一種木段自動定心機(jī)的設(shè)計(jì)

李志瓏， 孫治博， 李 黎*

(1.北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京100083；2.北京航空航天大學(xué)工程訓(xùn)練中心，北京 100191)

研究與設(shè)計(jì)

一種木段自動定心機(jī)的設(shè)計(jì)

李志瓏1， 孫治博2， 李 黎1*

(1.北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京100083；2.北京航空航天大學(xué)工程訓(xùn)練中心，北京 100191)

開發(fā)設(shè)計(jì)的木段自動定心機(jī)主要用于木段的夾持旋轉(zhuǎn)，為激光掃描獲取木段最佳中心做準(zhǔn)備。在充分了解國內(nèi)膠合板生產(chǎn)中楊木單板旋切加工現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，確定了木段自動定心機(jī)構(gòu)的技術(shù)參數(shù)，進(jìn)行了主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用SolidWorks完成了三維建模，通過ADAMS和SolidWorks/Simulation對木段自動定心機(jī)進(jìn)行了動力學(xué)仿真及校核。

木段定心；仿真技術(shù)；三維建模；設(shè)計(jì)

原木定心技術(shù)在國內(nèi)外木材加工生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，如雙聯(lián)帶鋸機(jī)、削片制材聯(lián)合機(jī)和剝皮機(jī)等設(shè)備都運(yùn)用了原木定心原理。目前，芬蘭Raute公司生產(chǎn)的被譽(yù)為世界上最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制木段定心機(jī)，可使整幅單板比例增加5%～15%，單板利用率增加2%～15%[1-2]，碎單板減少20%～50%，經(jīng)濟(jì)效益提高6%[3]。定心精度對小徑級原木的影響更大，在相同偏心的情況下，原木徑級越小，窄長單板數(shù)量越多。由定心技術(shù)差異導(dǎo)致的定心位置不準(zhǔn)確，不但浪費(fèi)了質(zhì)量較好的邊材單板，而且加大了生產(chǎn)過程中單板干燥、膠拼的工作量，直接增加了膠耗和時(shí)耗。在木材加工中，原木精確定心對節(jié)約木材、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、增加經(jīng)濟(jì)效益等均具有重要意義[4-5]。

國內(nèi)的定心方法及定心設(shè)備的精度較低，難以準(zhǔn)確定心，浪費(fèi)原料。國外的定心技術(shù)設(shè)備雖然已經(jīng)非常成熟，但造價(jià)過高，不適用于國內(nèi)中小型木材加工企業(yè)。盡快研制開發(fā)適用于我國的木段定心機(jī)非常必要，本文主要對適應(yīng)我國楊樹的木段定心機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

1 木段自動定心機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)

目前，國內(nèi)單板生產(chǎn)采用的樹種主要為速生材楊木，本設(shè)計(jì)主要以楊木木段為實(shí)驗(yàn)對象，結(jié)合楊樹的生長尺寸，確定本木段自動定心機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)，見表1。

表1 木段自動定心機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

參數(shù)名稱數(shù) 值木段直徑/mm160～400木段長度/m2.2～2.5半徑檢測精度/mm±1定心周期(舉木、試轉(zhuǎn)、調(diào)整)/s3舉木器速度/mm·s-1200卡盤沿X軸運(yùn)動范圍/mm200卡盤沿Y軸運(yùn)動范圍/mm200卡盤沿X軸運(yùn)動速度/mm·s-140卡盤沿Y軸運(yùn)動速度/mm·s-140轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速/r·s-12卡盤行程/mm250

1.1 木段質(zhì)量估算

根據(jù)表1中的技術(shù)參數(shù)，木段直徑D的范圍為0.16～0.40 m，木段長度L的范圍為2.2～2.5 m，依據(jù)體積計(jì)算公式可得定心木段的最大體積為：

vmax=πR2·L=0.314(m3)

(1)

式中：R為木段的半徑(R=D/2)。所定心的木段為人工林楊樹木段，人工林楊樹的密度與很多因素有關(guān)，包括生長地域、施肥情況、木段的徑級等，即使同一棵楊樹的不同位置其密度也有所不同。王嘉楠[6]的研究表明，I-69人工林楊樹的基本密度為0.378 g/cm3，其所分析的楊樹密度在0.3～0.5 g/cm3之間，在旋切單板過程中大多采用鮮楊樹(含水量大)，所以在計(jì)算過程中一般估算楊樹的密度為0.7 g/cm3，根據(jù)質(zhì)量計(jì)算公式可得定心楊樹段的最大質(zhì)量為：

m=ρ·v

(2)

經(jīng)計(jì)算可得到每段楊樹的質(zhì)量大約為220 kg。調(diào)查結(jié)果顯示，實(shí)際生產(chǎn)加工中木段的質(zhì)量均小于計(jì)算出的理論結(jié)果，所以按照理論計(jì)算木段質(zhì)量設(shè)計(jì)的定心機(jī)在承重方面完全可以滿足實(shí)際要求。

1.2 木段自動定心機(jī)設(shè)計(jì)方案

木段自動定心裝置主要包括卡盤卡軸平面定心和卡盤卡軸進(jìn)給旋轉(zhuǎn)兩大機(jī)構(gòu)，如圖1所示?？ūP卡軸進(jìn)給旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的主要作用是實(shí)現(xiàn)卡盤卡軸的伸縮抓取木段以及卡盤卡軸帶動原木的旋轉(zhuǎn)，保證木段的掃描定心計(jì)算工作；而卡盤卡軸平面定心機(jī)構(gòu)的主要作用是木段定心計(jì)算完成后，通過該裝置使卡盤卡軸平移，使木段的中心與理論計(jì)算得出的最優(yōu)中心在坐標(biāo)上保持一致。

圖1 木段自動定心裝置

卡盤卡軸平面定心機(jī)構(gòu)包括X軸及Y軸定心機(jī)構(gòu)，卡盤卡軸進(jìn)給旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要包括卡盤卡軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)和卡盤卡軸旋切機(jī)構(gòu)。本設(shè)計(jì)以技術(shù)參數(shù)要求為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以低成本、高精度為設(shè)計(jì)目標(biāo)，采用伺服電機(jī)為主要?jiǎng)恿υ磥硗瓿梢陨蟿幼鳌?/p>

1.3 卡盤卡軸進(jìn)給旋切機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

圖2所示為所設(shè)計(jì)的卡盤卡軸進(jìn)給旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)主要由11個(gè)部件組成，其中卡盤、卡盤卡軸為作業(yè)裝置，聯(lián)軸器、齒輪減速器、旋轉(zhuǎn)電機(jī)均串聯(lián)連接在卡盤卡軸上，為卡盤卡軸的旋轉(zhuǎn)提供動力。

圖2 卡盤卡軸進(jìn)給旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

卡盤卡軸定位板的主要作用有兩個(gè)，一是承載卡盤卡軸的作業(yè)旋轉(zhuǎn)裝置，二是實(shí)現(xiàn)軸承座總成、導(dǎo)軌滑塊、減速器及絲杠螺母之間的連接。進(jìn)給導(dǎo)軌、進(jìn)給絲杠及進(jìn)給電機(jī)為卡盤卡軸提供進(jìn)給動力及進(jìn)給軌道。

1.4 卡盤卡軸平面定心機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

圖3所示為卡盤卡軸平面定心機(jī)構(gòu)的總設(shè)計(jì)圖?？ūP的平面定心機(jī)構(gòu)主要由橫向定心機(jī)構(gòu)和縱向定心機(jī)構(gòu)兩部分組成，其中縱向定心機(jī)構(gòu)為雙電機(jī)絲杠導(dǎo)軌并聯(lián)驅(qū)動，主要包括縱向驅(qū)動電機(jī)、縱向絲杠導(dǎo)軌及導(dǎo)軌滑塊；橫向定心機(jī)構(gòu)為單電機(jī)驅(qū)動的絲杠導(dǎo)軌裝置，其主體搭載到縱向絲杠導(dǎo)軌的連接板上，主要包括橫向驅(qū)動電機(jī)、橫向絲杠導(dǎo)軌及導(dǎo)軌滑塊。卡盤卡軸進(jìn)給旋轉(zhuǎn)裝置搭載到橫向?qū)к壔瑝K的連接板上，整個(gè)系統(tǒng)通過連接法蘭板與模板旋切機(jī)的框架連接。

圖3 卡盤卡軸平面定心機(jī)構(gòu)總設(shè)計(jì)圖

2 三維建模和運(yùn)動仿真

2.1 木段定心機(jī)卡盤卡軸三維建模

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，在SolidWorks環(huán)境下對卡盤卡軸進(jìn)行虛擬樣機(jī)建模，如圖4所示。卡盤與卡盤卡軸均采用Q345低碳合金鋼制造，卡盤寬度為0.15 m，所設(shè)計(jì)的卡盤在與木段接觸面上安裝有抓釘，抓釘呈雙層曲線分布，由于卡盤本身承受扭矩，曲線分布可使抓釘分布更加廣泛，有利于承受更大的扭矩。該卡盤設(shè)計(jì)可以適用于徑級0.16～0.4 m的木段抓取，卡盤與卡盤卡軸之間采用M10的螺柱連接，卡盤卡軸的長度為0.88 m，卡盤卡軸的另一端設(shè)計(jì)為變徑軸，方便通過聯(lián)軸器與減速器的輸出軸連接，卡盤與卡盤卡軸總長度為0.91 mm。在固定卡盤的軸承選擇方面，為了可單獨(dú)承受軸向載荷或可同時(shí)承受徑向及軸向載荷，滿足在較高轉(zhuǎn)速下正常工作，選擇內(nèi)徑為0.05 m的70000C型角接觸球軸承，其基本額定動載荷比為1.0～1.3，極限轉(zhuǎn)速較高。該軸承的特點(diǎn)是能同時(shí)承受軸向及徑向載荷，并可在高速下使用[7-8]。

圖4 卡盤卡軸虛擬樣機(jī)

2.2 基于ADAMS的動力學(xué)仿真

將所設(shè)計(jì)的卡盤卡軸結(jié)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型保存成Parasolid格式，并導(dǎo)入至Adams軟件內(nèi)，在Adams環(huán)境下進(jìn)行木段自動定心機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)動態(tài)仿真，如圖5所示。其中木段與卡盤的偏心距離在橫軸與縱軸兩個(gè)方向均為0.01 m，卡盤卡軸的初始抓木方向?yàn)檎戏剑O(shè)定卡盤卡軸的材料為Steel，設(shè)定木段的密度為0.7×103kg/m3、卡盤卡軸的轉(zhuǎn)速為720°/s、仿真時(shí)間為0.5 s，仿真結(jié)果如圖如6所示。

圖5 木段自動定心機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)動態(tài)仿真

仿真得到卡盤抓木扭矩曲線圖及卡盤抓木力變化曲線圖，通過對仿真結(jié)果的分析可得到卡盤的抓力變化范圍為833～1 323 N，在0.07 s時(shí)卡盤抓木力達(dá)到最大，其中水平抓力的變化范圍為-245～245 N之間，分別發(fā)生在0.19 s和0.45 s時(shí)，豎直抓力的變化規(guī)律與范圍和抓力總值相一致，證明在抓木過程中以卡盤卡軸的豎直方向受力為主導(dǎo)。抓木扭矩的變化范圍為5～88 N·m，最大值產(chǎn)生在卡盤旋轉(zhuǎn)0.13 s時(shí)。將仿真結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，計(jì)算得出的最大抓取力為1 171 N，仿真得到的數(shù)據(jù)為1 323 N，產(chǎn)生誤差的原因是卡盤與木段由于偏心轉(zhuǎn)動產(chǎn)生離心力，仿真數(shù)據(jù)比計(jì)算數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。仿真得到的最大扭矩88 N·m小于計(jì)算得到的最大扭矩113 N·m，主要原因是計(jì)算過程中將卡盤與木段的接觸作為單點(diǎn)接觸，而實(shí)際過程中卡盤與木段的接觸應(yīng)為多點(diǎn)接觸，木段重力產(chǎn)生的扭矩有一定程度的減小，仿真數(shù)據(jù)相對準(zhǔn)確，但在電機(jī)選型及減速器選型過程中還是應(yīng)該參考計(jì)算得到的結(jié)果。

圖6 卡盤抓木扭短及抓木力曲線

2.3 基于SolidWorks/Simulation的有限元校核

卡盤卡軸的強(qiáng)度與剛度是否合適取決于最大抓取力下卡盤卡軸的應(yīng)力與變形，所以選取0.07 s下的狀態(tài)作為卡盤卡軸的校核狀態(tài)，此時(shí)抓力為1 323 N，方向豎直向下，扭矩為70 N·m，與卡盤轉(zhuǎn)動方向相同，卡盤與水平面的傾角為40°，將該模型導(dǎo)入SolidWorks/simulation模塊中進(jìn)行有限元分析。

卡盤卡軸的材料為Q345低碳合金鋼板，材料密度P=7.85×103kg/m3，彈性模量E=210 GPa，泊松比為μ=0.33。網(wǎng)絡(luò)單元類型定義為拋物線四面實(shí)體單元，共劃分121 019個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)為189 712，劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖7所示。為了進(jìn)行卡盤卡軸的有限元分析，必須引入對卡盤卡軸的約束條件，定義重力方向，在卡盤上施加相應(yīng)的力及扭矩，將卡盤處于最下端的模型導(dǎo)入到SolidWorks/simulation環(huán)境下，此時(shí)卡盤受力為948 N，卡盤受到的扭矩為23 N·m，卡盤仿真分析結(jié)果如圖8所示。通過圖8可以看出，最大應(yīng)力為56.9 MPa，最大形變量為0.428 mm，有限元仿真分析結(jié)果證明了卡盤卡軸設(shè)計(jì)的合理性。

圖7 卡盤卡軸有限元仿真

圖8 卡盤仿真分析結(jié)果

3 小結(jié)

從設(shè)計(jì)要求出發(fā)，確定了木段自動定心機(jī)的技術(shù)參數(shù)并進(jìn)行了主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成了三維建模，通過ADAMS動力學(xué)分析軟件、SolidWorks/Simulation虛擬樣機(jī)建模及有限元分析軟件對定心主要部件卡盤卡軸進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度校核。結(jié)果表明，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)符合要求，可為以后的虛擬樣機(jī)建模提供理論依據(jù)。

[1] 丁瑩，劉渝.木段端面攝像定心機(jī)研究與應(yīng)用[J].林業(yè)實(shí)用技術(shù)，2013(4)：56-57.

[2] 丁瑩，張紅梅，劉渝.攝像法木段電腦定心研究[J].林業(yè)實(shí)用技術(shù)，2013(1)：62-63.

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

[4] 馬巖.原木形狀分段描述方法的數(shù)學(xué)描述理論研究[J].生物數(shù)學(xué)學(xué)報(bào)，2006，21(3)：435-440.

[5] 袁旭，任洪娥，董本志.原木模型理論的發(fā)展[J].木材加工機(jī)械，2005(6)：25-27.

[6] 王嘉楠.人工林楊樹木材性質(zhì)及其編譯規(guī)律的研究[D].合肥：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2002.

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[8] 濮良貴.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2006.

(責(zé)任編輯 張雅芳)

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?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金項(xiàng)目(BLX2015-19)

李志瓏(1988-)，女，山西大同人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槟竟C(jī)械，E-mail：15120091959@163.com。

*通訊作者：李 黎(1963-)，男，河北欒平人，教授，博士，研究方向?yàn)槟竟C(jī)械與自動化。

TS642

A

2095-2953(2017)02-0028-04