)咏佑|時會造成原木跳動，無法保證檢測精度；由于托板式皮帶運(yùn)輸機(jī)可能會產(chǎn)生皮 帶跑偏、運(yùn)動不平穩(wěn)、皮帶磨損等原因，故也不適合輸送被檢測原木；跑車不存在以上問題，而且運(yùn)行平穩(wěn)，原木在跑車上也易于固定，但是跑車無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作，其一個工作循環(huán)只能運(yùn)送一根原木，而且造成檢測架尺寸加大，檢測擺桿布置不均勻等問題。綜上，我們在設(shè)計(jì)時選用了鏈條作為輸送原木的載體，原木置于鏈條上，與鏈條一起在平滑的導(dǎo)軌上運(yùn)動。圖 2.7是輸送機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖： 圖 2.7 輸送機(jī)結(jié)構(gòu)圖 采用精密輸送用輥?zhàn)渔湕l，型號 S-1-PK2-16A ，節(jié)距 25.4mm，鏈條在機(jī)架的導(dǎo)軌上運(yùn)動。鏈條共計(jì)有兩條，兩端有雙鏈輪，其中一組 鏈輪接動力機(jī)構(gòu)，另一組鏈輪上安裝有漲緊機(jī)構(gòu)。雙鏈輪如圖 2.8所示兩個鏈輪安裝在同一根軸上，保證了兩條輸送鏈運(yùn)動同步。軸兩端采用球面調(diào)心軸承，具有自動調(diào)整鏈輪軸的作用，這樣可以保證前后兩根軸具有較高的位置度。 當(dāng)原木運(yùn)動到輸送鏈條上時，原木相對于鏈條是靜止不動的，鏈條帶動原木一起 向前移動。由于鏈條的輥?zhàn)釉诠饣膶?dǎo)軌上做純滾動，這樣可保證原木平穩(wěn)地通過檢測架，保證其檢測的精確性，從而提高檢測的精度，檢測機(jī)構(gòu)檢測原始數(shù)據(jù)，傳入給檢測系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和運(yùn)算，這樣就能計(jì)算出的檢測原木的直徑，面積以及外形輪廓 。 14 圖 2.8 鏈輪軸結(jié)構(gòu)圖 2.6 本章小結(jié) (1)討論了光環(huán)投影 測量 機(jī)設(shè)計(jì) 的總體設(shè)計(jì)原則，并對各機(jī)構(gòu)的選型作了重點(diǎn)分析。簡要介紹了其結(jié)構(gòu)。 (2)為光環(huán)投影 測量 機(jī)設(shè)計(jì) 的設(shè)計(jì)、選型提供了較多信息，可為今后光環(huán)投影 測量機(jī)設(shè)計(jì) 的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考。 (3)本章設(shè)計(jì)了光環(huán)投影 測量 機(jī)設(shè)計(jì) 的機(jī)械部分，綜合分析了各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)以及本設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)，介紹了相應(yīng)部分的功能及實(shí)現(xiàn)原理。 15 第 3章 動力部件選擇和傳動機(jī)構(gòu)的計(jì)算 縱向輸送機(jī)的驅(qū)動裝置是指從電動機(jī)至驅(qū)動輪之間的動力傳動減速裝置。目前所應(yīng)用的驅(qū) 動裝置的結(jié)構(gòu)方案達(dá) 10種以上。常用的有下列四種 : (1).電動機(jī)三角帶傳動減速器驅(qū)動輪； (2).電動機(jī)減速器驅(qū)動輪； (3).電動機(jī)減速器鏈條傳動驅(qū)動輪； (4).電動機(jī)三角帶傳動開式齒輪驅(qū)動輪。 這四種傳動減速方案中，第 l、第 2和第 3種方案由于布局合理，工作可靠，因此應(yīng)用最多，約占 80%以上，適宜原木輸送作業(yè)的要求。驅(qū)動裝置的位置選擇是原木縱向輸送機(jī)應(yīng)用中的一個重要問題。在選擇驅(qū)動裝置的位置時，必須設(shè)法減少牽引構(gòu)件中的最大拉力，這樣可使?fàn)恳龢?gòu)件的尺寸和重量減小。 我們在設(shè) 計(jì)中采用了上面的第三種方案，電動機(jī)減速器鏈條傳動驅(qū)動輪，把電動機(jī)和減速器該用為減速電機(jī)。圖 3.1是驅(qū)動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖： 圖 3.1 驅(qū)動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖 3.1 電動機(jī)的選擇 電動機(jī)的選擇是專門工廠批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)部件，正確的選擇電動機(jī)能直接影響機(jī)床的結(jié)構(gòu)和壽命，所以選擇時要根據(jù)工作機(jī)的工作特性，工作環(huán)境等，選擇電動機(jī)的類型，功率和轉(zhuǎn)速。 （ 1）選擇電動機(jī)的類型 本設(shè)計(jì)采用電動機(jī)減速器鏈條傳動驅(qū)動輪這種傳動方式時，為了便于制造，減小設(shè)備的復(fù)雜程度，我們?nèi)∠藴p速器這一環(huán)節(jié)，采用電動機(jī)鏈條傳動驅(qū)動輪的方式。所以選用交流電動機(jī)，額定電壓是 380V，工作環(huán)境比較優(yōu)良，溫度一般在室溫；電動機(jī)的載荷不大。 16 （ 2）計(jì)算電動機(jī)的功率和轉(zhuǎn)數(shù) 假設(shè)選定可測原木最大直徑 R=300mm，最大長度是 L=5000mm，一般木頭的密度是 0.5 1.5 g/cm3 所以按上面系數(shù)計(jì)算得原木的質(zhì)量是 707kg2120kg，取原木最大的質(zhì)量 2120kg，所以原木重量是 G= 2R Lg (N) 其中 g=9.8m/s2 (3.1) 參考文獻(xiàn) 7里查的機(jī)床的輥?zhàn)渔湕l的動摩擦系數(shù)是 0.144 。所以機(jī)床給輥?zhàn)渔湕l的摩擦阻力是 fG =2990.7N (不考慮鏈條的重量 )，輸送臺的鏈輥輸送速度是v=15m/min，計(jì)算電動機(jī)的克服機(jī)床的運(yùn)動阻力所做的功和功率。 wP= /60fv = 2 9 9 0 .7 1 5 / 6 0 =0.744 KW 所以只要電動機(jī)滿足克服原木在輥?zhàn)渔湕l上運(yùn)動時候所需要克服阻力所做的功就可以，wP就是所選電動機(jī)的有效功率。 因?yàn)榇箧溳喌闹睆?d=213mm,電動機(jī)鏈輪的直徑2d=149mm。所以，計(jì)算電動機(jī)的主軸轉(zhuǎn)速是 6 0 1 0 0 0 /wn v d =2120 r/min 其中 d 就是電機(jī)輪的直徑。 可以計(jì)算電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速mv mv= 6 0 1 0 0 0 /wn v d= 1 0 0 0 1 5 2 1 32 1 3 3 .1 4 1 4 9 =32.1 r/min 選定了電動機(jī)的類型，結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)速，計(jì)算出了所需電動機(jī)的容量后，可以在電動機(jī)設(shè)計(jì)手冊中查得電機(jī)，我們選擇帶有減速裝置的減速電動機(jī)，該電動機(jī)具有工作穩(wěn)定，工作時散熱性較好，適用于木工機(jī)械，減速電動機(jī) 主要參數(shù)如下： （ 1）減速電機(jī)型號 XWD0.55-3-59 （ 2）減速電機(jī)輸出功率 0.75KW （ 3）電動機(jī)轉(zhuǎn)數(shù) 2,120r/min （ 4）電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速 32r/min 3.2 鏈傳動的計(jì)算 3.2.1 小鏈條的選擇和校驗(yàn) 機(jī)床上常用的鏈傳動主要有滾子 鏈和齒形鏈，鏈傳動多用于進(jìn)給運(yùn)動和輔助運(yùn)動。本設(shè)計(jì)的原木檢測機(jī)采用的是滾子鏈，一般鏈速是 20v m/s。 （ 1）滾子鏈基本參數(shù)和尺寸 17 本設(shè)計(jì)采用的滾子鏈的型號是 16A，具體參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn) 7的鏈傳動得表 3.1 （ 2）滾子鏈傳動的設(shè)計(jì)計(jì)算 鏈傳動的失效形式主要是鏈條的磨損，鏈條疲勞破壞和鏈條的拉斷，所以鏈傳動的設(shè)計(jì)計(jì)算以鏈條失效為依據(jù)。 表 3.1 滾子鏈基本參數(shù)和尺寸 （ GB 12843.1 83）單位： mm 鏈號 節(jié)距 p 排距 q 滾子外徑 d 內(nèi)鏈節(jié)內(nèi)寬 內(nèi)鏈節(jié) 外寬 外鏈節(jié)內(nèi)寬 高度 16A 25.40 29.29 15.88 15.75 22.61 0.62 24.13 小輪齒數(shù)是1z， 1 minzz， (3.2) 通常minz=9，1z應(yīng)該參照鏈速和傳動比選取，一般1z=27-2i 應(yīng)該優(yōu)先選用下列齒數(shù)： 17， 19， 21， 23， 25， 38 說明增大1z鏈條緊邊的總拉力下降，多邊形效應(yīng)減少，嚙入時鏈節(jié)間的相對轉(zhuǎn)角減少，磨損小，打扮尺寸和重量增大。 大輪齒數(shù)是2z， 2 1 maxz iz z (3.3) 2z大時，鏈節(jié)距磨損允許率 /pp 減少，鏈的壽命降低 齒數(shù)比 i i=1122nz = 32.122.45 =1.43 通常 6i 其中12,nn 小，大輪的轉(zhuǎn)速 r/min；傳動比大時，可考慮改為兩極或兩極以上。 張緊輪齒數(shù)iz，1izz，如果需要減少iz，甚至使minizz，可設(shè)計(jì)非標(biāo)準(zhǔn)齒形的鏈輪或采用特殊的張緊裝置，張緊輪一般不止在鏈條松邊靠近小鏈輪處，且在鏈的外側(cè)，以增加小輪的包角張緊輪至少要有 3個齒與鏈嚙合。 計(jì)算鏈傳動的功率CP(KW ) ACzKPP K (3.4) 1.081()19z zK (3.5) 式中， P 傳遞的名義功率；AK 工況系數(shù)；zK 小輪齒數(shù)系數(shù)。 根據(jù)表 3.2取 AK =1.0，根據(jù)文獻(xiàn) 7中查得表 3.2 18 ACzKPP K =1.081.0 0.75(19 /19) =0.73KW 初定中心距0a，一般0a=（ 3050） p, maxa=80p 表 3.2 鏈傳動工況系數(shù) 載荷情況 工作機(jī)種類 電動機(jī) 汽輪機(jī) 帶流體內(nèi)燃機(jī) 無流體內(nèi)燃機(jī) AK 鏈運(yùn)輸機(jī)離心鼓風(fēng)機(jī)等 1.0 1.0 1.2 0a應(yīng)首先考慮結(jié)構(gòu)要求，有張緊裝置時，0a可大于 80 p；一般應(yīng)滿足小輪的包角不小于 120。無張緊裝置時0a25 p，所以 0a= 25.40 25 =635mm 理論中心距 a(mm) 12( 2 )pLa p L z z K mm (3.6) LK 系數(shù)，按1 2 1/PL z z z查文獻(xiàn) 7得，表 3.3。 表 3.3 值LK 121PLzzz 6 7 8 9 10 11 12 LK 0.24958 0.24970 0.24978 0.24983 0.24986 0.24988 0.24990 12( 2 )pLa p L z z K = 2 5 . 4 ( 2 7 1 . 5 1 7 2 1 ) 0 . 2 4 9 8 3 =640.9mm 實(shí)際中心距 a a =aa =640.9- 0.003 640.9 =638mm 其中 a 中心距減小量， a =(0.0020.004)a 鏈條的節(jié)數(shù)PL(mm) 20 1 2 2 102 ()22Pa z z z zpL pa = 26 3 5 2 1 7 2 5 2 5 . 4 2 5 1 7()2 5 . 4 2 6 3 5 2 3 . 1 4 =50+21+0.5=71.5(節(jié) ) 19 PL應(yīng)圓整為整數(shù)，盡量取偶數(shù)，以免使用過渡鏈節(jié)。所以 鏈條的長度 L (mm) PLL p mm PLL p= 71.5 25.4 = 1765.3mm 鏈條的速度 v 116 0 1 0 0 0z n pv m/s (3.7) v=1 7 3 2 2 5 . 4 / 6 0 1 0 0 0 =0.23m/s 有效圓周力rF (N) rF=1000P/v=3260.87 N 靜強(qiáng)度安全系數(shù)sn sn=m i n 48A t fQK F F (3.8) 作用在軸上的力tF (N) 水平傳動和傾斜傳動 tF= (1.151.2)AtKF=1 . 2 1 . 0 3 2 6 0 . 8 7 =3913.04 N 3.2.2 大鏈條的校驗(yàn)計(jì)算 初定中心距0a，一般0a=（ 3050） p, maxa=80p 0a應(yīng)首先考慮結(jié)構(gòu)要求，有張緊裝置時，0a可大于 80 p；一般應(yīng)滿足小輪的包 角不小于 120。無張緊裝置時0a250 備 注 齒根圓徑向圓跳動 10級 11級 按 GB1184-80形狀和位置公差未注公差的規(guī) 定 齒根圓處端面圓跳動 10級 11級 鏈輪的潤滑劑的選擇，一般都采用的是潤滑油，當(dāng)難以采用油潤滑時，可用潤滑 24 脂?；蛟阢q鏈內(nèi)噴鍍一層耐磨塑料等，本設(shè)計(jì)鏈傳動定期螺紋調(diào)整張緊鏈條。 鏈傳動是一種常見的機(jī)械傳動形式， 它是由鏈條和主。從動鏈輪組成工作時依靠鏈輪齒與鏈節(jié)的嚙合倆傳遞運(yùn)動和轉(zhuǎn)距，是一種具有中間擾性件的嚙合傳動，鏈傳動的潤滑主要是采用機(jī)械油潤滑。 3.3 鏈輪軸的設(shè)計(jì)和校核 合理分析和確定軸上載荷性質(zhì)和應(yīng)力狀態(tài)，對正確判斷周的失效形式和進(jìn)行軸的強(qiáng)度計(jì)算都是十分重要的。 軸的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是：針對軸在具體工作條件下最可能發(fā)生的失效形式進(jìn)行響應(yīng)的設(shè)計(jì)，使所設(shè)計(jì)的軸具有足夠的、不發(fā)生該種失效的工作能力，并具有合理的結(jié)構(gòu)和良好的工藝性。 軸的設(shè)計(jì)主要內(nèi)容：根據(jù)軸的該種條件等于工藝要求和經(jīng)濟(jì)性原則，選取適合的材料、毛坯形式 及熱處理方法；根據(jù)軸的受力情況、軸上零件的裝配和定位、軸的加工等具體要求，確定軸的合理結(jié)構(gòu)形狀和尺寸，即進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；軸的工作能力計(jì)算。一般的軸都需要進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算；對剛度要求高的軸（如車床主軸）或受力大的細(xì)長軸（如蝸桿軸）等，還要進(jìn)行剛度計(jì)算；對于高速軸，因有共振危險，應(yīng)進(jìn)行振動穩(wěn)定性計(jì)算。 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則：軸的受力合理，有利于提高軸的強(qiáng)度和剛度；軸上零件相對于軸、軸相對于機(jī)架，應(yīng)定位準(zhǔn)確，固定可靠；軸便于制造，軸上零件便于拆卸和調(diào)整；盡量減小應(yīng)力集中，并節(jié)省材料、減輕重量。 3.3.1 軸的材料的選 擇 軸的材料首先應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，對應(yīng)力集中敏感性低；還須能滿足剛度、耐磨性、耐腐蝕性要求；并具有良好的加工性能，且價格低廉，易于獲得。碳鋼有足夠高的強(qiáng)度，對應(yīng)力集中的銘感性較低，便于進(jìn)行各種熱處理及機(jī)械加工，價格較廉，應(yīng)用較廣。一般機(jī)械中的軸，多用 30 50優(yōu)質(zhì)中的碳鋼制造，尤以 45鋼最常用。所以軸的材料選用 45鋼，調(diào)質(zhì)處理。 3.3.2 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算 這種方法是根據(jù)軸所受的轉(zhuǎn)距進(jìn)行計(jì)算。若軸上還作用彎距，則通過降低許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力來補(bǔ)償其影響。對實(shí)心軸，其強(qiáng)度條件： =TWT 339550 100.2Pnd （ 3.12） 式中， 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 （ MPa）； T 軸所受的 扭矩 （ Nmm） 25 rW 軸的抗扭截面系數(shù)（ mm3 ） ； P 軸傳遞的功率（ KW）； n 軸的轉(zhuǎn)速（ r/min） ； d 計(jì)算截面處軸的直徑 （ mm） ； 軸的許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力（ MPa）。 由上式得軸徑 d（ mm） 的計(jì)算公式： 表 3.3 軸常用幾種材料的 及 A值 軸的材料 Q235-A 20 Q275 35 （ 1Cr18Ni9Ti） 45 40Cr25SiMn 38SiMnMo 3Cr13 / MPa 1525 2035 2545 3555 由上表 4.3得知， 取 45。 軸最小直徑 d332.0109550 3 nP = 3 3452.0 109550 3 0.7322.45 =29.8mm 故取 30mm 初定各軸段直徑以及長度 軸承處 30mm，按傳遞轉(zhuǎn)矩算得基本直徑，考慮軸承的選擇等因素，該長度取 93mm 齒輪處 35mm，考慮齒輪從右端裝入，齒輪孔徑應(yīng)稍大于軸承處直徑并為標(biāo)準(zhǔn)直徑，故該段的長度取 103mm 軸環(huán)處 40mm，按齒輪處直徑 d=35mm軸環(huán)高度 a=（ 0.070.1） dx35=（ 2.453.5） mm，取 a=2.5mm,所以該段的長度取 100mm 左端齒輪處取 35mm，同上面的右端齒輪處相同，長度為 55mm 左端軸承處 30mm，按傳遞扭矩估算得 基本直徑，長度考慮軸承以及輪轂的寬度，故該處取 142mm 各軸端的長度以及直徑如下圖所示： 26 3.3.3 按彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算 由參考文獻(xiàn) 11中，查得選擇軸的材料是 45鋼，調(diào)質(zhì)處理。 b 637N/mm2 s=353N/mm2 -1=268N/mm2 1=155N/mm2 +1 b=216N/mm2 0 b=98N/mm2 -1 b=59N/mm2 軸傳遞的轉(zhuǎn)矩 T=9.55 106 nP =9.55 106 0.7326=17.05 103N mm 作用在鏈輪上的力tF (N) tF= (1.151.2)AtKF=1 . 2 1 . 0 3 2 6 0 . 8 7 =3913.04 N 軸受的圓周力rF (N) rF=1000P/v=3260.87 N 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，畫軸的計(jì)算簡圖 12v v rR R F 12H H tR R F 1 2 2 1vvR d R d 1 2 1 1HHR d R d 1 367.5d mm 2 76.5d mm 2 2699vR N,2 3238.8HR N,1 674.2HR N 繪制彎矩圖、轉(zhuǎn)矩圖 (圖 3.1) 做軸的水平面彎矩圖 (如圖 3.1a) MCH=674.2 367.5+3238.8 76.5=495469 N mm 做軸的豎直面彎矩圖 (如圖 3.1b) MCV= 561.8 367.5+2699 76.5=412952 N mm 做軸的合成彎矩圖 (如圖 3.1c) M= CVCH MM 22 = 224 9 5 4 6 9 4 1 2 9 5 2 =644995 N mm 做軸的轉(zhuǎn)矩圖 (如圖 3.1d) T=316886.4 N mm 27 圖 3.1 軸所受的玩矩，扭矩 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度，做軸的相當(dāng)彎矩圖 (如圖 3.1e) Meq= 22()CMT = 01 0.6 Meq= 226 4 4 9 9 5 ( 0 . 6 3 1 6 8 8 6 . 4 )=718634.3 N mm 有上式可得 33/ / 0 . 1 7 1 8 6 3 4 . 3 / 0 . 1 3 0e e q e qM W M d =26.6N/mm2 校核結(jié)果 : e -1 b=59N/mm2 軸的強(qiáng)度足夠。 28 已知軸的彎矩和扭矩后，可針對某些危險截面作彎扭合成強(qiáng)度校核計(jì)算。按第三強(qiáng)度理論，計(jì)算應(yīng)力 224eq (3.13) 為了考慮循環(huán)特性的影響，引入折合系數(shù) a,則計(jì)算應(yīng)力為： 22 4e q x (3.14) 對于直徑為 d圓軸，彎曲應(yīng)力 MW， 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力WTWT r 2，將 代入上式中，則軸的彎扭合成強(qiáng)度條件為： 22224 2eq MTMTW W W (3.15) 其中式中：eq 軸的計(jì)算應(yīng)力， 單位 MPa； M 軸所承受的彎矩， 單位 N mm； T 軸所受的扭矩， 單位 N mm； W 軸的抗彎截面系數(shù)， 單位 mm3 ； 對稱循環(huán)變應(yīng)力時軸的許用彎曲應(yīng)力 。 計(jì)算軸的直徑 : 軸計(jì)算截面上的強(qiáng)度條件為 eq=WMeq =WTM 22 )( （ 3.16） 式中，eq為軸計(jì)算截面商店餓相當(dāng)彎曲應(yīng)力（ MPa） ； W為軸計(jì)算截面的抗彎截面模量（ mm 2 ） ； 為軸的許用彎曲應(yīng)力（ MPa）；對轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)動心軸， = 1 。 對實(shí)心圓軸， W= 3d /32 0.1d3 ,其計(jì)算截面處的直徑為 : d 3 22)(10 TM = 223 1 0 1 2 9 6 . 0 3 9 ( 1 5 4 6 . 8 7 5 )90=30.1mm S 故軸的疲勞強(qiáng)度合適。 靜強(qiáng)度安全系數(shù)校核 軸的靜強(qiáng)度安全系數(shù)校核，是根據(jù)軸上的最大瞬時載荷（包括動載荷和沖擊載荷）和軸材料的屈服極限，計(jì)算并判斷軸危險面的靜強(qiáng)度安全系數(shù)是否滿足，其目的是檢驗(yàn)軸對塑性變形的抵抗能力。校核公式為 : S0= 00202 00 SSSSS （ 3.19） 式 4.6中， S0為危險截面的靜強(qiáng)度安全系數(shù)； S0為靜強(qiáng)度許用安全系數(shù)， S0為只考慮彎曲時的靜強(qiáng)度安全系數(shù)； S0為只考慮扭轉(zhuǎn)時的靜強(qiáng)度安全系數(shù)。 S0=maxmax MWss （ 3.20） S0=maxmax TW Tss （ 3.21） 式 3.19和式 3.20中，s、s為軸材料的抗彎、抗扭屈服極限（ MPa）， Mmax、 Tmax為軸危險截面上的 最大彎距、最大轉(zhuǎn)距（ N mm） ；W、 WT 為軸危險截面的抗彎、抗扭截面模量。 S 0 = 13432411 103.123533 S 0 = 22039400 106.243533 所以： S0 =020200SSSS=221 3 4 2 2 01 3 4 2 2 0S0 31 故軸的靜強(qiáng)度合適。 3.4 軸承的選擇和校核 3.4.1 選擇軸承 根據(jù)軸的負(fù)荷力方向，選用帶立式外球面軸承，該軸承額定動負(fù)荷比為 1；能承受一定的雙向軸向負(fù)荷；軸向位移限制在軸向游隙范圍內(nèi)；可自動調(diào)心，內(nèi)圈比較寬，便于裝拆。內(nèi)外圈軸線間允許角偏位為 8 到 16 ,軸承型號： U8000型（ GB/T3882-95） 。 3.4.2 軸承的選用計(jì)算 機(jī)床一般傳動軸的滾動軸承失效形式，主要是疲勞破壞，所以進(jìn)行軸承的疲勞壽命計(jì)算，就是計(jì)算已知軸承在給定載荷下，不發(fā)生疲勞點(diǎn)蝕的壽命；或在給定載荷下，通過計(jì)算，選擇在預(yù)定壽命內(nèi)不發(fā)生疲勞點(diǎn)蝕失效的可用軸承。滾動軸承壽命計(jì)算公式為 : 61010 ()60 ThfCL nP （ 3.22） 表 3.4 載荷系數(shù) 載荷性質(zhì) pf 舉例 無沖擊或輕微沖擊 1.01.2 電動機(jī) 、汽輪機(jī)、通風(fēng)機(jī)、水泵等 中等沖擊或中等慣性力 1.21.8 車輛 、 動力機(jī)械 、 起重機(jī) 、 造紙機(jī) 、 冶金機(jī)械 、 選礦機(jī) 、 卷揚(yáng)機(jī) 、 機(jī)床等 強(qiáng)大沖擊 1.83.0 破碎機(jī) 、 軋鋼機(jī) 、 鉆探機(jī) 、 振動篩等 根據(jù)表 3.4查得，取pf=1.2。根據(jù)文獻(xiàn) 8 查 得 C=33200N P=pf (XFr +YFa) =1.2 ( 0 . 5 6 5 5 0 0 1 . 7 3 8 2 7 0 0 ) N =9327N 66 3101 0 1 0 3 3 2 0 0 0 . 9 5( ) ( ) 1 3 5 6 1 1 0 0 0 06 0 6 0 2 6 9 3 2 7ThhfCL h LnP h 符合要求，確定選用。 軸承壽命和額定動負(fù)荷的修正計(jì)算 1 2 3 1 0naL a a a L (3.23) 式 3.22中naL 修正后 的額定壽命 ； 1a 可靠性不等于 90%時的壽命修正系數(shù) ； 2a 非常規(guī)材料的修正系數(shù) ； 3a 非常規(guī)定運(yùn)轉(zhuǎn)條件壽命修正系數(shù) ； 10L 常 32 規(guī)軸承材料 ,正常運(yùn)轉(zhuǎn)條件和可靠性為 90%的額定壽命。 1 . 3 1 1 . 2 1 . 9 2M T H M T HC g g g C =2.996 3 . 6( / 5 8 )Hg H R C =1.2 式中Mg 材質(zhì)系數(shù) ； Tg 溫度系數(shù) ； Hg 硬度系數(shù)。 由于本設(shè)計(jì)中需要軸轉(zhuǎn)速度不高 ,所以就不計(jì)算軸承極限轉(zhuǎn)速。 3.5 鏈輪軸鍵的選擇和鍵聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算 3.5.1 鍵的類型選擇 鍵的類型選擇根據(jù)軸及鏈輪轂的結(jié)構(gòu)，使用要求和工作狀況來選擇，還應(yīng)該考慮傳遞轉(zhuǎn)距的大?。惠S上零件是否需要沿軸向移動及滑移距離的長短；對中性要求 ；鍵在軸的中部還是在端部等，本設(shè)計(jì)采用普通平鍵，適合使用在鏈輪鏈傳動中。 鍵的主要尺寸為其剖面尺寸（鍵寬 b 鍵高 h）與長度（ L）。鍵的剖面尺寸 b h依據(jù)軸的直徑 d由標(biāo)準(zhǔn)中選取。鍵的長度 L一般可按輪轂的長度選定，即鍵長略短于輪轂長，并符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的長度系列。 根據(jù)軸徑 d=35mm，輪轂長 L =50mm由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊取鍵寬 b=10mm，鍵高 h=11mm鍵長L1=90mm和 L2=45mm。 3.5.2 計(jì)算鍵工作面剪切 4 TD b K 所以有 34 1 7 .0 5 1 03 5 5 8 0=43.4 N/mm2 =90 N/mm2 式中 T 傳遞最大轉(zhuǎn)矩 (Nmm)； D 軸的直徑 (mm)； K 鍵與輪轂接觸高度 (mm)； b 鍵寬 (mm)。 3.5.3 計(jì)算鍵工作面擠壓 平鍵聯(lián)接可能的失效形 式有：較弱零件（通常為輪轂）的工作面被壓潰（靜聯(lián)接），工作面過度磨損（動聯(lián)接），個別情況會出現(xiàn)鍵被剪斷。對于尺寸按標(biāo)準(zhǔn)選擇的平鍵聯(lián)接，壓潰和磨損是其主要的失效形式，因此，通常只作聯(lián)接的擠壓強(qiáng)度或耐磨性計(jì)算。 在工程設(shè)計(jì)中，假定壓力沿鍵長和鍵高均勻分布，則可按平均擠壓強(qiáng)度或耐磨性的條件計(jì)算，即靜聯(lián)接 P = ldhT2 P （ 3.24） 33 根據(jù)文獻(xiàn) 7查得表 3.5中， 表 3.5 鍵聯(lián)接的許用擠壓應(yīng)力和壓強(qiáng) 許用值 聯(lián)接方式 聯(lián)接零件中較弱零件的材料 載荷性質(zhì) 靜載荷 輕微沖擊 沖擊 p 靜聯(lián)接 鋼 125150 100120 6090 鑄鐵 7080 5060 3045 p 動聯(lián)接 鋼 50 40 30 靜聯(lián)接 鋼 120 90 60 許用擠壓應(yīng)力 , P =30 45MPa 計(jì)算工作轉(zhuǎn)距 T=9.55 106 P/n =17.05 103 N mm 強(qiáng)度驗(yàn)算 鍵的工作長度 : l=L-b=(90-10)=80mm 擠壓高度 : h =2h=112=5.5mm 擠壓 : P =ldhT2= 42 1 . 7 0 5 1 0 2 2 . 1 43 5 5 . 5 8 0 N/mm2 P =40 Pa N/mm2 此鍵安全。 3.6 螺栓的選擇和校核 螺栓型號： GB5782-2000-M12 30 性能等級為 8.8. 根據(jù)接合面不滑移條件要求螺栓所必須的預(yù)緊力 F0 F0 fzmFkn (3.25) 式 3.24中， kn為可靠系數(shù)，通常取 kn=1.1 1.3, f 為接合面摩擦系數(shù) f=0.060.10, m 為接合面數(shù)目 , z 為螺栓數(shù)目。 F0 121.0 3942.1 =2364N 由于預(yù)緊，螺栓螺紋部分除了受預(yù)緊力 F0 所產(chǎn)生 的拉應(yīng)力作用外，還受到螺紋摩 34 擦力距 T1引起的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力。拉應(yīng)力 =4 F0/（ 21d）；剪應(yīng)力 =16T1/( 31d)=16F0（ d2/2） tan(v)/( 31d)=2d2tan(v)/d1 4 F0/（ 21d） . 對于常用的 M10 M68的普通螺栓，將 d1/d、 的平均值帶入，并取v=arctan0.15, 則得 0.5 。由第四強(qiáng)度理論，可得螺栓螺紋部分的強(qiáng)度條件為 : 3.1)5.0(33 2222 3.14 210 d F (3.26) 式 3.25中， 為緊螺栓聯(lián)接中螺栓的許用拉應(yīng)力（ MPa）查參考文獻(xiàn) 2得 =Ss S=6.5 100/b=8 b=800Mpa s=640MPa 10 (bs)=10 (800s)=8 =Ss= 5.985.6640 MPa 21 03.14 d F = 21214.3 2643.14 =3.03 MPa 螺栓合格。 3.7 本章小結(jié) (1) 在本章中比較細(xì)致的介紹了光環(huán)投影 測量 機(jī)設(shè)計(jì) 動力部件的選擇處理和對該部件的校驗(yàn)計(jì)算 ,安全計(jì)算等。 (2) 對原木檢測機(jī)傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和以及相應(yīng)部件的校核。 (3) 對于本章有些部件的計(jì)算有些不夠精確的地方，希望給予諒解，本設(shè)計(jì)僅屬于是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)計(jì)算。 35 第 4章 檢測機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 4.1 檢測機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本設(shè)備的檢測機(jī)構(gòu)采用框架式，框架全部采用型鋼制作，結(jié)構(gòu)簡單，便于制作和安裝；強(qiáng)度和剛度較好，且機(jī)構(gòu)的幾何精度易于保證。檢測架上安裝 8個檢測擺 桿，擺桿一端連接擺動軸，擺動軸端安裝著角度傳感器。這樣，當(dāng)原木由檢測框中通過時，擺桿的運(yùn)動就可以帶動角度傳感器轉(zhuǎn)動，從而輸出電壓信號。為了保證檢測框和機(jī)架相對位置的精度，設(shè)計(jì)時采用了精密定位銷對角定位的方式，使檢測框和機(jī)架實(shí)現(xiàn)精確裝配，保證了檢測架相對于機(jī)架基準(zhǔn)面的對稱度和垂直度。檢測框與機(jī)架的連接采用螺栓聯(lián)接的方式，增強(qiáng)了檢測架的抗震性和穩(wěn)定性，保證了檢測精度。檢測擺桿與原木接觸的一端安裝滾輪，減輕了擺桿的磨損；擺桿的軸端安裝了回位、壓緊彈簧，使擺桿在檢測過程中桿端滾輪緊貼原木表面。角度傳感器的固定板與擺 桿座設(shè)計(jì)為一體件，這樣在加工時可一次完成，保證了較高的同軸度。圖 4.1是檢測機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖： 1.檢測架 2.角度傳感器 3.檢測擺桿 4.原木位置 圖 4.1 檢測機(jī)構(gòu)圖 從檢測機(jī)構(gòu)圖 4.1可以看出， 8個檢測擺桿的檢測端在被檢測原木截面上的位置最好是均布的，這樣才能使檢測效果達(dá)到最好。在設(shè)計(jì)時，考慮到檢測的原木徑級的變化范圍較大，如果擺桿按其中任意一根原木的圓周進(jìn)行均勻布置，這勢必造成擺桿檢測端的位置在其他直徑原木的圓周上不是均勻分布的。為了滿足以上要求，我們借助CAD可以繪制出精確的擺桿位 置分布圖，如圖 4.2： 36 圖 4.2 擺桿位置分布圖 假設(shè)原木截面為近似圓形，我們作了 11個圓，每個圓形直徑相差 2cm，這些圓形都與底部的 V型槽接觸，這與實(shí)際工作中原木在設(shè)備上運(yùn)動時的位置情況十分接近。繪制出每個圓的圓心，通過圓心組繪制坐標(biāo)系，令這些坐標(biāo)系的 y軸重合， x軸隨圓的直徑加大而逐次向上排列，由圖 4.3可以看出，將最大圓和最小圓的 8個對應(yīng)均布點(diǎn)連接，每條直線都經(jīng)過這組圓的對應(yīng)均布點(diǎn)，這樣就可以確定擺桿的位置，實(shí)現(xiàn)無論原木徑級如何變化，擺桿檢測端在原木截面上都是較均勻分布的，檢測點(diǎn)之間的夾角都接近45度。 4.2檢測系統(tǒng)原理的計(jì)算 為了驗(yàn)證本文所提出的 8點(diǎn)檢測 4點(diǎn)組合回歸算法的精確度和設(shè)備的檢測性能，本實(shí)驗(yàn)所采用的原木外輪廓點(diǎn)數(shù)據(jù)組均為原木形狀識別機(jī)適時采集的數(shù)據(jù)。通過對這些原木形狀數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)處理，確定所檢測原木的各截面直徑、面積，以及原木的長度、材積值，然后利用這些數(shù)據(jù)與用人工測量數(shù)據(jù)計(jì)算出的原木參數(shù)進(jìn)行比較，進(jìn)行誤差分析。 本實(shí)驗(yàn)采用自行研制的原木形狀識別機(jī)檢測原木截面周邊上的有限離散樣點(diǎn)。檢測機(jī)構(gòu)的檢測原理如圖 4.3和圖 4.4所示： 在原木經(jīng)過位于機(jī)身中部的檢測框時，檢測框上面按圓周形式布置 的 8根檢測擺桿的底端觸頭落到原木表面上，各擺桿展開一定角度。在原木移動過程中，原木表面的凹凸起伏引起每根擺桿角度的變化，從而使檢測擺桿固定端上的角度傳感器輸出值產(chǎn)生變化。由此可計(jì)算出原木截面圓周上采樣點(diǎn)的坐標(biāo)值。 將檢測框左下角作為直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)，檢測框底邊水平方向作為 X軸，左邊垂 直 37 的方向作為 Y軸。設(shè) Dx， Dy分別表示擺桿軸端的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)， d為擺桿在檢測框。 圖 4.3 檢測框坐標(biāo)系 圖 4.4 檢測狀態(tài)模擬圖 平面 XOY上的投影值， 為擺桿與 X軸負(fù)方向的夾角，則原木任意截面周邊上的樣點(diǎn) 坐標(biāo)可由下式確定： x=Dx+d cos y=Dy-d sin (4.1) 若擺桿長度為 l，擺桿的擺角為 ，則有： d=I cos (4.2) 做原木的長度計(jì)算時，我們分析了原木在運(yùn)動過程中的特點(diǎn)，如圖 4.5： 原木跟隨輸送機(jī)鏈條做勻速運(yùn)動，設(shè)定速度為 12m/min。當(dāng)原木與檢測擺桿接觸后，會推動檢測擺桿繞軸轉(zhuǎn)動，在這個過程中，原木的移動位置 vt和檢測擺桿的擺動。 垂直方向（ m） 水平方向（ m） 垂直方向（ m） 水平方向（ m） 38 圖 4.5 原木運(yùn)動與擺桿位置關(guān)系 角度 以及旋轉(zhuǎn)軸軸線到原木與檢測擺桿的接觸點(diǎn)的垂直距離 h三者之間存在如下關(guān)系： vt htag (4.3) 上式表明從原木與檢測擺桿接觸推動其擺動到原木端面與檢測擺桿分離這段時間內(nèi)，對于同一根原木，由于旋轉(zhuǎn)軸軸線到原木與檢測擺桿的接觸點(diǎn)的垂直距離 h是不變的，所以原木運(yùn)動距離與檢測擺桿轉(zhuǎn)角的正切值的比是一個定值。當(dāng)上式成立時，可以判定檢測點(diǎn)沒有落在原木的表面上，否則即可 認(rèn)為檢測開始。 當(dāng)原木與檢測擺桿脫離時，情況與上述不同，可以將檢測擺桿下落的過程近似看作單擺運(yùn)動來加以分析如圖 4.6，當(dāng)原木和檢測擺桿脫離時， 0號擺桿回落時是做單擺運(yùn)動，其它 7個擺桿可看作近似單擺運(yùn)動，根據(jù)單擺運(yùn)動周期公式有： 2 lT g (4.4) 其中： T-擺桿擺動周期； l-擺桿長度； g-重力加速度 圖 4.6 原木運(yùn)動與擺桿位置關(guān)系圖 39 4.3 檢測機(jī)構(gòu) 的零件的選擇和校核 4.3.1 傳感器的選擇和原理 本設(shè)計(jì)采用的是 XSDA30型變阻器式角位移傳感器 , 變阻器式角位移傳感器也稱為電位器式傳感器。 根據(jù)歐姆定律 : IRA (4.5) 其中 是電阻率 (mm2 /m)； I 是電阻線長度 (m)； A 是電阻線截面積 (mm2 )。 當(dāng)電阻線的直徑與材料一定時 ,其電阻值隨電阻線長度變化而變化。 常用變阻器式傳感器有直線位移型 ,角位移型等。變阻器式傳感器是一個三端電阻器件 ,調(diào)節(jié)動觸點(diǎn)位置可以將被測位移 ,角度等轉(zhuǎn)換為電壓的變化 ,當(dāng)導(dǎo)線分布均勻時 ,單位位移的電阻值是一常數(shù) ,傳感器的輸出和輸入成線性關(guān)系。圖 4.7是變阻器式角位移傳感器工作 原理圖： 圖 4.7 變阻器式角位移傳感器工作原理圖 adRSkda (4.6) 表 4.1 XSDA30型變阻器式角位移傳感器主要參數(shù) 項(xiàng)目 值 項(xiàng)目 值 標(biāo)稱阻值（ k） 1、 2、 3、 4 總組公差（ %） 15、 20 獨(dú)立線性度（ %） 0.3、 0.5、 1 理論電器轉(zhuǎn)角（） 330 5、 330 10 分辨率 理論上無限 輸出平滑性（ %） 0.1 機(jī)械轉(zhuǎn)角（） 360（連續(xù)） 啟動力矩（ mN.m） 1 介質(zhì)耐壓（ v） 500（ AC.RMS） 1min 絕緣電阻（ M） 1000（ 500VDC） 旋轉(zhuǎn)負(fù)荷壽命（圈） 10 10 耐濕 90%RH240h 表 4.1是 XSDA30型變阻器式角位移傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo) 。 40 變阻器式傳感器結(jié)構(gòu)簡單 ,性能穩(wěn)定 ,使用方便。用導(dǎo)電塑料制成的角度傳感器克服了繞線式角度傳感器分辨率低 ,觸點(diǎn)和電阻絲接觸表面易磨損 ,附著塵埃等缺點(diǎn) ,同時也避免了觸點(diǎn)移動中 ,接觸電阻發(fā)生不規(guī)則變化而產(chǎn)生的噪聲。 4.3.2 檢測擺桿軸的選擇和校核 根據(jù)檢測擺桿的工作原理可以知道 ,擺桿軸是起支承轉(zhuǎn)動零件用的 ,所以該軸屬于心軸 ,只承受彎矩而不傳遞轉(zhuǎn)矩的 ,要進(jìn)行彎曲剛度計(jì)算 ,由于該軸應(yīng)用于精度很高的檢測中 ,對軸的精度要求也是很高 ,因?yàn)閭鞲衅髦休S受的力很小 ,就不對它進(jìn)行詳細(xì)的校核了 ,只是簡單列下軸的彎曲剛度的計(jì)算 公式。 彎曲剛度的計(jì)算 ,彎曲剛度只需計(jì)算軸的最薄弱環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)角和撓度 ,確定計(jì)算的條件 ； yy (4.7) 其中 y 計(jì)算部位的計(jì)算撓度值 (mm)；y 允許撓度值 (mm)； 計(jì)算部位的計(jì)算轉(zhuǎn)角值 (rad)； 允許轉(zhuǎn)角值 (rad)。 4.3.3 彈簧絲的選擇和計(jì)算 本設(shè)計(jì)采用的彈簧是螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧 ,彈簧負(fù)荷屬于一級負(fù)荷 ,受負(fù)荷作用次數(shù)在61 10 次數(shù)以上 ,彈簧工作條件一般，故選用價格較低的 C級碳素彈簧鋼絲，扭轉(zhuǎn)彈簧一般用于壓緊 ,儲能或傳遞轉(zhuǎn)距等。 扭轉(zhuǎn)彈簧的強(qiáng)度條件是 m a x 3 0 . 1 WK M K T K TW W d (4.8) 其中， M 和 T 分別是彈簧截面受彎矩和轉(zhuǎn)矩， W 是彈簧抗彎截面系數(shù)，對圓形截面有 33/ 3 2 0 . 1W d d， K 是曲度系數(shù)，對圓截面有 ( 4 1 ) / ( 4 4 )K C C ， W是許用彎曲應(yīng)力，參考文獻(xiàn) 2 。 取螺旋比 C =6，所以有 K =1.15, 取 W=0.5b 彈簧絲直徑 d的試算值由式 8 / 8 6 1 . 1 5 2 0 0 / 5 8 5d C K T =6.3mm 7d mm d 扭轉(zhuǎn)彈簧因扭轉(zhuǎn)變形而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角可按材料力學(xué)公式作近似計(jì) 算。 21 8 0 /T D n E I (4.9) 其中 , I 是彈簧絲截面慣性矩 ,對圓截面 4 / 64Id ；E 是彈簧材料的彈性模量 . 41 計(jì)算彈簧圈數(shù)，彈簧工作圈數(shù) n由 322/ ( 8 ) 8 . 1n G d F C，取 n=8圈。彈簧兩端死圈各取 1圈彈簧總數(shù) n1為， n1=n+2=10圈。 高徑比 b=H0/D2=2.93, b3.7不需進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。 檢查最小間隙，軸向間隙 6 .7 1td mm 單圈彈簧最大變形量為 2 / 4.44n mm 最小間隙 12/ 2 . 2 7n mm 0.1 0.6dmm 滿足要求。 結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的確定，彈簧外徑 2 20D D d mm 彈簧內(nèi)徑 2 16D D d mm 彈簧絲展開長度 21 / c o s 1 5 0L D nmm 彈簧剛度 3/ ( 8 ) 1 9 . 4 3 6SC G d C nN/mm 4.3.4 傳感器中軸承的選擇和計(jì)算 本設(shè)計(jì)的檢測機(jī)構(gòu)中傳感器的軸承選用雙面帶防塵蓋的深溝球軸承 6000-2Z型(GB/T276-94)，該軸承的特性是同深溝球軸承，防塵性好，裝配時加入潤滑劑，安裝使用時不用清洗和添加潤滑劑。 對軸承疲勞壽命計(jì)算 ,根據(jù)文獻(xiàn) 7中查得 61010 ()60 ThfCL nP （ 4.10） 根據(jù)表 3.4查得，取pf=1.2。根據(jù)文獻(xiàn) 8 查得 C=25800N P=pf (XFr +YFa ) =1.2 ( 0 . 4 8 5 5 0 0 1 . 1 2 7 0 0 ) N =8356N 42 66 3101 0 1 0 2 5 8 0 0 0 . 9 5( ) ( ) 1 2 5 8 3 1 0 0 0 06 0 4 0 2 6 8 3 5 6ThhfCL h LnP h 符合要求，確定選用。 運(yùn)轉(zhuǎn)精度，發(fā)揮軸承的工作能力有重要作用，支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要綜合考慮軸承的配置，總的要求是保證功能 ,安裝 ,調(diào)整方便，由于本軸承應(yīng)用于高精密的檢測機(jī)構(gòu)中 ,所以 會經(jīng)常的對軸承進(jìn)行潤滑和更換。 4.4 本章小結(jié) (1) 本章設(shè)計(jì)了光環(huán)投影 測量 機(jī)設(shè)計(jì) 的檢測機(jī)構(gòu)，分析了各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)以及檢測機(jī)構(gòu)的原理。 (2) 對檢測機(jī)構(gòu)重要零件進(jìn)行了計(jì)算。 (3) 為今后光環(huán)投影 測量 機(jī)設(shè)計(jì) 的設(shè)計(jì)儲備了詳盡的圖紙資料。 43 結(jié) 論 在我國的制材行業(yè)中，應(yīng)用光環(huán)投影 測量 機(jī)設(shè)計(jì) 的企業(yè)還不是很多。而國外一些發(fā)達(dá)國家在這方面的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，多數(shù)大型制材廠在對原木進(jìn)行加工前，都對原木的外形進(jìn)行檢測，以達(dá)到優(yōu)化下鋸的目的，大大提高了原木材料的利用率。隨著森林資源的減少和木制 品市場需求的增加，合理地利用原木材料便顯得尤為重要。應(yīng)用原木形狀識別技術(shù)，提高原木的出材率，是目前我國制材企業(yè)發(fā)展的必由之路。 由于我國的木材加工工業(yè)飛速發(fā)展，對原木加工時的尺寸要求越來越高。采用機(jī)化檢測手段可以迅速提高對原木形狀尺寸的識別效率，增加檢測精度，提高下鋸優(yōu)化率。本文所研究的原木檢測機(jī)，采用近似檢測理論，可極大地簡化設(shè)計(jì)，使設(shè)備有成本低，檢測效率高，檢測精度高等特點(diǎn)。本文在對檢測原理進(jìn)行研究，結(jié)構(gòu)選型行論證，檢測過程進(jìn)行分析的工作中，得出了以下結(jié)論： (1)提出并采用了 8點(diǎn)檢測、 4點(diǎn)組合回歸方 法測量原木形狀，由于檢測點(diǎn)少，檢機(jī)構(gòu)簡單，對采集到的數(shù)據(jù)運(yùn)用充分，因此具有其可行性。 (2)檢測系統(tǒng)在原木數(shù)據(jù)采集過程中，采用了動態(tài)實(shí)時在線采集方式，即在原木輸過程中完成數(shù)據(jù)采集，設(shè)備具有較強(qiáng)的實(shí)用性。 (3)本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的原木檢測機(jī)具有較多分析處理功能，克服了國外以往原木測設(shè)備只局限于測算原木材積這一項(xiàng)上的缺陷。 (4)由于本設(shè)備處理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)原木外形輪廓的計(jì)算機(jī)模擬再現(xiàn)，而且再現(xiàn)過程建立在設(shè)備數(shù)據(jù)庫擁有大量原木實(shí)采參數(shù)的基礎(chǔ)上，因此可實(shí)現(xiàn)原木的計(jì)算機(jī)模擬鋸加工，并將數(shù)據(jù)提供給數(shù)控帶鋸機(jī)，實(shí)現(xiàn)制材 的數(shù)字化。 (5)原木檢測數(shù)據(jù)可實(shí)時傳遞到廠內(nèi)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，可極大地提高制材企業(yè)的科學(xué)管水平。 對設(shè)備的改進(jìn)設(shè)想如下： (1)將接觸式測量改為非接觸式測量，用國外通常采用的激光器代替變阻器式角度感器。 (2)將檢測點(diǎn)數(shù)提高一倍，即采用 16點(diǎn)測量，使檢測精度達(dá)到較高的水平。 (3)考慮改變原木在通過原木檢測機(jī)檢測框時的運(yùn)動方式，實(shí)現(xiàn)使原木的縱向運(yùn)動旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的組合，以形成更加逼真的原木外包絡(luò)數(shù)據(jù)空間。 44 參考文獻(xiàn) 1金維洙 ,蔡立新 ,韓玉杰等 .世界原木定心技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 J.世界林業(yè)研究 ,2009, 12 (4):28-31. 2王三民 ,諸文俊 .機(jī)械原理與設(shè)計(jì) M.機(jī)械工業(yè)出版社 , 2010,12. 3宋貴江 .貯木場原木縱向輸送機(jī)的類型分析 J.森林工程 ,2010,12(5):16-17 4王世剛 ,張秀親等 .機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐 M.哈爾濱工程大學(xué)出版社 ,2009,2. 5肖敏慎 .原木輸送機(jī)的設(shè)計(jì) J.湖南農(nóng)機(jī) ,2008,16(3):12-13. 6許恒勤 .原木輸送機(jī)與物料機(jī)械化運(yùn)輸 J.森林工程 ,2010,17(6):19-20. 7陳鐵鳴，王連明 .機(jī)械設(shè)計(jì) M.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 ,2009.8. 8王連明 .機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì) M.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社