家具板材封邊生產線的轉向機構研究設計

馬 巖，孫沛雨，任洪娥

(東北林業大學 林業與木工機械工程技術中心，哈爾濱 150040)

中國家具協會公布的數據顯示，2010年家具行業已經成功躍居中國制造行業前四位，僅次于食品、服裝、家電三個行業[1]。其中板式家具占據了相當高的比重。伴隨現代生活的不斷發展和生活水平的提高，人們對于板式家具的質量也在不斷的提高[2]，在板式家具的生產中，封邊是非常重要也是使用最頻繁的一個環節，同時也是產品質量問題最多的工序[3]。判斷一件板式家具的質量如何，最先也最容易看到的就是封邊的質量，所以對板材封邊生產線進行優化，會給企業帶來經濟效益上和市場的競爭力顯著提高的[4]。

一條完整的封邊機生產線的基本構成分別是進料系統、封邊機、輥臺、皮帶運輸設備以及出料系統。家具板材封邊生產線采用4臺封邊機矩形布置的方式，加工板材的加工線路成“口”字型，與傳統家具板材封邊生產線相比較，一次完整的加工線路便可完成對板材的4個邊加工，減少操作人員并且縮短了生產周期，提高了生產效率；與雙端封邊機相比較沒有高平行精度和調機困難的問題，可以很好地保證成品率[5]。為此條生產線設計縱橫向皮帶運輸機構，為加工板材的直角運輸提供穩定動力。

1 4臺封邊機生產線整體布局

4臺封邊機生產線將4臺直線封邊機進行矩形布置，組成4面環繞式的封邊機生產線。

需要4個無動力輥臺進行加工板材的運輸，3個轉向機構完成加工板材的直角運輸，進料臺和出料臺用來放入和取走加工板材。

每臺封邊機前面，布置一個無動力輥臺，用封邊機封邊時所提供的速度，運送加工板材，在矩形的3個拐點布置3個轉向機構，將加工板材運輸線路旋轉90°，進行直角運輸，送到無動力輥臺上對臨近的一條未加工邊進行封邊。將進料臺與出料臺布置在第4個拐點，板材由進料臺進入生產線，通過無動力輥臺進行第一條邊加工，加工后輸送到轉向機構上，通過轉向機構來到第二條無動力輥臺上進行封邊加工，如此反復4次，完成一次完整的生產線加工，4臺封邊機分別對板材的4邊進行封邊加工處理，經過一個完整的矩形運輸線路加工從出料臺送出。如圖1所示：

圖1 4臺封邊機生產線簡圖

用多臺直線封邊機的方式來組成和布置生產線，具有很好的靈活性，成本低，對于組成整體生產線的零配件要求也很靈活，組成起來方便簡單，沒有苛刻的要求。數控封邊機生產線將封邊機用串聯的方式布置，一個循環即可完成板材的4邊封邊，一次性成型，快速方便并且可以進行連續的生產，提高了設備的利用率和生產效率。

2 轉向機構的整體結構設計

轉向機構結構如圖3所示。

轉向機構由兩部分組成，分別是圖2(a)中的多條皮帶運輸機和(b)中的縱橫向皮帶運輸機。

多條皮帶運輸機的底座機架支撐著上面的小皮帶運輸機構1，小皮帶運輸機構共有13個，在支架上均勻分布，所有的小皮帶運輸機構1由一根傳動軸連接在一起，如圖3所示，傳動軸上布置一個齒輪，在支架的下梁位置，也布置了一個齒輪10，兩個齒輪用V帶進行連接。

1.小皮帶運輸機構；2.輥筒；3.大皮帶運輸機構；4.電機；5.迷你氣缸；6.鋁型材；7.齒輪；8.支架；9.齒輪

圖3 傳動軸連接

縱橫向皮帶運輸機的支架下梁上，布置了4條鋁型材6，如圖2(b)所示，4條鋁型材前后平行，左右平行，與支架的下梁和鋁型材上方對應的大皮帶運輸機構3相連接。在支架下梁上，安置一個迷你氣缸5，與靠視圖側下梁成60°，上方與前面，靠視圖方向的鋁型材垂直接觸，如圖4所示。遠離視圖側下梁上布置一個電機4和一個齒輪7，二者用V帶連接。支架的上面支撐著大皮帶運輸機構3和輥筒2，大皮帶運輸機構和輥筒依次接連布置，如圖5所示，大皮帶運輸機構3的水平高度低于輥筒2。大皮帶運輸機構3由一根傳動軸全部相連，傳動軸上布置一個齒輪，與下梁上的電機4用V帶連接。縱橫向皮帶運輸機下梁上的齒輪7與多條皮帶運輸機下梁上的齒輪10用V帶連接。

圖4 氣缸位置

圖5 皮帶運輸機構與輥筒

3 轉向機構工作原理

如圖2所示，加工板材的運動路線由右向左進行運輸再向上運輸，既先通過縱橫向皮帶運輸機再通過多條皮帶運輸機。

板材在封邊機加工完成后，依靠封邊機加工時給予的速度，通過輥筒2作橫向運動，因為大皮帶運輸機構3水平高度低于輥筒2，所以不會發生干涉問題，位于機器的最左邊有限位裝置。加工板材在最左邊后停止運動后，此時氣缸5頂起鋁型材6，鋁型材6支起大皮帶運輸機構3，使其與多條皮帶運輸機上的小皮帶運輸機構1成水平。板材通過兩個皮帶運輸機構到達下臺封邊機的位置，進行另一條邊的加工。

整個轉向機構的動力來源有2個，分別是縱橫向皮帶運輸機下梁上布置的電機和迷你氣缸。電機與布置在大皮帶運輸機構3傳動軸上的齒輪用V帶連接，為縱橫向皮帶運輸機提供動力，與布置在縱橫向皮帶運輸機下梁上的齒輪7用V帶連接，齒輪7與多條皮帶運輸機下梁上的齒輪10連接，最后齒輪10與小皮帶運輸機構1傳動軸上的齒輪連接，為多條皮帶運輸機提供動力，使加工板材可以連續運輸。迷你氣缸5通過鋁型材6將大皮帶運輸機構3頂起，完成加工板材的運輸。

4 轉向機構運輸速度計算與驗核

通過加工板材在封邊機生產線上的運輸線路、加工板材之間的間距，對轉向機構運輸加工板材的運動速度進行計算，要確保板材之間不會發生碰撞問題，保證生產線生產過程的連續性和穩定性。

縱橫向皮帶運輸機長1 500 mm，加工板材的初始速度v1為封邊機加工時的速度，18 m/M，所需時間t1為縱橫向皮帶運輸機長/v1，求出t1為5 s。

電機選用YPT280M-8電機，轉速750 r/M。電機裝有PXD085減速器，i=5，實際角速度。n1=5πr/s，電機上的齒輪半徑d1=70 mm，大皮帶傳輸機構傳動軸上的齒輪半徑d2=70 mm。根據從動輪轉速公式：

(1)

滑動率：

(2)

V帶傳動的滑動率其值甚微，在此不予考慮，ω=2πn，設傳動損失為80%，求出大皮帶傳輸機構加速度ω1=4πr/s≈12.6r/s，線速度v2=ω1r2=12.6×35=441 mm/s。大皮帶傳輸機構長度為1 200 mm，所需時間t2=1 550/v2≈2.7 s。

加工板材在轉角機構上的運輸時間t=t1+t2=7.7 s，通過對運輸速度的計算結果得出，轉向機構能夠快速穩定的完成加工板材的直角運輸，達到設計目的。

5 基于ADAMS軟件對氣缸的受力分析

ADAMS是虛擬樣機分析的應用軟件，創建完全參數化的機械系統幾何模型，其求解器采用多剛體系統動力學理論中的拉格郎日方程方法，建立系統動力學方程，對虛擬機械系統進行靜力學，運動學和動力學分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線，ADAMS軟件的仿真可用于預測機械系統的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等，可以運用該軟件非常方便地對虛擬機械系統進行靜力學，運動學和動力學分析[6]。

如圖5所示，BC表示縱橫向皮帶運輸機的下梁，BC與大地相鎖。AB代表鋁型材，與BC鉸接。CD表示氣缸，與BC固定，滑動副DE表示活塞桿。氣缸的作用是頂起鋁型材，使鋁型材支起大皮帶輸送機構，鋁型材上大皮帶輸送機構的重力共1 130N，受力點簡化成A點。完成ADAMS建模后，在A點添加向下的重力，滑動副DE在1秒內行進100 mm，得出氣缸CD的受力分析。

圖5 ADMAS建模

圖6 ADMAS受力分析

如圖6所示，氣缸所承受的力由大逐漸變小，最大值為1 361.4N，最小值為1 342N，平均受力的值為1 351.6N。所以，選在1 500N的氣缸既能達到要求，又節省成本。通過ADAMS模型的受力分析顯示，對氣缸的受力有更直觀的了解，從而在優化設計中更好地處理整體結構，使其更加合理有效。

6 結束語

本文闡述了4臺封邊機生產線里轉向機構的結構設計，并通過ADAMS軟件對其進行了受力分析，為后續的優化設計工作提供了參考依據。

【參 考 文 獻】

[1] 顧加洲.單邊直線封邊機生產效率研究[D].南京：南京林業大學，2012.

[2] 王 軍.板式家具封邊質量控制研究[D].南京：南京林業大學，2009.

[3] 劉曉紅，高新和.封邊工序的工時測定[J].林產工業，2003，30(4)：45-48.

[4] 韓維生.板式家具生產系統現場工作研究[D].南京：南京林業大學.

[5] 馬 巖.國際金融危機中的米蘭展會新看點[J].木材加工機械，2010，21(4)：31-35.

[6] 宋文龍，楊 鑫，賈鶴鳴.采摘機械臂的滑模PID控制[J].森林工程，2013，29(2)：74-76.