常飛虎，周建波，，傅萬四，孫曉東，張 彬，卿 彥，劉占明，陳忠加

（1.國家林業(yè)和草原局北京林業(yè)機(jī)械研究所，北京 100029；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院 林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091；3.湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長沙 410004；4.中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410004；5.安吉吉泰機(jī)械有限公司，浙江 湖州 313301；6.北京林業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083）

我國傳統(tǒng)的竹材加工工藝中，原竹的備料工段加工成本占成品竹產(chǎn)品總成本超過30%以上。由于竹材所具有的獨特生理結(jié)構(gòu)，使得竹材的加工在工藝或設(shè)備方面與木材有很大的差異性，竹材加工很大程度上依賴勞動密集型方式進(jìn)行生產(chǎn)[1-2]。為此，本研究開發(fā)設(shè)計了一種自動進(jìn)料快速對心數(shù)控自動破竹機(jī)。該設(shè)備實現(xiàn)了竹段長度1 200～2 100 mm，竹段直徑60～150 mm 范圍的原竹破竹分片加工，且能夠?qū)崿F(xiàn)竹段自動檢測、連續(xù)進(jìn)料、竹段徑級自動識別、刀盤最優(yōu)路徑自動換刀、竹段快速對心破竹功能，解決了竹材前序工段原竹破竹快速對心難題。

本研究主要通過Pro/ENGINEER 軟件設(shè)計構(gòu)建了自動進(jìn)料快速對心數(shù)控自動破竹機(jī)的三維模型，利用ANSYS Workbench 軟件對設(shè)備主要受力部位進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，快速便捷地計算出模擬實際荷載作用狀況下刀盤、刀具的位移與應(yīng)力分布情況，對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度受力較大的零部件進(jìn)行了分析，得出最優(yōu)化設(shè)計方案。同時，對自動進(jìn)料快速對心數(shù)控自動破竹機(jī)進(jìn)行了大量試驗驗證。

1 自動進(jìn)料快速對心數(shù)控自動破竹機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

自動進(jìn)料快速對心數(shù)控自動破竹機(jī)，是以定長的原竹段為加工原料，實現(xiàn)竹段軸心為基準(zhǔn)快速定位，將其連續(xù)破分加工成預(yù)定規(guī)格大小可調(diào)竹片的自動化設(shè)備。

1.1 設(shè)計原理

充分考慮竹材結(jié)構(gòu)特性以及竹材破竹分片的生產(chǎn)工藝要求，對數(shù)控自動破竹機(jī)采用整體和模塊化的設(shè)計思想。自動進(jìn)料快速對心數(shù)控破竹機(jī)依據(jù)實際破竹分片加工流程，在設(shè)備打開并復(fù)位到初始位置后，通過竹段上料機(jī)構(gòu)將加工好的一定長度竹段輸送到測直徑位置，通過位于設(shè)備刀座下方的機(jī)械尺檢測竹段直徑。測量直徑后，竹段上下夾料臂快速動作，沿直線驅(qū)動機(jī)構(gòu)上下移動，在豎直方向上從起始位置移動到破竹工位后停止，實現(xiàn)快速對心，竹段到達(dá)破竹工位后，推竹機(jī)構(gòu)推抵竹段的后端，竹段在夾料臂直線驅(qū)動機(jī)構(gòu)的夾持狀態(tài)下向刀座移動完成破竹分片動作，以此往復(fù)循環(huán)完成工作[3]。

1.2 整體結(jié)構(gòu)

設(shè)備整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。數(shù)控破竹機(jī)的主要參數(shù)見表1。

1.3 關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.3.1 竹段自動檢測及上料機(jī)構(gòu)

圖1 自動進(jìn)料快速對心數(shù)控破竹機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of the automatic feeding rapid and central NC breaker

竹段上料機(jī)構(gòu)設(shè)置傾斜料架，竹段堆積于上料架和上料皮帶之間的空間；減速機(jī)帶動主動帶輪旋轉(zhuǎn)，從而使竹段托架繞主動帶輪和從動帶輪旋轉(zhuǎn)；竹段托架豎直向上選裝過程中，每次只能帶動一根竹段旋轉(zhuǎn)，上料鏈條帶有附件鉤能夠?qū)⒅穸我来嗡椭辽狭陷S頂端，逐個將竹段落進(jìn)預(yù)備工位；當(dāng)竹段托架上沒有竹段時，破竹機(jī)停止運(yùn)行，防止無人管護(hù)時放空運(yùn)行。在各個節(jié)點位置設(shè)置傳感器等，通過PLC 控制，實現(xiàn)竹段自動檢測、連續(xù)進(jìn)料，如圖2所示[4]。

表1 數(shù)控破竹機(jī)的主要參數(shù)Table 1 Main parameters of the CNC bamboo breaking machine

圖2 竹段自動檢測、上料機(jī)構(gòu)三維模型Fig.2 Three-dimensional model of bamboo segment automatic detection and feeding mechanism

1.3.2 竹段徑級識別及自動換刀機(jī)構(gòu)

竹段直徑檢測機(jī)構(gòu)設(shè)置在自動上料機(jī)構(gòu)頂部。其中的電子尺驅(qū)動裝置的啟動和停止受控于設(shè)置在測直徑位置處的光電開關(guān)：當(dāng)測直徑位置的光電開關(guān)被竹段擋住時，電子尺驅(qū)動裝置啟動，向下伸向竹段，與竹段接觸后再收回，直徑測量完成；根據(jù)用竹段直徑檢測機(jī)構(gòu)檢測的竹段直徑，通過控制裝置，驅(qū)動刀架，將適合的刀盤轉(zhuǎn)至與推竹機(jī)構(gòu)正對，即可方便地實現(xiàn)根據(jù)竹段的直徑用不同的破竹刀盤破竹的目的，如圖3所示。

圖3 竹段直徑檢測機(jī)構(gòu)三維模型Fig.3 Diameter detecting mechanism and cutter head design and three-dimensional model of bamboo section

1.3.3 竹段快速對心機(jī)構(gòu)

竹段抓取對心機(jī)構(gòu)設(shè)計兩個前后同步運(yùn)動的夾具（帶“v”形爪），每個夾具中的上下夾料臂連接在一個直線運(yùn)動驅(qū)動裝置連接的水平滑塊上，氣缸推動水平滑塊，通過四連桿機(jī)構(gòu)使得上下夾料臂合攏夾住竹段時，無論竹段的直徑大或小，可保證竹段的中心線處于破竹路徑上，使竹段與刀盤軸心重合，通過上下夾料臂同步合攏、分開，將竹段快速送到破竹工位上，實現(xiàn)竹段自動進(jìn)料快速對心，如圖4所示。

圖4 竹段抓取對心機(jī)構(gòu)設(shè)計及三維模型Fig.4 Design and three-dimensional model of the center mechanism of bamboo grab

1.3.4 刀盤及換刀機(jī)構(gòu)

破竹刀盤由刀座固定在機(jī)架上，刀盤形狀為圓形，在其一周圓周均布安裝刀具。刀盤上安裝有8 把刀，每把刀都設(shè)置有對應(yīng)傳感器，用于系統(tǒng)的識別，并編號。根據(jù)每把刀的特點，設(shè)置它的加工范圍。當(dāng)上料竹段的直徑落在對應(yīng)刀號范圍內(nèi)時，系統(tǒng)根據(jù)刀號轉(zhuǎn)動換刀電機(jī)，進(jìn)行換刀。

每把刀具的破竹區(qū)間基本在10 cm 左右，按照1～8 編號，初步設(shè)定范圍如表2所示。

自動刀盤切換機(jī)構(gòu)，設(shè)計圓周均布排列刀盤，電子尺檢測竹段直徑獲得胸徑數(shù)據(jù)后，經(jīng)傳感器、PLC 運(yùn)算判別刀盤編號，伺服電機(jī)通過減速器帶動刀架旋轉(zhuǎn)，將對應(yīng)直徑的破竹刀盤帶動轉(zhuǎn)至正對竹段，然后進(jìn)行破竹動作。由于伺服電機(jī)控制精度高，結(jié)合運(yùn)動控制算法，保證了刀盤轉(zhuǎn)動過程不會有累計誤差，不會出現(xiàn)定位不準(zhǔn)現(xiàn)象。刀盤如圖5所示。

表2 刀具破竹區(qū)間范圍Table 2 Range of bamboo cutting section

圖5 刀盤設(shè)計及三維模型Fig.5 Design and 3D model of cutter head

1.3.5 推竹機(jī)構(gòu)

推竹機(jī)構(gòu)中的推竹座通過傳動導(dǎo)輥來運(yùn)轉(zhuǎn)推竹托盤，在行進(jìn)過程中，推竹托盤與竹段后端始終接觸，將其運(yùn)送到破竹工位進(jìn)行加工。整個推竹機(jī)構(gòu)以鏈傳動傳遞動力，使用滾輪與鏈條形成圓周運(yùn)動，故當(dāng)竹段在破竹工位破竹后，推竹座會進(jìn)入圓周運(yùn)動下半程，從而使其回復(fù)到初始位置，準(zhǔn)備下一個循環(huán)動作。如圖6所示。

圖6 推竹機(jī)構(gòu)三維模型Fig.6 Three-dimensional model of bamboo pushing mechanism

2 關(guān)鍵部位的有限元分析

2.1 刀盤靜力學(xué)分析

2.1.1 材料加載

刀盤采用Q235-A 進(jìn)行加工，Q235-A 力學(xué)性能特性，如表3所示。

表3 Q235-A 材料特性Table 3 Properties of Q235-A

2.1.2 網(wǎng)格劃分

采用ANSYS Workbench15.0 軟件默認(rèn)的網(wǎng)格化分方法，根據(jù)簡化模型類型，幾何形狀，自動進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分。刀盤網(wǎng)格化分時，選擇中等疏密度來默認(rèn)劃分，節(jié)點數(shù)共計155 147 個，單元總數(shù)為29 169 個；網(wǎng)格的其他參數(shù)均處于較好的狀態(tài)，網(wǎng)格化分如下圖所示。

2.1.3 施加約束和載荷

推進(jìn)機(jī)構(gòu)推動竹段向前側(cè)刀盤行進(jìn)，在行進(jìn)的過程中，始終與竹段端面接觸，受到持續(xù)的壓緊力作用，通過竹段將力傳遞到刀盤和刀具上，則刀盤和刀具的載荷約束與邊界條件如下：

載荷約束：慣性約束，9.8 m/s2（結(jié)構(gòu)自重）；推竹力大小，F(xiàn)=5 100 N。

刀盤的受力主要來自于竹段的撞擊傳遞，所以要選取合適的位置對刀盤模型加載力，刀盤受力集中在8 個刀架的其中一個，故可任意選取一個刀架，在刀架圓周內(nèi)側(cè)面施加一個與刀盤平面垂直的力。刀具固定在刀盤上，刀盤使用螺母固定在機(jī)架上，可以等效的看成是固定在機(jī)架上的固定結(jié)構(gòu)，刀盤背面安置由一個以中心軸為圓心，6 個螺栓孔為圓周的圓形擋板，因此其邊界約束條件為固定約束。

2.1.4 求解

刀盤模型在加載約束和載荷后，經(jīng)過求解運(yùn)算，得到了刀盤的應(yīng)力和位移云圖，根據(jù)靜力學(xué)理論對分析結(jié)果進(jìn)行研究，應(yīng)力和位移云圖如圖8所示，結(jié)果如表4所示。

圖7 有限元網(wǎng)格劃分Fig.7 Finite element mesh division

圖8反映了刀盤的強(qiáng)度特性，由圖8可以得出，刀盤有限元分析的最大應(yīng)力出現(xiàn)在固定約束的螺栓處，根據(jù)結(jié)果對比分析，刀盤所受實際最大等效應(yīng)力為120.09 MPa，其小于刀盤材料的屈服極限。根據(jù)物理理論第三、第四強(qiáng)度理論，機(jī)構(gòu)中承受的最大等小應(yīng)力要小于材料的許用應(yīng)力。

刀盤使用的材料為Q235-A，其許用應(yīng)力計算如下：

式（1）中：[σ]為許用應(yīng)力，單位MPa；σs為屈服應(yīng)力，單位MPa；n為安全系數(shù)，Q235-A 取n為1.5。

由公式（1）可得，Q235-A 的許用應(yīng)力[σ]=235/1.5=156.7 MPa，則刀盤[σ]max=120.09 MPa＜[σ]，故刀盤強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

位移云圖反映了刀盤的剛度特性，即在外力作用下的變形大小。由表4和圖8可知，刀盤的最大位移發(fā)生在刀盤受力刀具刀架的最邊緣處，變形量為2.20 mm。根據(jù)刀盤的設(shè)計結(jié)構(gòu)特性，刀盤位移量不影響設(shè)備的正常工作，對破竹精度的影響可以忽略不急，故刀盤剛度滿足設(shè)計要求[8-9]。

圖8 刀盤的等效應(yīng)力和等效位移云圖Fig.8 Cloud chart of equivalent stress and displacement of cutter head

表4 刀盤的有限元分析Table 4 Finite element analysis of cutter head

2.2 刀具靜力學(xué)分析

2.2.1 材料加載

刀具使用45 號鋼進(jìn)行加工，45 號鋼力學(xué)性能特性，如表5所示[5]。

2.2.2 網(wǎng)格劃分

將模型以基于曲率的網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用Workbench 軟件默認(rèn)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，刀盤選擇中等疏密度來默認(rèn)劃分，節(jié)點數(shù)共計155 147 個，單元總數(shù)為29 169 個；刀具選擇中等疏密度來默認(rèn)劃分，節(jié)點數(shù)共計10 331 個，單元總數(shù)為4 869個。網(wǎng)格的其他參數(shù)均使用軟件默認(rèn)狀態(tài)，得到以下有限元模型[6]（圖9）。

表5 45 號鋼材料特性Table 5 Properties of 45 steel

圖9 結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分Fig.9 Finite element mesh division

2.2.3 施加約束和載荷

刀具的受力直接來自于竹段的撞擊傳遞，因刀具中刀片呈輻射狀，且刀片圓周分布向前方有一個傾角，故主要受力是刀具中心向刀片傳遞。刀具的約束同樣是固定約束，刀具被螺母固定在刀盤上，所以將約束施加在刀具外圓的周面上。

刀盤所受載荷間接由刀具傳遞，故刀具是直接受力結(jié)構(gòu)，其受力大小與刀盤相等。

載荷約束：慣性約束，9.8 m/s2（結(jié)構(gòu)自重）；推竹力大小：F=5 100 N。

邊界約束：刀具被螺母固定在刀盤上，所以將約束施加在刀具外圓的周面上[7]。

2.2.4 求解

刀具模型在加載約束和載荷后，經(jīng)過求解運(yùn)算，得到了刀具的應(yīng)力和位移云圖，根據(jù)靜力學(xué)理論對分析結(jié)果進(jìn)行研究，應(yīng)力和位移云圖如所示，結(jié)果如表6所示。

圖10 刀具的等效應(yīng)力和總位移云圖Fig.10 Cloud diagram of equivalent stress and total displacement of tool

表6 刀具的有限元分析Table 6 Finite element analysis of tool

反映了刀具的強(qiáng)度特性，由表6可以得出，刀具所受最大等效應(yīng)力為186.36 MPa，其小于刀盤材料的屈服極限。45 號鋼安全系數(shù)取n為1.5，則根據(jù)公式（1）可得，45 號鋼的許用應(yīng)力[σ]=353/1.5=235.3 MPa，則刀具[σ]max=186.36 MPa＜[σ]，故刀具強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

反映了刀具的剛度特性。由表6可知，刀具的最大位移發(fā)生在受力最集中的中心位置。在竹段破竹過程中，刀具的位移量會影響竹條的對中率，但刀具的最大位移量0.368 mm，對竹條的均勻性影響極小，所以刀具的剛度滿足設(shè)計要求[8-9]。

3 試驗驗證

為了驗證自動進(jìn)料快速對心數(shù)控自動破竹機(jī)在實際應(yīng)用中的破竹效果以及各項指標(biāo)是否達(dá)到設(shè)計要求，進(jìn)行了試驗驗證[10]。

自動進(jìn)料快速對心數(shù)控自動破竹機(jī)試驗樣機(jī)如圖11所示。

圖11 自動進(jìn)料快速對心數(shù)控自動破竹機(jī)試驗樣機(jī)Fig.11 Sample diagram of automatic feeding fast-tocenter NC automatic bamboo-breaking machine

試驗材料：竹段（表7）。

表7 竹段參數(shù)Table 7 Bamboo section parameters

3.1 試驗方法

測試自動進(jìn)料快速對心數(shù)控自動破竹機(jī)破竹速度，相對于傳統(tǒng)的破竹機(jī)是否有所提高。計算出自動進(jìn)料快速對心數(shù)控自動破竹機(jī)的竹條出材率，與傳統(tǒng)破竹機(jī)的竹條出材率進(jìn)行比較。測試自動進(jìn)料快速對心數(shù)控自動破竹機(jī)的設(shè)備性能是否達(dá)到相關(guān)要求，其毛邊率、對中率是否達(dá)到要求（圖12）。

將3 組竹段進(jìn)行破竹操作，對每組進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)的采集與整理，并且留取樣本（圖13）。

3.2 結(jié)果與分析

3.2.1 數(shù)據(jù)整理

竹段試驗數(shù)據(jù)記錄如表8所示。

3.2.2 竹條參數(shù)計算

1）竹片毛邊率和對中率計算公式：

圖12 試驗竹段上料及出料Fig.12 Feeding and discharging of bamboo section

圖13 竹片的整理與數(shù)據(jù)采集Fig.13 Finishing and data collection of bamboo tablets

表8 竹段相關(guān)試驗參數(shù)Table 8 Relevant parameters of bamboo section test

式（2）中：ηm為竹條的毛邊率；ηd為竹條的對中率；nm為有毛邊的竹條數(shù)量，單位根；nd為對中性好的竹條數(shù)量，單位根；nz為竹條的總數(shù)量，單位根。

2）竹片出材率計算公式。

竹段經(jīng)過剖分后得到n個竹條，理想竹條的橫截面如圖14所示。

圖14 理想竹條橫截面示意Fig.14 Schematic diagram of cross section of ideal bamboo pieces

由圖14可知，竹條橫截面擴(kuò)大為扇形后的二分之一圓心角為θ：

式（3）中：θ為竹條橫截面扇形面二分之一圓心角；n為竹段被剖分竹條個數(shù)。假定竹條加工后最終得到的竹方材的長為a，寬為b，則：

式（5）中：a為竹條加工后最終得到的竹方材的長；b為竹條加工后最終得到的竹方材的寬。

將式（4）代入式（5）得：

則可計算得出竹方材側(cè)面積S：

由幾何知識可得圓臺體積V計算公式：

式（8）中：h為圓臺的高；R為圓臺底端半徑；r為圓臺上端半徑。

由式（8）可推算出竹段理想數(shù)學(xué)模型圓臺的體積Vt：

式（9）中：l為竹段的長度，單位mm；R1w為竹段大端的外徑，單位mm；R2w為竹段小端的外徑，單位mm；r1n為竹段大端的內(nèi)徑，單位mm；r2n為竹段大端的內(nèi)徑，單位mm。

竹材的出材率η1為：

將式（7）、式（9）代入式（10）可得：

3.2.3 結(jié)果與分析

根據(jù)總結(jié)推算公式，結(jié)果計算如表9所示。

表9 試驗結(jié)果Table 9 Test results

3 組試驗驗證，每組5 根竹段，平均用時37.2 s，可計算出破竹效率為16.9 m/min（8 段/min），與傳統(tǒng)人工破竹相比，效率提高了2 倍。

整理試驗采集數(shù)據(jù)可得出竹條的出材率在63.1%左右，與傳統(tǒng)破竹機(jī)出材率相近；根據(jù)數(shù)據(jù)分析，對破分出來的竹條計算其毛邊率，平均值在7.6%左右，對破分出來的竹條的對中率進(jìn)行分析及計算，得出對中率控制在93.6%左右。

綜合試驗得出的分析結(jié)果，出材率與傳統(tǒng)人工破竹相近，效率比人工提高2 倍，毛邊率比人工破竹更低，且對中率滿足竹條的均勻性。自動進(jìn)料快速對心數(shù)控自動破竹機(jī)的工作性能指標(biāo)滿足要求，對試驗樣機(jī)有了充分的理論和數(shù)據(jù)支持，對該設(shè)備的進(jìn)一步改進(jìn)指明了方向。

4 討 論

目前我國竹材備料工段設(shè)備的研究逐漸開展，本研究設(shè)計的自動進(jìn)料快速對心數(shù)控破竹機(jī)解決了備料工段中破竹工藝的自動化問題，在行業(yè)內(nèi)屬于領(lǐng)先產(chǎn)品，但同其他行業(yè)設(shè)備比較，還處在相對落后階段。

行業(yè)內(nèi)同款類似產(chǎn)品，其破竹方式大致相同，具體結(jié)構(gòu)存在差異化。本設(shè)計采用的是“鉤抓”鏈?zhǔn)缴狭蠙C(jī)構(gòu)，還存在“階梯式”抬升進(jìn)料機(jī)構(gòu)，兩者上料方式不同，但其上料效果類似；類似產(chǎn)品還存在竹段直徑檢測裝置不同，本設(shè)計使用機(jī)械尺進(jìn)行測量，同類產(chǎn)品存在光幕測量方式。

自動進(jìn)料快速對心數(shù)控破竹機(jī)還存在一些不足之處，需要在未來研究中進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。竹段直徑檢測機(jī)構(gòu)為單向機(jī)械電子尺，這對于彎曲度較大的竹段的檢測可能存在偏差，未來可設(shè)計雙向電子尺，以優(yōu)化直經(jīng)檢測的準(zhǔn)確度；由于竹段上料的放置是隨機(jī)的，每根竹段的壁厚未經(jīng)測量，這就導(dǎo)致不同壁厚的竹段不能分開收集，不利于后期竹段銑削加工，因此可以設(shè)計竹段壁厚檢測裝置，同時在出料導(dǎo)出裝置后設(shè)計一分料機(jī)構(gòu)，根據(jù)不同壁厚竹條有序堆放，方便下一步加工。

5 結(jié) 論

自動進(jìn)料快速對心數(shù)控破竹機(jī)的設(shè)計實現(xiàn)了竹材破竹加工的自動化、連續(xù)化，適應(yīng)了工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)，提高了竹材加工效率，節(jié)約人力成本，促進(jìn)綠色、清潔、安全生產(chǎn)，提升了竹材前序工段加工效率。

1）設(shè)計了自動進(jìn)料快速對心數(shù)控破竹機(jī)，主要包括上料機(jī)構(gòu)、對心裝置、徑級識別及自動換刀機(jī)構(gòu)、推竹機(jī)構(gòu)、竹片導(dǎo)出裝置等關(guān)鍵設(shè)計機(jī)構(gòu)。

2）分析了自動進(jìn)料快速對心數(shù)控破竹機(jī)破竹原理，利用Pro/ENGINEER 和AutoCAD 軟件對自動進(jìn)料快速對心數(shù)控破竹機(jī)的機(jī)械部分進(jìn)行設(shè)計，繪制了三維模型。對刀盤和刀具進(jìn)行建模，運(yùn)用有限元軟件ANSYS Workbench 對其進(jìn)行靜力學(xué)分析，分析得出刀盤和刀具的結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求。

3）通過對自動進(jìn)料快速對心數(shù)控破竹機(jī)樣機(jī)的試驗驗證，得出了其破竹后竹片的各項指標(biāo)，出材率為63.1%，毛邊率降到7.6%左右，對中率為93.6%，其工作破竹效率比人工破竹提高2 倍，可滿足竹材破竹分片生產(chǎn)需要。