全自動智能梳齒指接生產線自動翻轉預緊裝置的設計王均東，趙特，劉英，趙乾，翟菲菲

最新 09-25

木材作為人類重要的生產、生活材料，正面臨著嚴峻的資源短缺問題，因此木材利用必須走一條可持續發展的生產道路。目前，生產指接材是節約木材資源的最有效途徑[1]。我國的木材加工裝備大多較為落後，需要轉型升級，提高其自動化水平，自動翻轉預緊裝置的研究將推動我國的木材加工機械向高精度、高質量、高速度、集成化方向發展[2]。

全自動智能梳齒指接生產線自動化程度高，在翻轉檯上採用了伺服電機控制推板送料方式，確保指接木料進給方向的準確性，提高產品質量，大大提高了生產效率，減少了用工量，也減輕了工人的勞動強度，從而降低了企業生產成本，並且使木料指接的加工實現了工業化生產[3-4]。

1 總體設計

全自動梳齒指接生產線由模塊方式組建的高速高效、省工省料的專用木工機床組成。該生產線的總體設計採用梳齒開榫、自動噴膠、木料自動翻轉預緊、木料對接接長等關鍵技術。該指接生產線由左開榫機、右開榫機、總電器控制箱、自動翻轉檯、輸送送料部分、接長壓機、出料台7部分組成。如圖1所示。

全自動梳齒指接生產線的主要技術參數如下:

1—接長壓機；2—輸送送料部分；3—自動翻轉檯；4—總電器控制箱；5—右開榫機；6—左開榫機；7—出料台

圖1 全自動指接生產線

電機總功率為87.89kW，外形尺寸為18 828mm×5 221mm×1 820mm，質量為9 500kg。

梳齒機部分：工作台寬度為600mm，進料長度為150～900mm，梳齒高度為15～150mm，梳齒主軸轉速為5 000r/min，粉碎鋸轉速為4 650r/min，劃線鋸轉速為5 800r/min，梳齒速度為18～24m/min。

接長機部分：木料寬度為40～150mm，木料高度為15～80mm，接長木料長度為3 000～6 100mm。

加工效率：垂直指接為30m/min，水平指接為15m/min。

接長機壓力：1～12t。

2 自動翻轉裝置

2.1 自動翻轉裝置的機械結構

自動翻轉裝置的機械結構如圖2所示。

1—機架；2—出料帶；3—輸送帶；4—推料裝置；5—迴轉機構；6—翻料裝置

圖2 自動翻轉預緊裝置

2.2 自動翻轉裝置的工作原理

經梳齒後的木料被送料帶輸送到翻料台，此時推板停留在原始位置，當翻料台有木料、光電開關感應到木料進入時，推板向前推動木料前進。當木料到達送料帶，送料帶感應開關感應到木料時，推板停止推動木料，翻轉毛刷開始轉動使木料翻轉到送料帶，由於翻料台與送料帶之間存在一定的高度差，因而便於木料成功翻轉，翻轉後的木料被送料帶快速帶走，以進行下一步的預緊、接長。

自動翻轉裝置控制流程如圖3所示。

圖3 翻轉預緊裝置控制流程圖

2.3 工件木料翻轉關係值設計

在自動翻轉裝置設計中，主要考慮工件翻轉角度的自由落體重力與空間關係，要根據工件的截面尺寸大小來移動木料位置(木料相對於翻料台邊緣的位置)，同時要考慮工件轉動時翻轉的高度差尺寸值。

如圖4所示，根據工件的邊緣空間和轉動水平落差值來設計工件的翻轉動作。其中B代表工件的寬度，H代表工件的高度。推板推動工件向前運動，使工件處於B1=B2的狀態，因為翻轉檯和預緊台之間有一定的工作落差，記作H1(此落差可用區間範圍方式選擇，如：15～30mm，30～45mm，>45mm),所以勾板在臨界處能夠穩定工件。勾板抬起毛刷轉動，工件與翻轉檯之間的翻轉水平轉角值相等，最有利於工件的翻轉。

1—工件木料；2—推板；3—翻轉工作台；4—預緊工作台

圖4 工件翻轉局部圖

2.4 工件木料的翻轉效率設計

考慮到工件是間隙式加工，因此主機工作效率設計方式按節拍周期來分攤工序時間以保證主機效率。

1)由於進料長度和高度的不同，因此木料長度和高度參考值均取平均值。則每一周期推板推料件數N的計算公式為：

N=H/B

每一周期推板送料總長度L的計算公式為：

L=N×B

接長機每分鐘出料根數Y的計算公式為：

Y=V/L1

式中：H為工作台寬度，mm；B為木料平均高度，mm；V為木料垂直指接速度，m/min；L1為木料平均長度，mm。

2)推板送料速度和周期計算：由1)可知，每一周期內推板推動一組木料所用總時間為t=60/Y，考慮到工件推動過程中存在時間間隙差，所以推板推動一組木料實際所用時間t1為總時間的2/3，即：

則每一周期內推動木料所用總時間t總的計算公式為：

t總=Nt1

因此推板送料速度V總的計算公式為：

V總=L/t總

2.5 自動翻轉裝置送料帶部件的送料時間和速度計算

由於推板推動一組木料實際所用時間為總時間的2/3，所以輸送帶送入一組木料和推板所用的回程時間只佔1/3，設定在1/3的時間裡輸送帶和推板回程時間各佔總時間的1/2，則輸送帶的送料時間為：

t送×

設定輸送帶的運轉速度，則減速機輸出轉速的計算公式為：

式中：P為減速機電機功率，kW；T為減速機的輸出扭矩，N·m。

輸送帶送料速度V輸的計算公式為：

V輸

式中：d為主動輥的直徑，mm。

3 自動翻轉推料裝置

自動翻轉推料裝置如圖5所示。推料裝置中的氣動升降部分是根據木材厚度來調整翻料工作台和送料帶的高度，可有效地確保木料翻轉的準確性。而推板運動則是由光電開關通過程序發送指令給伺服電機來控制推板的前進和回退過程，使木料準確地翻轉到送料帶上。

1—氣動升降；2—送料帶；3—上升降架；4—迴轉軸； 5—推料電機；6—翻料裝置；7—推板

圖5 推料裝置

4 自動翻轉翻料裝置

自動翻轉翻料裝置如圖6所示，當送料帶上有木料存在時，光電開關通過程序發送指令給氣缸，使勾板始終壓著翻料台上的木料。而當送料帶上沒有木料時，氣缸會接收信號使勾板鬆開，此時推板繼續推動木料，進而毛刷轉動使木料翻轉到送料帶上。

5 自動翻轉裝置送料帶部件

自動翻轉裝置送料帶部件如圖7所示。主動

1—毛刷；2—滑板；3—升降調節螺桿；4—氣缸；5—勾板上下調節手柄；6—勾板前後調節手柄；7—毛刷前後調節手柄；8—勾板

圖6 翻料裝置

輥由減速電動機帶動轉動，驅使送料帶平穩轉動。

1—被動輥；2—送料帶；3—支架；4—張緊調節輥；5—主動輥

圖7 送料帶部件

6 自動預緊輸送部件

自動預緊輸送部件如圖8所示。

1—氣動上壓輥輪組件；2—電動輥；3—鏈式側面送料組件；4—扭力滾輪側壓組件；5—彈片式上壓組件；6—水平帶式送料組件；7—可調式側靠板組件；8—開關按鈕

圖8 輸送預緊部件

在工件輸送過程中，翻轉後的梳齒木料經過側向校直鏈和扭力彈性板的自動校直、送料帶和上壓板施壓以及送料帶與校直鏈間的不同速率，能夠快速無間斷地實現梳齒料的預緊。因此進料上、下壓輥在3個不同速率的驅動下形成二級差速，實現工件的初步預緊[5-6]。

根據接長機的加工效率，工件垂直指接的速度是30m/min，它的設計方式為節拍周期式生產，送料時間約佔節拍總時間的1/3。其動作設計為進料—切斷—移位—下壓—擠壓—出料。運用差動預壓設計原理，鏈條傳動速度應高於進料速度的10%，輸送帶傳動速度應高於進料速度的20%。

根據上述條件計算預緊送料速度如下：

因工件垂直指接的速度是V垂直，當每個節拍送料的過程所用時間占接長總時間的 1/3，即每分鐘上、下壓輥所用時間為工件接長所用時間的1/3，則對於同一批長度的工件，壓輥進料速度Va應為工件垂直指接速度的3倍，所以為了使工件之間指接平穩，鏈條進料速度應比壓輥的速度快10%，送料帶速度Vc應比壓輥的速度快20%，則由此可得出三者之間的關係如下；

1)壓輥的進料速度；

2)鏈條的進料速度r2=10%r1；

3)輸送帶的送料速度r3=20%r2。

7 自動翻轉預緊裝置控制系統設計

自動翻轉預緊裝置控制系統的設計是在機械系統的基礎上，以安裝組態軟體的PC機作為上位機，MITSUBISHIQ00PLC為下位機，進行兩級分散式控制。整個操作過程分為手動和自動兩種模式，在檢測裝置的安裝調試時，需要採用手動控制，而對工件進行指接預緊檢測時，應在自動模式下。系統的總體控制方案如圖9所示。