光环投影测量机设计【2013年最新整理毕业论文】

I 摘 要 在国内制材行业中，制材厂对原木形状的 检测 以及材积的测量计算一直采用人工检尺的方法：由人工目测每根原木的外部形状，进行分类加工；人工用卷尺或卡尺量取原木的长度和检尺直径，然后，再通过查找材积手册得到单根原木的材积，经过逐根检尺测量和累加计算才能得到整堆原木的材积；逐堆测量之后才能得到原木的进货量，检尺的工作量是非常大的。本课题针对我国原木 检测 技术的发展现状，提出采用 8点检测， 4点组合回归描述的方法，运用自动检测技术及计算机模拟技术，对原木输送机上运行的原木进行快速在线测量，可以提高设备的 检测效率。 从原木外形轮廓与制材生产之间的关联性出发 ， 探讨和研究了原木检测机设计的原理及设计的方法 ， 为原木检测机的设计和制造提供了理论依据， 原木检测技术越来越为世界各国制材企业所重视。本论文所设计的原木检测机作为一种试验阶段的设备，在整体性能上还存在许多有待解决和改进的方面，这些将会对今后的研究工作起到促进作用。 关键词 ： 光环投影 测量 机 ；识别；自动测量；定心；回归描述 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 录 摘要 . I Abstract . II 第 1章 绪论 . 1 1.1 概述 . 1 1.2 国内和国外原木检测机设备的发展分析 . 3 1.3 本课题研究的目的和意义 . 6 1.4 选题的研究内容和设计设想 . 5 第 2章 原木检测机总体设计 . 6 2.1 原木检测机总体原理介绍 . 7 2.1.1 原木检测机设计原理 . 7 2.1.2 原木形状识别机设计方案 . 8 2.2 结构实现方法 . 9 2.3 原木检测机机械部分设计 .11 2.4 机架结构设计和计算 . 12 2.5 输送机构结构设计 . 12 2.6 本章小结 . 14 第 3章 动力部件选择和传动机构的计算 . 15 3.1 电动机的选择 . 15 3.2 链传动的计算 . 16 3.2.1 小链条的选择和校验 . 16 3.2.2 大链条的校验计算 . 19 3.2.3 链轮的设计计算 . 20 3.3 链轮轴的设计和校核 . 22 3.3.1 轴的 材料的选择 . 22 3.3.2 按扭转强度条件计算 . 22 3.3.3 按弯扭合成强度条件计算 . 24 3.3.4 轴的安全系数校核 . 27 3.4 轴承的选择和校核 . 29 3.4.1 选择 轴承 . 29 3.4.2 轴承的选用计算 . 29 3.5 链轮轴键的选择和键联接的强度计算 . 30 3.5.1 键的类型选择 . 30 3.5.2 计算键工作面剪切 . 30 3.5.3 计算键工 作面挤压 . 30 3.6 螺栓的选择和校核 . 31 3.7 本章小结 . 32 第 4章 检测机构的设计计算 . 33 4.1 检测机构结构设计 . 33 4.2检测系统原理的计算 . 36 4.3 检测机构的零件的选择和校核 . 37 4.3.1 传感器的选择和原理 . 39 4.3.2 检测摆杆轴的选择和校核 . 40 4.3.3 弹簧丝的选择和计算 . 40 4.3.4 传感器中轴承的选择和计算 . 41 4.4 本章小结 . 40 结论 . 41 参考文献 . 42 致谢 . 43 1 第 1章 绪 论 1.1 概述 全套资料带 CAD图， QQ联系 414951605或 1304139763 2 随着现代木材加工工业技术的发展，传统的制材技术正在逐步更新，以制材学和测树学为基础的原木描述理论已经不能适应现代木材工业的发展。因此，有必要在理论、方法、手段上建立一套全新的原木外形及其缺陷的描述体系，采用新的、高精度的计算公式，将制材学与测树学的原木描述理论向前 推进一步；采用新发明、新技术制造新设备，实现原木检测过程的高度自动化，以适应现代木材加工工业的发展。一般情况下原木模型的实测参数越多，重建模型的精度越高。但实测参数越多会使检测设备复杂，数据处理和优化计算量增大，导致对计算机的容量要求高、投资增大、不利于推广应用。所以，找出一种即可 3 以保证原木描述精度，又不需要大量检测参数的原木最佳形状识别体系，一直是国内外从事原木模型描述学者潜心研究的课题。另外，如何利用先进的原木检测技术，对原木形状进行真实再现，以利于木材的分类、选择、合理加工、提高其利用率，对制材企业来 说显得尤为重要。 1.2 国内和国外 光环投影 测量 机设计 设备的发展分析 我国对原木检测技术的研究始于上世纪 80年代以前，从国内的研究形势和方向看，今后我国的研究重点可能会向以下几个方面发展： (1)根据原木干形，建立原木的分段模型，提高原木的检测精度。 (2)原木模型的设计必须与检测设备的研究同步进行。最佳的模型优化设计应节省设备投资，抛弃不实用的数学模型，推广和完善有利于普及和应用的数学模型。 (3)逐步提高离散模型和仿真模型矩阵的阶数发，展动态检测技术，使离散模型尽快地应用于实际生产中。 目前，国 内采用最多的原木检测形式是人工检测的方法。手工检尺存在着诸多不利方面，其检测结果受人为因素影响很大。这种方法完全由人操作、控制，依据工人的眼看心算，获得原木的尺寸、规格等参数。检尺员的工作经验、工作态度等导致了工作结果差别很大。另外，这种方法的劳动强度大，效率低。随着科学技术的进步和社会生产率的快速提高，这种传统方法难以适应制材行业的发展。因此，人工检测的方法是一种落后的生产方式，随着计算机技术的迅速发展与普及，这种生产方式终将被淘汰。我国在原木检测领域与发达国家相比差距较大。国内生产企业中只有少数大型厂家 采用光环定心机对原木进行定心检测。光环定心机的工作原理是 :采用两组同心光环分别打在原木的两个端面上，由人工目测确定原木两端面的中心点，然后通过液压控制的机械式升降台架来调整原木的位置，通过操作者的目测使其在两端面上原木与光环相内接，从而确定出两端面的最大内接圆。光环定心机对弯曲度不超过 3%的大径级原木进行定心比较有效，但对于弯曲度较大的小径级原木来讲就显得有些力不从心。特别是随着大径级原木的不断锐减以及单板旋切速度的不断提高，对原木定心精度和定心速度的要求也随之提高。现在国外最高的定心速度已经达到每分钟 10根以上，光环定心机已经无法满足这样旋切生产节拍的要求。除此之外，我国还有许多胶合板生产厂家还使用根据 3点定心和 4点定心原理研制开发的机械定心机对原木进行定心。虽然这些机械定心机的定心精度比人工定心精度要高且出材率可提高 2% 4%，但在实际生产过程中这种机械式定心机对原木的径级和截面圆形度的要求较高，所以较难满足实际生产的需求。 我国对原木旋切定心机的研制基本上是经历了一个从人工定心到 3点、 4点定心再 4 到光环定心的过程。但是我国对定心机的研制起步较晚，目前只有信阳木工机械厂等少数几个厂家可生产较为先进的光环投 影定心机 (例如信阳木工机械厂生产的 BD1516和 BD1526型光环投影定心机 )。多数厂家还停留在 3点、 4点及普通光环定心机的制造上。现在我国已经在试制 6点机械式定心机及激光扫描定心机。将计算机技术应用到原木形状识别领域，是近十年兴起的新技术，在我国尚处于研究开发阶段。计算机本身具有许多优点，如运算速度快、工作可靠、可进行人机对话、随机数据存储与查询、模拟技术等，完全可以承担对原木直径、长度、外形轮廓的自动检测。国内在这方面有一些新的研究，如南京林业大学在其国家自然科学基金项目“原木断层扫描图像识别与虚拟切削 研究”中，应用 X-CT扫描技术，重构原木内部缺陷信息的三维图像，通过图像处理与识别提取原木的外形和缺陷信息，同时进行多种方案的模拟切削，以最优化的方案获得最大的出材率和经济效益，进而控制锯解或旋切木材的出材率；由北京航空航天大学和广西南宁凤凰纸业有限公司合作研制开发的“原木材积自动化检测系统”，结合自动化测试技术与计算机视觉技术 ,采用工控机控制高分辨率的工业 CCD（电荷耦合器）数字成像单元，对原木端面摄像，并把图像数据传输到工控机，利用相应的图像处理和识别软件处理后，将结果存入数据库，实现了随时调用。 国 外原木检测理论发展较早。 70年代中期，世界上研究原木数学模型有了新的进展。 1973年 Airth和 Calvert提出了只为特定工序的专业下锯设备应用的几种附加的数学模型。同一时期， Pneumations也建立了同样的数学模型，弥补了传统原木描述理论的不足。从那时起这种以截顶圆锥体为理论基础的原木数学模型，一直是原木数学描述领域中的权威模型。到 1982年， Petrouskii提出了以二次干曲线绕轴旋转形成的圆截顶原木数学描述理论。同时期，美国 BOF研究室在研究中开始考虑了原木芯部缺陷和节子的分布。它假设节子在过 轴心线的平面内，形状是个圆锥体，原木的实测参数是材长、小头直径和锥角。这些改进脱离了传统的原木描述形式，开始趋向实用化描述原木缺陷数学模型建立的研究阶段。由于原木描述方法开始用于描述原木缺陷，因此，在制材工业先进国家中，这种原术数学模型开始广泛使用。后来 BOF(下锯优化 )研究的权威 Lewis教授在“改进的 BOF系统”中提出了中间弯曲的原木模型，在数学模型的建立过程中增测了小头的长径、短径及水平面中间弯曲高度，使原木数学模型的建立从原木圆截面数学描述过渡到原木椭圆截面数学模型的描述，从直中心线过渡到弯曲中心线 ，开始了原木形状数学描述的新领域。之后，原木数学描述学者又提出了弓形弯曲、翘曲和偏心原木的数学模型，使原木数学模型的建立有了新的进展。 目前，世界上针对原木检测机设备主要有以下几种： 图 1.1是 3点定心原理图和图 1.2是法国瓦莱特格洛公司生产的机械式原木 3点定 5 心机。它在工作时，木段上料支架将木段放在定心机构上，随后在液压缸的推动下，两组 3点连动定心机构分别独立用其定心触点将木段顶起，随后由上木机构完成上木，实现一个定心上木工作循环。这种定心上木机构具有结构紧凑、定心上木生产效率高、自动化程度高、定心原 理可靠等优点，整个生产线包括定心、上木、旋切等工序，整个过程仅由一人操作。该机构最大的问题是其定心原理与原木实际截面轮廓之间的差异，当原木截面为圆形时这种定心方法的定心精度极高，遇到截面不规则或有缺陷原 图 1.1 3点定心原理图 图 1.2 机械式 3点定心机 木时，定心精度会受到很大的影响。 图 1.3是激光扫描原木检测系统原理图，图 1.4是芬兰生产的原木外形激光扫描系统。对于各大制材企业来说，合理利用原木资源，不仅是获取利润的要求，也是企业能否长期生存，发展壮大的关键。 另外，我国林区各大贮木场长期以来在原木检尺和原木等级分选方面采用人工方法，这样统计出的数据人为因素较多，既无法实现科学管理，又浪费了大量人力、财力。同时，无法与先进的制材加工设备实现数据共享，提高加工效率。当前，世界许多国家都在研究原木检测设备，使这一领域的技术日趋成熟，木材检测设备日臻完善。 图 1.3 激光扫描原理图 图 1.4 原木外形激光扫描系统 图 1.5、图 1.6是在近几年世界木工机床展览会上展出的最新木材检测设备的照片： 对于各大制材企业来说，合理利用原 木资源，不仅是获取利润的要求，也是企业能否长期生存，发展壮大的关键。另外，我国林区各大贮木场长期以来在原木检尺和被测原木 激光管 光电接收器 卡轴 6 原木等级分选方面采用人工方法，这样统计出的数据人为因素较多，既无法实现科学管理，又浪费了大量人力、财力。同时，无法与先进的制材加工设备实现数据共享，提高加工效率。当前，世界许多国家都在研究原木形状识别设备，使这一领域的技术日趋成熟，木材检测设备日臻完善。 图 1.5 原木检测设备 图 1.6 原木检测设备 1.3 本课题研究的目的和意义 目前，我国木材出 材率和综合利用率指标与发达国家相比，有较大的差距，而我国的森林资源低于世界平均水平，木材加工时的极大浪费与当前森林资源的短缺极不 协调。因此，开发引进先进加工技术，千方百计提高木材出材率和利用率以降低各种木制品和各种用途用产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达到上述目的的措施之一。高精度和高效率必然会带来提高经济效益的结果。此外，考虑经济效益还应兼顾出材率和优等品出材率两方面。在这种情况下，对原木外形特征描述时，要考虑节子、开裂、弯曲等缺陷对板材或单板等级的影响，以达到木材质量的高效 利用。目前原木定心技术最发达的国家是芬兰。芬兰 Raute公司定心上木机，采用激光对原木 7个断面扫描。每个断面每隔 10为一个测点，共即 252个点。计算机接受扫描数据，绘制木段形状图及确定其最大的内接圆柱体，找出最佳回转中心，木段最终旋切位置精度达到 0.005mm.我们在研究、开发原木定心技术时可借鉴芬兰的先进技术。我们的研究不仅要赶上世界先进水平，而且要超过世界先进水平，并要积极促进该技术向生产转化。 80年代以后，我国的家具制造业和建筑材料业迅猛发展，经济连续高速的发展消耗了大量的林木资源。国家近几年相继 出台了保护林木的若干政策，以防止我国的林木由于过度开采而枯竭。因此，对于制材行业的众多企业来说，如何有效地利用有限的林木资源是企业发展的关键。森林资源减少，限制采伐，必然形成国内制材业原料短缺，原料价格上涨，使各个企业生产成本增加，竞争加剧的局面。在这种情况下，如何提高原材料的利用率，细化每一根原木的可利用部位，做到优化下锯，最大限度 7 扩大木材的可利用率，是当务之急。在面对国际竞争方面，近几年由于进出口贸易的增加以及木材价格的开放，将使我国的原料价格与国际市场价格拉平。随着 21世纪到来，我国的制材企业更多地参 与国际竞争。在先进的制材国家中，利用高精度原木检测仿真系统对原木形状进行精确的描述，进而引导加工设备合理加工，从而实现 BOF制材，已经变成企业生存的必要条件。在此基础上，国外主要制材设备制造厂家均在他们生产的数控设备上采用了这些技术，瑞典、芬兰、加拿大和美国的公司都在全球推销基于 BOF技术的制材设备。国外著名的制材专家指出：在自动化制材中，应进一步提高对原木沿长度方向的形状识别，特别是对弓形弯曲、翘曲和偏心原木的更精确的识别。从以上分析可以看出，原木的形状识别在制材行业的地位是举足轻重的。由此可以看出，在未 来几年，木材检测技术将在我国制材企业的实际生产中扮演重要角色。 1.4 本章小结 该原木检测机分为机架，驱动机构，检测机构，数据采集机构，数据计算机构及计算机模拟形状图象等，本设计就不介绍数据采集，计算和计算机模拟图象信息，本设计主要介绍原木检测机的机械结构组成，机械工作原理，驱动系统结构和动力部件选择和校核。 本系统在分析各种方法的基础上提出了一种全新的思路，即首先检测原木横截面上均匀分布的 8个点，然后将这 8个点的坐标值输入计算机，利用其中的四个点进行组合后，回归出原木的横截面模型，实现原木检测的计算机化 ；同时，在检测方式上，采用了在线快速实时测量，可以提高设备的检测效率。 第 2章 光环投影 测量 机设计 总体设计 2.1 光环投影 测量 机设计 总体原理介绍 2.1.1 光环投影 测量 机 设计原理 原木检测机床提供了一种纵向快速检测原木外形轮廓的机械设备及工艺技术。它利用 8个检测触头检测原木的截面形状，为下一步计算机模拟识别原木整体外形提供必要的实测数据。其工作原理如下： 原木由运输辊台送入，启动电机后，传输链负载原木以一定速度匀速向前运动。当原木运动到检测框时，原木端部将检测杆推开，检测杆绕芯轴转动，最终所 有摆杆的底部触头落到原木表面， 8根检测杆在原木外轮廓上做相对运动。在原木行进过程中， 8 因为其外表面不可能是光滑等直径的，某一时刻下原木表面的凹凸起伏变化会引起摆杆转动，从而导致角度传感器输出值的变化。通过计算机实时采集到 8个传感器的输出值，确定出相应检测杆的转角，经运算处理后，得出原木当前截面上 8个采样点的坐标值。整根原木检测完毕后，沿长度方向上的所有采样截面的检测数据被自动保存，并实时在计算机屏幕上显示刷新，作为原木形状三维仿真和分析计算原木端面径级等几何参数的数据基础。 图 2.1为整个硬件系统的工艺流程 ： 图 2.1 光环投影 测量 机设计 系统的工艺流程 2.1.2 光环投影 测量 机设计 设计方案 本系统要求完成对原木截面形状数据的自动实时检测。根据实测数据，对原木外形进行计算机模拟再现；经过运算分析得出原木端面径级等几何形状参数；由数据库统一存储和管理每根原木的参数信息，建立原木档案，实现数据共享；用户实时监控检测状态，当前原木的检测数据与参数的计算结果及时更新显示；系统界面形式直接，人机交互操作简单易懂，配合相应的提示和帮助，以方便用户使用。 本系统综合采用了检测技术以完成对原木形状的识别过程。系统总体 设计流程如图 2.2所示： 图 2.2 光环投影 测量 机设计 系统总体设计流程 9 （ 1）检测系统设计 设备采用接触式测量方法，利用 8个检测触头直接与原木表面接触。由于原木是在设备上作匀速直线运动，其不同截面外径的变化和表面形状的起伏会使检测摆杆产生摆动，摆杆回转轴与角度传感器相连。在每根摆杆的摆动截面内，将原木不同截面处的直线位移值转换成检测传感器的转动角度值，然后将角度值对应的电信号经数据采集卡传输到计算机处理系统进行分析和处理。 （ 2）数据采集系统设计 多通道数据采集一般是指同时对多路信号进行采样，并 把采样信号按一定格式保存下来。本机采用多个通道共享 A/D转换器的方式，该方式下的每个通道通过一个多路转换开关，按某一时间间隔，依次将各个通道的信号输入到采样保持电路，再经 A/D转换器将模拟信号转换成数字信号。 A/D转换器输出的数字信号通过相应的计算机接口电路，输入到计算机进行保存。该采样方式的工作过程中，每个通道的采样频率均等，统一在一台计算机的控制之下，通过扫描的方式，依次将各通道的模拟信号转换成数字信号，由计算机将其读入并保存。 （ 3）数据处理系统设计 采集到的数据输入到算机，将这些数据导入到系统处 理程序，进行处理。本实验 采用 matlab语言编制处理程序，包括每条数据带的分析，然后将计算结果导入 matlab语言环境下的视窗界面，进行三维轮廓的模拟再现。同时，对话界面将显示出相应的计算结果，使操作人员可以非常方便的获知原木的轮廓信息；由于计算机界面模拟再现了原木的外轮廓，而且相应的轮廓数值也显示在人机对话界面上，这样我们就可以在计 2.2 结构实现方法 整体结构布局见图 2.3，考虑到生产率的问题，识别机采用既可以单机作业，又可以与其他设备连线作业的方式。原木在床身上做纵向水平运动，检测架置于整个机床的中间部位，在其上按圆周布置八个检测触头。数据采集及处理设备位于控制室，通过信号传输线与检测架连接。 10 图 2.3 系统结构布局简图 数据采集机构是整个设备的关键部分，检测框架采用螺纹连接与床身紧密结合在起，其上按圆周分布着 8个检测摆杆，摆杆轴端安装了检测传感器，传感器既可选择字式旋转编码器，又可选择输出信号为模拟量的角度传感器，视具体使用情况选定。原木在设备上运动时，由于原木不同截面处直径的大小变化和原木外表面的凹凸不平会使与之接触的检测摆杆绕其轴转动如图 2.4，这样带动传感器转动，从而产生反映木外形的检测信号。 图 2.4 检测机构头部示意图 本文提出了原木 8点检测的方法。当沿一根原木纵向采集 8条数据带时，测量机构和被测对象之间必然有相对运动。为了满足测试的精度要求，我们却不希望对象或机构有运动。因为运动不可避免地产生振动，影响检测精度。 在研究了以往设备定位的基础上，我们可以设想出一种运动静态定位方法，这种方法的基本思想是：在保证检测点和我们所需要的运动的情况下，尽量消除其他方向的微小位移和振动，以保证检测精度。在实验过程中，我们采用精密输送用链条作为原木运输载体，其纵向运动可以认为是匀速的， 而在链条运动过程中，为了消除其横向的移动，在两侧加装了限位装置，这样，就获得了一个很稳定的检测状态。数据采集时，要求原木只按照其长度方向运动，不能有径向摆动、滚动和较大的震动，以保数据采集和处理 机床 检测机构 11 证检测数据的准确性。在这里我们用两条精密辊子传输链作为原木运动的载体，同时在传输链的托板上对称安装楔形垫块，这种结构保证了原木在运动时的稳定性；同时，考虑到设备流水作业的需要，设计床身使其有足够长度，以防止当一根原木正通过检测架时，下一根原木也运动到床身上并产生振动，对当前检测产生影响。 2.3 光环投影 测量 机设计 机械部分设计 目前，原木形状的检测主要有机械、光电、激光测量以及摄像等方法。这些方法在实际应用中，要求由技术水平较高、操作熟练的技术人员来完成。其中，后两种方法的设备资金投入较大；另外，在原木形状检测过程中，上述方法所选取的原木截面数量少，较难反映出原木的实际形状。综合考虑到生产成本，生产条件和生产环境的要求，传统方法难以实用。因此，针对具体研究和应用我自行研制了原木形状检测装置 MQK3102原木检测机，总体结构如图 2.5所示。 图 2.5 原木检测机机床主视图 本文设计的原木检测机的工作方式结合实际生产情况，不 是针对每一根原木所作的静态检测，而是用一个检测架，在原木的输送堆垛或锯解加工的动态过程中，使原木由检测架纵向通过，从而检测出原木的外形参数，将这些数据适时储存在计算机的数据库中，以便随时提取所需原木的外形参数，并在计算机屏幕上显示出所检测原木的三维模拟图形，从而实现原木的外形分析和原木的模拟锯解和加工。在设计过程中，应用了 AutoCAD设计软件进行图纸设计工作。机器主要由机架、动力机构、输送机构、检测机构等组成，实验设备主要技术参数如下： （ 1）检测原木最大直径： 300mm （ 2）检测原木最小直径： 200mm （ 3）检测原木最大长度： 5,000mm （ 4）检测原木最小长度： 1,000mm （ 5）机床功率： 0.75KW 12 （ 6）送料速度： 15m min （ 7）机床外形尺寸（长宽高）： 3,500 650 1,500mm （ 8）机床重量（净重）： 1,112kg 2.4 机架结构设计和计算 机架的作用是支承其他零部件、保证它们的相互位置、承受各种作用力等。图 2.6是机架结构图： 图 2.6 机架结构图 机架要具有在外载荷作用下抵抗变形的能力，即要有足够的刚度。我们在设计机架结构时，考虑到加工过程中的变形和应力，将机架上部设计成矩形框架，其结合处采用焊接形式，形成一个整体，保证了其上安装的导轨和轴座基准面可以在刨床上一次走刀加工完毕，确保整个机架的几何和安装精度 。支腿采用梯形结构，按两端和中间三点形式布置，使整个床身受力均匀，减小了上部横梁在原木通过时承受压力而变形的可能性。支腿与床身采用螺栓连接，使整个床身结构坚固，增强了整体抗震性。实验原木外形尺寸定为长度 3000mm，机架整体长度设计为 3500mm，这样每两个支腿之间的距离为不足两米，这样当原木置于床身上时，床身在垂直方向上的变形可以忽略不计。机架的前部设计安装了档料护板，防止原木滚落。 由于机架是支撑整个原木检测机重量和运转时候原木的重量，所以要对机架进行计算，验证机架是否可以。把原木检测机看作一个整体，机 架所受的力主要包括本身，检测机构，输送机构和被测原木的共同的重力，如果对机架所受的力进行分析，将会非常的复杂，只要设计的机架大于原木检测机的重力就可以了。 2.5 输送机构结构设计 物料输送机构常采用的方式有：跑车、托板式皮带运输机、辊台、链条等。由于原木外表面凹凸不平，为了在检测时确保检测的准确性，原木做纵向运动时，其自身 13 必须保持静止，既不要有纵向窜动，又不能有转动。综合考虑各种情况发现，原木在辊台上运动时，其表面的节子等突起与辊子接触时会造成原木跳动，无法保证检测精度；由于托板式皮带运输机可能会产生皮 带跑偏、运动不平稳、皮带磨损等原因，故也不适合输送被检测原木；跑车不存在以上问题，而且运行平稳，原木在跑车上也易于固定，但是跑车无法实现连续工作，其一个工作循环只能运送一根原木，而且造成检测架尺寸加大，检测摆杆布置不均匀等问题。综上，我们在设计时选用了链条作为输送原木的载体，原木置于链条上，与链条一起在平滑的导轨上运动。图 2.7是输送机构结构图： 图 2.7 输送机结构图 采用精密输送用辊子链条，型号 S-1-PK2-16A ，节距 25.4mm，链条在机架的导轨上运动。链条共计有两条，两端有双链轮，其中一组 链轮接动力机构，另一组链轮上安装有涨紧机构。双链轮如图 2.8所示两个链轮安装在同一根轴上，保证了两条输送链运动同步。轴两端采用球面调心轴承，具有自动调整链轮轴的作用，这样可以保证前后两根轴具有较高的位置度。 当原木运动到输送链条上时，原木相对于链条是静止不动的，链条带动原木一起 向前移动。由于链条的辊子在光滑的导轨上做纯滚动，这样可保证原木平稳地通过检测架，保证其检测的精确性，从而提高检测的精度，检测机构检测原始数据，传入给检测系统，通过计算机进行处理和运算，这样就能计算出的检测原木的直径，面积以及外形轮廓 。 14 图 2.8 链轮轴结构图 2.6 本章小结 (1)讨论了光环投影 测量 机设计 的总体设计原则，并对各机构的选型作了重点分析。简要介绍了其结构。 (2)为光环投影 测量 机设计 的设计、选型提供了较多信息，可为今后光环投影 测量机设计 的改进设计提供参考。 (3)本章设计了光环投影 测量 机设计 的机械部分，综合分析了各种结构的优缺点以及本设备的具体结构，介绍了相应部分的功能及实现原理。 15 第 3章 动力部件选择和传动机构的计算 纵向输送机的驱动装置是指从电动机至驱动轮之间的动力传动减速装置。目前所应用的驱 动装置的结构方案达 10种以上。常用的有下列四种 : (1).电动机三角带传动减速器驱动轮； (2).电动机减速器驱动轮； (3).电动机减速器链条传动驱动轮； (4).电动机三角带传动开式齿轮驱动轮。 这四种传动减速方案中，第 l、第 2和第 3种方案由于布局合理，工作可靠，因此应用最多，约占 80%以上，适宜原木输送作业的要求。驱动装置的位置选择是原木纵向输送机应用中的一个重要问题。在选择驱动装置的位置时，必须设法减少牵引构件中的最大拉力，这样可使牵引构件的尺寸和重量减小。 我们在设 计中采用了上面的第三种方案，电动机减速器链条传动驱动轮，把电动机和减速器该用为减速电机。图 3.1是驱动机构结构图： 图 3.1 驱动机构结构图 3.1 电动机的选择 电动机的选择是专门工厂批量生产的标准部件，正确的选择电动机能直接影响机床的结构和寿命，所以选择时要根据工作机的工作特性，工作环境等，选择电动机的类型，功率和转速。 （ 1）选择电动机的类型 本设计采用电动机减速器链条传动驱动轮这种传动方式时，为了便于制造，减小设备的复杂程度，我们取消了减速器这一环节，采用电动机链条传动驱动轮的方式。所以选用交流电动机，额定电压是 380V，工作环境比较优良，温度一般在室温；电动机的载荷不大。 16 （ 2）计算电动机的功率和转数 假设选定可测原木最大直径 R=300mm，最大长度是 L=5000mm，一般木头的密度是 0.5 1.5 g/cm3 所以按上面系数计算得原木的质量是 707kg2120kg，取原木最大的质量 2120kg，所以原木重量是 G= 2R Lg (N) 其中 g=9.8m/s2 (3.1) 参考文献 7里查的机床的辊子链条的动摩擦系数是 0.144 。所以机床给辊子链条的摩擦阻力是 fG =2990.7N (不考虑链条的重量 )，输送台的链辊输送速度是v=15m/min，计算电动机的克服机床的运动阻力所做的功和功率。 wP= /60fv = 2 9 9 0 .7 1 5 / 6 0 =0.744 KW 所以只要电动机满足克服原木在辊子链条上运动时候所需要克服阻力所做的功就可以，wP就是所选电动机的有效功率。 因为大链轮的直径1d=213mm,电动机链轮的直径2d=149mm。所以，计算电动机的主轴转速是 6 0 1 0 0 0 /wn v d =2120 r/min 其中 d 就是电机轮的直径。 可以计算电动机输出转速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 选定了电动机的类型，结构及转速，计算出了所需电动机的容量后，可以在电动机设计手册中查得电机，我们选择带有减速装置的减速电动机，该电动机具有工作稳定，工作时散热性较好，适用于木工机械，减速电动机 主要参数如下： （ 1）减速电机型号 XWD0.55-3-59 （ 2）减速电机输出功率 0.75KW （ 3）电动机转数 2,120r/min （ 4）电动机输出转速 32r/min 3.2 链传动的计算 3.2.1 小链条的选择和校验 机床上常用的链传动主要有滚子 链和齿形链，链传动多用于进给运动和辅助运动。本设计的原木检测机采用的是滚子链，一般链速是 20v m/s。 （ 1）滚子链基本参数和尺寸 17 本设计采用的滚子链的型号是 16A，具体参数根据文献 7的链传动得表 3.1 （ 2）滚子链传动的设计计算 链传动的失效形式主要是链条的磨损，链条疲劳破坏和链条的拉断，所以链传动的设计计算以链条失效为依据。 表 3.1 滚子链基本参数和尺寸 （ GB 12843.1 83）单位： mm 链号 节距 p 排距 q 滚子外径 d 内链节内宽 内链节 外宽 外链节内宽 高度 16A 25.40 29.29 15.88 15.75 22.61 0.62 24.13 小轮齿数是1z， 1 minzz， (3.2) 通常minz=9，1z应该参照链速和传动比选取，一般1z=27-2i 应该优先选用下列齿数： 17， 19， 21， 23， 25， 38 说明增大1z链条紧边的总拉力下降，多边形效应减少，啮入时链节间的相对转角减少，磨损小，打扮尺寸和重量增大。 大轮齿数是2z， 2 1 maxz iz z (3.3) 2z大时，链节距磨损允许率 /pp 减少，链的寿命降低 齿数比 i i=1122nz = 32.122.45 =1.43 通常 6i 其中12,nn 小，大轮的转速 r/min；传动比大时，可考虑改为两极或两极以上。 张紧轮齿数iz，1izz，如果需要减少iz，甚至使minizz，可设计非标准齿形的链轮或采用特殊的张紧装置，张紧轮一般不止在链条松边靠近小链轮处，且在链的外侧，以增加小轮的包角张紧轮至少要有 3个齿与链啮合。 计算链传动的功率CP(KW ) ACzKPP K (3.4) 1.081()19z zK (3.5) 式中， P 传递的名义功率；AK 工况系数；zK 小轮齿数系数。 根据表 3.2取 AK =1.0，根据文献 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 链传动工况系数 载荷情况 工作机种类 电动机 汽轮机 带流体内燃机 无流体内燃机 AK 链运输机离心鼓风机等 1.0 1.0 1.2 0a应首先考虑结构要求，有张紧装置时，0a可大于 80 p；一般应满足小轮的包角不小于 120。无张紧装置时0a25 p，所以 0a= 25.40 25 =635mm 理论中心距 a(mm) 12( 2 )pLa p L z z K mm (3.6) LK 系数，按1 2 1/PL z z z查文献 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 实际中心距 a a =aa =640.9- 0.003 640.9 =638mm 其中 a 中心距减小量， a =(0.0020.004)a 链条的节数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(节 ) 19 PL应圆整为整数，尽量取偶数，以免使用过渡链节。所以 链条的长度 L (mm) PLL p mm PLL p= 71.5 25.4 = 1765.3mm 链条的速度 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 有效圆周力rF (N) rF=1000P/v=3260.87 N 静强度安全系数sn sn=m i n 48A t fQK F F (3.8) 作用在轴上的力tF (N) 水平传动和倾斜传动 tF= (1.151.2)AtKF=1 . 2 1 . 0 3 2 6 0 . 8 7 =3913.04 N 3.2.2 大链条的校验计算 初定中心距0a，一般0a=（ 3050） p, maxa=80p 0a应首先考虑结构要求，有张紧装置时，0a可大于 80 p；一般应满足小轮的包 角不小于 120。无张紧装置时0a250 备 注 齿根圆径向圆跳动 10级 11级 按 GB1184-80形状和位置公差未注公差的规 定 齿根圆处端面圆跳动 10级 11级 链轮的润滑剂的选择，一般都采用的是润滑油，当难以采用油润滑时，可用润滑 24 脂。或在铰链内喷镀一层耐磨塑料等，本设计链传动定期螺纹调整张紧链条。 链传动是一种常见的机械传动形式， 它是由链条和主。从动链轮组成工作时依靠链轮齿与链节的啮合俩传递运动和转距，是一种具有中间扰性件的啮合传动，链传动的润滑主要是采用机械油润滑。 3.3 链轮轴的设计和校核 合理分析和确定轴上载荷性质和应力状态，对正确判断周的失效形式和进行轴的强度计算都是十分重要的。 轴的设计准则是：针对轴在具体工作条件下最可能发生的失效形式进行响应的设计，使所设计的轴具有足够的、不发生该种失效的工作能力，并具有合理的结构和良好的工艺性。 轴的设计主要内容：根据轴的该种条件等于工艺要求和经济性原则，选取适合的材料、毛坯形式 及热处理方法；根据轴的受力情况、轴上零件的装配和定位、轴的加工等具体要求，确定轴的合理结构形状和尺寸，即进行轴的结构设计；轴的工作能力计算。一般的轴都需要进行强度计算；对刚度要求高的轴（如车床主轴）或受力大的细长轴（如蜗杆轴）等，还要进行刚度计算；对于高速轴，因有共振危险，应进行振动稳定性计算。 轴的结构设计原则：轴的受力合理，有利于提高轴的强度和刚度；轴上零件相对于轴、轴相对于机架，应定位准确，固定可靠；轴便于制造，轴上零件便于拆卸和调整；尽量减小应力集中，并节省材料、减轻重量。 3.3.1 轴的材料的选 择 轴的材料首先应有足够的强度，对应力集中敏感性低；还须能满足刚度、耐磨性、耐腐蚀性要求；并具有良好的加工性能，且价格低廉，易于获得。碳钢有足够高的强度，对应力集中的铭感性较低，便于进行各种热处理及机械加工，价格较廉，应用较广。一般机械中的轴，多用 30 50优质中的碳钢制造，尤以 45钢最常用。所以轴的材料选用 45钢，调质处理。 3.3.2 按扭转强度条件计算 这种方法是根据轴所受的转距进行计算。若轴上还作用弯距，则通过降低许用扭转剪应力来补偿其影响。对实心轴，其强度条件： =TWT 339550 100.2Pnd （ 3.12） 式中， 扭转切应力 （ MPa）； T 轴所受的 扭矩 （ Nmm） 25 rW 轴的抗扭截面系数（ mm3 ） ； P 轴传递的功率（ KW）； n 轴的转速（ r/min） ； d 计算截面处轴的直径 （ mm） ； 轴的许用扭转剪应力（ MPa）。 由上式得轴径 d（ mm） 的计算公式： 表 3.3 轴常用几种材料的 及 A值 轴的材料 Q235-A 20 Q275 35 （ 1Cr18Ni9Ti） 45 40Cr25SiMn 38SiMnMo 3Cr13 / MPa 1525 2035 2545 3555 由上表 4.3得知， 取 45。 轴最小直径 d332.0109550 3 nP = 3 3452.0 109550 3 0.7322.45 =29.8mm 故取 30mm 初定各轴段直径以及长度 轴承处 30mm，按传递转矩算得基本直径，考虑轴承的选择等因素，该长度取 93mm 齿轮处 35mm，考虑齿轮从右端装入，齿轮孔径应稍大于轴承处直径并为标准直径，故该段的长度取 103mm 轴环处 40mm，按齿轮处直径 d=35mm轴环高度 a=（ 0.070.1） dx35=（ 2.453.5） mm，取 a=2.5mm,所以该段的长度取 100mm 左端齿轮处取 35mm，同上面的右端齿轮处相同，长度为 55mm 左端轴承处 30mm，按传递扭矩估算得 基本直径，长度考虑轴承以及轮毂的宽度，故该处取 142mm 各轴端的长度以及直径如下图所示： 26 3.3.3 按弯扭合成强度条件计算 由参考文献 11中，查得选择轴的材料是 45钢，调质处理。 b 637N/mm2 s=353N/mm2 -1=268N/mm2 1=155N/mm2 +1 b=216N/mm2 0 b=98N/mm2 -1 b=59N/mm2 轴传递的转矩 T=9.55 106 nP =9.55 106 0.7326=17.05 103N mm 作用在链轮上的力tF (N) tF= (1.151.2)AtKF=1 . 2 1 . 0 3 2 6 0 . 8 7 =3913.04 N 轴受的圆周力rF (N) rF=1000P/v=3260.87 N 轴的结构设计，画轴的计算简图 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 绘制弯矩图、转矩图 (图 3.1) 做轴的水平面弯矩图 (如图 3.1a) MCH=674.2 367.5+3238.8 76.5=495469 N mm 做轴的竖直面弯矩图 (如图 3.1b) MCV= 561.8 367.5+2699 76.5=412952 N mm 做轴的合成弯矩图 (如图 3.1c) M= CVCH MM 22 = 224 9 5 4 6 9 4 1 2 9 5 2 =644995 N mm 做轴的转矩图 (如图 3.1d) T=316886.4 N mm 27 图 3.1 轴所受的玩矩，扭矩 按弯扭合成应力校核轴的强度，做轴的相当弯矩图 (如图 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 校核结果 : e -1 b=59N/mm2 轴的强度足够。 28 已知轴的弯矩和扭矩后，可针对某些危险截面作弯扭合成强度校核计算。按第三强度理论，计算应力 224eq (3.13) 为了考虑循环特性的影响，引入折合系数 a,则计算应力为： 22 4e q x (3.14) 对于直径为 d圆轴，弯曲应力 MW， 扭转切应力WTWT r 2，将 代入上式中，则轴的弯扭合成强度条件为： 22224 2eq MTMTW W W (3.15) 其中式中：eq 轴的计算应力， 单位 MPa； M 轴所承受的弯矩， 单位 N mm； T 轴所受的扭矩， 单位 N mm； W 轴的抗弯截面系数， 单位 mm3 ； 对称循环变应力时轴的许用弯曲应力 。 计算轴的直径 : 轴计算截面上的强度条件为 eq=WMeq =WTM 22 )( （ 3.16） 式中，eq为轴计算截面商店饿相当弯曲应力（ MPa） ； W为轴计算截面的抗弯截面模量（ mm 2 ） ； 为轴的许用弯曲应力（ MPa）；对转轴和转动心轴， = 1 。 对实心圆轴， W= 3d /32 0.1d3 ,其计算截面处的直径为 : 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 故轴的疲劳强度合适。 静强度安全系数校核 轴的静强度安全系数校核，是根据轴上的最大瞬时载荷（包括动载荷和冲击载荷）和轴材料的屈服极限，计算并判断轴危险面的静强度安全系数是否满足，其目的是检验轴对塑性变形的抵抗能力。校核公式为 : S0= 00202 00 SSSSS （ 3.19） 式 4.6中， S0为危险截面的静强度安全系数； S0为静强度许用安全系数， S0为只考虑弯曲时的静强度安全系数； S0为只考虑扭转时的静强度安全系数。 S0=maxmax MWss （ 3.20） S0=maxmax TW Tss （ 3.21） 式 3.19和式 3.20中，s、s为轴材料的抗弯、抗扭屈服极限（ MPa）， Mmax、 Tmax为轴危险截面上的 最大弯距、最大转距（ N mm） ；W、 WT 为轴危险截面的抗弯、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 故轴的静强度合适。 3.4 轴承的选择和校核 3.4.1 选择轴承 根据轴的负荷力方向，选用带立式外球面轴承，该轴承额定动负荷比为 1；能承受一定的双向轴向负荷；轴向位移限制在轴向游隙范围内；可自动调心，内圈比较宽，便于装拆。内外圈轴线间允许角偏位为 8 到 16 ,轴承型号： U8000型（ GB/T3882-95） 。 3.4.2 轴承的选用计算 机床一般传动轴的滚动轴承失效形式，主要是疲劳破坏，所以进行轴承的疲劳寿命计算，就是计算已知轴承在给定载荷下，不发生疲劳点蚀的寿命；或在给定载荷下，通过计算，选择在预定寿命内不发生疲劳点蚀失效的可用轴承。滚动轴承寿命计算公式为 : 61010 ()60 ThfCL nP （ 3.22） 表 3.4 载荷系数 载荷性质 pf 举例 无冲击或轻微冲击 1.01.2 电动机 、汽轮机、通风机、水泵等 中等冲击或中等惯性力 1.21.8 车辆 、 动力机械 、 起重机 、 造纸机 、 冶金机械 、 选矿机 、 卷扬机 、 机床等 强大冲击 1.83.0 破碎机 、 轧钢机 、 钻探机 、 振动筛等 根据表 3.4查得，取pf=1.2。根据文献 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，确定选用。 轴承寿命和额定动负荷的修正计算 1 2 3 1 0naL a a a L (3.23) 式 3.22中naL 修正后 的额定寿命 ； 1a 可靠性不等于 90%时的寿命修正系数 ； 2a 非常规材料的修正系数 ； 3a 非常规定运转条件寿命修正系数 ； 10L 常 32 规轴承材料 ,正常运转条件和可靠性为 90%的额定寿命。 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 材质系数 ； Tg 温度系数 ； Hg 硬度系数。 由于本设计中需要轴转速度不高 ,所以就不计算轴承极限转速。 3.5 链轮轴键的选择和键联接的强度计算 3.5.1 键的类型选择 键的类型选择根据轴及链轮毂的结构，使用要求和工作状况来选择，还应该考虑传递转距的大小；轴上零件是否需要沿轴向移动及滑移距离的长短；对中性要求 ；键在轴的中部还是在端部等，本设计采用普通平键，适合使用在链轮链传动中。 键的主要尺寸为其剖面尺寸（键宽 b 键高 h）与长度（ L）。键的剖面尺寸 b h依据轴的直径 d由标准中选取。键的长度 L一般可按轮毂的长度选定，即键长略短于轮毂长，并符合标准规定的长度系列。 根据轴径 d=35mm，轮毂长 L =50mm由机械设计手册取键宽 b=10mm，键高 h=11mm键长L1=90mm和 L2=45mm。 3.5.2 计算键工作面剪切 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 传递最大转矩 (Nmm)； D 轴的直径 (mm)； K 键与轮毂接触高度 (mm)； b 键宽 (mm)。 3.5.3 计算键工作面挤压 平键联接可能的失效形 式有：较弱零件（通常为轮毂）的工作面被压溃（静联接），工作面过度磨损（动联接），个别情况会出现键被剪断。对于尺寸按标准选择的平键联接，压溃和磨损是其主要的失效形式，因此，通常只作联接的挤压强度或耐磨性计算。 在工程设计中，假定压力沿键长和键高均匀分布，则可按平均挤压强度或耐磨性的条件计算，即静联接 P = ldhT2 P （ 3.24） 33 根据文献 7查得表 3.5中， 表 3.5 键联接的许用挤压应力和压强 许用值 联接方式 联接零件中较弱零件的材料 载荷性质 静载荷 轻微冲击 冲击 p 静联接 钢 125150 100120 6090 铸铁 7080 5060 3045 p 动联接 钢 50 40 30 静联接 钢 120 90 60 许用挤压应力 , P =30 45MPa 计算工作转距 T=9.55 106 P/n =17.05 103 N mm 强度验算 键的工作长度 : l=L-b=(90-10)=80mm 挤压高度 : h =2h=112=5.5mm 挤压 : 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 此键安全。 3.6 螺栓的选择和校核 螺栓型号： GB5782-2000-M12 30 性能等级为 8.8. 根据接合面不滑移条件要求螺栓所必须的预紧力 F0 F0 fzmFkn (3.25) 式 3.24中， kn为可靠系数，通常取 kn=1.1 1.3, f 为接合面摩擦系数 f=0.060.10, m 为接合面数目 , z 为螺栓数目。 F0 121.0 3942.1 =2364N 由于预紧，螺栓螺纹部分除了受预紧力 F0 所产生 的拉应力作用外，还受到螺纹摩 34 擦力距 T1引起的扭转剪应力。拉应力 =4 F0/（ 21d）；剪应力 =16T1/( 31d)=16F0（ d2/2） tan(v)/( 31d)=2d2tan(v)/d1 4 F0/（ 21d） . 对于常用的 M10 M68的普通螺栓，将 d1/d、 的平均值带入，并取v=arctan0.15, 则得 0.5 。由第四强度理论，可得螺栓螺纹部分的强度条件为 : 3.1)5.0(33 2222 3.14 210 d F (3.26) 式 3.25中， 为紧螺栓联接中螺栓的许用拉应力（ MPa）查参考文献 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 本章小结 (1) 在本章中比较细致的介绍了光环投影 测量 机设计 动力部件的选择处理和对该部件的校验计算 ,安全计算等。 (2) 对原木检测机传动机构的设计和以及相应部件的校核。 (3) 对于本章有些部件的计算有些不够精确的地方，希望给予谅解，本设计仅属于是实验设计计算。 35 第 4章 检测机构的设计计算 4.1 检测机构结构设计 本设备的检测机构采用框架式，框架全部采用型钢制作，结构简单，便于制作和安装；强度和刚度较好，且机构的几何精度易于保证。检测架上安装 8个检测摆 杆，摆杆一端连接摆动轴，摆动轴端安装着角度传感器。这样，当原木由检测框中通过时，摆杆的运动就可以带动角度传感器转动，从而输出电压信号。为了保证检测框和机架相对位置的精度，设计时采用了精密定位销对角定位的方式，使检测框和机架实现精确装配，保证了检测架相对于机架基准面的对称度和垂直度。检测框与机架的连接采用螺栓联接的方式，增强了检测架的抗震性和稳定性，保证了检测精度。检测摆杆与原木接触的一端安装滚轮，减轻了摆杆的磨损；摆杆的轴端安装了回位、压紧弹簧，使摆杆在检测过程中杆端滚轮紧贴原木表面。角度传感器的固定板与摆 杆座设计为一体件，这样在加工时可一次完成，保证了较高的同轴度。图 4.1是检测机构的结构图： 1.检测架 2.角度传感器 3.检测摆杆 4.原木位置 图 4.1 检测机构图 从检测机构图 4.1可以看出， 8个检测摆杆的检测端在被检测原木截面上的位置最好是均布的，这样才能使检测效果达到最好。在设计时，考虑到检测的原木径级的变化范围较大，如果摆杆按其中任意一根原木的圆周进行均匀布置，这势必造成摆杆检测端的位置在其他直径原木的圆周上不是均匀分布的。为了满足以上要求，我们借助CAD可以绘制出精确的摆杆位 置分布图，如图 4.2： 36 图 4.2 摆杆位置分布图 假设原木截面为近似圆形，我们作了 11个圆，每个圆形直径相差 2cm，这些圆形都与底部的 V型槽接触，这与实际工作中原木在设备上运动时的位置情况十分接近。绘制出每个圆的圆心，通过圆心组绘制坐标系，令这些坐标系的 y轴重合， x轴随圆的直径加大而逐次向上排列，由图 4.3可以看出，将最大圆和最小圆的 8个对应均布点连接，每条直线都经过这组圆的对应均布点，这样就可以确定摆杆的位置，实现无论原木径级如何变化，摆杆检测端在原木截面上都是较均匀分布的，检测点之间的夹角都接近45度。 4.2检测系统原理的计算 为了验证本文所提出的 8点检测 4点组合回归算法的精确度和设备的检测性能，本实验所采用的原木外轮廓点数据组均为原木形状识别机适时采集的数据。通过对这些原木形状数据的计算机处理，确定所检测原木的各截面直径、面积，以及原木的长度、材积值，然后利用这些数据与用人工测量数据计算出的原木参数进行比较，进行误差分析。 本实验采用自行研制的原木形状识别机检测原木截面周边上的有限离散样点。检测机构的检测原理如图 4.3和图 4.4所示： 在原木经过位于机身中部的检测框时，检测框上面按圆周形式布置 的 8根检测摆杆的底端触头落到原木表面上，各摆杆展开一定角度。在原木移动过程中，原木表面的凹凸起伏引起每根摆杆角度的变化，从而使检测摆杆固定端上的角度传感器输出值产生变化。由此可计算出原木截面圆周上采样点的坐标值。 将检测框左下角作为直角坐标系的原点，检测框底边水平方向作为 X轴，左边垂 直 37 的方向作为 Y轴。设 Dx， Dy分别表示摆杆轴端的横坐标和纵坐标， d为摆杆在检测框。 图 4.3 检测框坐标系 图 4.4 检测状态模拟图 平面 XOY上的投影值， 为摆杆与 X轴负方向的夹角，则原木任意截面周边上的样点 坐标可由下式确定： x=Dx+d cos y=Dy-d sin (4.1) 若摆杆长度为 l，摆杆的摆角为 ，则有： d=I cos (4.2) 做原木的长度计算时，我们分析了原木在运动过程中的特点，如图 4.5： 原木跟随输送机链条做匀速运动，设定速度为 12m/min。当原木与检测摆杆接触后，会推动检测摆杆绕轴转动，在这个过程中，原木的移动位置 vt和检测摆杆的摆动。 垂直方向（ m） 水平方向（ m） 垂直方向（ m） 水平方向（ m） 38 图 4.5 原木运动与摆杆位置关系 角度 以及旋转轴轴线到原木与检测摆杆的接触点的垂直距离 h三者之间存在如下关系： vt htag (4.3) 上式表明从原木与检测摆杆接触推动其摆动到原木端面与检测摆杆分离这段时间内，对于同一根原木，由于旋转轴轴线到原木与检测摆杆的接触点的垂直距离 h是不变的，所以原木运动距离与检测摆杆转角的正切值的比是一个定值。当上式成立时，可以判定检测点没有落在原木的表面上，否则即可 认为检测开始。 当原木与检测摆杆脱离时，情况与上述不同，可以将检测摆杆下落的过程近似看作单摆运动来加以分析如图 4.6，当原木和检测摆杆脱离时， 0号摆杆回落时是做单摆运动，其它 7个摆杆可看作近似单摆运动，根据单摆运动周期公式有： 2 lT g (4.4) 其中： T-摆杆摆动周期； l-摆杆长度； g-重力加速度 图 4.6 原木运动与摆杆位置关系图 39 4.3 检测机构 的零件的选择和校核 4.3.1 传感器的选择和原理 本设计采用的是 XSDA30型变阻器式角位移传感器 , 变阻器式角位移传感器也称为电位器式传感器。 根据欧姆定律 : IRA (4.5) 其中 是电阻率 (mm2 /m)； I 是电阻线长度 (m)； A 是电阻线截面积 (mm2 )。 当电阻线的直径与材料一定时 ,其电阻值随电阻线长度变化而变化。 常用变阻器式传感器有直线位移型 ,角位移型等。变阻器式传感器是一个三端电阻器件 ,调节动触点位置可以将被测位移 ,角度等转换为电压的变化 ,当导线分布均匀时 ,单位位移的电阻值是一常数 ,传感器的输出和输入成线性关系。图 4.7是变阻器式角位移传感器工作 原理图： 图 4.7 变阻器式角位移传感器工作原理图 adRSkda (4.6) 表 4.1 XSDA30型变阻器式角位移传感器主要参数 项目 值 项目 值 标称阻值（ k） 1、 2、 3、 4 总组公差（ %） 15、 20 独立线性度（ %） 0.3、 0.5、 1 理论电器转角（） 330 5、 330 10 分辨率 理论上无限 输出平滑性（ %） 0.1 机械转角（） 360（连续） 启动力矩（ mN.m） 1 介质耐压（ v） 500（ AC.RMS） 1min 绝缘电阻（ M） 1000（ 500VDC） 旋转负荷寿命（圈） 10 10 耐湿 90%RH240h 表 4.1是 XSDA30型变阻器式角位移传感器的各项性能指标 。 40 变阻器式传感器结构简单 ,性能稳定 ,使用方便。用导电塑料制成的角度传感器克服了绕线式角度传感器分辨率低 ,触点和电阻丝接触表面易磨损 ,附着尘埃等缺点 ,同时也避免了触点移动中 ,接触电阻发生不规则变化而产生的噪声。 4.3.2 检测摆杆轴的选择和校核 根据检测摆杆的工作原理可以知道 ,摆杆轴是起支承转动零件用的 ,所以该轴属于心轴 ,只承受弯矩而不传递转矩的 ,要进行弯曲刚度计算 ,由于该轴应用于精度很高的检测中 ,对轴的精度要求也是很高 ,因为传感器中轴受的力很小 ,就不对它进行详细的校核了 ,只是简单列下轴的弯曲刚度的计算 公式。 弯曲刚度的计算 ,弯曲刚度只需计算轴的最薄弱环节的转角和挠度 ,确定计算的条件 ； yy (4.7) 其中 y 计算部位的计算挠度值 (mm)；y 允许挠度值 (mm)； 计算部位的计算转角值 (rad)； 允许转角值 (rad)。 4.3.3 弹簧丝的选择和计算 本设计采用的弹簧是螺旋扭转弹簧 ,弹簧负荷属于一级负荷 ,受负荷作用次数在61 10 次数以上 ,弹簧工作条件一般，故选用价格较低的 C级碳素弹簧钢丝，扭转弹簧一般用于压紧 ,储能或传递转距等。 扭转弹簧的强度条件是 m a x 3 0 . 1 WK M K T K TW W d (4.8) 其中， M 和 T 分别是弹簧截面受弯矩和转矩， W 是弹簧抗弯截面系数，对圆形截面有 33/ 3 2 0 . 1W d d， K 是曲度系数，对圆截面有 ( 4 1 ) / ( 4 4 )K C C ， W是许用弯曲应力，参考文献 2 。 取螺旋比 C =6，所以有 K =1.15, 取 W=0.5b 弹簧丝直径 d的试算值由式 8 / 8 6 1 . 1 5 2 0 0 / 5 8 5d C K T =6.3mm 7d mm d 扭转弹簧因扭转变形而产生的扭转角可按材料力学公式作近似计 算。 21 8 0 /T D n E I (4.9) 其中 , I 是弹簧丝截面惯性矩 ,对圆截面 4 / 64Id ；E 是弹簧材料的弹性模量 . 41 计算弹簧圈数，弹簧工作圈数 n由 322/ ( 8 ) 8 . 1n G d F C，取 n=8圈。弹簧两端死圈各取 1圈弹簧总数 n1为， n1=n+2=10圈。 高径比 b=H0/D2=2.93, b3.7不需进行稳定性验算。 检查最小间隙，轴向间隙 6 .7 1td mm 单圈弹簧最大变形量为 2 / 4.44n mm 最小间隙 12/ 2 . 2 7n mm 0.1 0.6dmm 满足要求。 结构尺寸参数的确定，弹簧外径 2 20D D d mm 弹簧内径 2 16D D d mm 弹簧丝展开长度 21 / c o s 1 5 0L D nmm 弹簧刚度 3/ ( 8 ) 1 9 . 4 3 6SC G d C nN/mm 4.3.4 传感器中轴承的选择和计算 本设计的检测机构中传感器的轴承选用双面带防尘盖的深沟球轴承 6000-2Z型(GB/T276-94)，该轴承的特性是同深沟球轴承，防尘性好，装配时加入润滑剂，安装使用时不用清洗和添加润滑剂。 对轴承疲劳寿命计算 ,根据文献 7中查得 61010 ()60 ThfCL nP （ 4.10） 根据表 3.4查得，取pf=1.2。根据文献 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，确定选用。 运转精度，发挥轴承的工作能力有重要作用，支承结构设计需要综合考虑轴承的配置，总的要求是保证功能 ,安装 ,调整方便，由于本轴承应用于高精密的检测机构中 ,所以 会经常的对轴承进行润滑和更换。 4.4 本章小结 (1) 本章设计了光环投影 测量 机设计 的检测机构，分析了各种结构的优缺点以及检测机构的原理。 (2) 对检测机构重要零件进行了计算。 (3) 为今后光环投影 测量 机设计 的设计储备了详尽的图纸资料。 43 结 论 在我国的制材行业中，应用光环投影 测量 机设计 的企业还不是很多。而国外一些发达国家在这方面的技术已经相当成熟，多数大型制材厂在对原木进行加工前，都对原木的外形进行检测，以达到优化下锯的目的，大大提高了原木材料的利用率。随着森林资源的减少和木制 品市场需求的增加，合理地利用原木材料便显得尤为重要。应用原木形状识别技术，提高原木的出材率，是目前我国制材企业发展的必由之路。 由于我国的木材加工工业飞速发展，对原木加工时的尺寸要求越来越高。采用机化检测手段可以迅速提高对原木形状尺寸的识别效率，增加检测精度，提高下锯优化率。本文所研究的原木检测机，采用近似检测理论，可极大地简化设计，使设备有成本低，检测效率高，检测精度高等特点。本文在对检测原理进行研究，结构选型行论证，检测过程进行分析的工作中，得出了以下结论： (1)提出并采用了 8点检测、 4点组合回归方 法测量原木形状，由于检测点少，检机构简单，对采集到的数据运用充分，因此具有其可行性。 (2)检测系统在原木数据采集过程中，采用了动态实时在线采集方式，即在原木输过程中完成数据采集，设备具有较强的实用性。 (3)本项目所设计的原木检测机具有较多分析处理功能，克服了国外以往原木测设备只局限于测算原木材积这一项上的缺陷。 (4)由于本设备处理系统可以实现原木外形轮廓的计算机模拟再现，而且再现过程建立在设备数据库拥有大量原木实采参数的基础上，因此可实现原木的计算机模拟锯加工，并将数据提供给数控带锯机，实现制材 的数字化。 (5)原木检测数据可实时传递到厂内计算机网络，可极大地提高制材企业的科学管水平。 对设备的改进设想如下： (1)将接触式测量改为非接触式测量，用国外通常采用的激光器代替变阻器式角度感器。 (2)将检测点数提高一倍，即采用 16点测量，使检测精度达到较高的水平。 (3)考虑改变原木在通过原木检测机检测框时的运动方式，实现使原木的纵向运动旋转运动的组合，以形成更加逼真的原木外包络数据空间。 44 参考文献 1金维洙 ,蔡立新 ,韩玉杰等 .世界原木定心技术现状及发展趋势 J.世界林业研究 ,2009, 12 (4):28-31. 2王三民 ,诸文俊 .机械原理与设计 M.机械工业出版社 , 2010,12. 3宋贵江 .贮木场原木纵向输送机的类型分析 J.森林工程 ,2010,12(5):16-17 4王世刚 ,张秀亲等 .机械设计实践 M.哈尔滨工程大学出版社 ,2009,2. 5肖敏慎 .原木输送机的设计 J.湖南农机 ,2008,16(3):12-13. 6许恒勤 .原木输送机与物料机械化运输 J.森林工程 ,2010,17(6):19-20. 7陈铁鸣，王连明 .机械设计 M.哈尔滨工业大学出版社 ,2009.8. 8王连明 .机械设计课程设计 M.哈尔滨工业大学出版社