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新型墙体保温材料分切机的设计与研究刘平 武汉理工大学 （申请工程硕士学位论文)新型墙体保温材料分切机的设计与研究2016 年5月分类号 密 级 UDC 学校代码 10497 学位论文题 目 新型墙体保温材料分切机的设计与研究 英 文 Design and Research of Slitter Based on New Type 题 目 of Wall Insulation Materials 研究生姓 学位授予单位 2016年5月独 创 性 声 明本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签 名： 日 期： 学位论文使用授权书本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人承诺所提交的学位论文（含电子学位论文）为答辩后经修改的最终定稿学位论文，并授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。（保密的论文在解密后应遵守此规定）研究生（签名）： 导师（签名）： 日期：中文摘要近年来，以发泡水泥为代表的新型墙体保温材料因具有特殊的多孔结构和优良的保温性能等优点被广泛应用于建筑、交通等领域中。它的成型需要进行大量的分切工作，分切机作为必不可少的设备，是发泡水泥制品生产线的关键技术之一。国外的分切机已经研究的相当成熟，国内成型工艺和设备处于研究开发阶段，生产制品的精度和加工效率低，与国外仍有较大差距。分切机的研究与设计对提高发泡水泥制品的精度和效率有着重要的意义。本文以分切机为研究对象，采用多锯条对毛坯同时分切、连续分切、三维分切；同时也能根据实际尺寸规格的需要，调节锯片间距，分切出不同规格的制品。本文对发泡水泥分切机研究的主要内容如下：对发泡水泥的分切工艺以及国内外的相关领域进行了相应的分析和研究，总结现有分切工艺的优缺点，提出一种新的分切工艺；根据发泡水泥制品的固有特点以及实际要求，归纳总结适合发泡水泥的分切工具；结合新的分切工艺和分切系统的功能要求，分析分切机所要实现的动作，提出框锯切割、圆锯切割、带锯切割三种可行性方案，并选择带锯分切作为最终方案。根据所选方案，确定整个分切系统的整体布局，最大加工制品的规格以及最大外形尺寸等相关参数，对分切机的切割系统和传送系统进行了详细的结构设计，并利用三维软件对整个分切机进行了三维建模；根据设计要求对电机、气缸、锯片等关键的零部件进行了选型和计算；根据相关锯切理论，获得分切机切割速度、进给速度、锯切力等相关锯切参数。利用ANSYS软件对重要的结构件进行了有限元分析，得到相应的应力和变形图，确保了结构设计的合理性，并为后期的结构优化提供依据。阐述了整个发泡水泥制品分切系统的控制动作，选用PLC作为核心控制器对开关量和模拟量进行控制；阐述了整个控制系统的结构组成并对控制系统硬件进行了选型。列出了PLC输入输出点，绘制控制系统的流程图。关键字：发泡水泥，三维分切，结构设计，有限元，PLCIAbstractIn recent years, it has been widely used in architecture and traffic for thermal insulation material of the new-type wall represented by the foam cement due to the special porous structure and the good thermal insulation performance. Its shape needs a lot of slitting work, and the slitter, as an essential device, is one of the crucial technologies for production line of the foam cement products. The research on the foreign slitter is quite mature, however processed products is the low precision and efficiency for shaping process and devices in development on the domestic. There are the great differences compared with that of the foreign. The research and design of the slitter are important for improving the precision and efficiency of producing the foam cement.The purpose of the paper is to study and design a slitter, make it possible to cut roughcast with multi saw blades in the meantime, which can achieve the function of synchronous cutting, continuous cutting and three-dimensional cutting. Meanwhile, it also can cut products with different specifications to adjust the distance between saw blades according to the requirements of the specification of the actual size. The main contents researched in this paper are as follows for the foam cement slitter.A new cutting craft is put forward, based on the merits and drawbacks of cutting craft which is generalized by studying the cutting craft of foam cement from home and abroad. And suitable tools for foam cement products is summarized according to the intrinsic characteristics and the actual requirements. Three feasible plans which are frame saw cutting, circular saw cutting and band saw cutting, is presented by uniting the new cutting system and analyzing the moves. And the band saw cutting was chosen as the final plan.According to the chosen plan, the relevant parameters including the general layout, the specification of the maximum processed product and the maximum boundary dimension are ascertained, as well as the detailed structure design of the slitting system and delivery system of the slitter are carried out by the three dimensional software. Moreover, some relevant parameters are presented as well, like the cutting machines cutting speed, feed speed, and the maximum specification of the processing products. To get the relevant stresses and deformation bitmaps and to ensure the rationality of the structure optimization, some significant structural members is analyzed by ANSYS software.This thesis elaborates the controlling principle of the whole cutting system of foam cement products, presents PLC as the core controller to control the switch value and analog quantity. And hardware composition in control system is presented too. In addition, this paper lists PLC diagram of input and output points and draws the flow chart of the control system.Key Words: Foam Cement, Three-dimensional Slitting, Structural Design, Finite Element, PLC 目 录中文摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 概述11.1.1 泡沫混凝土制品的特点11.1.2 泡沫混凝土制作工艺以及设备21.2 分切机的国内外研究现状41.2.1 国外研究现状41.2.2 国内研究现状51.3 课题研究的目的与意义51.4 课题的来源及主要研究内容61.4.1 课题的来源61.4.2 主要研究内容6第2章 墙体保温材料分切机的方案设计82.1 分切工艺的选择82.2 切割系统的方案设计92.2.1 锯切方式的选择102.2.2 切割方案设计102.3 传送系统的方案设计132.4 方案评价152.5 本章小结16第3章 分切机结构设计173.1 切割工艺参数的确定173.1.1 锯条参数的确定173.1.2 锯切工艺三要素的计算183.2 分切机的整体结构设计203.3 切割工位结构设计223.3.1 主运动结构设计223.3.2 进给运动结构设计253.3.3 工位锯切工作台结构设计263.3.4 关键零部件的选型与计算263.4 、切割工位结构设计283.4.1 、工位的主运动结构设计293.4.2 锯片调节装置结构设计303.4.3 工位切割平台结构设323.4.4 关键零部件的选型与计算323.5 传送系统结构设计333.5.1 输送平台343.5.2 转位衔接装置363.5.3 90翻转机构373.6 本章小结38第4章 分切机控制系统设计394.1 分切机工艺流程394.2 分切机控制系统的方案394.3 分切机控制系统硬件设计414.3.1 分切机控制系统的组成414.3.2 PLC的选择与I/O口的分配414.4 分切机程序控制流程图434.4.1 切割系统流程图434.4.2 传送系统流程图444.5 本章小结45第5章 分切机的静力学分析465.1 有限元的简介465.2 锯框安装架的有限元分析485.2.1 锯框安装架变形理论值计算485.2.2 框锯安装架的有限元分析495.3 花键轴的有限元分析515.3.1 花键轴的受力分析515.3.2 花键轴的有限元分析515.4 本章小结53第6章 总结与展望546.1 总结546.2 展望54致 谢56参考文献57附录A 攻读研究生期间发表的学术成果6061武汉理工大学硕士学位论文第1章 绪论1.1 概述近年来，国家将建筑节能列入可持续发展的重要战略举措，如何提高外墙保温、隔热性能是建筑领域的重点。新型墙体保温材料在建筑领域广泛应用，需求量也日益增多，大有代替了传统建筑材料的趋势1。如图11所示，以硅酸盐水泥为主要成分制作而成的新型墙体保温材料，也称为轻质泡沫混凝土，是新型墙体保温材料的主要代表。它是一种环保、节能的墙体保温材料，属于节能环保型产品，有很好的发展前景。因具有特殊的多孔结构和优良的保温性能等优点，被认为是一种普遍适用于内、外墙理想的建筑节能保温材料23。在外墙、非承重墙及热力管道的保温层等方面有着重要的应用价值4。图11 泡沫混凝土泡沫混凝土制品的发展离不开它的制备工艺和设备。在国外，泡沫混凝土的制备有完善的工艺和成熟的设备；在国内，尽管有些公司在自主开发其制造设备，但是开发的设备自动化程度、制造精度等方面与国外的水平还有一定差距，主要体现在制品的分切方面。1.1.1 泡沫混凝土制品的特点轻质泡沫混凝土制品一般都是以立方形砌块为主，市场上制品在北方是以600mm300mm200mm规格为主，南方以300mm200mm200mm规格为主。不同的使用场合，制品的规格也不同。因其优越的性能和特点被建材领域广泛所使用，其特点主要有以下几方面56：轻质保温性：它的密度大约在180kg/m3300kg/m3之间，大约是混凝土的1/5左右，普通粘土砖的1/3左右，很大程度上降低建筑物的自重。内部存在大量封闭的细小孔隙，因此具有良好的保温隔热性能7。防火、抗震性：它的主要成分是无机非金属材料，不宜燃烧，防火性能好，能有效抑制火灾；密度轻，大大降低地基的载荷，提高了地基抗震性能。隔声保湿性：具有大量的气孔结构，具有良好的隔音效果，能够有效的降低噪声；室内环境的改变会影响自身含水量的变化，能够调节室内湿度；这些特点能有效改善居住环境。1.1.2 泡沫混凝土制作工艺以及设备(1) 泡沫混凝土制作工艺目前，国内泡沫混凝土制品主要有注模成型和切割成型两种成型工艺89，它们的制备过程与普通混凝土有很大的不同。如图12所示，注模成型工艺是将水泥和发泡剂经过搅拌后充分混合的泥浆浇注到成型模具中，再进行室内蒸汽养护、包装码垛，这种制作工艺能够直接成型。它的优点是制品性能好，设备自动化程度高，大批量生产成本低；但制品的产量大、尺寸规格繁多，需求成型模具数量多、规格齐全，导致企业一次性投入资金数额大。图12 注模成型工艺如图13所示，切割成型工艺是将水泥和发泡剂经过搅拌后充分混合后的泥浆浇注到大型毛胚模具中，经室内养护后，对毛胚进行脱模、分切、包装、码垛。脱模机将成型的大体积毛胚块从模具中分离之后，分切机对大体积毛胚进行切割，得到不同尺寸的制品。这种制作工艺对只需要的毛胚模具，数量和规格少；但是需要额外增加分切设备，且对分切机要求高，切割中也会出现一些废品，产生一些边角废料，浪费材料。图13 切割成型工艺两种制备工艺的不同主要看是否用到切割工艺，对砌块进行分切。目前国内外主要以切割成型作为主要的制备工艺。国外大部分采用现代化的蒸压切割工艺，产品质量好，效率高，有其大众的主导产品。但是国内泡沫混凝土大部分为自然养护后再切割成型，周期时间长，生产能力有限，制造规模偏小，制品的精度低，应用的场合多处于中低端市场10。(2) 国内泡沫混凝土的制作设备现阶段我国的泡沫混凝土制品的制备工艺主要以切割成型工艺为主，其制造设备效率低、精度差、废品多、小型化。制备的过程主要分为原料制备、搅拌混合、脱模切割、包装码垛等几大工艺构成11，各个工艺都需要相应的设备，如表11所示。表11 设备需求原料制备搅拌混合脱模切割包装码垛其他设备粉磨机搅拌机脱模机包装机胚料输送系统配料设备发泡机去皮切割机码垛设备胚料搬运车断块切割机自制模箱分切机作为切割成型工艺的重要设备之一，对泡沫混凝土砌块的制备影响大。但国内泡沫混凝土制品的切割成型工艺刚开始从国外引进，相关的配套设备还刚处于研发阶段，大多数设备都是从国外进口，特别是分切设备。本文对泡沫混凝土制品的分切机进行研究，设计一台三维分切机。1.2 分切机的国内外研究现状1.2.1 国外研究现状国外对轻质泡沫混凝土的切割研究主要在理论方面比较多，对切割过程分析全面，为设备的开发提供许多技术支持。这些理论主要包括混凝土锯切机理的研究、切割混凝土锯切力与切削速度的研究1216等。国外很多学者对新型墙体保温材料的锯切原理做过大量的研究，他们是以泡沫混凝土为研究对象，分析其内部的结构特征，观察锯切中切屑的形成过程，得到切削形成的机理，它与普通的钢铁材料形成机理不完全相同。其中，P.Bienert17提出泡沫混凝土的加工模型，该模型将切割过程分为三个区域：锯齿前方，在锯条的挤压作用下，砌块坯料被压碎，形成主切屑，并被排出切削区；锯齿下方，由于切削压力和切削热的影响，砌块坯料发生塑性变形，形成二次切削，剪切面形成光滑表面；锯齿后方，切削完成后弹性应力的突然释放，导致之前切割表面粗糙度变大。B.Denkena18等人通过使用锯条分别对结构钢、奥氏体钢以及泡沫混凝土进行切削实验，研究发现表明：切割结构钢，切削后的实际尺寸大于锯条切削的理论尺寸，主要表现为塑性变形；切削奥氏体钢时，实际尺寸小于理论尺寸，切削过程中既存在塑性变形也有弹性变型；切割泡沫混凝土时，理论尺寸要远大于实际尺寸，宽度方向上表现尤为显著，几乎接近2倍，因切削力作用而产生大块崩碎，具有脆性材料的破碎特征。在锯切中，切削力是分切机一个十分关键的参数，它直接反应锯片所承受载荷的大小，而且决定着分切机切削功率的选择。因此，国外学者通过大量实验的研究，结果表明切削力与切割的速度和切割深度有直接的关系。其中， H.K.Tonshoff19等人通过切割金属材料和发泡水泥的实验，发现不同的材料切削力都随着切割深度的增加而变大；切削金属材料时切削力和切割速度成正比，随着切割速度的增加而增大，但发泡水泥时切削力与切割速度成反比，随切割速度增加而减小。国外学者通过观察切削形成过程和锯切应力的实验分析，得到切削力与切割速度、切割深度三者之间的关系，高速切割的优势和缺点等相关理论；这些理论为分切机的研究提供了依据，为进给速度、切割功率等关键参数的选择提供理论依据。1.2.2 国内研究现状经过浇注成型的轻质泡沫混凝土是半成品，需要进行养护脱模切割，才能投入实际工程应用。国内对分切机的研究处于起步阶段，对理论的研究较少20，都是借助国外研究的理论成果，侧重于实际的应用。这些实际应用主要包括切割方式、多锯片切割以及对现有的工艺的改善。切割工艺中，切割方式的选择十分重要，不同的切割方式会影响切割效率、制品精度。我国的分切机是在切割方式的选择上逐渐发展起来的。起初，发泡水泥材料在我国建材领域并没有发展，某些厂商为了获得隔板墙，依靠手工割据的形式来获得最终成品，这种生产方法效率极低，且无法保证产品尺寸，造成废品的概率极高。随着切割技术的深入研究，国内有些厂家开始使用框锯作为锯切工具，但框锯都是采用曲柄连杆机构，回程中没有参与锯切工作，生产效率低21；切割过程中的振动，噪音都很大，无法得到高精度的制品。在这种情况下，圆锯切割22应运而生，它能够进行高速切割，切割的效率比框锯提高了好几倍；但圆锯切割中，锯盘厚、锯路大等缺点导致切割浪费材料。基于框锯和圆锯的一些缺点，国内有些工程师使用带锯作为切割刀具，带锯条能够实现连续切割，锯片薄，浪费材料少，但对多锯条同步锯切还没有做过相关的研究。国内的建材领域包括切割技术都在一步一步实现规模化发展趋势，现阶段，我国的切割设备技术呈现出区域集中化发展趋势，泡沫混凝土制品有了越来越广泛的市场，从而带动了水泥发泡切割设备的生产与使用。对于我国发泡水泥发展的现状而言，其配套生产设备具有设备单一、小型化以及生产的制品精度低等特点23。1.3 课题研究的目的与意义新型墙体保温材料有很多传统建筑材料无法代替的优势。它的制备需要经过材料混合、注模、脱模、切割、养护、包装等步骤。它浇筑成型的产品都是大型毛胚，需要进行切割，才能得到所需尺寸的制品。切割是整个成型过程中的重要的环节之一，其直接决定着产品表面质量、加工效率和劳动成本的投入，因此对砌块切割工艺和分切机的研究是很有必要的。提高新型墙体保温材料的性价比，除了在原材料、装备与维护等方面进行研究改进外，最重要的是降低墙体保温材料的成本。经过统计发现，制造墙体保温材料的成本很高。在过去的几十年中，国内对墙体保温材料的研究和开发重点放在材料性能及工艺改进上，其制造设备远远落后于国外，目前的研究重点是制造设备，使其实现具有高效、快速制造的特点。虽然对于发泡水泥这种新型的墙体保温材料的制备工艺及设备的研究有些成就，但是相对的还存在着一些不足的地方。从现阶段的生产和应用来看，其制备工艺还有待提高，特别是相关制备切割设备还需要不断创新和改造完善，逐步实现切割设备的自动化生产和智能控制技术。如今市场上的分切机样式繁多，但由于这种新型墙体保温材料使用场合的限制，国内很少有公司深入研究发泡水泥制品的切割特性，对于其分切机的研究进行的不多。目前，市场上常用的切割机虽然可以多块切割，但用的都是框锯，不能实现连续切割。这些切割设备一般只能实现二维切割，即横切、纵切，不能调节锯片间距，分切出不同规格的制品。泡沫混凝土分切机的自动化程度低、效率低、振动噪音大、加工的制品精度差、废品率多，因此研制配套的分切机有着十分重要的现实意义和广泛市场应用价值。1.4 课题的来源及主要研究内容1.4.1 课题的来源武汉理工大学复合材料材料缠绕装备研究所预研项目1.4.2 主要研究内容本课题主要在先前的研究基础上对泡沫混凝土分切机进行相关的研究，采用带锯条作为分切刀具，设计出一台精度高、多锯条同步切割的泡沫混凝土砌块分切机，实现连续三维切割：横切、纵切和竖切；同时能根据用户要求，自动调节刀具间距，切割成不同规格大小的制品。主要研究的内容如下：1、 提出一种新的分切工艺。结合泡沫混凝土分切过程中所遇到的问题，总结现有工艺优缺点，提出自动脱模切割工艺。2、 提出带锯分切方案并进行详细的结构设计。根据生产工艺的动作要求，提出框锯、圆锯、带锯三种可行性方案，并选择带锯作为最佳方案。在选择的方案基础上，对分切机的结构进行详细设计，主要结构包括传送装置、毛胚夹紧定位装置、切割装置、进给装置等，并在三维软件中绘制三维模型。3、 对分切机控制系统的设计。依据生产的动作顺序和控制要求，实现分切机能够正常稳定的运转。4、 对影响分切机的关键部件进行静力学分析。利用ANSYS软件对相关结构进行分析，确保结构的可靠性。第2章 墙体保温材料分切机的方案设计在建筑行业中，墙体保温材料制品应用领域不断扩大，需求量增大，精度要求也越来越高。发泡水泥砌块的锯切与传送是整个成型工艺中的关键技术之一，优良的分切工艺与设备是实现无人自动化的基础与前提，传统的切割方式生产的制品精度低、废料多。因此，有必要对分切机的性能提出更高的要求，对分切工艺的改善和解决砌块的三维锯切和锯条间距可调来适应不同规格的制品等问题进一步研究，有着十分重要的现实意义。在通过对相似行业分切机的认识和了解之后，对分切的方式和传送的形式进行归纳总结。根据相关产品的工艺要求，得出需要实现的功能和需要完成的动作，选择实现相关动作的机构形式，并得到多个可行性方案。分析不同方案的优缺点，采用科学的方案评价方法，选择最佳的方案。本论文切割的大型砌块的尺寸为960mm840mm840mm。经过三个方向的分切，最终切割出32块规格是300mm200mm200mm的砌块。2.1 分切工艺的选择泡沫混凝土的切割工艺决定加工制品的精度，材料使用率以及生产效率，对切割工艺的选择和改善十分必要。目前，国内泡沫混凝土切割工艺主要有以下几种情况24：手工脱模切割工艺主要流程：毛坯一次切割（去不平整面）二次切割工作台旋转90三次切割人工脱模四次切割。手工脱模过程中砌块都处于流动状态，无法保证完成同步切割，会产生很多废品。工艺流程如图21所示，手工脱模切割工艺采用单块切割，切割的产品尺寸稳定；但是需要单独设置一道工序去除不平整的毛坯面，增加了设备的费用和数量。毛坯 去毛刺 二次切割 纵切 工作台转90 横切图21 手工脱模切割工艺自动脱模切割工艺主要流程：大型砌块脱模机自动脱模竖切翻转90横切纵切。工艺流程如图22所示，自动脱模切割工艺是把去除不平整的浇注面和砌块的切割两个动作放在同一工位进行，仅在工位上多安装了两根锯条，减少了工位数量；但是采用多砌块叠加同时切割，切割过程中每层切块的受力大小不同，导致切割出产品的尺寸各不相同。毛坯 竖切 翻转90 横切 纵切图22 自动脱模切割工艺综合上述几种切割工艺的优缺点，在上述两种工艺的基础上进行改善，提出第三种切割工艺：大型砌块竖切单块翻转90纵切横切。工艺流程如图23所示，这种方法结合前两者种工艺的优点，既采用单块切割提高精度又减少了工位数量。毛坯 竖切 翻转90 纵切 横切图23 自动脱模切割工艺根据工艺的选择，本文切割的泡沫混凝土砌块尺寸如下：一次切割之完成后尺寸为840mm840 mm300 mm，二次切割后尺寸为820 mm300 mm200 mm，三次切割完成后尺寸为300 mm200 mm200 mm。根据所述的工艺过程，分切机的系统主要分为切割和传送运输两大系统。2.2 切割系统的方案设计切割系统的设计主要包括锯切方式的选择和切割方案的设计。切割系统运动主要包括切割的主运动、进给运动、锯片间距调节、切割平台。2.2.1 锯切方式的选择锯切方式的不同会影响切割的效率，根据发泡水泥砌块制品的要求切割砌块的速度快、效率高，适合发泡水泥切割的有三种方式25：框锯、带锯、圆锯。三种锯切方式如图24所示。 框锯 圆锯 带锯图24 锯切示意图框锯不能实现连续锯切，往复运动会出现巨大的振动，加快了锯条的磨损，限制锯条速度不宜太快；但锯条张紧状态好，加工制品的表面质量好、精度高。圆盘锯条具有连续切削、锯切效率高、生产成本低等优点；但圆盘锯的锯片厚，锯路大，浪费的材料多；锯盘直径大，导致设备庞大。带锯条是单向、连续的运动，可以适当提高切削速度；带锯条的主切削运动是单向、连续的，较容易提高切削速度；使用薄锯条，锯路窄，相对的可以减少锯屑的损失；但锯条的厚度较薄，自由长度较大，因而在锯切时刚性较弱，容易产生颤动，影响加工质量。考虑到连续切割和节约材料的因素，选择带锯作为最佳锯切方式。尽管带锯的锯条长，容易颤动，影响加工精度，但建材领域要求的精度误差为1mm，带锯加工精度可以满足。砌块的锯切有静止和运动两种切割状态。动态切割采用输送线作为进给运动，切割装置仅需要主切削运动。这种方式生产效率高，切割装置不需进给运动，但是砌块一直处于流动状态，切割时无法对砌块进行夹紧定位，导致制品出现倾斜。静止切割需要将工作台与输送线分离，增加了切割装置的复杂程度，但它可以精确定位和夹紧，生产的制品精度高。实验发现，动态锯切次品多，无法满足现代工业要求，故选用静止切割方式。2.2.2 切割方案设计根据要加工制品的特点及切割工艺、锯切方式以及生产线的特点，选用静止切割方式。要实现砌块的切割，需要完成锯切的主运动和进给运动两个动作，有以下几种可行性方案。方案一如图25所示，锯条7及主电机9安装在框锯架上。电机9的动力传给连杆8，带动连杆做圆周运动时；框锯做往复运动，实现切削运动的主运动。进给运动的动力伺服电机5，经过同步带，将动力传递到轴1，其轴上的两对锥齿轮带动两根丝杠同步旋转，丝杠螺母10和锯框架做上下往复运动，实现锯条的进给运动。789106531241-轴 2-锥齿轮 3-同步带 4-丝杠 5-进给电机 6-同步轮7-框锯条 8-连杆 9-主电机 10-螺母图25 框锯锯切的方案原理图这种方案它具有锯条安装简单，结构紧凑，价格便宜等特点。但是，锯切的主运动是曲柄滑块机构，该机构有一半行程是空行程，不能实现连续切割；该机构的往复运动的速度不宜过大，会影响锯片切割效率；锯片的间距无法调节，只能分切单一规格的制品。方案二如图26、图27所示。本方案中有三条动力传动链，包括切割动力链、进给动力链、锯片调节动力链。切割动力传动：主电机22将动力传给花键轴14；花键轴14上安装五组链轮，通过链传动将动力传给主动锯轮10，带动5组锯片进行切削运动，锯片通过导向装置22将锯片扭转90，确保锯齿面和砌块表面垂直。进给动力传动：进给动力传动和方案1大致相同，用伺服电机6驱动两根丝杠4转动，从而带动锯框上下运动。锯片调节动力：锯片间距需要调节时，主电机22停止、调节电机21将动力传给齿轮组，齿轮组将动力传送给反向丝杠17；反向丝杠17带动螺母15调节锯框之间的间距；同时，在拨叉的作用下，链轮11沿着花键轴14滑动，保证锯轮和锯片沿着花键轴同步移动。在正常切割的情况下，锯片间距不需要调节时，花键轴14可以使带轮做旋转运动。1222791011138653124图26 带锯锯切方案主视图111416221520211918171-传动轴 2-锥齿轮 3-同步带 4-丝杠 5-进给电机 6-同步轮 7-从动锯轮8-带锯条 9-锯片导向10-主动锯轮 11-链轮 12-链条 13-螺母 14-连接轴15-螺母 16-锯框 17-反向丝杠 1820-齿轮 21-调节电机 22-主电机 图27 带锯锯切方案俯视图该方案的优点是带锯条能够实现连续的锯切，锯条安装方便；主切削运动用链传动，传递的功率大，且张紧力小，对传动轴变形影响较小。但缺点是，锯条速度高、磨损快，对锯条寿命有一定的影响。方案三，如图28所示。整个传动系统分为二大部分，其中一组为主切削传动链，另一组为进给传动链。在主切削传动链中，锯切轴9上安装五组圆锯片。通过主电机7，经过锥齿轮11换向，驱动切削轴转动，实现砌块的切割。进给动力传动系统与方案一大致相同。7891011126531241-传动轴 2-锥齿轮 3-同步带 4-丝杠 5-进给电机 6-同步轮 7-主电机8-锥齿轮 9-锯切轴 10-圆锯片 11-机架 12-丝杠螺母图28 圆盘切割方案原理图这种方案的锯片拆卸方便，造价低。但是对于大规格的制品，占据空间大；圆锯盘比其他锯条厚，产生的锯路大，浪费材料，这种传动方式也无法实现锯片自动调节。要完成发泡水泥砌块的三维切割，设置三个切割工位分别完成竖切、横切、纵切的动作，每个工位的传动系统都相同，只是整体布局有略微的差别。2.3 传送系统的方案设计一个传送系统的好坏，直接影响到整个生产线的生产效率。根据所述工艺的选择，采用静止分切的方式切割砌块。传送系统之间要有衔接装置，保证发泡水泥砌块能够顺利进出分切平台。三维分切机的传送系统应包括发泡水泥砌块的输送、90翻转以及衔接转位装置三大部分。通过协调三大装置之间时间先后顺序，保证分切机能够实现连续不间断的切割，提高生产的效率。输送机构主要功能是把发泡水泥砌块从一个工位输送到下一工位。它的输送速度不宜太快，常用的传送方式有同步带和链传动，链传动承载的能力一般比同步带要大。发泡水泥砌块体积大小不同，重量从几十到上百千克都有，宜选用链传动作为输送机构的传送方式。90翻转机构的作用是把工位切割的砌块从竖直方向翻转为水平方向。翻转机构有单块翻转和多块翻转两种形式，多块翻转效率高，但一次锯切多块发泡水泥砌块，导致制品精度降低，容易产生废品。本设计宜选用单块90翻转机构，方案如图29所示。21346587 1-同步带 2-同步轮 3-翻转架 4-电机 5-不完全齿轮 6-完全齿轮7-机架 8-传动轴 图29 翻转机构方案原理图如图29所示，单块90的翻转方案。电机4带动不完全齿轮5动作，不完全齿轮转动一圈，带动齿轮6转动90，从而实现间歇运动；在完全齿轮6转动的过程中，同时带动传动轴上的两个同步带轮2转动，同步带轮经过带传动，使得翻转架90间歇性的翻转。该方案优点是能够实现单方向90间歇翻转，四个翻转工位，翻转效率高。利用不完全齿轮的传动比，能够精确控制翻转时间，无需额外控制系统。但对于尺寸规格变化较大的制品，翻转较为困难。毛坯砌块在脱模之后，位置比生产线要低，转位衔接装置需把砌块转移到输送线上。因此，该机构必须要具有砌块的输送和搬运能力。转位衔接采用分步实现即：先上升然后水平前移。这种方式增加了一个动力，控制要求高；动作时间也会较长，不宜在自动化生产线上使用。本文提出一种新的衔接转位装置，能够两个方向同步运动，大大缩短转位衔接所需要的时间。234511-机架 2-连杆 3-气缸 4-连杆 5-输送平台图210 转位装置方案原理图衔接转位原理图，如图210所示。制品的质量约为30kg，选用气缸作为动力源。脱模后，直接将砌块放在输送平台5上，气缸推动平行四边形四连杆机构动作；将传送平台和制品向前提升，同时送平台上的动力把制品向前输送。该装置优点是利用平行四边形连杆机构实现砌块的提升和输送两个方向的复合运动；采用气缸作为动力，作为开关量，控制简单。2.4 方案评价方案评价是一个复杂的过程，涉及到方方面面，前期要经过大量的分析和调研，需要有的全面和完善的数据作为支撑。本课题锯切系统的三个可行性方案差别较大，是从不同的切削方式作为出发点，它们相似特征不明显，因此评价方法拟采用定性分析法。在制定评价方法中，尽可能清楚地列举各个方案的优缺点，然后根据制品本身的特点和工艺的要求，给各个指标分配不同权重。锯切装置作为分切机的重要组成部分，各部分功能动作在方案设计中已经详细介绍过。主要从经济性、安装维护、技术难度、节能环保等四大指标。三个可行性方案都从以上四个方面进行比较，综合列表2627。方案评价表如表21所示。表21 方案评价表经济性安装维护技术难度节能环保方案一好好一般差方案二良良简单好方案三差差困难良在上述的定性分析之后，将表中的结果进行数据量化，好、良、差分别记为3分、2分、1分。该评价方法中，不同的指标，重要性各不相同。根据工艺和制品自身的特点，需要为各个指标分配其权重值。经济性、安装维护、技术难度、节能环保指标的权重依次为30、25、30、15。通过计算得出，方案二带锯锯切为最佳方案。2.5 本章小结本章主要提出锯切和传送砌块两大系统的方案设计。首先，通过对建材行业关于切割实现方式的详细了解，对相关行业相类似的工艺过程的进行深入了解。在这些基础上，进行归纳总结出三种可行性切割形式：框锯分切、带锯分切、圆锯分切。针对发泡水泥制品自身的特点，以不同的切割方式提出三种不同的方案。同时，也根据工艺过程的需求，比较各种传送方式的优缺点，提出一套完整的输送方案，保证制品能够顺利的传送。最后，提出一个方案评价标准，依据各个标准对切割系统的方案进行综合评定，选择出最佳方案。本章在最后得出的切割方案为带锯锯切为最优方案。第3章 分切机结构设计分切机是发泡水泥制作过程中的关键环节，它的整体结构设计尤为重要，关系到整个分切机性能好坏、稳定性以及切割过程中机身的振动、噪音。本文依据第2章的方案设计中选择的最优方案，对分切机的整个结构详细设计。3.1 切割工艺参数的确定在轻质泡沫混凝土制品的锯切过程中，锯切工艺参数直接影响着锯条的使用寿命、生产效率和制品精度。切割参数主要包括锯轮尺寸参数、锯条参数、切削力、切削速度VS和进给速度VF。研究表明，泡沫混凝土的成分和锯切效率对切割参数的选择都有很大的影响。材料硬度越高，锯切力较大，锯切速度应慢；反之，可以选择快一些。低转速、大进给适用于硬度较低，容易锯切的制品；高转速、小进给适用于硬度较大，难以锯切的制品。3.1.1 锯条参数的确定 锯条的参数对切割工艺过程有着很大的影响，根据工艺需求对其参数进行计算并选型。它的主要参数包括厚度（S）、宽度（b）、齿距（t）、齿高（h）、锯路宽度（A）。根据手册查得，主要计算参数的公式如式3-13-528。 式中S为锯条厚度，D为锯轮直径，B为锯轮宽度，s为扩齿量，其中D为400mm，B为40mm。根据公式可以计算出厚度S、宽度b、齿距t、齿高h、锯路宽度A。当带锯条过厚，锯路变宽，产生锯屑变多，在锯轮直径处弯曲应力增加。锯条薄，导致加工制造、维修困难。通过实验发现，降低带锯条的厚度可以有效提高锯条的刚性，增强锯切的稳定性。综上考虑，带锯条厚度S为0.3mm。锯条侧面与被锯切砌块的表面产生摩擦现象。锯条越宽，产生阻力越大，消耗的功率增加；过窄会出现与锯轮接触面小，摩擦力不足，锯条易掉落，或因为预紧力过大导致锯条断裂。分切机带锯条的宽度取30mm。在锯切硬度低的砌块时，可选择大齿距，排屑容易，但每齿的锯切工作量增加，出现锯切精度差。切割硬度高的发泡水泥时，可以选择小齿距，参与锯切的锯齿数量增加，每齿的切削工作量降低，锯条寿命增加，砌块表面更精细；但齿间隙过小，锯屑排出困难，锯条发热量大，长期工作会导致锯条磨损变钝；齿距过大过小都会带来影响，带锯条的齿距取为22 mm。锯条齿高大约是齿距的1/3，锯齿过高，齿间隙越大、容易排屑，但在工作程中齿尖会产生晃动，锯切硬质材料，齿尖易折弯变形；但过低时，齿间隙变小、排屑困难。特别是在锯切硬质砌块，需降低齿高。由于锯切砌块表面产生弹性变形，砌块表面对锯条侧面产生挤压力，使锯条摩擦发热，发生夹锯的情况，切割硬质材料一般应添加冷却液降温。为了防止夹锯情况，锯条的厚度略小于锯路的宽度；但锯路过宽浪费材料。锯路选择为0.2 mm，锯切性能较好。3.1.2 锯切工艺三要素的计算(1) 锯切力大小的确定 锯切过程中，由于不同配比成分制品分子的结构相差甚远，所需的锯切力也不同。锯切时锯切力的大小随着锯切深度的变化而改变：锯切深度越深，锯切力越大。锯切力和主切削速度也有很大关系：锯切力越大，锯切速度应越低；反之，锯切速度应提高。实际工作中，通过检测锯条所受应力的大小来调节锯切的速度。同时，锯切力是选择电机必不可少的一个参数。因此，分析并确定锯切力的大小是相当重要的。对于发泡水泥制品这类材料，目前没有准确的计算公式，都是通过实验的方法检测大概获得切削力的大小；也有根据切削的功率和效率反推切削力的大小。通过查阅相关资料2932，轻质发泡水泥所需水平方向的锯切力大约是200N左右。(2) 锯切速度锯切发泡水泥砌块时，带锯条在锯轮弯曲段不参与锯切工作，仅仅两锯轮间被拉直部分的锯齿参与锯切工作。通常用带锯条的直线段的线速度代替分切机的锯切速度，但不同的锯切速度会直接影响制品的锯切表面质量和精度，锯条的使用寿命和锯切效率。每种材料都有合适的锯切速度，目前尚无理论计算公式，一般是用实验方法测出。用带锯条的线速度代替分切机的锯切速度。锯切速度与锯轮转速n之间的关系如公式33所示： 式中v主运动速度（m/s）D锯轮直径（mm）n锯轮转速（r/min）锯切速度大小与砌块硬度成反比关系。锯切硬度低的砌块时，锯切的速度选择快速，锯切硬度较高的砌块时，锯切速度选择慢速。但是锯切速度过低，消耗功率多、制品表面粗糙；锯切速度过高，会造成锯条振动、磨损过快、带锯