馬 巖，孫沛雨，任洪娥

(東北林業(yè)大學(xué) 林業(yè)與木工機(jī)械工程技術(shù)中心，哈爾濱 150040)

中國家具協(xié)會公布的數(shù)據(jù)顯示，2010年家具行業(yè)已經(jīng)成功躍居中國制造行業(yè)前四位，僅次于食品、服裝、家電三個行業(yè)[1]。其中板式家具占據(jù)了相當(dāng)高的比重。伴隨現(xiàn)代生活的不斷發(fā)展和生活水平的提高，人們對于板式家具的質(zhì)量也在不斷的提高[2]，在板式家具的生產(chǎn)中，封邊是非常重要也是使用最頻繁的一個環(huán)節(jié)，同時也是產(chǎn)品質(zhì)量問題最多的工序[3]。判斷一件板式家具的質(zhì)量如何，最先也最容易看到的就是封邊的質(zhì)量，所以對板材封邊生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化，會給企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益上和市場的競爭力顯著提高的[4]。

一條完整的封邊機(jī)生產(chǎn)線的基本構(gòu)成分別是進(jìn)料系統(tǒng)、封邊機(jī)、輥臺、皮帶運(yùn)輸設(shè)備以及出料系統(tǒng)。家具板材封邊生產(chǎn)線采用4臺封邊機(jī)矩形布置的方式，加工板材的加工線路成“口”字型，與傳統(tǒng)家具板材封邊生產(chǎn)線相比較，一次完整的加工線路便可完成對板材的4個邊加工，減少操作人員并且縮短了生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率；與雙端封邊機(jī)相比較沒有高平行精度和調(diào)機(jī)困難的問題，可以很好地保證成品率[5]。為此條生產(chǎn)線設(shè)計(jì)縱橫向皮帶運(yùn)輸機(jī)構(gòu)，為加工板材的直角運(yùn)輸提供穩(wěn)定動力。

1 4臺封邊機(jī)生產(chǎn)線整體布局

4臺封邊機(jī)生產(chǎn)線將4臺直線封邊機(jī)進(jìn)行矩形布置，組成4面環(huán)繞式的封邊機(jī)生產(chǎn)線。

需要4個無動力輥臺進(jìn)行加工板材的運(yùn)輸，3個轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)完成加工板材的直角運(yùn)輸，進(jìn)料臺和出料臺用來放入和取走加工板材。

每臺封邊機(jī)前面，布置一個無動力輥臺，用封邊機(jī)封邊時所提供的速度，運(yùn)送加工板材，在矩形的3個拐點(diǎn)布置3個轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，將加工板材運(yùn)輸線路旋轉(zhuǎn)90°，進(jìn)行直角運(yùn)輸，送到無動力輥臺上對臨近的一條未加工邊進(jìn)行封邊。將進(jìn)料臺與出料臺布置在第4個拐點(diǎn)，板材由進(jìn)料臺進(jìn)入生產(chǎn)線，通過無動力輥臺進(jìn)行第一條邊加工，加工后輸送到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上，通過轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)來到第二條無動力輥臺上進(jìn)行封邊加工，如此反復(fù)4次，完成一次完整的生產(chǎn)線加工，4臺封邊機(jī)分別對板材的4邊進(jìn)行封邊加工處理，經(jīng)過一個完整的矩形運(yùn)輸線路加工從出料臺送出。如圖1所示：

圖1 4臺封邊機(jī)生產(chǎn)線簡圖

用多臺直線封邊機(jī)的方式來組成和布置生產(chǎn)線，具有很好的靈活性，成本低，對于組成整體生產(chǎn)線的零配件要求也很靈活，組成起來方便簡單，沒有苛刻的要求。數(shù)控封邊機(jī)生產(chǎn)線將封邊機(jī)用串聯(lián)的方式布置，一個循環(huán)即可完成板材的4邊封邊，一次性成型，快速方便并且可以進(jìn)行連續(xù)的生產(chǎn)，提高了設(shè)備的利用率和生產(chǎn)效率。

2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由兩部分組成，分別是圖2(a)中的多條皮帶運(yùn)輸機(jī)和(b)中的縱橫向皮帶運(yùn)輸機(jī)。

多條皮帶運(yùn)輸機(jī)的底座機(jī)架支撐著上面的小皮帶運(yùn)輸機(jī)構(gòu)1，小皮帶運(yùn)輸機(jī)構(gòu)共有13個，在支架上均勻分布，所有的小皮帶運(yùn)輸機(jī)構(gòu)1由一根傳動軸連接在一起，如圖3所示，傳動軸上布置一個齒輪，在支架的下梁位置，也布置了一個齒輪10，兩個齒輪用V帶進(jìn)行連接。

1.小皮帶運(yùn)輸機(jī)構(gòu)；2.輥筒；3.大皮帶運(yùn)輸機(jī)構(gòu)；4.電機(jī)；5.迷你氣缸；6.鋁型材；7.齒輪；8.支架；9.齒輪

圖3 傳動軸連接

縱橫向皮帶運(yùn)輸機(jī)的支架下梁上，布置了4條鋁型材6，如圖2(b)所示，4條鋁型材前后平行，左右平行，與支架的下梁和鋁型材上方對應(yīng)的大皮帶運(yùn)輸機(jī)構(gòu)3相連接。在支架下梁上，安置一個迷你氣缸5，與靠視圖側(cè)下梁成60°，上方與前面，靠視圖方向的鋁型材垂直接觸，如圖4所示。遠(yuǎn)離視圖側(cè)下梁上布置一個電機(jī)4和一個齒輪7，二者用V帶連接。支架的上面支撐著大皮帶運(yùn)輸機(jī)構(gòu)3和輥筒2，大皮帶運(yùn)輸機(jī)構(gòu)和輥筒依次接連布置，如圖5所示，大皮帶運(yùn)輸機(jī)構(gòu)3的水平高度低于輥筒2。大皮帶運(yùn)輸機(jī)構(gòu)3由一根傳動軸全部相連，傳動軸上布置一個齒輪，與下梁上的電機(jī)4用V帶連接?？v橫向皮帶運(yùn)輸機(jī)下梁上的齒輪7與多條皮帶運(yùn)輸機(jī)下梁上的齒輪10用V帶連接。

圖4 氣缸位置

圖5 皮帶運(yùn)輸機(jī)構(gòu)與輥筒

3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)工作原理

如圖2所示，加工板材的運(yùn)動路線由右向左進(jìn)行運(yùn)輸再向上運(yùn)輸，既先通過縱橫向皮帶運(yùn)輸機(jī)再通過多條皮帶運(yùn)輸機(jī)。

板材在封邊機(jī)加工完成后，依靠封邊機(jī)加工時給予的速度，通過輥筒2作橫向運(yùn)動，因?yàn)榇笃н\(yùn)輸機(jī)構(gòu)3水平高度低于輥筒2，所以不會發(fā)生干涉問題，位于機(jī)器的最左邊有限位裝置。加工板材在最左邊后停止運(yùn)動后，此時氣缸5頂起鋁型材6，鋁型材6支起大皮帶運(yùn)輸機(jī)構(gòu)3，使其與多條皮帶運(yùn)輸機(jī)上的小皮帶運(yùn)輸機(jī)構(gòu)1成水平。板材通過兩個皮帶運(yùn)輸機(jī)構(gòu)到達(dá)下臺封邊機(jī)的位置，進(jìn)行另一條邊的加工。

整個轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的動力來源有2個，分別是縱橫向皮帶運(yùn)輸機(jī)下梁上布置的電機(jī)和迷你氣缸。電機(jī)與布置在大皮帶運(yùn)輸機(jī)構(gòu)3傳動軸上的齒輪用V帶連接，為縱橫向皮帶運(yùn)輸機(jī)提供動力，與布置在縱橫向皮帶運(yùn)輸機(jī)下梁上的齒輪7用V帶連接，齒輪7與多條皮帶運(yùn)輸機(jī)下梁上的齒輪10連接，最后齒輪10與小皮帶運(yùn)輸機(jī)構(gòu)1傳動軸上的齒輪連接，為多條皮帶運(yùn)輸機(jī)提供動力，使加工板材可以連續(xù)運(yùn)輸。迷你氣缸5通過鋁型材6將大皮帶運(yùn)輸機(jī)構(gòu)3頂起，完成加工板材的運(yùn)輸。

4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運(yùn)輸速度計(jì)算與驗(yàn)核

通過加工板材在封邊機(jī)生產(chǎn)線上的運(yùn)輸線路、加工板材之間的間距，對轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運(yùn)輸加工板材的運(yùn)動速度進(jìn)行計(jì)算，要確保板材之間不會發(fā)生碰撞問題，保證生產(chǎn)線生產(chǎn)過程的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

縱橫向皮帶運(yùn)輸機(jī)長1 500 mm，加工板材的初始速度v1為封邊機(jī)加工時的速度，18 m/M，所需時間t1為縱橫向皮帶運(yùn)輸機(jī)長/v1，求出t1為5 s。

電機(jī)選用YPT280M-8電機(jī)，轉(zhuǎn)速750 r/M。電機(jī)裝有PXD085減速器，i=5，實(shí)際角速度。n1=5πr/s，電機(jī)上的齒輪半徑d1=70 mm，大皮帶傳輸機(jī)構(gòu)傳動軸上的齒輪半徑d2=70 mm。根據(jù)從動輪轉(zhuǎn)速公式：

(1)

滑動率：

(2)

V帶傳動的滑動率其值甚微，在此不予考慮，ω=2πn，設(shè)傳動損失為80%，求出大皮帶傳輸機(jī)構(gòu)加速度ω1=4πr/s≈12.6r/s，線速度v2=ω1r2=12.6×35=441 mm/s。大皮帶傳輸機(jī)構(gòu)長度為1 200 mm，所需時間t2=1 550/v2≈2.7 s。

加工板材在轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)上的運(yùn)輸時間t=t1+t2=7.7 s，通過對運(yùn)輸速度的計(jì)算結(jié)果得出，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)能夠快速穩(wěn)定的完成加工板材的直角運(yùn)輸，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

5 基于ADAMS軟件對氣缸的受力分析

ADAMS是虛擬樣機(jī)分析的應(yīng)用軟件，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論中的拉格郎日方程方法，建立系統(tǒng)動力學(xué)方程，對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)，運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線，ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷等，可以運(yùn)用該軟件非常方便地對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)，運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析[6]。

如圖5所示，BC表示縱橫向皮帶運(yùn)輸機(jī)的下梁，BC與大地相鎖。AB代表鋁型材，與BC鉸接。CD表示氣缸，與BC固定，滑動副DE表示活塞桿。氣缸的作用是頂起鋁型材，使鋁型材支起大皮帶輸送機(jī)構(gòu)，鋁型材上大皮帶輸送機(jī)構(gòu)的重力共1 130N，受力點(diǎn)簡化成A點(diǎn)。完成ADAMS建模后，在A點(diǎn)添加向下的重力，滑動副DE在1秒內(nèi)行進(jìn)100 mm，得出氣缸CD的受力分析。

圖5 ADMAS建模

圖6 ADMAS受力分析

如圖6所示，氣缸所承受的力由大逐漸變小，最大值為1 361.4N，最小值為1 342N，平均受力的值為1 351.6N。所以，選在1 500N的氣缸既能達(dá)到要求，又節(jié)省成本。通過ADAMS模型的受力分析顯示，對氣缸的受力有更直觀的了解，從而在優(yōu)化設(shè)計(jì)中更好地處理整體結(jié)構(gòu)，使其更加合理有效。

6 結(jié)束語

本文闡述了4臺封邊機(jī)生產(chǎn)線里轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過ADAMS軟件對其進(jìn)行了受力分析，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作提供了參考依據(jù)。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1] 顧加洲.單邊直線封邊機(jī)生產(chǎn)效率研究[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2012.

[2] 王 軍.板式家具封邊質(zhì)量控制研究[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2009.

[3] 劉曉紅，高新和.封邊工序的工時測定[J].林產(chǎn)工業(yè)，2003，30(4)：45-48.

[4] 韓維生.板式家具生產(chǎn)系統(tǒng)現(xiàn)場工作研究[D].南京：南京林業(yè)大學(xué).

[5] 馬 巖.國際金融危機(jī)中的米蘭展會新看點(diǎn)[J].木材加工機(jī)械，2010，21(4)：31-35.

[6] 宋文龍，楊 鑫，賈鶴鳴.采摘機(jī)械臂的滑模PID控制[J].森林工程，2013，29(2)：74-76.