高效带锯床的关键技术研究及应用
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在兴旺国家，带锯床已根本占锯切领域的主导地位。美国带锯床产量 到达国内锯床总产量的80%~90%；日本和德国采用带锯下料的工艺超 过了70%和50%。 中国已连续多年成为世界最大数控切割机床消费国和进口国， 2006～ 2021年期间，国内带锯床企业和一些外资带机床企业逐步扩大市场份额 。
选题背景
选题背景
有限元法是现代CAE中一种重要的分析计算方法，目前已经有很多基于有限元法 的有限元软件，如ANSYS等，已广泛用于机械构造的静态分析、动态分析；研 究线性、非线性问题等。
a.机床横梁的模态分析
b.轮子的应力分析
选题背景
目前自动带锯床控制机主要有：可编程控制器〔PLC〕，单片机、 CNC〔计算机数控系统〕。 其中PLC以功能强劲、可靠性高、编程简单、价格低廉而尤为突出。
可编程控制器〔PLC〕是一类可编程的存储 器，用其内部存储程序，执行逻辑运算、顺 序控制、定时、计数与算术操作等指令，并 通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的 机械或生产过程。
选题背景
PID〔比例-积分-微分〕控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历 史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。 PID控制器简单易懂，使用中不需准确的系统模型等先决条件，因而 成为应用最为广泛的控制器。
a.市场上各种PID调节器
选题背景
高效带锯床关键技术：
1.高效带锯床强力锯 切机理的研究。
2.研究带锯床锯切过 程中抑制振动技术。
3.数控技术实现恒锯 切力锯切，到达恒功 率作业，实现效率最 大化。
课题研究的意义
研究意义
1.通过高效金属带锯床强力锯切机理实验研究，研究锯切力、进 给力、进给速度、锯切速度等因素对锯切效率的影响，对高效 带锯床的设计有重要意义。
PLC在带锯床控制中的应用 中南大学的曾芸在其硕士论文?卧式带锯床进给系统设计和研究?中对测量 进给量的变化、工件截面形状和尺寸变化对进给力的影响做了大量的工作， 通过测量进给油缸无杆腔的压力间接确定进给压力F，并设计了通过进给压 力F反响，基于PLC逻辑控制，调节进给速度的液压系统。
a.进给压力和工件截面 的关系曲线
主要参考文献
[11] 李初晔,张媛,王卫朝.数控机床的动态分析与减振计算[J].现代振动与噪声技 术,2021,8:370-378. [12] 冯砚博,孙涛.多线切割机床动力学分析[J].振动与冲击,2021,30(7):169-172. [13] Chunxia Zhu,Lida Zhu,Jianrong. Analysis of dynamic characteristic and structure optimisation for hybrid machine tool[J]. Modelling, Identification and Control,2021,7(1):89-96. [14] M. Mahboubkhah,M. J. Nategh,S. Esmaei lzadeh Khadem. A comprehensive study on the free vibration of machine tools’ hexapod table[J]. Adv Manuf Technol,2021,40:1239-1251. [15] 侯红玲,邱志惠,赵永强.高速切削机床横梁的静态与动态分析[J].机械设计与 制造,2006,5:38-39. [16] 朱育权,千学明,林晓平.1CL50型机床立柱振动模态分析[J].西安工业大学学 报,2007,27(3):215-218. [17] 董旭,高铁红,靳迎波.基于有限元方法的并联机床模态分析[J].北华航天工业 学院学报,2021,18(5):11-14. [18] 陈成.简易数控铣床切削振动研究[D].江苏:东南大学,2021:27-42. [19] 赵进,赵峰,艾爽.机床整机系统振动特性分析[J].机械工程师,2021,4:85-87. [20] D.A. Axinte. An experimental analysis of damped coupled vibrations in broaching[J]. Machine Tools & Manufacture,2007,47:2182-2188.
研究内容
研究内容
2.高效带锯床抑制振动技术研究。
〔1〕用有限元法〔ansys软件〕对带锯条和锯轮进展动态特性分析 。 〔2〕研究检测振动和主动控制振动的方案。
研究内容
研究内容
3.高效带锯床锯切效率最大化及其控制系统研究。
〔1〕基于PLC和PID研究高效带锯床锯切效率最大化的控制方案。 〔2〕改进现有的带锯床控制系统，提高其自动化程度。
半自动 带锯床
全自动 带锯床
德国贝灵 格全自动 带锯床
2002～2005年，进口数控带锯机床在中国数控切割机床消费中占62%，2021年 那么为33%。
由此可见带锯床自动化将是未来的开展方向。而以40CrMo为例，国内带锯床的 锯切效率为70~80cm2/min，德国贝灵格的锯切效率可达430cm2/min，故提高锯 切效率，实现高精度锯切力的控制亦是未来的焦点。
Alberto Leva和Martina Maggio在很多研究人员的根底上，对PID自整定的 规那么进展研究，提出了一种新的自整定的规那么，并通过仿真加以改进， 为PID参数自整定的规那么法提供了新的方法。
研究现状
PID的应用及参数自整定
N. KANAGARAJ、R. KUMAR和P. SIVASHANMUGAM针对压力控制，在 较多经历的根底上，将模糊控制技术嵌入到PID控制器中，以ARM7微控制 器为载体，研究模糊规那么来控制PID参数的整定。
a.检测和控制系统
研究现状
机床振动的检测和控制
Dong-Hoon Kim、Jun-Yeob Song、Suk-Keun Cha等设计了一个颤振补偿系 统，从传感器检测刀具和材料之间的相对位移，然后通过算法估计补偿值， 到达自主控制颤振的目的。
a.振动测试装置 和测得的信号
b.控制系统框图
研究现状
2.通过对带锯床锯切过程中重要部件振动特性的分析及抑振技术 的研究，对抑制带锯床的振动、改善锯切的状况有重要意义。
课题研究的意义
研究意义
3.通过研究锯切效率最大化的控制理论模型，并基于PLC实现带 锯床恒定锯切力锯切，对提高带锯床的锯切效率，提升带锯条 的使用寿命有重要的意义。
研究现状：带锯床锯切机理
研究现状
PLC在带锯床控制中的应用 丁时锋、李清香针对双立柱带锯机设计了基于PLC的自动控制系统和液压控 制系统，提高了锯切的效率。
b.液压系统原理图
a.双立柱液压带锯机
系统状态转移图
研究现状
PID的应用及参数自整定
哈尔滨理工大学的杨明贵、张元、赵炎对带锯床锯切机理进展了研究，得出 锯切力是影响锯切效率的重要因素，并通过检测两夹紧钳口夹紧力的变化量 ΔF，将其反响给他们设计的模糊PID控制系统，控制进给油缸的牵引速度， 实现等面积切削。
a.测力系统示意图
b.带锯锯齿分析
研究现状
有限元法在机床振动特性分析中的应用 M. Mahboubkhah，M. J. Nategh和S. Esmaei lzadeh Khadem对六杆并 联机床的工作台进展了动态特性分析，得出了其在自激振动下到达共振的情 况，接着采用有限元法对某种型号的六杆机构造的措施。
a.有限元模型
b.有限元法模拟图
研究现状
有限元法在机床振动特性分析中的应用
西安交通大学的朱育权、千学明、林晓平通过ANSYS软件建立了1CL50机 床立柱的几何模型，分析了该立柱的各阶振型，并针对各阶振型优化机床立 柱的构造。
a.有限元模型
b.模态分析
研究现状
机床振动的检测和控制 S.K. Choudhury和M.S. Sharath设计了一个抑制机床振动的控制系统，它通 过测量刀具和工件之间的相对位移来检测振动，通过处理反响给电磁驱动器 ，驱动刀具的进给，并结合实际的实验比照，取得了减小振幅33%，外表光 洁度提高了22%的效果。
长沙工业高等专科学校的李新和、唐植瑶研究了双金属带锯条锯削力的计算 ，建立了带锯条刀齿模型、推出了锯削力计算的实验公式，并确定了公式中 各参数的意义和取值方法。
a.当量齿模型
b.切削抗力示意图
c.切削抗力计算公式
研究现状：带锯床锯切机理
Tae和Hee对斜向分齿带锯条的锯切抗力进展了实验研究，结合理论推导， 他们确定了锯切抗力的计算模型，首先是实验测试单个齿的锯切抗力，根据 齿的几何形状导出锯切抗力的公式，最终得到总的锯切抗力。
a.锯削受力图 b.仿真曲线 c.控制系统框图
研究现状
PID的应用及参数自整定
冯卫星、樊泽明等对智能阀门定位进展PID的控制，他们通过对误差进展相 平面的分析，对不同大小的误差采用不同的控制策略，最后通过实验比照进 展验证。
b.实物图
a.误差相平面分析
c.速度和误差随动图
研究现状
PID的应用及参数自整定
a.模糊控制的输入输出设定
c.仿真结果
研究内容
研究内容
1.高效金属带锯床强力锯切机理实验研究。
〔1〕对直径为50～100mm的45号钢、40CrMo、304L、H13等8种 圆柱形材料进展锯切实验，测量锯切力、进给力、进给速度、锯切 速度以及各材料特性〔如硬度〕。
〔2〕根据测得的数据，分析各参数与锯切效率之间的关系；分析 材料本身的特性和锯切效率之间的关系。根据所得的规律，推出效 率最大化的理论模型；推测遇不知名材料时可用的锯切效率。
主要参考文献
[1] 郭北涛.国内外金切锯床的现状及开展趋势[J].制造技术与机床,2004,2:32-33. [2] 郭北涛,邹广华,刘强.数控带锯床锯切工艺及应用[J].制造技术与机,2004,8:9293. [3] 王晓云,肖晓峰,刘辉.高速锯切加工切削过程分析[J].机械设计与制,2001,4:79. [4] 么永强,戈景刚,王泽河.立式轻型金属带锯床张紧力的研究[J].河北农业大学学 报,2002,25:289-291. [5] 李新和,唐植瑶.双金属带锯条锯削力的计算[J].制造技木与机床,1997,3:29-31. [6] Tae J K,Hee S K.Mechanistic cutting force model in band sawing[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture,1999,39:1185–1197. [7] Henderer W E,Boor J D,Holston J R. Estimation of cutting forces in band sawing metals[J]. Transactions of NAMRC,1996,24:33–38. [8] Andersson C,Anersson M T,Stahl J E.Cutting force model including effects of positional errors tool dynamics and wear[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture,2001,41: 227–236. [9] 张会端,谭庆昌,裴永臣.机床工作台的动力学分析[J].机床与液,2021,36(9):6871. [10] 彭文,倪向阳.五坐标龙门加工中心动态特性分析与振动控制[J].制造技术与机 床,2006,2:61-63.
技术路线
技术路线
进度安排
2021年11月～2021年12月 查阅国内外相关文献资料，确定研究方案。 2021年12月下旬～2021年2月上旬： 结合实验数据研究高效带锯床的强力锯切机理； 高效带锯床数控技术实现的总体方案设计。 2021年2月下旬～2021年4月上旬： 高效带锯床数控技术实现方案实施；进展实验结果验证。 2021年4月下旬～2021年5月上旬： 用有限元方法对带锯床重要部件进展振动特性分析。 2021年5月下旬～2021年7月下旬： 根据分析结果研究抑制振动的方案，并与之前进展比照分析。 2021年8月上旬～2021年9月上旬： 整理总结前期研究内容，开场撰写毕业论文。
高效带锯床的关键技术研究及应 用
主要内容
1
选题背景及研究意义
2
国内外研究现状
3
研究内容、技术路线
4
进度安排
454
主要参考文献
选题背景
金属带锯床〔Metal band saw machine〕是用于锯割各金属材料的机 床，适用的材料包括碳素构造钢、低合 金钢、高合金刚、特殊合金钢、不锈钢 、耐酸钢等，是机械加工行业不可缺少 的切割下料设备。
选题背景
选题背景
有限元法是现代CAE中一种重要的分析计算方法，目前已经有很多基于有限元法 的有限元软件，如ANSYS等，已广泛用于机械构造的静态分析、动态分析；研 究线性、非线性问题等。
a.机床横梁的模态分析
b.轮子的应力分析
选题背景
目前自动带锯床控制机主要有：可编程控制器〔PLC〕，单片机、 CNC〔计算机数控系统〕。 其中PLC以功能强劲、可靠性高、编程简单、价格低廉而尤为突出。
可编程控制器〔PLC〕是一类可编程的存储 器，用其内部存储程序，执行逻辑运算、顺 序控制、定时、计数与算术操作等指令，并 通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的 机械或生产过程。
选题背景
PID〔比例-积分-微分〕控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历 史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。 PID控制器简单易懂，使用中不需准确的系统模型等先决条件，因而 成为应用最为广泛的控制器。
a.市场上各种PID调节器
选题背景
高效带锯床关键技术：
1.高效带锯床强力锯 切机理的研究。
2.研究带锯床锯切过 程中抑制振动技术。
3.数控技术实现恒锯 切力锯切，到达恒功 率作业，实现效率最 大化。
课题研究的意义
研究意义
1.通过高效金属带锯床强力锯切机理实验研究，研究锯切力、进 给力、进给速度、锯切速度等因素对锯切效率的影响，对高效 带锯床的设计有重要意义。
PLC在带锯床控制中的应用 中南大学的曾芸在其硕士论文?卧式带锯床进给系统设计和研究?中对测量 进给量的变化、工件截面形状和尺寸变化对进给力的影响做了大量的工作， 通过测量进给油缸无杆腔的压力间接确定进给压力F，并设计了通过进给压 力F反响，基于PLC逻辑控制，调节进给速度的液压系统。
a.进给压力和工件截面 的关系曲线
主要参考文献
[11] 李初晔,张媛,王卫朝.数控机床的动态分析与减振计算[J].现代振动与噪声技 术,2021,8:370-378. [12] 冯砚博,孙涛.多线切割机床动力学分析[J].振动与冲击,2021,30(7):169-172. [13] Chunxia Zhu,Lida Zhu,Jianrong. Analysis of dynamic characteristic and structure optimisation for hybrid machine tool[J]. Modelling, Identification and Control,2021,7(1):89-96. [14] M. Mahboubkhah,M. J. Nategh,S. Esmaei lzadeh Khadem. A comprehensive study on the free vibration of machine tools’ hexapod table[J]. Adv Manuf Technol,2021,40:1239-1251. [15] 侯红玲,邱志惠,赵永强.高速切削机床横梁的静态与动态分析[J].机械设计与 制造,2006,5:38-39. [16] 朱育权,千学明,林晓平.1CL50型机床立柱振动模态分析[J].西安工业大学学 报,2007,27(3):215-218. [17] 董旭,高铁红,靳迎波.基于有限元方法的并联机床模态分析[J].北华航天工业 学院学报,2021,18(5):11-14. [18] 陈成.简易数控铣床切削振动研究[D].江苏:东南大学,2021:27-42. [19] 赵进,赵峰,艾爽.机床整机系统振动特性分析[J].机械工程师,2021,4:85-87. [20] D.A. Axinte. An experimental analysis of damped coupled vibrations in broaching[J]. Machine Tools & Manufacture,2007,47:2182-2188.
研究内容
研究内容
2.高效带锯床抑制振动技术研究。
〔1〕用有限元法〔ansys软件〕对带锯条和锯轮进展动态特性分析 。 〔2〕研究检测振动和主动控制振动的方案。
研究内容
研究内容
3.高效带锯床锯切效率最大化及其控制系统研究。
〔1〕基于PLC和PID研究高效带锯床锯切效率最大化的控制方案。 〔2〕改进现有的带锯床控制系统，提高其自动化程度。
半自动 带锯床
全自动 带锯床
德国贝灵 格全自动 带锯床
2002～2005年，进口数控带锯机床在中国数控切割机床消费中占62%，2021年 那么为33%。
由此可见带锯床自动化将是未来的开展方向。而以40CrMo为例，国内带锯床的 锯切效率为70~80cm2/min，德国贝灵格的锯切效率可达430cm2/min，故提高锯 切效率，实现高精度锯切力的控制亦是未来的焦点。
Alberto Leva和Martina Maggio在很多研究人员的根底上，对PID自整定的 规那么进展研究，提出了一种新的自整定的规那么，并通过仿真加以改进， 为PID参数自整定的规那么法提供了新的方法。
研究现状
PID的应用及参数自整定
N. KANAGARAJ、R. KUMAR和P. SIVASHANMUGAM针对压力控制，在 较多经历的根底上，将模糊控制技术嵌入到PID控制器中，以ARM7微控制 器为载体，研究模糊规那么来控制PID参数的整定。
a.检测和控制系统
研究现状
机床振动的检测和控制
Dong-Hoon Kim、Jun-Yeob Song、Suk-Keun Cha等设计了一个颤振补偿系 统，从传感器检测刀具和材料之间的相对位移，然后通过算法估计补偿值， 到达自主控制颤振的目的。
a.振动测试装置 和测得的信号
b.控制系统框图
研究现状
2.通过对带锯床锯切过程中重要部件振动特性的分析及抑振技术 的研究，对抑制带锯床的振动、改善锯切的状况有重要意义。
课题研究的意义
研究意义
3.通过研究锯切效率最大化的控制理论模型，并基于PLC实现带 锯床恒定锯切力锯切，对提高带锯床的锯切效率，提升带锯条 的使用寿命有重要的意义。
研究现状：带锯床锯切机理
研究现状
PLC在带锯床控制中的应用 丁时锋、李清香针对双立柱带锯机设计了基于PLC的自动控制系统和液压控 制系统，提高了锯切的效率。
b.液压系统原理图
a.双立柱液压带锯机
系统状态转移图
研究现状
PID的应用及参数自整定
哈尔滨理工大学的杨明贵、张元、赵炎对带锯床锯切机理进展了研究，得出 锯切力是影响锯切效率的重要因素，并通过检测两夹紧钳口夹紧力的变化量 ΔF，将其反响给他们设计的模糊PID控制系统，控制进给油缸的牵引速度， 实现等面积切削。
a.测力系统示意图
b.带锯锯齿分析
研究现状
有限元法在机床振动特性分析中的应用 M. Mahboubkhah，M. J. Nategh和S. Esmaei lzadeh Khadem对六杆并 联机床的工作台进展了动态特性分析，得出了其在自激振动下到达共振的情 况，接着采用有限元法对某种型号的六杆机构造的措施。
a.有限元模型
b.有限元法模拟图
研究现状
有限元法在机床振动特性分析中的应用
西安交通大学的朱育权、千学明、林晓平通过ANSYS软件建立了1CL50机 床立柱的几何模型，分析了该立柱的各阶振型，并针对各阶振型优化机床立 柱的构造。
a.有限元模型
b.模态分析
研究现状
机床振动的检测和控制 S.K. Choudhury和M.S. Sharath设计了一个抑制机床振动的控制系统，它通 过测量刀具和工件之间的相对位移来检测振动，通过处理反响给电磁驱动器 ，驱动刀具的进给，并结合实际的实验比照，取得了减小振幅33%，外表光 洁度提高了22%的效果。
长沙工业高等专科学校的李新和、唐植瑶研究了双金属带锯条锯削力的计算 ，建立了带锯条刀齿模型、推出了锯削力计算的实验公式，并确定了公式中 各参数的意义和取值方法。
a.当量齿模型
b.切削抗力示意图
c.切削抗力计算公式
研究现状：带锯床锯切机理
Tae和Hee对斜向分齿带锯条的锯切抗力进展了实验研究，结合理论推导， 他们确定了锯切抗力的计算模型，首先是实验测试单个齿的锯切抗力，根据 齿的几何形状导出锯切抗力的公式，最终得到总的锯切抗力。
a.锯削受力图 b.仿真曲线 c.控制系统框图
研究现状
PID的应用及参数自整定
冯卫星、樊泽明等对智能阀门定位进展PID的控制，他们通过对误差进展相 平面的分析，对不同大小的误差采用不同的控制策略，最后通过实验比照进 展验证。
b.实物图
a.误差相平面分析
c.速度和误差随动图
研究现状
PID的应用及参数自整定
a.模糊控制的输入输出设定
c.仿真结果
研究内容
研究内容
1.高效金属带锯床强力锯切机理实验研究。
〔1〕对直径为50～100mm的45号钢、40CrMo、304L、H13等8种 圆柱形材料进展锯切实验，测量锯切力、进给力、进给速度、锯切 速度以及各材料特性〔如硬度〕。
〔2〕根据测得的数据，分析各参数与锯切效率之间的关系；分析 材料本身的特性和锯切效率之间的关系。根据所得的规律，推出效 率最大化的理论模型；推测遇不知名材料时可用的锯切效率。
主要参考文献
[1] 郭北涛.国内外金切锯床的现状及开展趋势[J].制造技术与机床,2004,2:32-33. [2] 郭北涛,邹广华,刘强.数控带锯床锯切工艺及应用[J].制造技术与机,2004,8:9293. [3] 王晓云,肖晓峰,刘辉.高速锯切加工切削过程分析[J].机械设计与制,2001,4:79. [4] 么永强,戈景刚,王泽河.立式轻型金属带锯床张紧力的研究[J].河北农业大学学 报,2002,25:289-291. [5] 李新和,唐植瑶.双金属带锯条锯削力的计算[J].制造技木与机床,1997,3:29-31. [6] Tae J K,Hee S K.Mechanistic cutting force model in band sawing[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture,1999,39:1185–1197. [7] Henderer W E,Boor J D,Holston J R. Estimation of cutting forces in band sawing metals[J]. Transactions of NAMRC,1996,24:33–38. [8] Andersson C,Anersson M T,Stahl J E.Cutting force model including effects of positional errors tool dynamics and wear[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture,2001,41: 227–236. [9] 张会端,谭庆昌,裴永臣.机床工作台的动力学分析[J].机床与液,2021,36(9):6871. [10] 彭文,倪向阳.五坐标龙门加工中心动态特性分析与振动控制[J].制造技术与机 床,2006,2:61-63.
技术路线
技术路线
进度安排
2021年11月～2021年12月 查阅国内外相关文献资料，确定研究方案。 2021年12月下旬～2021年2月上旬： 结合实验数据研究高效带锯床的强力锯切机理； 高效带锯床数控技术实现的总体方案设计。 2021年2月下旬～2021年4月上旬： 高效带锯床数控技术实现方案实施；进展实验结果验证。 2021年4月下旬～2021年5月上旬： 用有限元方法对带锯床重要部件进展振动特性分析。 2021年5月下旬～2021年7月下旬： 根据分析结果研究抑制振动的方案，并与之前进展比照分析。 2021年8月上旬～2021年9月上旬： 整理总结前期研究内容，开场撰写毕业论文。
高效带锯床的关键技术研究及应 用
主要内容
1
选题背景及研究意义
2
国内外研究现状
3
研究内容、技术路线
4
进度安排
454
主要参考文献
选题背景
金属带锯床〔Metal band saw machine〕是用于锯割各金属材料的机 床，适用的材料包括碳素构造钢、低合 金钢、高合金刚、特殊合金钢、不锈钢 、耐酸钢等，是机械加工行业不可缺少 的切割下料设备。