竹子自動定長截斷機的設計與運動協調分析

張素梅，劉偲，吳小蓮，陳宗霖，黃曉東，林金國*

(1. 福建農林大學材料工程學院，福州 350002；2. 福建農林大學土木與交通工程學院，福州 350002)

將竹子截斷后的竹筒經剖分成竹片或展平及后續工序加工制成的竹平板[1-4]，可直接用于加工板材家具、竹地板、砧板、各種工藝品等。竹材利用率高，產品保持了天然竹材的特性，色澤美觀、自然，深受加工企業歡迎和廣大消費者的青睞。竹子定長截斷是制作竹筒的關鍵工序，目前涉及竹子定長截斷機械裝置的研究較多，主要是采用氣動夾緊、輥筒輸送、帶式輸送及其他夾緊輸送裝置[5-9]，在具備氣源的場合下使用氣動夾緊較為方便，無氣源時無法使用。實際生產中較多廠家采用人工搬運、手工夾持竹子再進行手工截斷，勞動強度大、效率低。本研究目的是將竹子的儲放排列、輸送進料、長度調節、夾緊和截斷出料各單元組合在一起，實現竹子的連續輸送進料、夾緊、定長截斷和分級出料一系列加工，完成對竹子定長截段的自動化加工，以提高工作效率，降低勞動強度和人工成本。

1 竹子自動定長截斷機的結構設計

為實現將儲放架上的竹子逐根進行連續輸送進料、夾緊、定長截斷成竹筒再分級出料的自動化加工，改進現有的裝置而設計的竹子自動輸送進料定長截斷機，主要由輸送進料部、夾緊部、傳動系統、截斷部、定長出料部和控制單元組成。輸送進料部主要由儲放車、帶式輸送機、控制按鈕及光電傳感器等組成，其中，儲放車主要由分隔輪、排列架、伺服電機和適配器組成；夾緊部由帶輪子的機架、夾緊機構和壓緊機構組成，其中，夾緊機構主要由動爪和靜爪組成，壓緊機構主要由橫軸、壓板和壓板軸組成；傳動系統由主電機、帶傳動、凸輪機構和齒輪機構組成，其中，凸輪機構主要由凸輪、擺桿、擺桿支軸等組成，齒輪機構包括齒輪1、齒輪2和固定座，齒輪1安裝在擺桿支軸上，齒輪2安裝在壓板軸上；截斷部主要由截斷機和支座組成，定長出料部由接料臺、刻度尺、定長擋板、螺桿、出料斜板和尺寸測量單元組成，其中，尺寸測量單元可以是測量竹筒一端的內外徑或壁厚的檢測儀器；控制單元控制著傳動系統和截斷機的啟動或停機，結構示意圖如圖1所示。

1.儲放車； 2.帶式輸送機； 3.夾緊機構； 4.壓緊機構； 5.齒輪機構； 6.帶傳動； 7.凸輪機構； 8.截斷機； 9.控制單元； 10.定長擋板。圖1 竹子自動定長截斷機結構示意圖Fig. 1 Structure sketch map of automatic cutting machine with selected length for chopping bamboo

2 凸輪機構設計及與截斷機的運動關系

竹子自動定長截斷機各組成部分的運動協調主要取決于凸輪的輪廓線[10-11]。當凸輪轉動驅動擺桿上端的銷子在截斷機滑槽內運動時，帶動截斷機作上下擺動將竹子截斷。為使凸輪每轉一周，竹子的進料與截斷機的上下擺動協調一致，需設計相適應的凸輪輪廓線。取凸輪基圓半徑r0，擺桿的最大擺動角度ψmax，凸輪轉動角速度ω1，凸輪轉角φ，擺桿擺動的平均角速度為ω2；凸輪的推程運動角δt=δ1+δ2，回程運動角δh，近休止角δ′s。根據凸輪機構的設計理論，擺桿從動件的角位移線圖見圖2，用作圖法得到凸輪的實際輪廓線如圖3所示。基圓半徑r0的取值應使得推程壓力角的最大值αmax≤[α]許用值[12-14]。

設截斷機每分鐘截斷的竹段數量最大值為N，即截斷機來回擺動的最大次數為N次/min，則凸輪轉速n1≤Nr/min，截斷機每小時截得竹筒的數量為60N根/h。

圖2 擺桿從動件角位移線圖Fig. 2 Angular displacement line graph of driven member of pendulum bar

圖3 凸輪輪廓線的繪制及與截斷機的運動關系Fig. 3 Plotting of cam outline and kinematic relation between cam outline and truncation machine

3 自動定長截斷機工作原理

啟動前，調節定長出料部的螺桿，使定位擋板移到所需截斷竹筒長度的位置；存放在儲放車上的竹子沿排列架逐根排列到分隔輪的兩分隔板之間[15]；擺桿位于KG位置，擺桿下端的滾子與凸輪推程輪廓起點O接觸，截斷機位于上限PG位置，見圖3；壓板位于壓下橫軸的RE位置，動爪擺到全開位置，見圖4。

啟動帶式輸送機、伺服電機，分隔輪轉過角度360°/z，位于分隔輪分隔板間的竹子落入帶式輸送機的輸送帶上[15]，竹子穿過動爪、靜爪、截斷機到達定長擋板。啟動主電機，凸輪由主電機及帶傳動帶動逆時針轉過推程運動角δt，驅動擺桿及齒輪1順時針轉過角度(θ1+θ2)，擺桿上端的銷子經滑槽驅動截斷機逆時針轉過角度(β1+β2)(圖3)；同時齒輪1帶動齒輪2與壓板逆時針轉過角度(θ1+θ2)松開橫軸，動爪隨橫軸順時針擺到閉合位置夾緊竹子，截斷竹子(圖4)；尺寸檢測單元測得竹筒尺寸，按竹筒外徑D與設定值D0比較，撥叉前移或后移，使竹筒沿前出料斜板或后出料板落下送出。凸輪繼續逆時針轉過回程運動角δh，擺桿在拉緊彈簧作用下與齒輪1逆時針擺回到原位置KG，截斷機順時針擺回位置PG，壓板與齒輪2順時針擺回RE位置壓下橫軸，動爪打開到最大位置；凸輪繼續轉過近休止角δ4，擺桿、齒輪1、齒輪2、壓板、橫軸、動爪和截斷機都保持不動，帶式輸送機繼續輸送竹子穿過動爪與靜爪、截斷機到達與定長擋板接觸，重復上述工作過程，進行下一段竹筒的截斷。

當這根竹子的左端離開帶式輸送機右端的光電傳感器時，光電傳感器的接收端收到信號，經適配器驅動伺服電機繼續轉過角度360°/z，下一根竹子落到輸送帶上，連同前面的竹子一起推向定長擋板，重復上述工作過程。式中，z為分隔板數。

圖4 齒輪機構與夾緊機構的運動關系Fig. 4 Knematic relation between gear mechanism and clamping mechanism

4 各組成部分的運動協調與參數關系

4.1 各組成部分運動協調參數的計算

為使竹子的輸送進料、夾緊和截斷動作協調且自動連續進行，凸輪轉一圈所需時間為T=60/n1=60/N(s)，凸輪轉過近休止角度δ4所需時間為t4=60δ4/(2πn1)=30δ4/(πN) (s)。

竹子從帶式輸送機的輸送帶右端送到定位擋板的時間t應小于凸輪轉過δ4所需的時間t4，則帶式輸送機輸送帶的輸送速度v=L/t≥L/t4=LπN/(30δ4)(m/s)。式中，L為竹子右端從帶式輸送機送到定位擋板的距離，見圖1。

設驅動輸送帶運轉的驅動滾筒直徑為D，則驅動滾筒的轉速：

取帶式輸送機的傳動比i0，則帶式輸送機的驅動電機轉速為:

取帶傳動的傳動比i1，取齒輪的傳動比i2=1，因組成帶傳動的主動帶輪與凸輪都安裝在凸輪軸上，則驅動帶傳動運轉的主電機轉速：

nc=n1i1≤Ni1

由上述計算可得帶式輸送機的驅動電機轉速n0與主電機轉速nc之間的關系為：

4.2 竹子自動定長截斷加工工序與運動參數關系

由圖3 凸輪的輪廓形狀可見，凸輪的運動角分為推程、回程和近休運動角3個部分，結合上述工作原理的分析可知，當主電機經帶傳動驅動凸輪轉過推程運動角δt=δ1+δ2和回程運動角δh時，截斷機從上到下又從下到上來回擺動一次，完成一段竹筒的截斷及送出。竹子輸送定長截斷加工工序與運動參數的關系如表1所示。表1中“-”表示順時針方向轉動，L1表示切斷機左側到定位擋板的距離，見圖1。

表1 竹子自動進料定長截斷加工工序與運動參數關系Table 1 Relation of motion parameters and working procedure to transport feeding and cutting off to bamboo with selected length

5 小 結

竹子自動定長截斷機可實現整根竹子的連續自動進料、定長夾緊和截斷出料。構成傳動系統的凸輪每轉動一圈，即可完成竹子的進料、一段竹筒的截斷及出料，截斷機每小時截得竹筒的數量為60N根/h。在允許的凸輪轉速n1≤Nr/min范圍內，凸輪轉速越大，相同時間內截得的竹筒數量越多。整機結構簡單、操作方便。

該機各組成部分協調運動的參數關系為：帶式輸送機輸送帶的輸送速度v=πLN/(30δ4) (m/s)，帶式輸送機的驅動電機轉速n0與主電機轉速nc之間的關系為n0/nc≥Li0/(30Dδ4i1)。

組成夾緊機構的動爪的間距和數量可根據竹子的實際長度增減，改變動爪和靜爪夾持面的形狀，該機可適合于柱狀木材或一定寬度板材的連續自動進料、定長夾緊和截斷加工。