符 榮, 王 遠(yuǎn)

(西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院,云南 昆明 650024)

實(shí)木多層板具有變形小、強(qiáng)度大、含水量低、平整度好、穩(wěn)固性強(qiáng)等特點(diǎn),被廣范應(yīng)用于建筑、家具、門窗等制造行業(yè)[1-6]。擺板、鋪板是實(shí)木多層板生產(chǎn)中的一個重要環(huán)節(jié),擺鋪質(zhì)量直接影響其加工質(zhì)量,在一些小微企業(yè),仍主要采用人工來完成擺板、鋪板操作,如作者所在實(shí)習(xí)單位錦州市某實(shí)木多層板生產(chǎn)廠,擺鋪板時(shí),工人需要將滾完膠的板胚擺鋪到生產(chǎn)流水線上,板胚的鋪設(shè)狀況決定著成板的質(zhì)量?？墒?近年來隨著各類市場對實(shí)木多層板需求量的逐年增加,小微企業(yè)也不斷擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模,人工擺板、鋪板的操作方式顯然已不能夠滿足當(dāng)前高產(chǎn)量,高效率的生產(chǎn)要求。且擺板、鋪板操作需要技術(shù)熟練的工人才能完成,鋪板操作勞動強(qiáng)度大,效率低,生產(chǎn)工人常需加班加點(diǎn)工作,才能完成工作任務(wù)。又隨著人工成本增加,人口老齡化等問題,該行業(yè)招工難,熟練工更難留住,生產(chǎn)成本不斷上漲。因此,該廠提出對現(xiàn)有多層實(shí)木板生產(chǎn)線進(jìn)行改造升級,特別是對其中的擺板、鋪板工序提出了機(jī)械化、自動化改造。

通過查閱相關(guān)資料,國內(nèi)外對于多層實(shí)木板鋪板機(jī)設(shè)備已有一些相關(guān)的研究。如韓杰[7]設(shè)計(jì)出一種用于木材加工的鋪板機(jī),提出一種連續(xù)壓合的方案,解決了鋪板過程中需要對板材連續(xù)轉(zhuǎn)移的問題,提高了板材完整性,王國永等[8]設(shè)計(jì)出一種多通道鋪板機(jī),解決了鋪板機(jī)單通道鋪板效率低以及在切割木材時(shí)手部易受傷的問題。但是,這些鋪板機(jī)主要適用于大型加工廠使用,不太適于小微企業(yè)。其他相關(guān)行業(yè)在鋪板機(jī)設(shè)備方面,相關(guān)技術(shù)較成熟,如喬逸飛等[9]設(shè)計(jì)了一種多功能鋪磚機(jī),提出了一種“前鋪、后儲、中放磚”的設(shè)計(jì)思想,周艷紅等[10]研制的10 t鋪板機(jī),采用龍門吊車的形式將軌道板從滿載的車上進(jìn)行抓取鋪設(shè),這些研究成果可為本廠的多次實(shí)木板小型鋪板機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論參考與技術(shù)借鑒。

綜上,為解決該廠現(xiàn)有擺板、鋪板勞動強(qiáng)度大,生產(chǎn)效益低,機(jī)械化與自動化程度低,人工成本高等問題,本文對該廠實(shí)木多層板加工中的鋪板設(shè)備進(jìn)行改造升級設(shè)計(jì)和加工制造,并開展相關(guān)鋪板試驗(yàn)。

1 設(shè)計(jì)要求

1.1 木胚的相關(guān)參數(shù)

多層人造板胚由楊木,桉木和樺木經(jīng)過旋切而成,翹曲度不大于1.0 mm,干濕度<20%,其尺寸有970 mm×650 mm×1.5 mm和1 270 mm×650 mm×1.5 mm(長*寬*厚)兩種規(guī)格,質(zhì)量等級包括保張、大板、小洞 、大洞、破料五個等級,鋪板層數(shù)為3層、4層、6層、9層、11層和13層等。

1.2 木材自動鋪板機(jī)設(shè)計(jì)基本要求

(1)鋪板機(jī)能夠自動上料,自動抓取和鋪設(shè)。

(2)鋪板機(jī)的工作速度能夠根據(jù)工作要求進(jìn)行設(shè)定,且保證工作平穩(wěn)運(yùn)行。

(3)鋪設(shè)板胚之間的銜接誤差d≤10 mm。

(4)自動鋪板機(jī)主要是用來配合流水線工作的,因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要以廠里現(xiàn)有的生產(chǎn)流水線尺寸為設(shè)計(jì)依據(jù)。

2 自動鋪板機(jī)的整體結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 整體結(jié)構(gòu)

木材自動鋪板機(jī)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由運(yùn)輸流水線、調(diào)整機(jī)構(gòu)、抓取擺板機(jī)構(gòu)、電機(jī)、機(jī)架等構(gòu)成。運(yùn)輸流水線組成結(jié)構(gòu)為軸承座9用螺栓11固定在機(jī)架4上,流水線6與軸承座連接, 鏈條8通過鏈輪13與減速機(jī)14連接;抓取擺板機(jī)構(gòu)1與機(jī)架相連接,將調(diào)整好的板胚準(zhǔn)確地鋪設(shè)到生產(chǎn)流水線上;調(diào)整機(jī)構(gòu)5和通過螺栓固定流水線側(cè)板7上面,主要對經(jīng)過流水線的板胚進(jìn)行調(diào)整;機(jī)架由40 mm×80 mm的矩形鋼12焊接而成,保證了整個設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性;電機(jī)作為整個裝置的唯一動力來源,通過鏈傳動和帶傳動的方式,驅(qū)動設(shè)備工作。

圖1 木材自動鋪板機(jī)結(jié)構(gòu)圖1.抓取擺板機(jī)構(gòu);2.左前光電管;3.右前光電管;4.機(jī)架;5.調(diào)整機(jī)構(gòu);6.流水線;7.側(cè)板;8鏈條;.9 軸承座;10.Y軸步進(jìn)電機(jī);11.螺栓;12.矩形鋼;13.鏈輪;14.減速機(jī);15.伺服電機(jī);16.左后光電管;17.右后光電管

2.2 工作原理

鋪板工作時(shí),生產(chǎn)流水線停,運(yùn)輸流水線6啟動,將板胚運(yùn)送到抓取擺板機(jī)構(gòu)1的下方,此時(shí)板胚擋住左前光電管3,當(dāng)板胚擋住左后光電管16時(shí),運(yùn)輸流水線停,調(diào)整機(jī)構(gòu)5啟動,對板胚進(jìn)行調(diào)整,使板胚左邊同時(shí)離開左前光電管和左后光電管時(shí),調(diào)整機(jī)構(gòu)停,Z軸的步進(jìn)電機(jī)10正轉(zhuǎn)驅(qū)動抓取擺板機(jī)構(gòu),使抓取機(jī)構(gòu)沿Z軸方向進(jìn)行板胚抓取,抓取板子之后,Z軸步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)使抓取機(jī)構(gòu)沿Z軸反向回零,然后,Y軸的步進(jìn)電機(jī)10正轉(zhuǎn)驅(qū)動抓取擺板機(jī)構(gòu),使抓取擺板機(jī)構(gòu)到達(dá)鋪設(shè)位進(jìn)行左側(cè)板子鋪設(shè),鋪設(shè)完畢后,Y軸的步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)驅(qū)動抓取擺板機(jī)構(gòu)使其回到Y(jié)軸零點(diǎn)等待,運(yùn)輸流水線6再次啟動,將板胚運(yùn)送到抓取擺板機(jī)構(gòu)1的下方,此時(shí)板胚再次擋住左前光電管,當(dāng)板胚擋住左后光電管時(shí),運(yùn)輸流水線停,調(diào)整機(jī)構(gòu)5啟動對板胚進(jìn)行調(diào)整,使板胚同時(shí)擋住右前光電管3和右后光電管17時(shí),調(diào)整機(jī)構(gòu)停,Z軸的步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)驅(qū)動抓取擺板機(jī)構(gòu),使抓取機(jī)構(gòu)沿Z軸正方向進(jìn)行板胚抓取,抓取板子之后,Z軸步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)驅(qū)動抓取機(jī)構(gòu)沿Z軸反向回零,然后,Y軸步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)驅(qū)動抓取擺板機(jī)構(gòu)使其到達(dá)鋪設(shè)位進(jìn)行右側(cè)板子鋪設(shè),鋪設(shè)完畢,Y軸的步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)驅(qū)動抓取機(jī)構(gòu)回到Y(jié)軸零點(diǎn)等待,生產(chǎn)流水線再次啟動前行97 cm停止,運(yùn)輸流水線啟動,鋪板過程如同上述。

3 主要機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

3.1 調(diào)整機(jī)構(gòu)

為了保證摩擦力合適,且不傷害板胚,所設(shè)計(jì)的調(diào)整機(jī)構(gòu)如圖2所示。組成結(jié)構(gòu)為兩只摩擦輪1和渦輪蝸桿電機(jī)4通過銷軸3固定在連桿6上,形成剪力機(jī)構(gòu),連桿的另一端與齒輪2焊接,兩齒輪與軸承座連接,通過螺釘7固定在支架5上,齒輪傳動保證了摩擦輪夾取的精度和穩(wěn)定性,渦輪蝸桿電機(jī)為齒輪提供動力。

圖2 調(diào)整機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖1.摩擦輪;2.齒輪;3.銷軸;4.渦輪蝸桿電機(jī);5.支架;6.連桿;7.螺釘

調(diào)整前,調(diào)整機(jī)構(gòu)的兩摩擦輪處于張開狀態(tài),張開角度在15°～45°之間可調(diào)整,調(diào)整機(jī)構(gòu)工作時(shí),電機(jī)驅(qū)動動齒輪組,通過連桿使摩擦輪將板胚夾住,當(dāng)板胚被夾住時(shí),電機(jī)帶動摩擦輪轉(zhuǎn)動,通過摩擦輪與板胚之間的摩擦力,對板胚的位置按照需求進(jìn)行調(diào)整。

3.2 抓取擺板機(jī)構(gòu)

為了能夠保證板胚能夠被抓取,且不破壞板胚的完整性,采用吸盤抓取,所設(shè)計(jì)的抓取擺板機(jī)構(gòu)如圖3所示。Z軸步進(jìn)電機(jī)2通過聯(lián)軸器1與Z軸滑軌6相連接,為板胚抓取提供動力,滑塊4固定在同步帶3上,滑塊和Z軸滑軌通過同步帶實(shí)現(xiàn)動力傳動,固定桿通過螺絲5固定在滑塊上,吸盤架10與固定桿7通過連接扣9連接,吸盤11選用30 mm口徑,安裝在吸盤架上。

工作時(shí),Z軸步進(jìn)電機(jī)先反轉(zhuǎn),使吸盤組上升回零,然后,等待PLC發(fā)送抓取指令,當(dāng)收到抓取指令時(shí),電機(jī)正轉(zhuǎn),抓取機(jī)構(gòu)沿Z軸正方向移動到取料位進(jìn)行板胚抓取,抓取時(shí),真空發(fā)生器8打開,吸盤產(chǎn)生負(fù)壓,對板胚進(jìn)行抓取,抓取結(jié)束之后,抓取機(jī)構(gòu)沿Z軸反方向移動回零,然后,Y軸步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)驅(qū)動抓取擺板機(jī)構(gòu)使其到達(dá)鋪設(shè)位進(jìn)行板子鋪設(shè)。

4 車間擺板試驗(yàn)

為了進(jìn)一步確定機(jī)器的鋪板效果是否能夠滿足鋪板需求,于2023年6月份在本公司車間進(jìn)行鋪板實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)場地生產(chǎn)流水線長度20 m,寬度1.3 m,速度為100 mm/s, 鋪板機(jī)流水線速度為150 mm/s,選取100張650 mm×970 mm,厚2 mm,無破損,同一批由旋木機(jī)旋出的楊木板胚進(jìn)行鋪設(shè)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)由一名熟練的師傅與機(jī)器進(jìn)行鋪板比賽,各鋪50張板胚,10張一組,分為5組,試驗(yàn)過程中記錄鋪板5組所用的時(shí)間、單板拼接間距D>10 mm的個數(shù),人工用時(shí)與機(jī)器用時(shí)統(tǒng)計(jì)表如表1和表2所示。

表1 人工用時(shí)統(tǒng)計(jì)表

表2 機(jī)器用時(shí)統(tǒng)計(jì)表

由結(jié)果可以看出,在進(jìn)行5組50次鋪板實(shí)驗(yàn)中,可以看出,人工鋪板總用時(shí)為1 306 s,單板鋪設(shè)用時(shí)為26.12 s,而機(jī)器鋪板總用時(shí)為905 s,單板鋪設(shè)用時(shí)為18.1 s,機(jī)器鋪板時(shí)間遠(yuǎn)低于人工所用時(shí)間,此外,在50次鋪設(shè)中,人工鋪板不合格數(shù)為4張,而機(jī)器不合格數(shù)為1張,機(jī)器鋪板合格率遠(yuǎn)高于人工,而機(jī)器出現(xiàn)不合格張數(shù)的原因主要是因?yàn)榘迮弑砻嬗心拘?導(dǎo)致吸盤在抓取時(shí)出現(xiàn)抓取不牢的情況,此種情況,在后續(xù)的設(shè)備中通過增加滾刷機(jī)構(gòu),對木胚表面進(jìn)行滾刷,去除木屑,從而使設(shè)備鋪板合格率再次提升。綜上所述,本文所研制的木材自動鋪板機(jī)能滿足該廠實(shí)際生產(chǎn)要求,能夠解決當(dāng)前所存在的招工難、熟練工難留住、自動化程度低的問題。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)、制造的鋪板機(jī)能實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動化鋪板操作。與人工鋪板進(jìn)行試驗(yàn)對比,該鋪板機(jī)不僅實(shí)現(xiàn)了木材自動鋪板機(jī)設(shè)計(jì)基本要求,而且鋪板效率和合格率都高于人工鋪板,解決了該廠所面臨主要問題。同時(shí),也為小微多層實(shí)木板加工企業(yè)相關(guān)設(shè)備的研制提供了一種新思路。