家具板材封边生产线的转向机构研究设计

2014-08-23孙沛雨任洪娥

森林工程 2014年2期

马岩，孙沛雨，任洪娥

(东北林业大学林业与木工机械工程技术中心，哈尔滨 150040)

中国家具协会公布的数据显示，2010年家具行业已经成功跃居中国制造行业前四位，仅次于食品、服装、家电三个行业[1]。其中板式家具占据了相当高的比重。伴随现代生活的不断发展和生活水平的提高，人们对于板式家具的质量也在不断的提高[2]，在板式家具的生产中，封边是非常重要也是使用最频繁的一个环节，同时也是产品质量问题最多的工序[3]。判断一件板式家具的质量如何，最先也最容易看到的就是封边的质量，所以对板材封边生产线进行优化，会给企业带来经济效益上和市场的竞争力显著提高的[4]。

一条完整的封边机生产线的基本构成分别是进料系统、封边机、辊台、皮带运输设备以及出料系统。家具板材封边生产线采用4台封边机矩形布置的方式，加工板材的加工线路成“口”字型，与传统家具板材封边生产线相比较，一次完整的加工线路便可完成对板材的4个边加工，减少操作人员并且缩短了生产周期，提高了生产效率；与双端封边机相比较没有高平行精度和调机困难的问题，可以很好地保证成品率[5]。为此条生产线设计纵横向皮带运输机构，为加工板材的直角运输提供稳定动力。

1 4台封边机生产线整体布局

4台封边机生产线将4台直线封边机进行矩形布置，组成4面环绕式的封边机生产线。

需要4个无动力辊台进行加工板材的运输，3个转向机构完成加工板材的直角运输，进料台和出料台用来放入和取走加工板材。

每台封边机前面，布置一个无动力辊台，用封边机封边时所提供的速度，运送加工板材，在矩形的3个拐点布置3个转向机构，将加工板材运输线路旋转90°，进行直角运输，送到无动力辊台上对临近的一条未加工边进行封边。将进料台与出料台布置在第4个拐点，板材由进料台进入生产线，通过无动力辊台进行第一条边加工，加工后输送到转向机构上，通过转向机构来到第二条无动力辊台上进行封边加工，如此反复4次，完成一次完整的生产线加工，4台封边机分别对板材的4边进行封边加工处理，经过一个完整的矩形运输线路加工从出料台送出。如图1所示：

图1 4台封边机生产线简图

用多台直线封边机的方式来组成和布置生产线，具有很好的灵活性，成本低，对于组成整体生产线的零配件要求也很灵活，组成起来方便简单，没有苛刻的要求。数控封边机生产线将封边机用串联的方式布置，一个循环即可完成板材的4边封边，一次性成型，快速方便并且可以进行连续的生产，提高了设备的利用率和生产效率。

2 转向机构的整体结构设计

转向机构结构如图3所示。

转向机构由两部分组成，分别是图2(a)中的多条皮带运输机和(b)中的纵横向皮带运输机。

多条皮带运输机的底座机架支撑着上面的小皮带运输机构1，小皮带运输机构共有13个，在支架上均匀分布，所有的小皮带运输机构1由一根传动轴连接在一起，如图3所示，传动轴上布置一个齿轮，在支架的下梁位置，也布置了一个齿轮10，两个齿轮用V带进行连接。

1.小皮带运输机构；2.辊筒；3.大皮带运输机构；4.电机；5.迷你气缸；6.铝型材；7.齿轮；8.支架；9.齿轮

图3 传动轴连接

纵横向皮带运输机的支架下梁上，布置了4条铝型材6，如图2(b)所示，4条铝型材前后平行，左右平行，与支架的下梁和铝型材上方对应的大皮带运输机构3相连接。在支架下梁上，安置一个迷你气缸5，与靠视图侧下梁成60°，上方与前面，靠视图方向的铝型材垂直接触，如图4所示。远离视图侧下梁上布置一个电机4和一个齿轮7，二者用V带连接。支架的上面支撑着大皮带运输机构3和辊筒2，大皮带运输机构和辊筒依次接连布置，如图5所示，大皮带运输机构3的水平高度低于辊筒2。大皮带运输机构3由一根传动轴全部相连，传动轴上布置一个齿轮，与下梁上的电机4用V带连接。纵横向皮带运输机下梁上的齿轮7与多条皮带运输机下梁上的齿轮10用V带连接。

图4 气缸位置

图5 皮带运输机构与辊筒

3 转向机构工作原理

如图2所示，加工板材的运动路线由右向左进行运输再向上运输，既先通过纵横向皮带运输机再通过多条皮带运输机。

板材在封边机加工完成后，依靠封边机加工时给予的速度，通过辊筒2作横向运动，因为大皮带运输机构3水平高度低于辊筒2，所以不会发生干涉问题，位于机器的最左边有限位装置。加工板材在最左边后停止运动后，此时气缸5顶起铝型材6，铝型材6支起大皮带运输机构3，使其与多条皮带运输机上的小皮带运输机构1成水平。板材通过两个皮带运输机构到达下台封边机的位置，进行另一条边的加工。

整个转向机构的动力来源有2个，分别是纵横向皮带运输机下梁上布置的电机和迷你气缸。电机与布置在大皮带运输机构3传动轴上的齿轮用V带连接，为纵横向皮带运输机提供动力，与布置在纵横向皮带运输机下梁上的齿轮7用V带连接，齿轮7与多条皮带运输机下梁上的齿轮10连接，最后齿轮10与小皮带运输机构1传动轴上的齿轮连接，为多条皮带运输机提供动力，使加工板材可以连续运输。迷你气缸5通过铝型材6将大皮带运输机构3顶起，完成加工板材的运输。

4 转向机构运输速度计算与验核

通过加工板材在封边机生产线上的运输线路、加工板材之间的间距，对转向机构运输加工板材的运动速度进行计算，要确保板材之间不会发生碰撞问题，保证生产线生产过程的连续性和稳定性。

纵横向皮带运输机长1 500 mm，加工板材的初始速度v1为封边机加工时的速度，18 m/M，所需时间t1为纵横向皮带运输机长/v1，求出t1为5 s。

电机选用YPT280M-8电机，转速750 r/M。电机装有PXD085减速器，i=5，实际角速度。n1=5πr/s，电机上的齿轮半径d1=70 mm，大皮带传输机构传动轴上的齿轮半径d2=70 mm。根据从动轮转速公式：

(1)

滑动率：

(2)

V带传动的滑动率其值甚微，在此不予考虑，ω=2πn，设传动损失为80%，求出大皮带传输机构加速度ω1=4πr/s≈12.6r/s，线速度v2=ω1r2=12.6×35=441 mm/s。大皮带传输机构长度为1 200 mm，所需时间t2=1 550/v2≈2.7 s。

加工板材在转角机构上的运输时间t=t1+t2=7.7 s，通过对运输速度的计算结果得出，转向机构能够快速稳定的完成加工板材的直角运输，达到设计目的。

5 基于ADAMS软件对气缸的受力分析

ADAMS是虚拟样机分析的应用软件，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学，运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线，ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等，可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学，运动学和动力学分析[6]。

如图5所示，BC表示纵横向皮带运输机的下梁，BC与大地相锁。AB代表铝型材，与BC铰接。CD表示气缸，与BC固定，滑动副DE表示活塞杆。气缸的作用是顶起铝型材，使铝型材支起大皮带输送机构，铝型材上大皮带输送机构的重力共1 130N，受力点简化成A点。完成ADAMS建模后，在A点添加向下的重力，滑动副DE在1秒内行进100 mm，得出气缸CD的受力分析。