自動進料快速對心數(shù)控自動破竹機研制與試驗

常飛虎，周建波，，傅萬四，孫曉東，張 彬，卿 彥，劉占明，陳忠加

（1.國家林業(yè)和草原局北京林業(yè)機械研究所，北京 100029；2.中國林業(yè)科學研究院 林業(yè)新技術研究所，北京 100091；3.湖南省林業(yè)科學院，湖南 長沙 410004；4.中南林業(yè)科技大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410004；5.安吉吉泰機械有限公司，浙江 湖州 313301；6.北京林業(yè)大學 工學院，北京 100083）

我國傳統(tǒng)的竹材加工工藝中，原竹的備料工段加工成本占成品竹產品總成本超過30%以上。由于竹材所具有的獨特生理結構，使得竹材的加工在工藝或設備方面與木材有很大的差異性，竹材加工很大程度上依賴勞動密集型方式進行生產[1-2]。為此，本研究開發(fā)設計了一種自動進料快速對心數(shù)控自動破竹機。該設備實現(xiàn)了竹段長度1 200～2 100 mm，竹段直徑60～150 mm 范圍的原竹破竹分片加工，且能夠實現(xiàn)竹段自動檢測、連續(xù)進料、竹段徑級自動識別、刀盤最優(yōu)路徑自動換刀、竹段快速對心破竹功能，解決了竹材前序工段原竹破竹快速對心難題。

本研究主要通過Pro/ENGINEER 軟件設計構建了自動進料快速對心數(shù)控自動破竹機的三維模型，利用ANSYS Workbench 軟件對設備主要受力部位進行有限元靜力學分析，快速便捷地計算出模擬實際荷載作用狀況下刀盤、刀具的位移與應力分布情況，對結構強度受力較大的零部件進行了分析，得出最優(yōu)化設計方案。同時，對自動進料快速對心數(shù)控自動破竹機進行了大量試驗驗證。

1 自動進料快速對心數(shù)控自動破竹機結構設計

自動進料快速對心數(shù)控自動破竹機，是以定長的原竹段為加工原料，實現(xiàn)竹段軸心為基準快速定位，將其連續(xù)破分加工成預定規(guī)格大小可調竹片的自動化設備。

1.1 設計原理

充分考慮竹材結構特性以及竹材破竹分片的生產工藝要求，對數(shù)控自動破竹機采用整體和模塊化的設計思想。自動進料快速對心數(shù)控破竹機依據(jù)實際破竹分片加工流程，在設備打開并復位到初始位置后，通過竹段上料機構將加工好的一定長度竹段輸送到測直徑位置，通過位于設備刀座下方的機械尺檢測竹段直徑。測量直徑后，竹段上下夾料臂快速動作，沿直線驅動機構上下移動，在豎直方向上從起始位置移動到破竹工位后停止，實現(xiàn)快速對心，竹段到達破竹工位后，推竹機構推抵竹段的后端，竹段在夾料臂直線驅動機構的夾持狀態(tài)下向刀座移動完成破竹分片動作，以此往復循環(huán)完成工作[3]。

1.2 整體結構

設備整體結構示意圖如圖1所示。數(shù)控破竹機的主要參數(shù)見表1。

1.3 關鍵部位結構設計

1.3.1 竹段自動檢測及上料機構

圖1 自動進料快速對心數(shù)控破竹機結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of the automatic feeding rapid and central NC breaker

竹段上料機構設置傾斜料架，竹段堆積于上料架和上料皮帶之間的空間；減速機帶動主動帶輪旋轉，從而使竹段托架繞主動帶輪和從動帶輪旋轉；竹段托架豎直向上選裝過程中，每次只能帶動一根竹段旋轉，上料鏈條帶有附件鉤能夠將竹段依次送至上料軸頂端，逐個將竹段落進預備工位；當竹段托架上沒有竹段時，破竹機停止運行，防止無人管護時放空運行。在各個節(jié)點位置設置傳感器等，通過PLC 控制，實現(xiàn)竹段自動檢測、連續(xù)進料，如圖2所示[4]。

表1 數(shù)控破竹機的主要參數(shù)Table 1 Main parameters of the CNC bamboo breaking machine

圖2 竹段自動檢測、上料機構三維模型Fig.2 Three-dimensional model of bamboo segment automatic detection and feeding mechanism

1.3.2 竹段徑級識別及自動換刀機構

竹段直徑檢測機構設置在自動上料機構頂部。其中的電子尺驅動裝置的啟動和停止受控于設置在測直徑位置處的光電開關：當測直徑位置的光電開關被竹段擋住時，電子尺驅動裝置啟動，向下伸向竹段，與竹段接觸后再收回，直徑測量完成；根據(jù)用竹段直徑檢測機構檢測的竹段直徑，通過控制裝置，驅動刀架，將適合的刀盤轉至與推竹機構正對，即可方便地實現(xiàn)根據(jù)竹段的直徑用不同的破竹刀盤破竹的目的，如圖3所示。

圖3 竹段直徑檢測機構三維模型Fig.3 Diameter detecting mechanism and cutter head design and three-dimensional model of bamboo section

1.3.3 竹段快速對心機構

竹段抓取對心機構設計兩個前后同步運動的夾具（帶“v”形爪），每個夾具中的上下夾料臂連接在一個直線運動驅動裝置連接的水平滑塊上，氣缸推動水平滑塊，通過四連桿機構使得上下夾料臂合攏夾住竹段時，無論竹段的直徑大或小，可保證竹段的中心線處于破竹路徑上，使竹段與刀盤軸心重合，通過上下夾料臂同步合攏、分開，將竹段快速送到破竹工位上，實現(xiàn)竹段自動進料快速對心，如圖4所示。

圖4 竹段抓取對心機構設計及三維模型Fig.4 Design and three-dimensional model of the center mechanism of bamboo grab

1.3.4 刀盤及換刀機構

破竹刀盤由刀座固定在機架上，刀盤形狀為圓形，在其一周圓周均布安裝刀具。刀盤上安裝有8 把刀，每把刀都設置有對應傳感器，用于系統(tǒng)的識別，并編號。根據(jù)每把刀的特點，設置它的加工范圍。當上料竹段的直徑落在對應刀號范圍內時，系統(tǒng)根據(jù)刀號轉動換刀電機，進行換刀。

每把刀具的破竹區(qū)間基本在10 cm 左右，按照1～8 編號，初步設定范圍如表2所示。

自動刀盤切換機構，設計圓周均布排列刀盤，電子尺檢測竹段直徑獲得胸徑數(shù)據(jù)后，經傳感器、PLC 運算判別刀盤編號，伺服電機通過減速器帶動刀架旋轉，將對應直徑的破竹刀盤帶動轉至正對竹段，然后進行破竹動作。由于伺服電機控制精度高，結合運動控制算法，保證了刀盤轉動過程不會有累計誤差，不會出現(xiàn)定位不準現(xiàn)象。刀盤如圖5所示。

表2 刀具破竹區(qū)間范圍Table 2 Range of bamboo cutting section

圖5 刀盤設計及三維模型Fig.5 Design and 3D model of cutter head

1.3.5 推竹機構

推竹機構中的推竹座通過傳動導輥來運轉推竹托盤，在行進過程中，推竹托盤與竹段后端始終接觸，將其運送到破竹工位進行加工。整個推竹機構以鏈傳動傳遞動力，使用滾輪與鏈條形成圓周運動，故當竹段在破竹工位破竹后，推竹座會進入圓周運動下半程，從而使其回復到初始位置，準備下一個循環(huán)動作。如圖6所示。

圖6 推竹機構三維模型Fig.6 Three-dimensional model of bamboo pushing mechanism

2 關鍵部位的有限元分析

2.1 刀盤靜力學分析

2.1.1 材料加載

刀盤采用Q235-A 進行加工，Q235-A 力學性能特性，如表3所示。

表3 Q235-A 材料特性Table 3 Properties of Q235-A

2.1.2 網(wǎng)格劃分

采用ANSYS Workbench15.0 軟件默認的網(wǎng)格化分方法，根據(jù)簡化模型類型，幾何形狀，自動進行合理的網(wǎng)格劃分。刀盤網(wǎng)格化分時，選擇中等疏密度來默認劃分，節(jié)點數(shù)共計155 147 個，單元總數(shù)為29 169 個；網(wǎng)格的其他參數(shù)均處于較好的狀態(tài)，網(wǎng)格化分如下圖所示。

2.1.3 施加約束和載荷

推進機構推動竹段向前側刀盤行進，在行進的過程中，始終與竹段端面接觸，受到持續(xù)的壓緊力作用，通過竹段將力傳遞到刀盤和刀具上，則刀盤和刀具的載荷約束與邊界條件如下：

載荷約束：慣性約束，9.8 m/s2（結構自重）；推竹力大小，F(xiàn)=5 100 N。

刀盤的受力主要來自于竹段的撞擊傳遞，所以要選取合適的位置對刀盤模型加載力，刀盤受力集中在8 個刀架的其中一個，故可任意選取一個刀架，在刀架圓周內側面施加一個與刀盤平面垂直的力。刀具固定在刀盤上，刀盤使用螺母固定在機架上，可以等效的看成是固定在機架上的固定結構，刀盤背面安置由一個以中心軸為圓心，6 個螺栓孔為圓周的圓形擋板，因此其邊界約束條件為固定約束。

2.1.4 求解

刀盤模型在加載約束和載荷后，經過求解運算，得到了刀盤的應力和位移云圖，根據(jù)靜力學理論對分析結果進行研究，應力和位移云圖如圖8所示，結果如表4所示。

圖7 有限元網(wǎng)格劃分Fig.7 Finite element mesh division

圖8反映了刀盤的強度特性，由圖8可以得出，刀盤有限元分析的最大應力出現(xiàn)在固定約束的螺栓處，根據(jù)結果對比分析，刀盤所受實際最大等效應力為120.09 MPa，其小于刀盤材料的屈服極限。根據(jù)物理理論第三、第四強度理論，機構中承受的最大等小應力要小于材料的許用應力。

刀盤使用的材料為Q235-A，其許用應力計算如下：

式（1）中：[σ]為許用應力，單位MPa；σs為屈服應力，單位MPa；n為安全系數(shù)，Q235-A 取n為1.5。

由公式（1）可得，Q235-A 的許用應力[σ]=235/1.5=156.7 MPa，則刀盤[σ]max=120.09 MPa＜[σ]，故刀盤強度滿足設計要求。

位移云圖反映了刀盤的剛度特性，即在外力作用下的變形大小。由表4和圖8可知，刀盤的最大位移發(fā)生在刀盤受力刀具刀架的最邊緣處，變形量為2.20 mm。根據(jù)刀盤的設計結構特性，刀盤位移量不影響設備的正常工作，對破竹精度的影響可以忽略不急，故刀盤剛度滿足設計要求[8-9]。

圖8 刀盤的等效應力和等效位移云圖Fig.8 Cloud chart of equivalent stress and displacement of cutter head

表4 刀盤的有限元分析Table 4 Finite element analysis of cutter head

2.2 刀具靜力學分析

2.2.1 材料加載

刀具使用45 號鋼進行加工，45 號鋼力學性能特性，如表5所示[5]。

2.2.2 網(wǎng)格劃分

將模型以基于曲率的網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，利用Workbench 軟件默認網(wǎng)格進行劃分，刀盤選擇中等疏密度來默認劃分，節(jié)點數(shù)共計155 147 個，單元總數(shù)為29 169 個；刀具選擇中等疏密度來默認劃分，節(jié)點數(shù)共計10 331 個，單元總數(shù)為4 869個。網(wǎng)格的其他參數(shù)均使用軟件默認狀態(tài)，得到以下有限元模型[6]（圖9）。

表5 45 號鋼材料特性Table 5 Properties of 45 steel

圖9 結構網(wǎng)格劃分Fig.9 Finite element mesh division

2.2.3 施加約束和載荷

刀具的受力直接來自于竹段的撞擊傳遞，因刀具中刀片呈輻射狀，且刀片圓周分布向前方有一個傾角，故主要受力是刀具中心向刀片傳遞。刀具的約束同樣是固定約束，刀具被螺母固定在刀盤上，所以將約束施加在刀具外圓的周面上。

刀盤所受載荷間接由刀具傳遞，故刀具是直接受力結構，其受力大小與刀盤相等。

載荷約束：慣性約束，9.8 m/s2（結構自重）；推竹力大?。篎=5 100 N。

邊界約束：刀具被螺母固定在刀盤上，所以將約束施加在刀具外圓的周面上[7]。

2.2.4 求解

刀具模型在加載約束和載荷后，經過求解運算，得到了刀具的應力和位移云圖，根據(jù)靜力學理論對分析結果進行研究，應力和位移云圖如所示，結果如表6所示。

圖10 刀具的等效應力和總位移云圖Fig.10 Cloud diagram of equivalent stress and total displacement of tool

表6 刀具的有限元分析Table 6 Finite element analysis of tool

反映了刀具的強度特性，由表6可以得出，刀具所受最大等效應力為186.36 MPa，其小于刀盤材料的屈服極限。45 號鋼安全系數(shù)取n為1.5，則根據(jù)公式（1）可得，45 號鋼的許用應力[σ]=353/1.5=235.3 MPa，則刀具[σ]max=186.36 MPa＜[σ]，故刀具強度滿足設計要求。

反映了刀具的剛度特性。由表6可知，刀具的最大位移發(fā)生在受力最集中的中心位置。在竹段破竹過程中，刀具的位移量會影響竹條的對中率，但刀具的最大位移量0.368 mm，對竹條的均勻性影響極小，所以刀具的剛度滿足設計要求[8-9]。

3 試驗驗證

為了驗證自動進料快速對心數(shù)控自動破竹機在實際應用中的破竹效果以及各項指標是否達到設計要求，進行了試驗驗證[10]。

自動進料快速對心數(shù)控自動破竹機試驗樣機如圖11所示。

圖11 自動進料快速對心數(shù)控自動破竹機試驗樣機Fig.11 Sample diagram of automatic feeding fast-tocenter NC automatic bamboo-breaking machine

試驗材料：竹段（表7）。

表7 竹段參數(shù)Table 7 Bamboo section parameters

3.1 試驗方法

測試自動進料快速對心數(shù)控自動破竹機破竹速度，相對于傳統(tǒng)的破竹機是否有所提高。計算出自動進料快速對心數(shù)控自動破竹機的竹條出材率，與傳統(tǒng)破竹機的竹條出材率進行比較。測試自動進料快速對心數(shù)控自動破竹機的設備性能是否達到相關要求，其毛邊率、對中率是否達到要求（圖12）。

將3 組竹段進行破竹操作，對每組進行試驗數(shù)據(jù)的采集與整理，并且留取樣本（圖13）。

3.2 結果與分析

3.2.1 數(shù)據(jù)整理

竹段試驗數(shù)據(jù)記錄如表8所示。

3.2.2 竹條參數(shù)計算

1）竹片毛邊率和對中率計算公式：

圖12 試驗竹段上料及出料Fig.12 Feeding and discharging of bamboo section

圖13 竹片的整理與數(shù)據(jù)采集Fig.13 Finishing and data collection of bamboo tablets

表8 竹段相關試驗參數(shù)Table 8 Relevant parameters of bamboo section test

式（2）中：ηm為竹條的毛邊率；ηd為竹條的對中率；nm為有毛邊的竹條數(shù)量，單位根；nd為對中性好的竹條數(shù)量，單位根；nz為竹條的總數(shù)量，單位根。

2）竹片出材率計算公式。

竹段經過剖分后得到n個竹條，理想竹條的橫截面如圖14所示。

圖14 理想竹條橫截面示意Fig.14 Schematic diagram of cross section of ideal bamboo pieces

由圖14可知，竹條橫截面擴大為扇形后的二分之一圓心角為θ：

式（3）中：θ為竹條橫截面扇形面二分之一圓心角；n為竹段被剖分竹條個數(shù)。假定竹條加工后最終得到的竹方材的長為a，寬為b，則：

式（5）中：a為竹條加工后最終得到的竹方材的長；b為竹條加工后最終得到的竹方材的寬。

將式（4）代入式（5）得：

則可計算得出竹方材側面積S：

由幾何知識可得圓臺體積V計算公式：

式（8）中：h為圓臺的高；R為圓臺底端半徑；r為圓臺上端半徑。

由式（8）可推算出竹段理想數(shù)學模型圓臺的體積Vt：

式（9）中：l為竹段的長度，單位mm；R1w為竹段大端的外徑，單位mm；R2w為竹段小端的外徑，單位mm；r1n為竹段大端的內徑，單位mm；r2n為竹段大端的內徑，單位mm。

竹材的出材率η1為：

將式（7）、式（9）代入式（10）可得：

3.2.3 結果與分析

根據(jù)總結推算公式，結果計算如表9所示。

表9 試驗結果Table 9 Test results

3 組試驗驗證，每組5 根竹段，平均用時37.2 s，可計算出破竹效率為16.9 m/min（8 段/min），與傳統(tǒng)人工破竹相比，效率提高了2 倍。

整理試驗采集數(shù)據(jù)可得出竹條的出材率在63.1%左右，與傳統(tǒng)破竹機出材率相近；根據(jù)數(shù)據(jù)分析，對破分出來的竹條計算其毛邊率，平均值在7.6%左右，對破分出來的竹條的對中率進行分析及計算，得出對中率控制在93.6%左右。

綜合試驗得出的分析結果，出材率與傳統(tǒng)人工破竹相近，效率比人工提高2 倍，毛邊率比人工破竹更低，且對中率滿足竹條的均勻性。自動進料快速對心數(shù)控自動破竹機的工作性能指標滿足要求，對試驗樣機有了充分的理論和數(shù)據(jù)支持，對該設備的進一步改進指明了方向。

4 討 論

目前我國竹材備料工段設備的研究逐漸開展，本研究設計的自動進料快速對心數(shù)控破竹機解決了備料工段中破竹工藝的自動化問題，在行業(yè)內屬于領先產品，但同其他行業(yè)設備比較，還處在相對落后階段。

行業(yè)內同款類似產品，其破竹方式大致相同，具體結構存在差異化。本設計采用的是“鉤抓”鏈式上料機構，還存在“階梯式”抬升進料機構，兩者上料方式不同，但其上料效果類似；類似產品還存在竹段直徑檢測裝置不同，本設計使用機械尺進行測量，同類產品存在光幕測量方式。

自動進料快速對心數(shù)控破竹機還存在一些不足之處，需要在未來研究中進行改進和優(yōu)化。竹段直徑檢測機構為單向機械電子尺，這對于彎曲度較大的竹段的檢測可能存在偏差，未來可設計雙向電子尺，以優(yōu)化直經檢測的準確度；由于竹段上料的放置是隨機的，每根竹段的壁厚未經測量，這就導致不同壁厚的竹段不能分開收集，不利于后期竹段銑削加工，因此可以設計竹段壁厚檢測裝置，同時在出料導出裝置后設計一分料機構，根據(jù)不同壁厚竹條有序堆放，方便下一步加工。

5 結 論

自動進料快速對心數(shù)控破竹機的設計實現(xiàn)了竹材破竹加工的自動化、連續(xù)化，適應了工業(yè)化規(guī)模生產，提高了竹材加工效率，節(jié)約人力成本，促進綠色、清潔、安全生產，提升了竹材前序工段加工效率。

1）設計了自動進料快速對心數(shù)控破竹機，主要包括上料機構、對心裝置、徑級識別及自動換刀機構、推竹機構、竹片導出裝置等關鍵設計機構。

2）分析了自動進料快速對心數(shù)控破竹機破竹原理，利用Pro/ENGINEER 和AutoCAD 軟件對自動進料快速對心數(shù)控破竹機的機械部分進行設計，繪制了三維模型。對刀盤和刀具進行建模，運用有限元軟件ANSYS Workbench 對其進行靜力學分析，分析得出刀盤和刀具的結構滿足設計要求。

3）通過對自動進料快速對心數(shù)控破竹機樣機的試驗驗證，得出了其破竹后竹片的各項指標，出材率為63.1%，毛邊率降到7.6%左右，對中率為93.6%，其工作破竹效率比人工破竹提高2 倍，可滿足竹材破竹分片生產需要。