一种木段自动定心机的设计

李志珑， 孙治博， 李 黎*

(1.北京林业大学材料科学与技术学院，北京100083；2.北京航空航天大学工程训练中心，北京 100191)

研究与设计

一种木段自动定心机的设计

李志珑1， 孙治博2， 李 黎1*

(1.北京林业大学材料科学与技术学院，北京100083；2.北京航空航天大学工程训练中心，北京 100191)

开发设计的木段自动定心机主要用于木段的夹持旋转，为激光扫描获取木段最佳中心做准备。在充分了解国内胶合板生产中杨木单板旋切加工现状的基础上，确定了木段自动定心机构的技术参数，进行了主要部件的结构设计，采用SolidWorks完成了三维建模，通过ADAMS和SolidWorks/Simulation对木段自动定心机进行了动力学仿真及校核。

木段定心；仿真技术；三维建模；设计

原木定心技术在国内外木材加工生产中应用广泛，如双联带锯机、削片制材联合机和剥皮机等设备都运用了原木定心原理。目前，芬兰Raute公司生产的被誉为世界上最先进的计算机控制木段定心机，可使整幅单板比例增加5%～15%，单板利用率增加2%～15%[1-2]，碎单板减少20%～50%，经济效益提高6%[3]。定心精度对小径级原木的影响更大，在相同偏心的情况下，原木径级越小，窄长单板数量越多。由定心技术差异导致的定心位置不准确，不但浪费了质量较好的边材单板，而且加大了生产过程中单板干燥、胶拼的工作量，直接增加了胶耗和时耗。在木材加工中，原木精确定心对节约木材、提高产品质量、降低成本、增加经济效益等均具有重要意义[4-5]。

国内的定心方法及定心设备的精度较低，难以准确定心，浪费原料。国外的定心技术设备虽然已经非常成熟，但造价过高，不适用于国内中小型木材加工企业。尽快研制开发适用于我国的木段定心机非常必要，本文主要对适应我国杨树的木段定心机构进行设计研究。

1 木段自动定心机的参数设计

目前，国内单板生产采用的树种主要为速生材杨木，本设计主要以杨木木段为实验对象，结合杨树的生长尺寸，确定本木段自动定心机的主要技术参数，见表1。

表1 木段自动定心机主要技术参数

参数名称数 值木段直径/mm160～400木段长度/m2.2～2.5半径检测精度/mm±1定心周期(举木、试转、调整)/s3举木器速度/mm·s-1200卡盘沿X轴运动范围/mm200卡盘沿Y轴运动范围/mm200卡盘沿X轴运动速度/mm·s-140卡盘沿Y轴运动速度/mm·s-140转轴转速/r·s-12卡盘行程/mm250

1.1 木段质量估算

根据表1中的技术参数，木段直径D的范围为0.16～0.40 m，木段长度L的范围为2.2～2.5 m，依据体积计算公式可得定心木段的最大体积为：

vmax=πR2·L=0.314(m3)

(1)

式中：R为木段的半径(R=D/2)。所定心的木段为人工林杨树木段，人工林杨树的密度与很多因素有关，包括生长地域、施肥情况、木段的径级等，即使同一棵杨树的不同位置其密度也有所不同。王嘉楠[6]的研究表明，I-69人工林杨树的基本密度为0.378 g/cm3，其所分析的杨树密度在0.3～0.5 g/cm3之间，在旋切单板过程中大多采用鲜杨树(含水量大)，所以在计算过程中一般估算杨树的密度为0.7 g/cm3，根据质量计算公式可得定心杨树段的最大质量为：

m=ρ·v

(2)

经计算可得到每段杨树的质量大约为220 kg。调查结果显示，实际生产加工中木段的质量均小于计算出的理论结果，所以按照理论计算木段质量设计的定心机在承重方面完全可以满足实际要求。

1.2 木段自动定心机设计方案

木段自动定心装置主要包括卡盘卡轴平面定心和卡盘卡轴进给旋转两大机构，如图1所示。卡盘卡轴进给旋转机构的主要作用是实现卡盘卡轴的伸缩抓取木段以及卡盘卡轴带动原木的旋转，保证木段的扫描定心计算工作；而卡盘卡轴平面定心机构的主要作用是木段定心计算完成后，通过该装置使卡盘卡轴平移，使木段的中心与理论计算得出的最优中心在坐标上保持一致。

图1 木段自动定心装置

卡盘卡轴平面定心机构包括X轴及Y轴定心机构，卡盘卡轴进给旋转机构主要包括卡盘卡轴进给机构和卡盘卡轴旋切机构。本设计以技术参数要求为设计准则，以低成本、高精度为设计目标，采用伺服电机为主要动力源来完成以上动作。

1.3 卡盘卡轴进给旋切机构设计方案

图2所示为所设计的卡盘卡轴进给旋转机构，该机构主要由11个部件组成，其中卡盘、卡盘卡轴为作业装置，联轴器、齿轮减速器、旋转电机均串联连接在卡盘卡轴上，为卡盘卡轴的旋转提供动力。

图2 卡盘卡轴进给旋转机构

卡盘卡轴定位板的主要作用有两个，一是承载卡盘卡轴的作业旋转装置，二是实现轴承座总成、导轨滑块、减速器及丝杠螺母之间的连接。进给导轨、进给丝杠及进给电机为卡盘卡轴提供进给动力及进给轨道。

1.4 卡盘卡轴平面定心机构设计方案

图3所示为卡盘卡轴平面定心机构的总设计图。卡盘的平面定心机构主要由横向定心机构和纵向定心机构两部分组成，其中纵向定心机构为双电机丝杠导轨并联驱动，主要包括纵向驱动电机、纵向丝杠导轨及导轨滑块；横向定心机构为单电机驱动的丝杠导轨装置，其主体搭载到纵向丝杠导轨的连接板上，主要包括横向驱动电机、横向丝杠导轨及导轨滑块。卡盘卡轴进给旋转装置搭载到横向导轨滑块的连接板上，整个系统通过连接法兰板与模板旋切机的框架连接。

图3 卡盘卡轴平面定心机构总设计图

2 三维建模和运动仿真

2.1 木段定心机卡盘卡轴三维建模

根据设计参数，在SolidWorks环境下对卡盘卡轴进行虚拟样机建模，如图4所示。卡盘与卡盘卡轴均采用Q345低碳合金钢制造，卡盘宽度为0.15 m，所设计的卡盘在与木段接触面上安装有抓钉，抓钉呈双层曲线分布，由于卡盘本身承受扭矩，曲线分布可使抓钉分布更加广泛，有利于承受更大的扭矩。该卡盘设计可以适用于径级0.16～0.4 m的木段抓取，卡盘与卡盘卡轴之间采用M10的螺柱连接，卡盘卡轴的长度为0.88 m，卡盘卡轴的另一端设计为变径轴，方便通过联轴器与减速器的输出轴连接，卡盘与卡盘卡轴总长度为0.91 mm。在固定卡盘的轴承选择方面，为了可单独承受轴向载荷或可同时承受径向及轴向载荷，满足在较高转速下正常工作，选择内径为0.05 m的70000C型角接触球轴承，其基本额定动载荷比为1.0～1.3，极限转速较高。该轴承的特点是能同时承受轴向及径向载荷，并可在高速下使用[7-8]。

图4 卡盘卡轴虚拟样机

2.2 基于ADAMS的动力学仿真

将所设计的卡盘卡轴结构虚拟样机模型保存成Parasolid格式，并导入至Adams软件内，在Adams环境下进行木段自动定心机构的旋转动态仿真，如图5所示。其中木段与卡盘的偏心距离在横轴与纵轴两个方向均为0.01 m，卡盘卡轴的初始抓木方向为正上方，设定卡盘卡轴的材料为Steel，设定木段的密度为0.7×103kg/m3、卡盘卡轴的转速为720°/s、仿真时间为0.5 s，仿真结果如图如6所示。

图5 木段自动定心机构旋转动态仿真

仿真得到卡盘抓木扭矩曲线图及卡盘抓木力变化曲线图，通过对仿真结果的分析可得到卡盘的抓力变化范围为833～1 323 N，在0.07 s时卡盘抓木力达到最大，其中水平抓力的变化范围为-245～245 N之间，分别发生在0.19 s和0.45 s时，竖直抓力的变化规律与范围和抓力总值相一致，证明在抓木过程中以卡盘卡轴的竖直方向受力为主导。抓木扭矩的变化范围为5～88 N·m，最大值产生在卡盘旋转0.13 s时。将仿真结果与计算结果进行对比，计算得出的最大抓取力为1 171 N，仿真得到的数据为1 323 N，产生误差的原因是卡盘与木段由于偏心转动产生离心力，仿真数据比计算数据更加准确。仿真得到的最大扭矩88 N·m小于计算得到的最大扭矩113 N·m，主要原因是计算过程中将卡盘与木段的接触作为单点接触，而实际过程中卡盘与木段的接触应为多点接触，木段重力产生的扭矩有一定程度的减小，仿真数据相对准确，但在电机选型及减速器选型过程中还是应该参考计算得到的结果。

图6 卡盘抓木扭短及抓木力曲线

2.3 基于SolidWorks/Simulation的有限元校核

卡盘卡轴的强度与刚度是否合适取决于最大抓取力下卡盘卡轴的应力与变形，所以选取0.07 s下的状态作为卡盘卡轴的校核状态，此时抓力为1 323 N，方向竖直向下，扭矩为70 N·m，与卡盘转动方向相同，卡盘与水平面的倾角为40°，将该模型导入SolidWorks/simulation模块中进行有限元分析。

卡盘卡轴的材料为Q345低碳合金钢板，材料密度P=7.85×103kg/m3，弹性模量E=210 GPa，泊松比为μ=0.33。网络单元类型定义为抛物线四面实体单元，共划分121 019个单元，节点数为189 712，划分网格后的有限元模型如图7所示。为了进行卡盘卡轴的有限元分析，必须引入对卡盘卡轴的约束条件，定义重力方向，在卡盘上施加相应的力及扭矩，将卡盘处于最下端的模型导入到SolidWorks/simulation环境下，此时卡盘受力为948 N，卡盘受到的扭矩为23 N·m，卡盘仿真分析结果如图8所示。通过图8可以看出，最大应力为56.9 MPa，最大形变量为0.428 mm，有限元仿真分析结果证明了卡盘卡轴设计的合理性。

图7 卡盘卡轴有限元仿真

图8 卡盘仿真分析结果

3 小结

从设计要求出发，确定了木段自动定心机的技术参数并进行了主要部件的结构设计，完成了三维建模，通过ADAMS动力学分析软件、SolidWorks/Simulation虚拟样机建模及有限元分析软件对定心主要部件卡盘卡轴进行了强度和刚度校核。结果表明，机构设计符合要求，可为以后的虚拟样机建模提供理论依据。

[1] 丁莹，刘渝.木段端面摄像定心机研究与应用[J].林业实用技术，2013(4)：56-57.

[2] 丁莹，张红梅，刘渝.摄像法木段电脑定心研究[J].林业实用技术，2013(1)：62-63.

[3] Raute Company.Computerized Block Centering Products Samples[R]，1994.

[4] 马岩.原木形状分段描述方法的数学描述理论研究[J].生物数学学报，2006，21(3)：435-440.

[5] 袁旭，任洪娥，董本志.原木模型理论的发展[J].木材加工机械，2005(6)：25-27.

[6] 王嘉楠.人工林杨树木材性质及其编译规律的研究[D].合肥：安徽农业大学，2002.

[7] 姜树海，陆怀民，马岩.旋切智能定心上木机器人定心坐标求取的数学描述与试验[J].森林工程，2012，28(6)：28-31.

[8] 濮良贵.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2006.

(责任编辑 张雅芳)

Design of Automatic Wood Block Centering Equipment

LI Zhi-long1， SUN Zhi-bo2， LI li1*

(1.College of Material Science and Technology，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China；2.Engineering Training Center，Beihang University，Beijing 100191，China)

The developed and designed automatic wood block centering equipment is mainly used for clamping and rotation of wood block to make preparations for obtaining the optimum wood block center by means of laser scanning.Based on full understanding of the current veneer lathe cutting processing situation in domestic plywood production，the technical parameters of automatic wood block centering equipment are determined，the structure of main components designed，SolidWorks used to complete 3D modeling and Dynamic simulation and verification of the automatic wood block centering equipment conducted using DAMS and SolidWorks/Simulation.

wood block centering；simulation technology；3D modeling；design

2016-11-11

中央高校基本科研业务费专项基金项目(BLX2015-19)

李志珑(1988-)，女，山西大同人，硕士研究生，主要研究方向为木工机械，E-mail：15120091959@163.com。

*通讯作者：李 黎(1963-)，男，河北栾平人，教授，博士，研究方向为木工机械与自动化。

TS642

A

2095-2953(2017)02-0028-04