压辊悬臂机床设计与研究

第５１卷㊀第９期２０２３年９月
㊀㊀
林业机械与木工设备
ＦＯＲＥＳＴＲＹＭＡＣＨＩＮＥＲＹ＆ＷＯＯＤＷＯＲＫＩＮＧＥＱＵＩＰＭＥＮＴ
Ｖｏｌ５１Ｎｏ.９Ｓｅｐ.２０２３
研究与设计
压辊悬臂机床设计与研究
吴㊀哲ꎬ㊀张中弛ꎬ㊀杨春梅∗ꎬ㊀任长清ꎬ㊀丁禹程
(东北林业大学机电工程学院ꎬ黑龙江哈尔滨１５００４０)
摘㊀要:窗扇的铣型加工是木窗产品机械加工中一道重要的工序ꎬ针对该加工过程中面临的人工扶窗加工㊁木窗尺寸不一㊁人工换刀不便等问题ꎬ采用建模软件ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ２０２１设计了能与木窗加工中心相配合的压辊悬臂装置ꎬ并利用Ａｎｓｙｓ２０２２对横梁进行仿真分析以保证其在结构强度足够的基础上ꎬ实现横梁的最佳结构ꎬ随后对横梁进行模态分析ꎬ找出可能对结构产生威胁的工作频率ꎮ该装置的完成将对窗扇成型的自动化加工有显著的提高ꎮ
关键词:铣型加工ꎻ横梁ꎻ自动化ꎻ压辊悬臂机构ꎻ仿真分析
中图分类号:ＴＧ５０２㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀文章编号:２０９５－２９５３(２０２３)０９－００３３－０５
ＤｅｓｉｇｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＰｒｅｓｓＲｏｌｌｅｒＣａｎｔｉｌｅｖｅｒＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ
ＷＵＺｈｅꎬＺＨＡＮＧＺｈｏｎｇ￣ｃｈｉꎬＹＡＮＧＣｈｕｎ￣ｍｅｉ∗ꎬＲＥＮＣｈａｎｇ￣ｑｉｎｇꎬＤＩＮＧＹｕ￣ｃｈｅｎｇ
(ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＮｏｒｔｈｅａｓｔＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＨａｒｂｉｎＨｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ１５００４０ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｍｉｌｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｗｉｎｄｏｗｓａｓｈｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｐｒｏｃｅｓｓｉｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｆｗｏｏｄｅｎｗｉｎｄｏｗ
ｐｒｏｄｕｃｔｓ.Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｆａｃｅｄｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓꎬｓｕｃｈａｓｍａｎｕａｌｗｉｎｄｏｗｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇꎬｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｉｚｅｓｏｆｗｏｏｄｅｎｗｉｎｄｏｗｓꎬａｎｄｉｎｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｍａｎｕａｌｔｏｏｌｃｈａｎｇｅꎬｔｈｅｍｏｄｅｌｉｎｇｓｏｆｔｗａｒｅｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ２０２１ｉｓｕｓｅｄｔｏｄｅｓｉｇｎａｐｒｅｓｓｒｏｌｌｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｄｅｖｉｃｅｔｈａｔｃａｎｍａｔｃｈｗｉｔｈｔｈｅｗｏｏｄｅｎｗｉｎｄｏｗｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｃｅｎｔｅｒꎬａｎｄｔｈｅｂｅａｍｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄｂｙｕｓｉｎｇＡｎｓｙｓ２０２２ｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈａｔｉｔｉｓｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｔｒｅｎｇｔｈꎬＲｅａｌ￣ｉｚｅｔｈｅｂｅｓｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｂｅａｍꎬａｎｄｔｈｅｎｃｏｎｄｕｃｔｍｏｄａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｎｔｈｅｂｅａｍｔｏｆｉｎｄｏｕｔｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
ｔｈａｔｍａｙｐｏｓｅａｔｈｒｅａｔｔｏｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ.Ｔｈｅｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎｏｆｔｈｉｓｄｅｖｉｃｅｗｉｌｌｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｏｎｏｆｗｉｎ￣ｄｏｗｓａｓｈｍｏｌｄｉｎｇ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｍｉｌｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇꎻｂｅａｍꎻａｕｔｏｍａｔｉｏｎꎻｐｒｅｓｓｒｏｌｌｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｍｅｃｈａｎｉｓｍꎻｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ
㊀㊀收稿日期:２０２３－０６－２０
基金项目:黑龙江省重点研发项目(ＧＡ２１Ａ４０５)ꎻ中央高校基本科研业务费专项资金项目(２５７２０２０ＤＲ１２)ꎻ黑龙江省自然科
学基金项目(ＬＨ２０２２Ｃ００９)ꎻ国家重点研发计划(２０２１ＹＦＤ２２００６０４０４)
第一作者简介:吴哲ꎬ副教授ꎬ博士研究生ꎬ主要研究方向为木工机械设计ꎬＥ－ｍａｉｌ:ｗｕｚｈｅ＠ｎｅｆｕ.ｅｄｕ.ｃｎꎮ
∗通讯作者:杨春梅ꎬ教授ꎬ博士研究生导师ꎬ博士ꎬ主要研究方向为木工机械设计ꎬＥ－ｍａｉｌ:ｙｃｍｎｅｆｕ＠１２６.ｃｏｍꎮ
欧式木窗型材作为一种纯木质顺纹集成材ꎬ因其出色的抗压抗折特性而深受市场欢迎[１]ꎬ最早面世于２０世纪７０年代ꎬ由瑞典科学院的研究员开发并制作ꎮ这种制作方法在面世后不久被欧美诸多国家广泛应用ꎮ我国从１９９６年开始制作欧式木窗ꎬ但
这时的设备都是采用国外进口设备ꎬ一直到１９９９年才在欧式木窗生产方面具备工业化生产的基本条件[２]ꎮ李伟光等[３]研究了三种典型木门门扇自动化柔性生产线的设计方案ꎬ这些方案都简略地描绘出生产线的加工过程以及加工设备布置ꎬ并进行了加
林业机械与木工设备第５１卷
工效率以及成本的分析ꎮ赵晏林[４]研究了多品种小批量环境下的家具混流生产线平衡分析与改善ꎻ钱文婷[５]等研究了家具自动仓储系统ꎬ对每个单元站都进行了详尽的分析ꎬ目前国内对木制门窗加工的生产是以多机器部件相互协调的模式进行的ꎮ倘若在木制门窗产业线方面实现机械智能化生产ꎬ那么这将会高效实现劳动力自由化ꎬ合理地规避单一性产品的重复劳动并对环境保护等多方面起到促进作用ꎮ
经过对木窗生产企业的调研ꎬ笔者了解到截至目前我国窗型加工环节多处于半自动化阶段ꎬ在对木窗的窗框成型过程中仍需要工人把扶窗框ꎬ借助机床的四个刀位和五金胶条安装槽口ꎬ再对木窗进行铣型加工ꎬ这样的过程不仅耗费人力ꎬ提高生产成本ꎬ而且对工人本身技术也具有一定要求ꎬ稍有不慎可能就会造成木制门窗边框出现尺寸误差ꎬ影响木窗产品质量ꎮ
为了能够解决这一问题设计了一种自动窗型加工设备(如图１所示)ꎬ在原有木窗加工中心的基础上使用滑台升降装置控制压辊架的高度ꎬ并采用辊台架与压辊架相配合的方式保证木窗在加工过程中的稳定性ꎮ为了保障木窗加工中心不会出现故障ꎬ工人需要定期对机床进行检修ꎬ因此需要在压辊支柱上焊接横梁ꎬ并在横梁侧安装导轨以保证机床的舱门能够被打开
ꎮ
图１㊀压辊悬臂机床
１㊀压辊悬臂机床主要结构
首先在多个方案中筛选出性价比最高且具备可
行性的方案ꎬ再利用三维建模软件绘制出该方案中的压辊悬臂机床模型ꎬ这一方案中压辊悬臂机床主要由压辊升降台㊁升降支撑架㊁机床和辊台总装四个部分构成ꎮ
压辊升降台(如图２所示)由压辊㊁压辊架㊁压辊支架㊁压辊支柱㊁压辊总支架㊁滑台升降装置㊁伺服电机组成ꎮ因需要加工的木窗尺寸从５００ｍｍ到
２００００ｍｍ不等ꎬ所以为了保障木窗在木窗加工中心工作过程中不被刮飞ꎬ需要让压辊辊子满足在加工不同尺寸木窗时都能够将木窗压紧ꎮ可以通过多个小段压辊成功完成ꎬ这种设计尽可能地保障了不同尺寸木窗的均匀受力ꎬ不会出现翘边的现象ꎮ当木窗被放在辊台上后ꎬ电机通过丝杠作用带动滑台升降装置升高ꎬ直到最终木窗被加紧
ꎮ
图２㊀压辊升降台示意图
升降支撑架(如图３所示)由横梁㊁导轨滑块和底座三个部分构成ꎬ该结构主要用于解决压辊与辊台夹持过程中面临的悬臂梁弯曲问题ꎮ将横梁与悬臂梁压辊支柱焊接在一起ꎬ使横梁能承担一部分压辊的重量ꎮ相较于木窗上下压紧都使用多排单辊ꎬ升降支撑架也可以令压辊悬臂装置满足不妨碍机床门开合的基本条件ꎮ当机床需要定期检查时ꎬ只需要将升降支撑架高度下降就可以得到机床门打开的空间ꎮ当压辊悬臂装置达到规定位置时ꎬ将滑块锁死在导轨上可以有效辅助压辊支柱分担压辊架和压辊的重量
ꎮ
图３㊀升降支撑架示意图
辊台总装(如图４所示)由多个单辊和架子构
成ꎮ此结构用于支撑需要加工的木窗ꎬ并用于稳定整个装置
ꎮ
图４㊀辊台总装示意图
２㊀横梁受力分析
２.１㊀压辊架受力分析
４
３
第９期吴㊀哲ꎬ等:压辊悬臂机床设计与研究
为了分析横梁具体受力情况ꎬ首先要计算出每根压辊支柱所承受的重量ꎬ单组压辊支柱和压辊如图５所示ꎮ通过Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ建立单组压辊支柱以及上面四个压辊的模型(如图６所示)ꎬ在设定好材料后根据Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ中评估下的质量属性可以清楚单组压辊和压辊架的重量和为２.２６５ｋｇꎮ材料为Ｇｂ/６７２８－１９８６的方型空心型钢压辊支架重量为０.５９７ｋｇꎬ根据模型也可以看出每个压辊架之间距离为３８０ｍｍꎮ为了将压辊支柱重量计算在其中ꎬ需要标记出
其质心位置ꎮ将质心位置[６]通过Ｍａｔｌａｂ计算出来:
Ｘ＝
ðｎ
ｉ＝１
ｘｉ
Ｎ
Ｙ＝
ðｎ
ｉ＝１
ｙｉＮＺ＝
ðｎ
ｉ＝１ｚｉＮ
计算出质心位置坐标为Ｘ＝６１５ꎬＹ＝２７５ꎬＺ＝
０ꎮ
图５㊀
单组压辊支柱和压辊
图６㊀压辊模型
为计算横梁单个焊点承受的力需要对压辊支柱进行受力分析ꎬ如图７所示
ꎮ
图７㊀压辊支柱受力分析
Ｆ１＝
ｆ１ｌ１＋ｆ２(ｌ１＋ｌ２)＋ｆ３(ｌ１＋ｌ２＋ｌ３)＋ｆ４(ｌ１＋ｌ２＋ｌ３＋ｌ４)＋Ｇｌ５
Ｌ
(１)
式(１)中:ｆ为单组压辊和压辊架重量ꎻＬ为焊点受力力臂ꎻＧ为压辊支柱重量ꎻＦ１为焊点受力ꎮ计算得出Ｆ１为４７.８９６５Ｎꎮ２.２㊀横梁受力情况
根据Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ构建出的横梁模型可以看出横梁与压辊升降台之间有２２个焊点ꎬ即有２２组压辊和压辊支柱ꎬ每组压辊支架之间的距离为２００ｍｍꎬ末端焊点与边界的距离为３２５ｍｍꎮ
３㊀横梁结构静力学分析
３.１㊀Ｃ槽横梁静力学分析
将使用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ绘制的横梁模型通过工具导入到Ａｎｓｙｓ２０２２Ｒ１的Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ中进行静力学分
析ꎬ整体材料设定为Ｑ２３５－Ａꎬ泊松比设为０.２８８ꎬ弹性模量２.１２Ｅ＋１１Ｐａꎬ质量密度为７８６０ｋｇ/ｍ３ꎮ
使用定值网格划分的形式ꎬ按照网格大小为
２０ｍｍ的网格对横梁进行网格划分ꎬ采用对横梁上２２个焊点进行力的赋予ꎬ并对横梁侧面施加约束(如图８所示)ꎬ在有限元分析完成后ꎬ对总变形和等效应力进
行最后的求解[７]ꎬ求解结果如图９㊁图１０所示
ꎮ
图８㊀
横梁约束与载荷
图９㊀Ｃ
槽变形云图
图１０㊀Ｃ槽应力云图
５
３
林业机械与木工设备
第５１卷
根据计算结果分析可以看出在横梁结构中ꎬ横
梁应力主要集中在水平方向的三条杆上ꎬ而最大变形量出现在焊接杆的中间位置ꎬ最大变形量Ｗｍａｘ为
２.６１６６ｍｍꎬ最大应力值为１７.３４９ＭＰａꎮ由上述结果分析可以知道在横梁与压辊架接触面存在较大的变形ꎬ最大变形量大于许用变形量的２ｍｍꎬ这在压辊悬臂加床长期使用过程中可能产生裂纹甚至断裂现象ꎮ同时横梁两端也存在较大应力ꎬ长期使用可能会使水平Ｃ槽和竖直Ｃ槽焊接部位断裂ꎮ３.２㊀方形管静力学分析
为了降低横梁在使用过程中面临的过大变形ꎬ笔者将横梁结构从１００ˑ１０的Ｃ槽更换为８０ˑ８０ˑ５的方型管并重新进行Ａｎｓｙｓ分析ꎬ变形云图和应力云图见图１１㊁图
１２ꎮ
图１１㊀
方型管变形云图
图１２㊀方型管应力云图
改变结构后ꎬ横梁变形量显著降低ꎬ由原本的
２.６１６６ｍｍ变成了０.４７０３ｍｍꎬ降低了８２％ꎬ最大应力也从原来的１７.３４９ＭＰａ下降到了１７.０４１Ｍｐａꎬ降低了２％ꎬ完美满足材料要求ꎮ
４㊀横梁的模态分析
为了验证横梁结构在机床进行铣型加工过程中
能否满足性能要求ꎬ需要对横梁进行动态特性的研究ꎮ通过对结构进行模态分析ꎬ验证其是否会与机床之间发生共振ꎬ以避免可能出现的事故ꎮ４.１㊀模态分析理论基础
每个设计都有自己的频率ꎬ这是一种不依赖于外部负载的固有属性ꎬ运动方程表达式如下:
[Ｍ]{ｕ㊆}＋[Ｃ]{ｕ˙
}＋[Ｋ]{ｕ}＝{Ｆ(ｔ)}(２)式(２)中:[Ｍ]为为结构质量矩阵ꎻ[Ｃ]为结构阻尼矩阵ꎻ[ｋ]为结构刚度矩阵ꎻ{Ｆ}为被ｔ影响的载荷函数ꎻ{ｕ}为节点位移矢量ꎻ{ｕ˙
}为节点速度矢量ꎻ{ｕ㊆
}
为节点加速度矢量ꎮ
同时横梁结构本身的自振频率也是结构自身的一种固有属性ꎬ在不考虑外界激振力的的前提下ꎬ有阻尼和无阻尼的发生条件如下:ω０＝ω
㊀
１－ξ２(３)式(３)中ꎬξ为阻尼比
当发生谐振动时运动方程为:
([Ｋ]－ωｉ２[Ｍ]){Φｉ}＝０
(４)
由式(４)可知ꎬ对于任何结构的模态分析ꎬ其固有圆周频率ωｉ和振型Φ均可以被求出ꎮ４.２㊀模态分析
在真实振动中低阶模态振动占据主导地位ꎬ高阶
模态在振动过程中转瞬即逝ꎬ因此暂不考虑[８－９]ꎮ通
过剖析模态分析的运行原理可以知道所要测试结构
的振动特性只与其本身的刚度和质量有关ꎬ并不受外界载荷影响ꎬ因此在进行模态分析时不需要施加载荷与约束条件ꎬ直接接续静力学分析的结构继续进行方形管横梁前六阶模态分析[１０]ꎬ振型云图如图１３所示ꎬ
前六阶模态频率与振型特性如表１所示ꎮ
表１㊀前六阶模态频率与振型特性
阶数频率/Ｈｚ振动部位
振型特征１１１.６６７横梁水平部分中心位置
沿Ｚ轴上下弯曲振动
２１８.６７３横梁水平部分中心位置
沿Ｙ轴前后弯曲振动
３３０.４３
横梁水平部分１/４处和３/４处和竖直部分沿Ｘ轴上下扭转摆动且幅度较大ꎬ且竖直部分有小幅度弯曲
４３２.５１６横梁水平部分１/４处和３/４处
沿Ｙ轴前后扭转摆动５４２.９０５横梁水平部分三段间的两侧焊接部位
沿Ｚ轴上下弯曲振动
６
５７.５１４横梁水平部位２/５处和４/５处沿Ｙ轴前后扭转摆动６
３
第９期吴㊀哲ꎬ等:压辊悬臂机床设计与研究
㊀㊀根据表１的描述可以清楚ꎬ横梁的主要振动形式是扭转和弯曲ꎬ在前六个阶段的振动频率中ꎬ振动频率从１１.６６７Ｈｚ一直蔓延到５７.５１２Ｈｚꎮ这与无阻尼振动的随机特性相符合ꎮ如果从整体角度观察ꎬ随着横梁振动固有频率的增加ꎬ其结构本身形变量也在增加ꎬ而就因振动产生的形变而言ꎬ其形态变化主要发生在横梁的水平接触段ꎬ其水平两侧与竖直部分所受影响不大ꎬ在机床工作过程中应尽量避免频率处于３０.４３~
４２.９０５Ｈｚꎮ
图１３㊀横梁１－６阶振型云图
５㊀结论
(１)根据压辊悬臂机床实际需求ꎬ设计横梁结构
辅助压辊升降台承担压辊重量ꎬ随后使用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ中的静力学结构分析ꎬ并对横梁结构进行
优化ꎮ对横梁进行优化后ꎬ其应力大小和分布以及变
形情况得到显著改善ꎮ最大应力值从１７.３４９ＭＰａ降低到１７.０４１ＭＰａꎬ下降幅度２％ꎮ此外ꎬ最大变形量
２.６１６６ｍｍ显著减小至０.４７０３ｍｍꎬ下降幅度为８２％ꎮ
(２)对横梁结构进行模态分析时发现ꎬ当振动频率达到第五阶振型频率４２.９０５Ｈｚ时ꎬ其最大变形量达到７.１７４７ｍｍꎬ前六阶固有频率范围从１１.６６７~
５７.５１４Ｈｚꎬ且较危险频率发生在３０.４３~４２.９０５Ｈｚꎬ应避免机床电机在实际工作过程中达到这一频率ꎬ并为此修改电机功率ꎮ
通过本次对压辊悬臂机床横梁的优化设计ꎬ成功提高了横梁的承重能力并对横梁本身进行支撑ꎬ并找出其在工作中比较稳定的频率区间ꎬ提高了机床的稳定性以及耐久性ꎮ
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ｔｈｅＢｒａｚｉｌｉａｎＳｏｃｉｅｔｙｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅｓａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ
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