吳 哲, 張中弛, 楊春梅, 任長(zhǎng)清, 丁禹程

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

歐式木窗型材作為一種純木質(zhì)順紋集成材,因其出色的抗壓抗折特性而深受市場(chǎng)歡迎[1],最早面世于20世紀(jì)70年代,由瑞典科學(xué)院的研究員開(kāi)發(fā)并制作。這種制作方法在面世后不久被歐美諸多國(guó)家廣泛應(yīng)用。我國(guó)從1996年開(kāi)始制作歐式木窗,但這時(shí)的設(shè)備都是采用國(guó)外進(jìn)口設(shè)備,一直到1999年才在歐式木窗生產(chǎn)方面具備工業(yè)化生產(chǎn)的基本條件[2]。李偉光等[3]研究了三種典型木門門扇自動(dòng)化柔性生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)方案,這些方案都簡(jiǎn)略地描繪出生產(chǎn)線的加工過(guò)程以及加工設(shè)備布置,并進(jìn)行了加工效率以及成本的分析。趙晏林[4]研究了多品種小批量環(huán)境下的家具混流生產(chǎn)線平衡分析與改善;錢文婷[5]等研究了家具自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng),對(duì)每個(gè)單元站都進(jìn)行了詳盡的分析,目前國(guó)內(nèi)對(duì)木制門窗加工的生產(chǎn)是以多機(jī)器部件相互協(xié)調(diào)的模式進(jìn)行的。倘若在木制門窗產(chǎn)業(yè)線方面實(shí)現(xiàn)機(jī)械智能化生產(chǎn),那么這將會(huì)高效實(shí)現(xiàn)勞動(dòng)力自由化,合理地規(guī)避單一性產(chǎn)品的重復(fù)勞動(dòng)并對(duì)環(huán)境保護(hù)等多方面起到促進(jìn)作用。

經(jīng)過(guò)對(duì)木窗生產(chǎn)企業(yè)的調(diào)研,筆者了解到截至目前我國(guó)窗型加工環(huán)節(jié)多處于半自動(dòng)化階段,在對(duì)木窗的窗框成型過(guò)程中仍需要工人把扶窗框,借助機(jī)床的四個(gè)刀位和五金膠條安裝槽口,再對(duì)木窗進(jìn)行銑型加工,這樣的過(guò)程不僅耗費(fèi)人力,提高生產(chǎn)成本,而且對(duì)工人本身技術(shù)也具有一定要求,稍有不慎可能就會(huì)造成木制門窗邊框出現(xiàn)尺寸誤差,影響木窗產(chǎn)品質(zhì)量。

為了能夠解決這一問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)窗型加工設(shè)備(如圖1所示),在原有木窗加工中心的基礎(chǔ)上使用滑臺(tái)升降裝置控制壓輥架的高度,并采用輥臺(tái)架與壓輥架相配合的方式保證木窗在加工過(guò)程中的穩(wěn)定性。為了保障木窗加工中心不會(huì)出現(xiàn)故障,工人需要定期對(duì)機(jī)床進(jìn)行檢修,因此需要在壓輥支柱上焊接橫梁,并在橫梁側(cè)安裝導(dǎo)軌以保證機(jī)床的艙門能夠被打開(kāi)。

圖1 壓輥懸臂機(jī)床

1 壓輥懸臂機(jī)床主要結(jié)構(gòu)

首先在多個(gè)方案中篩選出性價(jià)比最高且具備可行性的方案,再利用三維建模軟件繪制出該方案中的壓輥懸臂機(jī)床模型,這一方案中壓輥懸臂機(jī)床主要由壓輥升降臺(tái)、升降支撐架、機(jī)床和輥臺(tái)總裝四個(gè)部分構(gòu)成。

壓輥升降臺(tái)(如圖2所示)由壓輥、壓輥架、壓輥支架、壓輥支柱、壓輥總支架、滑臺(tái)升降裝置、伺服電機(jī)組成。因需要加工的木窗尺寸從500 mm到20 000 mm不等,所以為了保障木窗在木窗加工中心工作過(guò)程中不被刮飛,需要讓壓輥輥?zhàn)訚M足在加工不同尺寸木窗時(shí)都能夠?qū)⒛敬皦壕o?？梢酝ㄟ^(guò)多個(gè)小段壓輥成功完成,這種設(shè)計(jì)盡可能地保障了不同尺寸木窗的均勻受力,不會(huì)出現(xiàn)翹邊的現(xiàn)象。當(dāng)木窗被放在輥臺(tái)上后,電機(jī)通過(guò)絲杠作用帶動(dòng)滑臺(tái)升降裝置升高,直到最終木窗被加緊。

圖2 壓輥升降臺(tái)示意圖

升降支撐架(如圖3所示)由橫梁、導(dǎo)軌滑塊和底座三個(gè)部分構(gòu)成,該結(jié)構(gòu)主要用于解決壓輥與輥臺(tái)夾持過(guò)程中面臨的懸臂梁彎曲問(wèn)題。將橫梁與懸臂梁壓輥支柱焊接在一起,使橫梁能承擔(dān)一部分壓輥的重量。相較于木窗上下壓緊都使用多排單輥,升降支撐架也可以令壓輥懸臂裝置滿足不妨礙機(jī)床門開(kāi)合的基本條件。當(dāng)機(jī)床需要定期檢查時(shí),只需要將升降支撐架高度下降就可以得到機(jī)床門打開(kāi)的空間。當(dāng)壓輥懸臂裝置達(dá)到規(guī)定位置時(shí),將滑塊鎖死在導(dǎo)軌上可以有效輔助壓輥支柱分擔(dān)壓輥架和壓輥的重量。

圖3 升降支撐架示意圖

輥臺(tái)總裝(如圖4所示)由多個(gè)單輥和架子構(gòu)成。此結(jié)構(gòu)用于支撐需要加工的木窗,并用于穩(wěn)定整個(gè)裝置。

2 橫梁受力分析

2.1 壓輥架受力分析

為了分析橫梁具體受力情況,首先要計(jì)算出每根壓輥支柱所承受的重量,單組壓輥支柱和壓輥如圖5所示。通過(guò)Solidworks建立單組壓輥支柱以及上面四個(gè)壓輥的模型(如圖6所示),在設(shè)定好材料后根據(jù)Solidworks中評(píng)估下的質(zhì)量屬性可以清楚單組壓輥和壓輥架的重量和為2.265 kg。材料為Gb/6728-1986的方型空心型鋼壓輥支架重量為0.597 kg,根據(jù)模型也可以看出每個(gè)壓輥架之間距離為380 mm。為了將壓輥支柱重量計(jì)算在其中,需要標(biāo)記出其質(zhì)心位置。將質(zhì)心位置[6]通過(guò)Matlab計(jì)算出來(lái):

圖5 單組壓輥支柱和壓輥

圖6 壓輥模型

計(jì)算出質(zhì)心位置坐標(biāo)為X=615,Y=275,Z=0。

為計(jì)算橫梁?jiǎn)蝹€(gè)焊點(diǎn)承受的力需要對(duì)壓輥支柱進(jìn)行受力分析,如圖7所示。

圖7 壓輥支柱受力分析

(1)

式(1)中:f為單組壓輥和壓輥架重量;L為焊點(diǎn)受力力臂;G為壓輥支柱重量;F1為焊點(diǎn)受力。計(jì)算得出F1為47.896 5 N。

2.2 橫梁受力情況

根據(jù)Solidworks構(gòu)建出的橫梁模型可以看出橫梁與壓輥升降臺(tái)之間有22個(gè)焊點(diǎn),即有22組壓輥和壓輥支柱,每組壓輥支架之間的距離為200 mm,末端焊點(diǎn)與邊界的距離為325 mm。

3 橫梁結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

3.1 C槽橫梁靜力學(xué)分析

將使用Solidworks繪制的橫梁模型通過(guò)工具導(dǎo)入到Ansys 2022 R1 的Workbench中進(jìn)行靜力學(xué)分析,整體材料設(shè)定為Q235-A,泊松比設(shè)為0.288,彈性模量2.12E+11Pa,質(zhì)量密度為7 860 kg/m3。

使用定值網(wǎng)格劃分的形式,按照網(wǎng)格大小為20 mm的網(wǎng)格對(duì)橫梁進(jìn)行網(wǎng)格劃分,采用對(duì)橫梁上22個(gè)焊點(diǎn)進(jìn)行力的賦予,并對(duì)橫梁側(cè)面施加約束(如圖8所示),在有限元分析完成后,對(duì)總變形和等效應(yīng)力進(jìn)行最后的求解[7],求解結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖8 橫梁約束與載荷

圖9 C槽變形云圖

圖10 C槽應(yīng)力云圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析可以看出在橫梁結(jié)構(gòu)中,橫梁應(yīng)力主要集中在水平方向的三條桿上,而最大變形量出現(xiàn)在焊接桿的中間位置,最大變形量Wmax為2.616 6 mm,最大應(yīng)力值為17.349 MPa。由上述結(jié)果分析可以知道在橫梁與壓輥架接觸面存在較大的變形,最大變形量大于許用變形量的2 mm,這在壓輥懸臂加床長(zhǎng)期使用過(guò)程中可能產(chǎn)生裂紋甚至斷裂現(xiàn)象。同時(shí)橫梁兩端也存在較大應(yīng)力,長(zhǎng)期使用可能會(huì)使水平C槽和豎直C槽焊接部位斷裂。

3.2 方形管靜力學(xué)分析

為了降低橫梁在使用過(guò)程中面臨的過(guò)大變形,筆者將橫梁結(jié)構(gòu)從100×10的C槽更換為80×80×5的方型管并重新進(jìn)行Ansys分析,變形云圖和應(yīng)力云圖見(jiàn)圖11、圖12。

圖11 方型管變形云圖

改變結(jié)構(gòu)后,橫梁變形量顯著降低,由原本的2.616 6 mm變成了0.470 3 mm,降低了82%,最大應(yīng)力也從原來(lái)的17.349 MPa下降到了17.041 Mpa,降低了2%,完美滿足材料要求。

4 橫梁的模態(tài)分析

為了驗(yàn)證橫梁結(jié)構(gòu)在機(jī)床進(jìn)行銑型加工過(guò)程中能否滿足性能要求,需要對(duì)橫梁進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性的研究。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析,驗(yàn)證其是否會(huì)與機(jī)床之間發(fā)生共振,以避免可能出現(xiàn)的事故。

4.1 模態(tài)分析理論基礎(chǔ)

每個(gè)設(shè)計(jì)都有自己的頻率,這是一種不依賴于外部負(fù)載的固有屬性,運(yùn)動(dòng)方程表達(dá)式如下:

(2)

同時(shí)橫梁結(jié)構(gòu)本身的自振頻率也是結(jié)構(gòu)自身的一種固有屬性,在不考慮外界激振力的的前提下,有阻尼和無(wú)阻尼的發(fā)生條件如下:

(3)

式(3)中,ξ為阻尼比

當(dāng)發(fā)生諧振動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)方程為:

([K]-ωi2[M]){Φi}=0

(4)

由式(4)可知,對(duì)于任何結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析,其固有圓周頻率ωi和振型Φ均可以被求出。

4.2 模態(tài)分析

在真實(shí)振動(dòng)中低階模態(tài)振動(dòng)占據(jù)主導(dǎo)地位,高階模態(tài)在振動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)瞬即逝,因此暫不考慮[8-9]。通過(guò)剖析模態(tài)分析的運(yùn)行原理可以知道所要測(cè)試結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性只與其本身的剛度和質(zhì)量有關(guān),并不受外界載荷影響,因此在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)不需要施加載荷與約束條件,直接接續(xù)靜力學(xué)分析的結(jié)構(gòu)繼續(xù)進(jìn)行方形管橫梁前六階模態(tài)分析[10],振型云圖如圖13所示,前六階模態(tài)頻率與振型特性如表1所示。

表1 前六階模態(tài)頻率與振型特性

圖13 橫梁1-6階振型云圖

根據(jù)表1的描述可以清楚,橫梁的主要振動(dòng)形式是扭轉(zhuǎn)和彎曲,在前六個(gè)階段的振動(dòng)頻率中,振動(dòng)頻率從11.667 Hz一直蔓延到57.512 Hz。這與無(wú)阻尼振動(dòng)的隨機(jī)特性相符合。如果從整體角度觀察,隨著橫梁振動(dòng)固有頻率的增加,其結(jié)構(gòu)本身形變量也在增加,而就因振動(dòng)產(chǎn)生的形變而言,其形態(tài)變化主要發(fā)生在橫梁的水平接觸段,其水平兩側(cè)與豎直部分所受影響不大,在機(jī)床工作過(guò)程中應(yīng)盡量避免頻率處于30.43～42.905Hz。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)壓輥懸臂機(jī)床實(shí)際需求,設(shè)計(jì)橫梁結(jié)構(gòu)輔助壓輥升降臺(tái)承擔(dān)壓輥重量,隨后使用ANSYS Workbench中的靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析,并對(duì)橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)橫梁進(jìn)行優(yōu)化后,其應(yīng)力大小和分布以及變形情況得到顯著改善。最大應(yīng)力值從17.349 MPa降低到17.041 MPa,下降幅度2%。此外,最大變形量2.616 6 mm顯著減小至0.470 3 mm,下降幅度為82%。

(2)對(duì)橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)振動(dòng)頻率達(dá)到第五階振型頻率42.905 Hz時(shí),其最大變形量達(dá)到7.174 7 mm,前六階固有頻率范圍從11.667～57.514 Hz,且較危險(xiǎn)頻率發(fā)生在30.43～42.905 Hz,應(yīng)避免機(jī)床電機(jī)在實(shí)際工作過(guò)程中達(dá)到這一頻率,并為此修改電機(jī)功率。

通過(guò)本次對(duì)壓輥懸臂機(jī)床橫梁的優(yōu)化設(shè)計(jì),成功提高了橫梁的承重能力并對(duì)橫梁本身進(jìn)行支撐,并找出其在工作中比較穩(wěn)定的頻率區(qū)間,提高了機(jī)床的穩(wěn)定性以及耐久性。