歐式木窗雙端復合精銑自動上料定位裝置設(shè)計與研究

曲 文 蔣志維 楊春梅 丁禹程

（東北林業(yè)大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150006）

門窗是建筑物圍護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中重要的組成部分[1-2]，歐式木窗[3-5]以其優(yōu)異的裝飾效果、良好的保溫隔熱性能、天然的木材質(zhì)感，越來越受到人們的青睞，占據(jù)30%左右的市場份額，并呈上升態(tài)勢[6-9]。然而，歐式木窗型材多為純實木順紋集成材，對優(yōu)質(zhì)木材資源的依存度較高。因此，如何提高木窗加工的成品率和生產(chǎn)效率，對木材資源的高效利用和企業(yè)經(jīng)濟效益的提升至關(guān)重要[10-12]。

在木窗加工過程中，窗框表面銑削是木窗加工的重要環(huán)節(jié)[13]，目前，國內(nèi)窗型加工技術(shù)主要采用人工上料和木窗外端定位的方式[14-16]。操作人員需手動搬運木窗，并確保木窗外端面與機床靠尺平齊。然而，若木窗待加工邊框的內(nèi)外兩端面存在原始誤差（如單框不平行但垂直、雙框不平行單框不垂直、雙框平行垂直但不等寬、雙框不平行不垂直等問題），采用外端定位將增大銑削誤差如圖1所示，從而影響木窗銑削產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，木窗上料和定位裝置是影響表面裝飾質(zhì)量的關(guān)鍵因素，對于提高木材資源的利用和增強企業(yè)的核心競爭力具有關(guān)鍵意義[17-18]。

圖1 雙端銑外端定位木窗銑削誤差增大對比Fig.1 Double end milling outer end positioning wood window milling error increase comparison

基于木窗外端銑削現(xiàn)狀，并對木窗制造業(yè)進行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前企業(yè)缺少一種整體機構(gòu)將木窗自動運輸?shù)搅吓_并進行定位[19-22]。鑒于此，本文以搬運天車龍門和機械夾緊手作為主要上料機構(gòu)，并添加定位裝置及夾緊機構(gòu)，設(shè)計了一種歐式木窗雙端復合精銑自動上料定位裝置。該裝置主要用于木窗的自動上料，并專門對木窗進行內(nèi)端定位，解決了生產(chǎn)效率低、加工精度差的問題，對我國木窗生產(chǎn)裝置的研究和改進提供了新的思路，具有一定的實際意義。

1 雙端復合精銑自動上料及定位裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

雙端復合精銑自動上料及定位總體裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，總體結(jié)構(gòu)主要由移動滑軌、U6銑床、定位裝置、自動上料裝置及夾緊裝置組成，通過各個裝置機構(gòu)協(xié)同工作，實現(xiàn)對木窗的上料、定位及銑削。待加工木窗首先由運輸小車移動至機床上料位置，通過自動上料裝置將木窗放置到移動車機架上，之后通過底部導軌移動至定位裝置，實現(xiàn)對木窗的內(nèi)端定位。定位完成后，由機床夾緊裝置對木窗進行固定，最后通過底部移動滑軌將木窗送入U6銑床，待木窗一端銑削完成后，由底部滑軌繼續(xù)向前移動，裝置后端設(shè)有相同的U6銑床及定位裝置，對木窗另一端定位并進行銑削，實現(xiàn)對木窗的雙端復合精銑。

圖2 雙端復合精銑自動上料及定位總體裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Double-end composite finish milling automatic loading and positioning assembly structure

1.2 自動上料裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

雙端復合精銑自動上料裝置主要負責木窗的搬運。如圖3所示，裝置主要由MTB60中空旋轉(zhuǎn)平臺、夾緊手、移動車機架、搬運天車龍門、機械手頂及滑軌組成。其中，MTB60中空旋轉(zhuǎn)平臺通過電機驅(qū)動，實現(xiàn)角度自動調(diào)整；移動車機架是木窗夾緊及定位的承載主體；搬運天車龍門主要負責運輸小車上堆放木窗的搬運；機械手頂下裝有夾緊手，通過搬運天車龍門上的導軌進行移動，負責木窗的夾緊、承載及運輸；滑軌安裝在龍門立柱底座下方，龍門通過滑軌進行前后移動，實現(xiàn)木窗的精準放置。

圖3 雙端復合精銑自動上料裝置結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of double-end compound fine milling automatic loading device

1.3 齒輪齒條式傳動設(shè)計

由自動上料裝置結(jié)構(gòu)可知，機械手頂下方裝有夾緊手，夾緊手通過齒輪齒條傳動[23]對木窗外端進行夾緊，實現(xiàn)木窗的移動固定。夾緊手整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

由于木窗長度最大為2 000 mm× 2 000 mm，齒條設(shè)計時，選取總長為1 017.88 mm，齒數(shù)為108。由于對齒條的精度要求較低，因而選用直齒條[24]，選取材料為40 Cr的硬齒面，其表面進行淬火熱處理，齒面硬度為50 HRC。齒輪與齒條嚙合，由夾緊手高度及齒條長度，選取齒輪齒數(shù)為25。齒輪與齒條標準安裝，選擇直齒圓柱齒輪傳動，采用硬齒面，材料使用45鋼并進行表面淬火，齒面硬度為46 HRC。

齒輪作為傳動部件，需按GB/T 3480計算其承載能力。由于齒輪齒條嚙合傳動的重合度系數(shù)大，每個齒承受的力相對要小，所以進行強度校核時，只需考慮受力分析，對齒根彎曲疲勞強度[25]進行校核即可。

該齒輪轉(zhuǎn)速n=0.1 rad/s，取齒輪齒條傳動安全系數(shù)為1.5，可得齒輪許用彎曲應力為452 MPa，齒條許用彎曲應力為480 MPa，取其較小者作為齒輪副的接觸疲勞許用應力，即。在傳動配合時由于齒條的輪齒強度較大，故只需校核齒輪輪齒的強度，就能保證整個齒輪副的強度，按齒根彎曲校核得到的疲勞強度：

式中：Fσ為齒根彎曲疲勞強度，MPa；K F為載荷系數(shù)；1T為齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，N·m；YFa為齒輪齒形系數(shù)；YSa為應力修正系數(shù)；Yε為彎曲疲勞強度計算的重合度系數(shù)；?d為齒寬系數(shù)；m為齒輪模數(shù)；1Z為齒輪齒數(shù)。

1.4 定位及夾緊裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

雙端復合精銑定位及夾緊整體裝置如圖5所示，定位裝置主要由立柱、機床定位平板、橡膠墊、TN雙軸氣缸、靠尺及升降銷組成。其中，立柱起支撐作用，用于承載定位平板及裝置中的部件；機床定位平板是木窗定位裝置的承載主體；TN雙軸氣缸屬于裝置的驅(qū)動機構(gòu)，用于推動木窗進行平移運動；升降銷及靠尺作為定位基準，確保木窗內(nèi)端定位的精確性。龍門立柱底座通過底部滑軌將移動車機架上的木窗與靠尺重合，此時銷升起，靠尺內(nèi)部的氣缸帶動橡膠墊向前伸長，推動木窗外端，直至木窗內(nèi)端緊貼升降銷，此時靠尺前移至木窗外端，實現(xiàn)木窗定位。

圖5 雙端復合精銑定位及夾緊裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Double-end composite finish milling positioning and clamping device structure diagram

夾緊裝置主要由SI標準氣缸、頂部懸梁、移動底座及QGHJ回轉(zhuǎn)夾緊氣缸組成。其中，頂部懸梁主要作用是安裝部件，其下方裝有SI標準氣缸，移動底座用于帶動QGHJ回轉(zhuǎn)夾緊氣缸，兩氣缸可以實現(xiàn)對木窗的完全固定。

1.5 驅(qū)動氣缸的選型

雙端復合精銑定位裝置主要依靠氣缸進行推動，因此需要對氣缸進行選型。已知雙端復合精銑所加工的木窗長度最大為2 000 mm× 2 000 mm，木窗最大重量約為25 kg，木窗與機床定位平板之間的摩擦系數(shù)最大約為0.5，即推動木窗所需的最大摩擦力為125 N。

根據(jù)木窗移動所需的摩擦力及移動距離，現(xiàn)選擇氣缸為TN系列的雙軸氣缸，具體型號為TN-10×50，速度范圍50～500 mm/s，行程50 mm，氣壓0.5 MPa，缸徑10 mm，即0.5 MPa下單個TN雙軸氣缸的理論出力為78.5 N。

考慮實際情況，對于氣缸速度在50～500 mm/s范圍內(nèi)的水平或垂直動作，阻力影響很大，負載率β≤0.5，即氣缸實際輸出力為39.25 N。因此，定位裝置4個TN雙軸氣缸總的實際輸出力為157 N，即木窗所受實際推力為157 N。

2 雙端復合精銑定位裝置力學分析

在雙端復合精銑定位裝置中，驅(qū)動機構(gòu)是連接的4個TN雙軸氣缸，通過氣缸內(nèi)活塞桿的伸縮進行驅(qū)動，實現(xiàn)木窗在機床定位平板上的平移運動。實際定位過程中，木窗外端通過TN雙軸氣缸往前推進，當移動至木窗內(nèi)端與銷接觸時，兩者之間將產(chǎn)生接觸應力，各個銷與木窗之間的接觸應力是否均勻?qū)⒅苯佑绊懩敬斑M入U6銑床銑削時的穩(wěn)定性及加工精度。因此，需要對銷與木窗之間的各個接觸點進行仿真，對木窗受力及形變進行分析，可將圖6 作為木窗與銷之間的受力簡圖。

圖6 木窗外端推力及內(nèi)端接觸應力簡圖Fig.6 Sketch of the outer end thrust and inner end contact stress of the wooden window

雙端復合精銑定位裝置中的4 個TN雙軸氣缸總的實際輸出力為157 N，即木窗所受實際推力與氣缸實際輸出力均為157 N。由于木窗進入U6 銑床加工時，木窗內(nèi)外兩端面是被加緊固定的，木窗外端所受推力與銷對木窗內(nèi)端的支撐力為二力平衡關(guān)系，因此銷所受應力為157 N。

3 雙端復合精銑定位裝置仿真分析

雙端復合精銑定位裝置中，銷的數(shù)量及間距是整個定位裝置中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，木窗內(nèi)端與銷之間的接觸部位是定位裝置中重要受力部位。因此，需要對木窗內(nèi)端受力進行有限元分析[27-28]，模擬仿真出準確結(jié)果，為銷的數(shù)量和間距的優(yōu)化提供可靠依據(jù)。由于木窗與銷之間的受力較復雜，需要對模型進行一定的簡化。將4 個TN雙軸氣缸的推力簡化為對木窗外表面的總推力，將銷與木窗內(nèi)端所受的擠壓力簡化為銷對木窗的反推力，達到二力平衡，在此基礎(chǔ)上進行木窗受力的仿真分析。

3.1 賦予材料特性及模型網(wǎng)格劃分

木窗選取材料屬性設(shè)置為橡木[29-30]，物理特性如表1 所示。

表1 木窗物理特性Tab.1 Physical properties of wood windows

在ANSYS Workbench中劃分網(wǎng)格，為滿足可精確分析的要求，整體框架模型的劃分共有39 144個網(wǎng)格單元，187 089個節(jié)點。通過對氣缸的計算，得出施加載荷約為157 N，此力為氣缸對木窗外端的推力及銷對木窗內(nèi)端的反推力，內(nèi)端定位設(shè)定銷的數(shù)量為6個，受力位置及施加約束和載荷后的模型如圖7所示。

圖7 木窗內(nèi)外端受力靜態(tài)結(jié)構(gòu)Fig.7 Static structure of the inner and outer ends of the wooden window under stress

3.2 仿真結(jié)果與優(yōu)化

木窗通過ANSYS軟件進行受力仿真，等效彈性應變及等效應力仿真結(jié)果如圖8、9 所示。通過仿真結(jié)果可以看出，受力變形主要集中于銷與木窗接觸的位置。木窗在進行內(nèi)端定位時，由木窗總變形圖10 可知銷與木窗之間的變形很小，最大變形量為0.110 73 mm，這種變形程度在實際工作過程中幾乎不會對銑削造成影響。因此，雙端復合精銑定位裝置滿足使用要求，但可對其進一步優(yōu)化。

圖8 木窗等效彈性應變Fig.8 Equivalent elastic strain diagram of wooden window

圖9 木窗等效應力Fig.9 Wooden window equivalent force diagram

圖10 木窗總變形Fig.10 Total deformation of wooden windows

在銑削加工過程中，木窗內(nèi)端與銷之間的接觸部位是定位裝置中最重要的受力部位，因此需要改變銷的數(shù)量及間距進行優(yōu)化。以同樣的推力對木窗外端施加載荷，內(nèi)端定位設(shè)定銷的數(shù)量為8 個并進行仿真分析。等效彈性應變及等效應力仿真結(jié)果如圖11 和圖12 所示。與之前木窗受力仿真結(jié)果相比，銷數(shù)量及位置改進后的木窗受力更均勻，可更好地滿足銑削要求。已知木窗仿真等效應力結(jié)果，對于兩種不同數(shù)量及位置定位銷的分布方式，取中間銷兩側(cè)所受等效應力進行分析對比，其結(jié)果如圖13 所示。

圖11 木窗等效彈性應變Fig.11 Equivalent elastic strain diagram of wooden window

圖12 木窗等效應力Fig.12 Wooden window equivalent force diagram

圖13 銷兩側(cè)等效應力對比分析Fig.13 Comparative analysis of the equivalent force on both sides of the pin

由圖13 可以看出，六銷定位木窗所受最大應力極差為0.018 34 MPa，八銷定位木窗所受最大應力極差為0.007 13 MPa。在氣缸推力不變的情況下，采用優(yōu)化后八銷定位木窗所受最大應力較小，并且相較于最初六銷定位所受等效應力的極差減小了約1.6 倍，可知優(yōu)化后銷與木窗之間的受力更均勻，從而木窗進入U6 銑床加工時更平穩(wěn)，相對銑削誤差更小。

4 結(jié)論

設(shè)計了一種雙端復合精銑自動上料及定位裝置，并對定位銷與木窗之間的受力進行仿真與優(yōu)化，主要得出以下結(jié)論：1）通過SolidWorks軟件建立三維模型，完成對木窗自動上料及定位裝置的設(shè)計，并對雙端復合精銑自動上料及定位裝置的工作原理進行分析，確定齒輪齒條的參數(shù)，并完成定位氣缸的選型，解決了目前木窗生產(chǎn)加工效率低和定位精度差的問題。2）運用ANSYS Workbench軟件對木窗內(nèi)端進行靜力學分析，并根據(jù)仿真結(jié)果對中間定位銷兩側(cè)的等效應力進行對比分析，得出優(yōu)化后八銷定位木窗所受最大應力較小，且受力更均勻，進行銑削時誤差更小。