雙擺動貼合的膠合板膩子修補裝置設計及應用

林志偉，林明山

(1.閩南師范大學物理與信息工程學院，福建 漳州 363000；2.漳州職業技術學院機械工程學院，福建 漳州 363000)

膠合板生產屬于木材深加工，是將原木旋切成單板，再將多層單板經拼接、涂膠、組坯、熱壓、補膠、裁邊和砂光等工藝制造而成的板材[1-4]。因原木含枝椏和樹節等缺陷[5]，且組坯時芯板存在離縫[6]，膠合板經裁邊后側面會出現孔洞或縫隙，每米分布2～3個，一般可用膩子填平孔隙，以此提高板材的使用性能和防水性能[7-8]。傳統修補方法是依靠人工使用刮刀取出膩子，沿邊線方向以一定角度反復移動刮刀后將膩子涂壓到板材側面孔隙中，然后去除多余膩子，但修補過程效率低、質量差，工況條件惡劣。因此，亟需改變這種現狀，實現孔隙膩子修補的自動化。國內外有關膩子的自動化修補裝置研究較少，而進行這方面研究有利于完善人造板自動化工業體系[9]，具有較高的應用價值。筆者研發的膩子修補裝置能獨立使用，也可與先期研發的膩子擠出機組成整機(圖1)，實現膠合板側面膩子修補自動化操作。

1.膩子擠出機；2.雙擺動修補裝置；3.雙擺動擱擋裝置；4.膠合板；5.壓輥。圖1 膠合板側面膩子修補機Fig.1 Plywood side surface putty repair machine

1 雙擺動修補裝置的工作原理

膠合板側面修補技術主要包括：側面孔隙填滿膩子，無遺漏；膩子厚度均勻，最大厚度不超過0.4 mm。針對上述2個技術要點，經數次生產研究和試驗研制了一種雙擺動貼合修補裝置(圖2)[10-12]。該裝置主要由主擺塊、次擺塊、轉動銷、銷座、彈簧壓板、彈簧頂桿、主次彈簧、帶導角刮片等組成。主擺塊和次擺塊的轉動銷軸相互垂直。主擺塊的偏擺壓縮主彈簧以產生彈力壓緊板面，次擺塊的微擺可保證安裝于其上的刮片刃緣貼合板面。雙擺動的設計滿足了線(刮片刃緣)-面(板面)貼合與壓緊的使用需求。

參照圖1和2，該裝置配合膩子修補機的修補過程為：膠合板在動力滾筒和壓輥的推送下，沿水平方向勻速進給，側面附著擠出機所擠出的膩子；當板邊碰觸安裝于次擺塊上的刮片時，次擺塊將板材推力傳遞至主擺塊，主擺塊產生偏擺的同時壓縮套在彈簧頂桿上的主彈簧；當主擺塊被板材完全頂開后，次擺塊根據板材的傾斜度調整擺角使得刮片刃緣貼合板側面，主彈簧達到最大壓縮量，彈力經主次擺塊傳遞至刮片使其以一定角度壓緊板材側面；隨著板材的推進，附著于側面的膩子受傾斜刮片的擠壓作用填塞至孔隙中，孔隙表面多余的膩子被擱擋于刮片上；無板材通過時，主擺快和次擺塊在主次彈簧的作用下復位。修補過程中，刮片刃緣與板側面無間隙貼合，壓力分布均勻，無須往復刮涂即能滿足膩子涂補要求。

1.基座；2.伸縮絲桿軸承座；3.伸縮座；4.吸頭；5.吸頭座；6.升降座；7.主擺塊銷座；8.升降絲桿軸承座；9.升降絲桿；10.主彈簧壓板；11.垂直銷；12.主擺塊；13.次擺塊彈簧；14.彈簧頂桿；15.主彈簧；16.次擺塊；17.帶導角刮片；18.水平銷。圖2 雙擺動貼合修補裝置Fig.2 Double swing fitting repair device

裝置的壓緊效果決定了側面殘留膩子的厚度，若壓緊力過小，孔隙表層膩子厚度無法滿足技術要求。因此，需圍繞貼合性和壓緊效果對雙擺動貼合修補裝置進行討論和設計，以完善該裝置的使用性能。

2 裝置自適應貼合性分析

膠合板在傳送過程中，由于制造與裝配誤差，輸送裝置與雙擺動裝置存在形位公差。具體表現為：輸送滾筒與壓輥存在徑向圓跳動，雙擺動裝置的擺動軸線存在垂直度誤差。此外，圖1中壓輥的雙側輥壓方式也會導致膠合板產生微小的橫向翹曲。上述因素可歸結為實際工況下板材或者擺動件存在繞某坐標軸的旋轉誤差。刮片貼合板側面情況見圖3，以圖3中的固定參考系(O0X0Y0Z0)為絕對坐標，忽略不影響貼合效果的繞Z0軸和Y0軸旋轉誤差，由于運動的相對性，為簡化分析，將傳送裝置、板材和雙擺動裝置繞X0軸的誤差疊加為圖3a所示的膠合板傾斜角(θ)，使用坐標變化[13]的方法證明雙擺動裝置的自適應貼合性。

注:W為板寬；E為板厚；m為刮片長；n為刮片寬；b為水平銷軸與垂直銷軸在Y向的距離；α為主擺塊擺角；γ為次擺塊擺角；θ為板材傾斜角；δ為刮片軸線與板材中面高度差。圖3 刮片貼合板側面Fig.3 The scraper fitting the plywood sides

(1)

(2)

(3)

(4)

考慮O2X2Y2Z2坐標系和O0X0Y0Z0坐標系的平移關系，則r2在O0X0Y0Z0坐標系的坐標r0可表示為：

(5)

將式(3)和(4)代入式(5)可得：

(6)

若刮片刃緣與板側面貼合，則集合r0和R存在重合線，令r0=R，解得：

(7)

由式(7)可知，方程r0=R有解，即刮片刃緣上的點集合(線CD)與板側面投影點集合(線AB)存在重合情況。α和γ的表達式說明：雙擺動裝置會根據多種誤差疊加而產生板材傾斜角，并自適應調整主擺塊擺角和次擺塊擺角，以保證雙擺動裝置所安裝的刮片刃緣貼合板側面。

雙擺動裝置滿足自適應貼合的必要條件是刮片長度大于板材厚度，否則刮片無法覆蓋板側面。企業常用膠合板規格為板寬1 220 mm，板長2 440 mm，最大厚度25 mm。選取刃長60 mm的刮片，調整圖2中的升降座使刮片軸線與膠合板中面等高時，此刮片允許板材和雙擺動裝置疊加最大傾斜角誤差θmax=tan-1[(60-25)/1 220]=1.64°。

參照GB/T 10595—2017《帶式輸送機》，傳送帶滾筒和托輥在帶速小于3.15 m/s時，滾子長度(B)范圍為950

3 部件主要參數設計

3.1 影響壓緊效果的主要參數

雙擺動裝置貼合-壓緊膠合板側面過程中，將發生如圖4所示的碰撞。位置Ⅰ為碰觸瞬間，板邊緣碰觸點為A，并將動能傳遞給雙擺塊使其獲得初速度；在位置Ⅱ時，主擺塊的角速度達到最大；在位置Ⅲ時，擺動件角速度為0，刮片呈一定角度貼合并壓緊板側面，膩子修補過程開始。

注:d為擺動件質心與銷孔中心的距離；L0為彈簧頂桿軸線與銷孔中心的距離；L為主擺塊擺長；u為刮片伸出板邊長度；β為擺動件角速度最大時的主擺塊擺角；H為主彈簧初始長度；h為刮片壓緊板側面時的主彈簧長度；Fx為銷孔處水平約束反力；Fy為銷孔處垂直約束反力；Fs為板材推力；FN為板側面對擺動件的支撐力；Fk為主彈簧彈力。圖4 膠合板與雙擺動修補裝置碰撞過程Fig.4 The collision between plywood and double swing repair device

對于位置Ⅲ，由幾何關系，彈簧的壓縮量(Δx)為:

(8)

其中，α與u的幾何關系為：

Lsinαtan(α/2)=u

(9)

將式(8)和(9)代入Fk=kΔx可知，彈簧的彈力[14]由主擺塊擺長(L)、彈簧頂桿軸線與銷孔中心的距離(L0)、剛度系數(k)、刮片伸出板邊長度(u)和主彈簧初始長度(H)決定，為了保證修補過程中刮片對板側面的壓緊效果，需要根據實際工況確定上述主要參數。

3.2 主擺塊擺長和彈簧頂桿安裝位置

為簡化分析主擺塊擺長，以主次擺塊及其聯動件整體為研究對象，將其統稱為擺動件。相鄰膠合板持續進給過程中，擺動件與板材存在周期性的碰撞，主擺動件銷孔處將產生周期性的約束反力增量。為減小位置Ⅰ的約束反力增量，降低碰撞影響，尋找擺動件與板材的碰撞中心[15]，并以此為依據確定主擺塊擺長和彈簧頂桿安裝位置。

位置Ⅰ處膠合板與擺動件發生碰觸后的瞬間，擺動件獲得動能并產生初始角速度。位置Ⅰ碰觸時間極短，主擺塊尚未偏擺，主彈簧除初始壓縮量外無額外變形。由動量矩定理可知：

ωJ=Fst(L-u)-Fk0tL0

(10)

式中：ω為碰觸后擺動件的初始角速度；J為擺動件繞垂直銷的轉動慣量；t為位置Ⅰ的碰觸時間；Fk0為彈簧初始彈力。

若瞬心速度為vC，則：

vC=ωd=[Fst(L-u)-Fk0tL0]d/J

(11)

由動量定理可推導出：

mvC=-Fxt-Fk0t+Fst

(12)

將式(11)代入式(12)可得：

(13)

未發生碰撞時，銷孔水平約束反力等于彈簧初始彈力。因此，在位置Ⅰ碰觸后瞬間，銷孔水平約束反力增量(ΔFx)為：

(14)

(15)

式(15)中的第1式為擺動件的碰撞中心，以此為依據設計主擺塊擺長，代入相關數據可得L-u=56 mm，由于u比L小很多，實際設計中取L=52 mm。

3.3 主彈簧參數設計

在圖4中的位置Ⅲ，由靜力學平衡方程可得：

(16)

為了保證刮片能壓緊膠合板側面，板側面對擺動件的支撐力必須大于0，求解式(16)可得：

(17)

將Fk=kΔx以及式(8)代入式(17)可得：

(18)

取Δx=4 mm、Fs=100 N、L=52 m、H=36 mm、L0=30 mm、u=4 mm代入式(18)，初步確定彈簧的剛度系數k>16.6 N/mm，圓整后初步選擇k=20 N/mm。將上述數據代入彈簧計算公式：

(19)

式中：G為線材剛性模量，不銹鋼絲取7 300 MPa；d0為彈簧線徑；Dm為彈簧中徑，根據頂桿直徑14 mm，選取彈簧中徑為18 mm；NC為彈簧有效圈數，取3。

由式(19)計算出彈簧線徑d0=2.5 mm。彈簧規格選擇2.5 mm×22 mm×40 mm(線徑×外徑×長度)滿足上述計算要求。初步調試后，上述規格的不銹鋼壓縮彈簧滿足雙擺動裝置的壓緊要求。若需進一步調整刮片壓緊力，根據式(8)和(9)，改變u值可調節主彈簧彈力，具體實現方式為旋轉圖2伸縮座的伸縮絲桿以實現壓緊力微調。

次擺塊彈簧的作用是使次擺塊在自由狀態下保持豎直，防止次擺塊在無約束下過度傾斜而與板材劇烈碰撞。由于次擺塊的擺動量較小，選擇線徑細小的輕量彈簧裝配于轉軸兩側，設計中不考慮其參數計算。

4 裝置應用與驗證

在實際試驗中，雙擺動修補裝置持續作業，刮片聚積大量膩子，導致板材經過刮片后，面板與背板邊緣粘連細條狀膩子，影響板材的使用和堆疊。為清除表板邊緣膩子，對修補裝置做了兩方面的功能補充與改進。第一，在圖2中的伸縮座安裝吸頭，吸頭斜切口對齊刮片并外接工業吸塵器。無板通過時，刮片復位，吸塵器啟動，刮片聚積的膩子被大量吸除；板材修補時，吸塵器關閉。吸除裝置的添加既回收了膩子原料，又極大減少了單板修補后雙擺動裝置刮片所聚積的膩子數量，從而使表板邊緣粘連的細條狀膩子也隨之減少。第二，基于雙擺動裝置的工作原理，經過類似分析與計算，設計了雙擺動擱擋裝置(圖5)，該裝置使用一組上下對稱的刮片貼合壓緊膠合板面板與背板，將表板邊緣的細條狀膩子擱擋于上下刮片，消除表板邊緣聚積的細條狀膩子。

1.下基座；2.上基座；3.升降座；4.氣缸；5.雙擺動裝置。圖5 雙擺動擱擋裝置Fig.5 The double swing blocking device

按照上述設計制造出雙擺動修補裝置及擱擋裝置，與先前設計的膩子擠出機組成膠合板側面膩子修補機(圖6)。在某木業公司試用樣機，完成了一種包含側面膩子擠出與附著、側面孔洞填塞和膩子刮除、表板膩子擱擋的膠合板側面膩子自動化修補工藝。雙擺動裝置修補膠合板的側面效果圖見圖7，已修補板面無孔隙殘留、平整度好、膩子厚度均勻。標準幅面尺寸2.44 m×1.22 m，厚度12，15和18 mm的3種膠合板側面修補應用情況見表1。應用結果表明：

1)雙擺動貼合的膩子修補裝置適用于不同規格的膠合板側面膩子修補，修補速度為0.4 m/s，對比單側0.2 m/s且需要往復刮涂的手工修補方式，修補效率至少提升3倍以上。

2)經雙擺動裝置修補后，膠合板側面無孔隙殘留，膩子厚度均勻，最大厚度為0.2 mm；而手工修補存在20%～30%的殘留孔隙，膩子厚度在0.6～1.2 mm浮動。

3)為對比自動化與手工修補膩子用量，取10 kg膩子原料做對比試驗。經吸頭回收再利用，10 kg的膩子原料可完成150塊標準幅面尺寸18 mm厚的膠合板自動化修補，同樣質量的膩子原料可完成230塊膠合板手工修補。因此，雙擺動裝置修補過程的膩子消耗量略大于手工修補。

根據以上應用結果分析得出，雖然雙擺動裝置的膩子消耗量略大于手工修補，但從生產效率、生產環境和人工成本等綜合考慮，總生產成本低，修補質量優，符合企業自動化生產需求，適合在實際生產中推廣。此外，在未來的設備升級中，可考慮配合視覺檢測系統僅對有孔隙位置涂抹膩子，降低膩子原料消耗，其應用前景廣闊。

圖6 膠合板膩子修補樣機Fig.6 Prototype of plywood putty repair machine

圖7 膠合板側面修補前后對比Fig.7 Comparison of the repair effects of plywood side surfaces

表1 雙擺動修補裝置應用結果Table 1 The application results of double swing repair device

5 結 論

研制了一種雙擺動貼合的膠合板側面膩子修補裝置，當裝置安裝的刮片以一定角度貼合并壓緊膠合板側面后，附著于板側面的膩子將隨著板材的運動被刮片斜壓入孔洞中，孔隙表面多余膩子被刮除。對裝置的貼合性與壓緊效果展開分析與設計，首先使用坐標變化證明了該裝置的線-面自適應貼合性允許傳送裝置和修補裝置產生一定的傾斜誤差；然后進行了影響壓緊效果和裝置碰撞穩定性的主要參數設計，包括主擺塊擺長、彈簧頂桿安裝位置和彈簧規格選型；最后對雙擺動裝置修補后表板邊緣膩子的聚積問題做了改進設計。將雙擺動貼合的修補裝置和擱擋裝置結合膩子擠出機組成側面膩子修補機，應用結果表明，該裝置滿足企業生產的技術要求，修補效率較手工修補提升3倍以上，一次性修補后膠合板側面無殘留孔隙，膩子涂布均勻，最大厚度為0.2 mm。本研究設計的裝置結構簡單、易調整，適用于不同厚度的膠合板側面自動化修補，可在行業中推廣應用。