姜新波 郭 璨 馬 巖 楊春梅 鄧兆軍
隨著科技創(chuàng)新能力的提高,科技產(chǎn)品日新月異,極大方便了當(dāng)代人的生產(chǎn)和生活。歐式木窗型材為純實木順紋集成材,因有較高的抗壓和抗折強(qiáng)度,具有特殊的隔熱、隔音和裝飾效果等優(yōu)勢,吸引了大量的客戶,作為市場新興家具持續(xù)走俏,深受廣大消費(fèi)者的喜愛[1-2]。大批量的生產(chǎn)和現(xiàn)代人對產(chǎn)品的要求,砂光機(jī)變革迫在眉睫。而市面上的砂光機(jī)大多為手工砂光,其砂光效率低、耗時長、環(huán)境污染嚴(yán)重、勞動成本高,而且加工后的產(chǎn)品規(guī)格各異,保證不了加工產(chǎn)品的規(guī)范化。因此,對歐式木窗表面雙端砂光機(jī)設(shè)備進(jìn)行設(shè)計與研究,以提高生產(chǎn)效率,拓寬產(chǎn)品規(guī)格和保證加工精度。新的砂光機(jī)可以完善過去的不足,能夠滿足當(dāng)代木材加工廠商與消費(fèi)者的需求[3-5]。
歐式木窗表面雙端砂光機(jī)分為移動端砂光組件、機(jī)架和移動端砂光組件三大部分。其中根據(jù)功能的不同可細(xì)分為移動端砂光組件、固定端砂光組件、移動端限位組件、滑塊導(dǎo)軌組件、壓緊組件、研磨組件、立式砂光組件、步進(jìn)電機(jī)組件、張緊鏈輪、進(jìn)給組件、伺服電機(jī)組件、臥式砂光組件、砂輥組件、固定端限位組件、移動端機(jī)架、固定端機(jī)架、支撐機(jī)座等。導(dǎo)軌滑塊組件安裝在機(jī)座上,移動端機(jī)架安裝在滑塊導(dǎo)軌組件上,伺服電機(jī)組件安裝在機(jī)架的側(cè)面,保證伺服電機(jī)鏈輪能夠與末段進(jìn)給組件進(jìn)行鏈傳動。進(jìn)給組件通過帶輪傳動動力,進(jìn)給機(jī)構(gòu)之間通過鏈傳動來完成。為了保證鏈輪的張緊,在進(jìn)給組件之間安裝張緊鏈輪。步進(jìn)電機(jī)組件倒裝在移動端機(jī)架上,保證步進(jìn)電機(jī)與機(jī)座上的齒條嚙合。該機(jī)共有10個壓緊組件、10個限位組件、4個立式砂光組件、4個臥式砂光組件、2個研磨組件、2個砂輥組件作為加工的主要機(jī)構(gòu),各個部分的緊密銜接,使得該機(jī)擁有高度的自動化和功能多元化,來保證歐式木窗的外表面一次性加工。最終設(shè)計機(jī)器總體尺寸為3 540 mm×3 164 mm×1 741 mm,機(jī)器整體設(shè)計如圖1所示。
圖1 歐式木窗表面雙端砂光機(jī)Fig.1 Double-end surface sanding machine of European type wooden windows
在整機(jī)通電時,側(cè)向定位機(jī)構(gòu)的壓緊氣缸通氣,伸出15 mm來保證側(cè)向定位,起到定位作用;立式、臥式砂光組件的砂帶通過氣缸控制張緊輪的擺幅,控制砂帶的張緊;研磨組件、砂輥組件、砂輥組件電機(jī)同時啟動,通過電機(jī)主軸提供加工頭的工作動力源。步進(jìn)電機(jī)動力通過減速器主軸上的鏈輪與齒條嚙合,使移動端機(jī)架運(yùn)動至目標(biāo)位置。開始砂光時,送料伺服電機(jī)啟動,伺服電機(jī)動力通過減速器主軸上的鏈輪通過鏈傳動傳遞給進(jìn)給組件的鏈輪,使工件獲得進(jìn)給動力源;研磨組件和砂輥組件通過升降氣缸到達(dá)加工指定位置等待加工。當(dāng)工件運(yùn)行至臥式砂光機(jī)構(gòu)處時,雙側(cè)夾緊氣缸與移動端側(cè)向定位氣缸伸出壓住工件表面實現(xiàn)定位夾緊,兩端砂帶對窗框左右兩側(cè)表面同時進(jìn)行側(cè)外表面粗砂。工件依次進(jìn)給至研磨組件、立式砂光組件、臥式砂光組件、砂輥組件、立式砂光組件,每到相應(yīng)位置,相應(yīng)的側(cè)向定位氣缸和夾緊氣缸動作,實現(xiàn)定位夾緊。
歐式木窗雙端砂光機(jī)是一臺六工位一體的砂光機(jī)。該機(jī)可同時對歐式木窗相對的兩個平面進(jìn)行纖維方向砂光,可以獲得等厚且平整光潔的裝飾面和最佳的裝飾效果,多工位雙端砂光機(jī)較其他砂光方式有很明顯的優(yōu)點(diǎn),主要有:
1)壓緊組件和限位組件是對稱布置的,合理的布置使壓緊組件能夠根據(jù)工件進(jìn)給時的厚度進(jìn)行夾緊,保證工件的加工厚度為40~100 mm;同時雙端砂光實現(xiàn)最小加工長度為400 mm的連續(xù)生產(chǎn),且最多實現(xiàn)8個規(guī)格為400 mm歐式木窗同時加工,提高了加工自動化和高效化。木窗只需一次性上料即可完成整體砂光,節(jié)省大量時間和人力資源,大大提高了生產(chǎn)效率。
2)歐式木窗分為移動端砂光組件和固定端砂光組件,加工時可根據(jù)加工的寬度來進(jìn)行移動端砂光組件的橫向進(jìn)給,使加工的產(chǎn)品規(guī)格最終能達(dá)到570 ~1 500 mm。橫向調(diào)整既能保證加工的定位和夾緊,并且拓寬了加工規(guī)格,進(jìn)而提高了其經(jīng)濟(jì)效益。
3)砂光組件的布置是對稱的,每個砂光組件內(nèi)部安裝兩個電機(jī),負(fù)責(zé)砂帶運(yùn)轉(zhuǎn)與電機(jī)加工頭的擺動。研磨組件和砂輥組件各自有電機(jī)保證加工頭的運(yùn)轉(zhuǎn),對工件外邊依次進(jìn)行六次砂光,動力源的合理分配使得加工時更具有高精度、靈活性。
機(jī)架作為機(jī)器的基本部件,是連接、支撐與裝夾工件的樞紐,主要承受各部件重力。為了保證加工規(guī)格具有多元化與結(jié)構(gòu)緊湊,將機(jī)架設(shè)計為三部分,分別為固定端機(jī)架、移動端機(jī)架、支撐機(jī)座。固定端機(jī)架和移動端機(jī)架安裝在支撐機(jī)座上,加工時固定端機(jī)架固定不動,移動端機(jī)架通過齒輪齒條嚙合橫向進(jìn)給。機(jī)架采用規(guī)格為100 mm×48 mm×5.3 mm的槽鋼與厚度為10 mm的鋼板焊接并用螺栓連接。機(jī)架選用焊接結(jié)構(gòu)相比鑄件結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)很多,如焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計非常靈活;強(qiáng)度高,剛度大,重量輕;便于修補(bǔ)缺陷,避免材料的浪費(fèi)。能保證機(jī)架具有足夠的強(qiáng)度、優(yōu)良的結(jié)構(gòu)工藝性[7-8]。機(jī)架結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 機(jī)架Fig.2 Frame
如圖3所示,砂帶磨削時產(chǎn)生切向力Fx、法向壓力Fz和軸向力Fy。通常,F(xiàn)y很小,可以忽略不計[6-7]。
圖3 切削示意圖Fig.3 Cutting figure
根據(jù)磨削物理特性,磨削時產(chǎn)生切向力為切削力:
式中:Fz——法向壓力,N;
fm——磨削系數(shù)。
其中,法向壓力Fz為:
式中:q——接觸面上的壓強(qiáng),MPa;
S——接觸面積,mm2。
對于木材磨削系數(shù)fm可用下面經(jīng)驗公式求得:
式中:di——主要磨粒的直徑,mm;
Ks——樹種修正系數(shù);
Kp——磨粒變鈍修正系數(shù)。
該設(shè)計已知S=0.005 25 m2,帶壓塊的帶式磨光機(jī)磨削單位壓力最大為20 kPa。磨粒顆粒尺寸di=0.2 mm,以被加工窗框的材料是松木為標(biāo)準(zhǔn),Ks=0.95,砂布磨粒變鈍程度修正系數(shù),取中等尖銳:Kρ=1。代入上述公式計算得:Fz=105N ;fm=0.484。
由此可得,磨削時產(chǎn)生的切削力F1為:
由于整體布局與工作原理的原因,移動端機(jī)架的設(shè)計相比支撐機(jī)座和固定端機(jī)架要復(fù)雜,為了確定設(shè)計的移動端機(jī)架在加工過程中的可靠性,需要對其進(jìn)行有限元分析,來確保機(jī)架正常工作。
1)模型建立與添加材料屬性。
為保證計算的準(zhǔn)確性,移動端機(jī)架在SOLIDWORKS建模,不對模型簡化直接導(dǎo)入ANSYS軟件里。移動端機(jī)架的型材和鋼板材料為Q235A,其中主要的關(guān)鍵參數(shù)為彈性模量、泊松比、密度和屈服強(qiáng)度[8],經(jīng)查得其力學(xué)性能如表1所示。
表1 移動端機(jī)架參數(shù)表Tab.1 The parameter of mobile frame table
2)網(wǎng)格劃分、添加載荷及約束條件。
ANSYS Workbench網(wǎng)格劃分是采用分解和克服方法實現(xiàn)的,幾何體各部分可以使用不同的網(wǎng)格劃分方法。但所有網(wǎng)格的數(shù)據(jù)要寫入共同的中心數(shù)據(jù)。其中較為典型的劃分方式有自動劃分網(wǎng)格、四面體網(wǎng)格、六面體網(wǎng)格、掃掠網(wǎng)格、多重區(qū)域網(wǎng)格劃分法[9]。筆者選用自動劃分網(wǎng)格,根據(jù)結(jié)構(gòu)的薄弱不同來對結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分。劃分后的節(jié)點(diǎn)數(shù)為372 761個,網(wǎng)格單元總數(shù)為140 740個, 如圖4所示。
圖4 網(wǎng)格劃分后的模型Fig.4 The meshing model
機(jī)架承受的大部分為重力載荷,計算出壓緊組件一載荷為132 N,壓緊組件二載荷為142 N,進(jìn)給組件一為895 N,進(jìn)給組件二為905 N,研磨組件為177 N,砂輥組件為196 N,立式、臥式砂光組件為667 N,側(cè)向定位組件為40 N,伺服電機(jī)組件為196 N,步進(jìn)電機(jī)組件為98 N,工件為558 N,將以上計算力在相應(yīng)的安裝位置施加相應(yīng)載荷,并將砂帶磨削時產(chǎn)生的切向力與法向力施加到砂架的安裝位置,最后約束機(jī)架與滑塊接觸部分處的螺紋孔。
3)經(jīng)過對機(jī)架的結(jié)果分析,得到相應(yīng)的應(yīng)力圖和變形圖,如圖5、6所示。
圖5 應(yīng)力圖Fig.5 The stress figure
圖6 變形圖Fig.6 The deformation figure
Q235A材料許用強(qiáng)度330 MPa,由于材料的計算精度較低選取安全系數(shù)3,則經(jīng)計算確定,移動端機(jī)架材料的屈服強(qiáng)度[σ]=110MPa。
材料力學(xué)形狀改變比能理論認(rèn)為,形狀改變比能是引起材料屈服破壞的主要因素,無論什么應(yīng)力狀態(tài),只要構(gòu)件內(nèi)一點(diǎn)處的形狀改變比能達(dá)到單向應(yīng)力狀態(tài)下的極限值,材料就會發(fā)生屈服破壞。以主應(yīng)力形式表達(dá)最大畸變能準(zhǔn)則為:
式中σ1、σ2、σ3是主應(yīng)力,是判斷破壞的主要參數(shù),當(dāng)σa≤[σ]時,材料不會屈服。
在上面的邊界條件下,通過對圖5應(yīng)力圖的分析。從中可以看出,最大應(yīng)力值為10.963 MPa,底部支撐腿與底部圈梁的交匯處、進(jìn)給組件的承受鋼板處表現(xiàn)出應(yīng)力集中。但10.963 MPa小于110 MPa滿足上述準(zhǔn)則,材料不會屈服。
通過對圖6變形圖的分析,進(jìn)給組件承受鋼板、尾部支撐腿處、尾部壓緊組件處的變形相對較大,最大變形為0.041 2 mm,滿足Q235A材料的許用變形0.05 mm,所以變形滿足設(shè)計要求。
砂光頭在工作時會產(chǎn)生振動,這些振動的頻率如果與移動端機(jī)架的固有頻率相近會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。共振將影響機(jī)器的加工精度,甚至對移動端機(jī)架造成破壞[10]。為了避免出現(xiàn)共振現(xiàn)象,對移動端機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析,得到移動端機(jī)架的前六階模態(tài)振型,如圖7所示。
圖7 移動端機(jī)架的前六階模態(tài)振型Fig.7 The first six modal shape of mobile frame
表2 移動端機(jī)架模態(tài)分析結(jié)果Tab.2 The modal analysis results of mobile frame
通過對移動端機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析可得到六階模態(tài)振型云圖,圖7a一階振動的振幅峰值為2.512 7 mm,出現(xiàn)在立式砂光組件的安裝鋼板上。圖7b二階振動的振幅峰值為3.571 7 mm,出現(xiàn)在左右兩端的壓緊組件的安裝板上。圖7c三階振動的振幅峰值為5.997 8 mm,出現(xiàn)在上圈梁的左側(cè)支撐腿上。圖7d四階振動的振幅峰值為4.410 7 mm,出現(xiàn)在中間立式砂光機(jī)構(gòu)的安裝板和壓緊組件的安裝板上。圖7e五階振動的振幅峰值為2.531 3,出現(xiàn)在上部圈梁中間支撐腿處。圖7f六階振動的振幅峰值為4.852 9 mm,出現(xiàn)在上部圈梁尾端支撐腿上。以上彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形的幅度非常小,并且固有頻率最小為65.9 Hz,與選用電機(jī)50 Hz不會產(chǎn)生共振,整體布局合理。
通過對歐式木窗表面砂光的工藝分析和現(xiàn)有設(shè)備的研究,完成了對砂光機(jī)的整體布局與設(shè)計,并介紹了該機(jī)的工作原理與優(yōu)勢;同時對機(jī)架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計,機(jī)架不但支撐所有加工零部件,而且還要橫向進(jìn)給,影響著產(chǎn)品加工制造精度。筆者對其進(jìn)行了有限元分析,得出了靜力學(xué)分析云圖和模態(tài)分析云圖。通過觀察云圖得出移動端機(jī)架的最大應(yīng)力與最大變形,都在許用范圍內(nèi),并且模態(tài)分析云圖上顯示出的最小頻率與電機(jī)選用的頻率相差較遠(yuǎn),不會發(fā)生共振,確保了機(jī)架在實際加工中的可靠性,為歐式木窗雙端砂光機(jī)的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。歐式木窗表面雙端砂光機(jī)的高度自動化和加工一體化符合當(dāng)今批量生產(chǎn)的要求,大大提高了生產(chǎn)效率,減輕工人勞動強(qiáng)度,降低加工成本,能夠滿足當(dāng)代木材加工廠商與消費(fèi)者的需求。
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