木衣架整體式加工中心的研制與仿真研究

　謝國(guó)進(jìn)，黃光永，諶炎輝

（廣西科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西柳州545006）

綠色裝備技術(shù)

木衣架整體式加工中心的研制與仿真研究

謝國(guó)進(jìn)，黃光永，諶炎輝

（廣西科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西柳州545006）

木衣架行業(yè)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占的比重比較小，但是在廣西地區(qū)所占的經(jīng)濟(jì)比重卻是不可忽視，僅廣西地區(qū)的木衣架加工企業(yè)擁有的木衣架的加工生產(chǎn)線多達(dá)1000多條。傳統(tǒng)的木衣架加工過(guò)程中，木衣架生產(chǎn)效率低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)中時(shí)常伴隨著危險(xiǎn)性。針對(duì)這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款經(jīng)濟(jì)實(shí)用的木衣架整體加工中心，提高了木衣架加工的自動(dòng)化水平，通過(guò)采用ADAMS仿真軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，驗(yàn)證了該加工中心設(shè)計(jì)的合理性。

木衣架整體式架加工中心；ADAMS；運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

木衣架行業(yè)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的占的比重比較小，但是在廣西地區(qū)所占的經(jīng)濟(jì)比重卻是不可忽視［1］。僅僅廣西地區(qū)的木衣架加工企業(yè)擁有的木衣架的加工生產(chǎn)線多達(dá)1 000多條，其中在廣西荔浦縣，木衣架生產(chǎn)廠家達(dá)到150家，年產(chǎn)各類(lèi)木衣架達(dá)到20億只，被稱(chēng)為“中國(guó)木衣架基地”。現(xiàn)在，該縣的90%以上的木衣架都出口到了國(guó)際市場(chǎng)，在中國(guó)出口的木衣架中，每?jī)蓚€(gè)就有一個(gè)出自于荔浦地區(qū)［2-4］。目前，木衣架的生產(chǎn)加工面臨的問(wèn)題是加工設(shè)備自動(dòng)化程度低，需要工人數(shù)目比較多，加工成本很高，再加上在加工過(guò)程中，存在一些安全問(wèn)題，這些因素都嚴(yán)重地制約了廣西地區(qū)的木衣架行業(yè)的發(fā)展。

針對(duì)這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款經(jīng)濟(jì)實(shí)用的木衣架整體加工中心，提高了木衣架加工的自動(dòng)化水平，有效降低了生產(chǎn)成本和減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

1　木衣架整體式加工中心總體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1總體結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的木衣架加工工序?yàn)椋糊R邊—打榫—畫(huà)線—鋸彎—齊尾—仿形［5］，本文對(duì)加工工序進(jìn)行分析，構(gòu)思出木衣架整體式加工中心的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)而設(shè)計(jì)出木衣架整體式加工中心。木衣架整體式加工中心主要由機(jī)架、衣架坯料輸送系統(tǒng)、雙頭開(kāi)榫系統(tǒng)、木衣架切割分片系統(tǒng)等組成，如圖1、圖2所示。設(shè)計(jì)要求為：傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的額定功率1.5 kW，轉(zhuǎn)速2 840 r/s；開(kāi)榫用電機(jī)的額定功率為2.2 kW，2 840 r/s；鋸切分片用的電機(jī)額定功率為0.75 kW，額定轉(zhuǎn)速為2 830 r/s；齊尾鋸片電機(jī)額定功率為：0.8 kW，10 000 r/min，加工的木衣架坯料的速度為30個(gè)/min.

圖1　木衣架整體式加工中心立面結(jié)構(gòu)圖

圖2　木衣架整體式加工中心俯視結(jié)構(gòu)圖

1.2工作原理

木衣架整體式加工中心的加工原理為：先在進(jìn)料口放入板料，電機(jī)開(kāi)動(dòng)，經(jīng)過(guò)帶傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞到減速器中，經(jīng)過(guò)減速輸出動(dòng)力，繼而帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。滑塊2推著木衣架板料沿著導(dǎo)軌，進(jìn)行進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，通過(guò)榫槽刀，進(jìn)行打榫工序，然后打完榫的板料由滑塊1推入。上刀架下降進(jìn)行加工，同時(shí)下刀架下降到機(jī)架面板以下，避免刀具相碰發(fā)生干涉，上刀架加工完成之后上升，離開(kāi)坯料表面后，下刀架上升進(jìn)行加工。加工完成的板料由后面待加工的板料推出，完成一個(gè)整個(gè)加工周期。

2　木衣架整體式加工中心結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)

2.1鋸切運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)

由于木衣架整體式加工中心的鋸切運(yùn)動(dòng)主要是由上下兩個(gè)刀架的運(yùn)動(dòng)來(lái)完成，為了滿足這種運(yùn)動(dòng)方式，并且使上、下刀架的運(yùn)動(dòng)具有一定的規(guī)律，所以考慮采用了兩個(gè)偏置滾子直動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)來(lái)控制上、下刀架的運(yùn)動(dòng)，如圖3所示。

圖3　上、下刀架的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)示意圖

對(duì)于偏置滾子凸輪，為了減少在運(yùn)動(dòng)過(guò)程的剛性沖擊和柔性沖擊。所以對(duì)于上刀架，正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律［6］。通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算，控制下刀架的凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)為：基圓半徑50 mm，偏移距離為20 mm，滾子半徑為20 mm推程角為80°，遠(yuǎn)休止角為220°，回程角為60°；控制下刀架的凸輪機(jī)構(gòu)的參數(shù)為：基圓半徑為130 mm，偏距為20 mm，滾子半徑為20 mm，推程角為80°，遠(yuǎn)休止角為220°，回程角為60°.

2.2進(jìn)料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)由鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演變而來(lái)，通常將曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滑塊的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，或者將滑塊的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)［7］。由于在一個(gè)加工周期內(nèi)，凸輪機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中有140°的轉(zhuǎn)角為加工角度，由220°為非加工角度。曲柄和凸輪機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度相等，所以為了讓曲柄滑塊機(jī)構(gòu)具有急回特性以提高效率，可以算出曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的行程速比系數(shù)為：k=1.57.如圖4中滑塊3的行程為400mm，所以經(jīng)過(guò)計(jì)算得出曲柄滑塊的設(shè)計(jì)為：極位夾角θ=34°，搖桿r=160 mm，偏心距e=235 mm，動(dòng)臂L=440 mm，最大壓力角λmax=26.14°.

圖4　曲柄滑塊機(jī)構(gòu)示意圖

3　木衣架整體式加工中心的仿真

在UG7.5中建立好木衣架整體式加工中心的整體裝配模型，以parasolid格式導(dǎo)出，導(dǎo)出的格式為x_t，然后導(dǎo)入到ADAMS中，為了減少運(yùn)算量需要首先進(jìn)行布爾操作和添加約束［8-9］。

在添加凸輪副的時(shí)候，可以采用兩種方式：第一種，直接建立凸輪副；第二種，以選擇用接觸的方式來(lái)限制滾子和凸輪之間位置關(guān)系，第二種采用直接建立凸輪副。對(duì)于第一種方式來(lái)建立，由于接觸之間的參數(shù)較難獲得，所以最后獲得的位移曲線、速度曲線、加速度曲線會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則的跳動(dòng)。所以采用第二種方式，建立凸輪副，但是由于凸輪的輪廓線在ADAMS里面是分段的，而仿真的時(shí)候需要沒(méi)有斷點(diǎn)的完整的輪廓曲線。所以采取的方式是，將UG中建立好的模型導(dǎo)入到proE中，繪制出凸輪的輪廓線，然后導(dǎo)出凸輪的輪廓線上的點(diǎn)，利用這些點(diǎn)，在ADAMS中繪制出凸輪的輪廓線，進(jìn)而建立凸輪副，如圖5建立的上、下刀架的凸輪機(jī)構(gòu)模型。

圖5　上、下刀架的凸輪機(jī)構(gòu)建模

木衣架整體式加工中心模型如圖6所示，由于設(shè)計(jì)的木衣架整體式加工中心的加工速度為2 s一個(gè)周期，所以設(shè)置的驅(qū)動(dòng)函數(shù)為180°/s.設(shè)置好驅(qū)動(dòng)函數(shù)之后就可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真了。將仿真時(shí)間設(shè)置為2s，仿真步數(shù)為500.

圖6　木衣架整體式加工中心建模

當(dāng)仿真運(yùn)算結(jié)束之后，ADAMS/solver對(duì)木衣架整體式加工中心的上刀架、下刀架、以及進(jìn)料滑塊的相對(duì)位移、速度、加速度進(jìn)行計(jì)算。將主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度設(shè)置為X軸，位移、速度、加速度的值設(shè)置為Y軸，利用ADAMS/Posterprocessor對(duì)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和比較，繪制出各個(gè)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)變化的曲線。

（1）木衣架整體式加工中心的上刀架運(yùn)動(dòng)的位移、速度、加速度隨著主軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度變化的曲線，如圖7所示。

圖7　上刀架運(yùn)動(dòng)的位移、速度、加速度隨著主軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度變化的曲線

（2）木衣架整體式加工中心的下刀架的位移、速度、加速度隨著主軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度變化的曲線，如圖8所示。

圖8　下刀架的位移、速度、加速度隨著主軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度變化的曲線

（3）木衣架整體是加工中心上、下刀架的位移運(yùn)動(dòng)曲線匯總。

上刀架、下刀架的位移、速度、以及加速度運(yùn)動(dòng)曲線相對(duì)比較光滑，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，速度加速度沒(méi)有出現(xiàn)突變，所以沒(méi)有剛性沖擊和柔性沖擊。由圖9可以看出，在一個(gè)周期內(nèi)，上、下刀架的運(yùn)動(dòng)無(wú)干涉，說(shuō)明上刀架和下刀架在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)撞刀現(xiàn)象。

圖9　上、下刀架的位移運(yùn)動(dòng)曲線匯總圖

4　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)廣西地區(qū)木衣架的生產(chǎn)進(jìn)行了解，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的木衣架生產(chǎn)存在的問(wèn)題是：生產(chǎn)效率低下，耗費(fèi)大量的人力物力以及在木衣架生產(chǎn)加工過(guò)程中存在一定的危險(xiǎn)，由此提出了研究的問(wèn)題和解決的方案，實(shí)現(xiàn)了木衣架整體式加工中心的整體機(jī)構(gòu)以及部分零部件的設(shè)計(jì)。并對(duì)木衣架整體式子加工中心進(jìn)行虛擬建模和裝配，將模型進(jìn)行簡(jiǎn)化后導(dǎo)入到ADAMS中進(jìn)行虛擬運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，得出上刀架、下刀架以及進(jìn)料的曲柄滑塊的運(yùn)動(dòng)曲線，驗(yàn)證了木衣架整體式加工中心設(shè)計(jì)的合理性。

［1］諶炎輝，胡義華，梁焱.木衣架加工自動(dòng)取料—喂料裝置設(shè)計(jì)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2012，34（3）：128-129.

［2］李利軍，廖曉珺，韋鑒.荔浦：“中國(guó)木衣架基地”在崛起［N］.中國(guó)工商報(bào)，2013-09-26A02.

［3］陳張.“衣架之都”是這樣煉成的［N］.桂林日?qǐng)?bào)，2010-11-26004.

［4］繆龍華.荔浦：全面提升縣域經(jīng)濟(jì)核心競(jìng)爭(zhēng)力［J］.廣西經(jīng)濟(jì)，2011，（4）：45-47.

［5］諶炎輝，胡義華.雙頭打榫機(jī)設(shè)計(jì)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2012，34（6）：145-146.

［6］孫桓，陳作模，機(jī)械原理［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［7］婁建國(guó).基于工作行程最佳傳動(dòng)性能的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)［J］.煤礦機(jī)械，2006，27（1）：15-17.

［8］王國(guó)強(qiáng)，張進(jìn)平，馬若丁.虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在ADAMS上的實(shí)踐［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002.

［9］陳德民，槐創(chuàng)鋒.精通ADAMS2005/2007虛擬樣機(jī)技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

The Developmentand Simulation of the Wood Hangers Monolithic Machining Center

XIE Guo-jin，HUANG Guang-yong，CHEN Yan-hui
（GuangxiUniversity of Science and Technology，Mechanical Engineering Institute，Liuzhou Guangxi545006，China）

Wooden hanger industry is in small part of national economy，but in Guangxi Province，the proportion is not to be ignored.Only in Guangxi Province，there are about 1000 production lines in the wooden hanger enterprises.In the process of the traditionalwooden hangermanufacture，the production efficiency is low，worker’s labor intensity is great，and sometimes the production is often accompanied with the danger.To solve these problems，this paper designed a economic and practical wooden hangers overall processing center，improve the automation level of the wood hangers processing，by using the ADAMS simulation software of kinematics simulation，verify the rationality of the design of themachining center.

wood hangersmonolithic machining center；ADAMS；kinematics simulation

TH122

A

1672-545X（2016）06-0157-03

2016-03-12

廣西教育廳重點(diǎn)資助項(xiàng)目（編號(hào)：No.ZD2014074）；廣西科技大學(xué)博士基金項(xiàng)目（編號(hào)：校科博13Z13）

謝國(guó)進(jìn)（1980-），男，湖南邵陽(yáng)人，工學(xué)碩士，工程師，主要研究方向：機(jī)電一體化。