楊春梅，張曉婷，丁禹程，薛 勃

(東北林業(yè)大學(xué)林業(yè)與木工機(jī)械工程技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150040)

木門(mén)窗行業(yè)是我國(guó)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之一，現(xiàn)在木門(mén)窗行業(yè)中對(duì)于門(mén)窗組框前的加工大多采用批量加工，生產(chǎn)出的產(chǎn)品大同小異，不能進(jìn)行定制化加工，且不夠多元化[1-4]。此外，大多企業(yè)在加工木門(mén)窗的過(guò)程中會(huì)比較浪費(fèi)材料，加工精度普遍較低，而我國(guó)現(xiàn)在木材越來(lái)越少，應(yīng)提高對(duì)木材的利用率，故對(duì)加工精度的要求也越來(lái)越高[5-7]。完整的木門(mén)窗加工往往需要多種設(shè)備，多次夾緊，誤差較大，浪費(fèi)人工，效率也不高[8-11]，故應(yīng)該改善加工方式，采用集開(kāi)榫、銑削、鉆孔等多功能機(jī)床來(lái)實(shí)現(xiàn)一次加工即可完成門(mén)窗材單側(cè)梃的所有加工。本文設(shè)計(jì)了一種門(mén)窗材加工中心設(shè)備，意在使用數(shù)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)門(mén)窗材加工過(guò)程中的自動(dòng)上料、鉆削、銑削、開(kāi)榫等工藝，實(shí)現(xiàn)對(duì)門(mén)窗材組框前的六面加工，提高生產(chǎn)效率與加工精度。

1 窗邊材加工工藝分析與改進(jìn)

所謂的門(mén)窗材，指的是木門(mén)、木窗的門(mén)梃、窗梃，或者在加工尺寸范圍內(nèi)的長(zhǎng)條形立體方木，在木工家具行業(yè)使用較為廣泛[12-13]。窗邊材分為四種：上立梃、下立梃、左立梃、右立梃。加工成型的窗邊材可直接進(jìn)行組裝，單個(gè)窗邊材包含六個(gè)面，每個(gè)面的加工方式也不盡相同，主要包括有榫型和榫卯的加工、鋸切平面及榫眼加工，還需有合頁(yè)孔和執(zhí)手孔以便于安裝。其中左立梃所需加工工藝有執(zhí)手孔與榫接槽，右立梃所需加工合頁(yè)孔與榫接槽，上立梃與下立梃則只需加工榫接槽。

傳統(tǒng)的門(mén)窗材加工工藝一般包括對(duì)端頭的鋸切、對(duì)側(cè)邊的銑榫與鉆孔。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)加工實(shí)木門(mén)窗的設(shè)備大多需要人工的配合，對(duì)端頭的加工和側(cè)邊的加工分布在兩個(gè)單獨(dú)的設(shè)備上[7]。一般的流程是人工進(jìn)行取料，然后由人工協(xié)助木材運(yùn)輸?shù)絾味算姍C(jī)床上進(jìn)行鋸切和開(kāi)榫加工，加工過(guò)程中木材的定位夾緊都需人工操作，加工完成后工人將開(kāi)完榫的木材再次轉(zhuǎn)至鉆床上進(jìn)行鉆孔，其加工流程如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)窗邊材加工工藝流程

傳統(tǒng)的門(mén)窗材加工工藝流程相對(duì)于現(xiàn)在的市場(chǎng)需求而言已經(jīng)落后，要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，就要對(duì)門(mén)窗材的加工工藝進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)合前文的分析，優(yōu)化后的生產(chǎn)線加工工藝可由下圖2所示。

圖2 優(yōu)化后的門(mén)窗材加工中心工藝流程

2 門(mén)窗材加工中心整體布局與關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 門(mén)窗材加工中心總體布局

門(mén)窗材加工中心大致可分為進(jìn)料部分、雙端鋸銑機(jī)構(gòu)、X型升降轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)、側(cè)面鉆銑機(jī)構(gòu)和底座。門(mén)窗材加工中心的機(jī)構(gòu)較多，設(shè)備體積較大，考慮到設(shè)備的可靠性與安全性，對(duì)各個(gè)機(jī)構(gòu)的位置進(jìn)行確定是必要的。結(jié)合改進(jìn)后的加工工藝路線，將各個(gè)機(jī)構(gòu)合理裝配組合，得到門(mén)窗材加工中心的整體布局如圖3所示。

圖3 門(mén)窗材加工中心整體布局

由布局圖可知，門(mén)窗材加工中心在工作時(shí)，工人取料后進(jìn)行的第一步是對(duì)窗邊材的定位夾緊，故在進(jìn)料臺(tái)的前方需留有空間供工人上料。使用輥臺(tái)運(yùn)輸窗邊材，若一直采用連續(xù)橫向進(jìn)給的方式，則加工完所有工藝所需的輥臺(tái)需要很長(zhǎng)的占地面積，整臺(tái)設(shè)備的長(zhǎng)度會(huì)過(guò)長(zhǎng)，所以采用“L”型布局，窗邊材上料時(shí)確定夾緊定位面后，進(jìn)給加工，先進(jìn)行兩端的加工，再進(jìn)行側(cè)面加工。因門(mén)窗材加工中心是批量式加工，同一批次的料加工工藝是相同的，比如加工左立梃，確定左立梃的定位夾緊面后，后面再上料就不用重新定位，節(jié)省了加工時(shí)間。但在這中間需要一個(gè)轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)對(duì)窗邊材進(jìn)行轉(zhuǎn)接，故設(shè)計(jì)了一個(gè)X型升降轉(zhuǎn)換平臺(tái)方便木材的調(diào)頭。

在進(jìn)料臺(tái)兩側(cè)設(shè)有鋸片與銑刀，窗邊材采用橫向進(jìn)給的方式放入進(jìn)料臺(tái)，在到達(dá)刀具所在位置后，兩側(cè)的刀具同時(shí)工作，對(duì)窗邊材的端頭進(jìn)行鋸切與銑榫，所以將雙端鋸銑機(jī)構(gòu)分別設(shè)在進(jìn)料臺(tái)的兩側(cè)提高加工效率。雙端鋸切銑榫完成后，窗邊材繼續(xù)進(jìn)給，到X型升降平臺(tái)處換縱向進(jìn)給，進(jìn)行側(cè)面的加工。側(cè)面鉆銑機(jī)構(gòu)選擇單側(cè)加工，因?yàn)榧庸さ氖谴斑叢牡南噜弮擅?，無(wú)法設(shè)置兩組刀具一起進(jìn)行加工，會(huì)發(fā)生干涉。全部加工完后窗邊材從送料臺(tái)退出。

2.2 門(mén)窗材加工中心總體方案

本文設(shè)計(jì)的門(mén)窗材加工中心由進(jìn)料機(jī)構(gòu)、端頭鋸銑機(jī)構(gòu)、型材轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)、側(cè)面鉆銑機(jī)構(gòu)、相關(guān)輥臺(tái)和控制面板等構(gòu)成，根據(jù)上述布局，最終確定其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。首先工人將要批量加工的窗邊材放入進(jìn)料輥臺(tái)上，窗邊材隨輥臺(tái)輸送至端頭鋸銑機(jī)構(gòu)，這時(shí)利用氣缸對(duì)窗邊材進(jìn)行夾緊，刀具工作完成兩端的鋸切與銑榫。鋸銑完成后窗邊材繼續(xù)進(jìn)給至升降轉(zhuǎn)換平臺(tái)，平臺(tái)協(xié)助窗邊材運(yùn)輸至側(cè)面鉆銑機(jī)構(gòu)進(jìn)行鉆孔，從而完成對(duì)門(mén)窗材的全部加工。

圖4 門(mén)窗材加工中心總體布局示意圖1.進(jìn)料機(jī)構(gòu)；2.端頭鉆銑機(jī)構(gòu)；3.型材轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)；4.側(cè)面銑削機(jī)構(gòu)；5.側(cè)面鉆孔機(jī)構(gòu)

門(mén)窗材加工中心的所有結(jié)構(gòu)可滿足對(duì)窗邊材的端頭鋸切與銑榫，除此之外還能滿足對(duì)左立梃的執(zhí)手孔加工以及右立梃的合頁(yè)孔加工。

2.3 門(mén)窗材加工中心主要部件設(shè)計(jì)

門(mén)窗材加工中心在對(duì)型材進(jìn)行加工時(shí)，型材完成端頭的加工后需要進(jìn)入下一步加工工序完成對(duì)側(cè)面的鉆孔和開(kāi)榫，而為了縮減整機(jī)的長(zhǎng)度所以端頭加工機(jī)構(gòu)和側(cè)面鉆銑結(jié)構(gòu)成T形布置，這也就需要一個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)在完成將型材形從端頭加工輥臺(tái)上轉(zhuǎn)運(yùn)到側(cè)面鉆銑機(jī)構(gòu)的輥臺(tái)上的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)型材的換向。為了實(shí)現(xiàn)此功能本文設(shè)計(jì)了如圖5所示的型材轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)，轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)的升降功能由X型剪式升降機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，其主要由基座、X型支架、液壓缸、承載平臺(tái)、滑道等組成。X型升降機(jī)構(gòu)主要是靠剪叉機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，它由兩根中間用銷軸連接，可以在平面內(nèi)相互轉(zhuǎn)動(dòng)的剪桿組成，每根剪桿又由兩段一端鉸接和一端固定的單元梁連接而成。剪桿作為機(jī)構(gòu)折疊變化的對(duì)象，鉸點(diǎn)約束剪桿的變化，折疊過(guò)程即剪桿圍繞鉸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，最后達(dá)到指定位置，從而完成一個(gè)升降過(guò)程。而對(duì)型材的換向功能由電機(jī)通過(guò)齒輪嚙合帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。整個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)的工作過(guò)程為當(dāng)平臺(tái)檢測(cè)到型材到來(lái)是，平臺(tái)下降轉(zhuǎn)臺(tái)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，之后平臺(tái)上升型材被轉(zhuǎn)運(yùn)至旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，此時(shí)平臺(tái)下降轉(zhuǎn)臺(tái)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°并上升對(duì)準(zhǔn)側(cè)面鉆銑機(jī)構(gòu)輥臺(tái)，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)將型材轉(zhuǎn)運(yùn)至側(cè)面鉆銑機(jī)構(gòu)輥臺(tái)。X型升降臺(tái)受力分析如圖6所示。

圖5 轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖1.基座；2.X型支架；3.滑道；4.轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)；5.輥臺(tái)；6.輥?zhàn)域?qū)動(dòng)電機(jī)

圖6 X型升降臺(tái)受力分析

由圖6可以得出：

VxH=-AH·sinVα

(1)

VyH=AH·cosVα

(2)

VxG=-AO·sinαVα+OGsinαVα

(3)

VyG=DG·cosαVα

(4)

VyW=AB·cosαVα

(5)

VyO=AO·cosαVα

(6)

根據(jù)虛功原理可以得出：

-PVyW+Fcos(α+β)VxG+Fsin(α+β)VyG-Fcos(α+β)VxH-Fsin(α+β)VyH-PCVyO-0

(7)

由此可以得出：

(8)

式中：P=(0.5～0.6)P1+0.5P2；P1為舉升載荷；P2為平臺(tái)自重；P3為組件模塊自重；F為作用于G、H銷軸的液壓缸推力。

最終計(jì)算出液壓缸的推力為356.3 N，據(jù)此選擇的液壓缸型號(hào)為PJH-450型液壓缸，行程800 mm。

3 門(mén)窗材加工中心移動(dòng)底座有限元分析

門(mén)窗材專用加工機(jī)床中，端頭加工部分的重量都集中在移動(dòng)底座機(jī)構(gòu)上。并且，移動(dòng)底座作為承載雙端加工部分的底座，還需對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析，確定其剛度以及強(qiáng)度能承載雙端加工部分，保證機(jī)床在加工過(guò)程的精度以及安全性。

3.1 移動(dòng)底座的簡(jiǎn)化模型

利用SolidWorks繪制移動(dòng)底座的初始三維模型，通過(guò)對(duì)門(mén)窗材加工中心的設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)，移動(dòng)底座需要滿足端頭加工組件的移動(dòng)，并且還要保證端頭移動(dòng)部分移動(dòng)的穩(wěn)定性，所以采用鑄造底座搭配重載導(dǎo)軌滑塊的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。移動(dòng)底座的初始模型結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 移動(dòng)底座初始模型結(jié)構(gòu)

3.2 移動(dòng)底座模型的網(wǎng)格劃分

通過(guò)對(duì)移動(dòng)底座建模后，需要對(duì)移動(dòng)底座進(jìn)行網(wǎng)格劃分才能進(jìn)行有限單元的求解。網(wǎng)格的質(zhì)量直接影響著最終結(jié)果的準(zhǔn)確程度。采用四面體對(duì)移動(dòng)底座進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并且將所有部分設(shè)為實(shí)體，避免出現(xiàn)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。網(wǎng)格劃分最終的結(jié)果如圖8所示。

圖8 移動(dòng)底座模型的網(wǎng)格劃分

劃分網(wǎng)格的參數(shù)表如表1所示。

表1 移動(dòng)底座網(wǎng)格的主要參數(shù)

3.3 移動(dòng)底座模型邊界條件的約束以及載荷的施加

通過(guò)對(duì)移動(dòng)底座的工作過(guò)程以及各個(gè)階段的位置進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)移動(dòng)底座的受力主要在導(dǎo)軌安裝面以及雙端加工底座部分。通過(guò)對(duì)導(dǎo)軌安裝面以及雙端加工底座添加受力，分析移動(dòng)底座在承載移動(dòng)的過(guò)程中，底部通過(guò)地腳螺栓與地面進(jìn)行固定，故在側(cè)面以及底面施加固定約束，設(shè)為邊界條件，得到移動(dòng)底座的受力情況如圖9所示。

圖9 移動(dòng)底座受力情況

3.4 移動(dòng)底座模型靜力學(xué)求解的結(jié)果分析

圖10為移動(dòng)底座的應(yīng)力結(jié)果。對(duì)其進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力集中在雙端加工底座連接處。符合設(shè)計(jì)預(yù)期，通過(guò)讀取數(shù)值發(fā)現(xiàn)，其最大應(yīng)力小于材料要求的許用應(yīng)力，證明移動(dòng)底座的應(yīng)力符合設(shè)計(jì)要求。并且，通過(guò)應(yīng)力圖可以看出，應(yīng)力被集中在雙端加工中心部位，移動(dòng)導(dǎo)軌處并未有過(guò)多應(yīng)力，證明可以穩(wěn)定進(jìn)行移動(dòng)。

圖10 移動(dòng)底座初始應(yīng)力

通過(guò)對(duì)移動(dòng)底座的應(yīng)變分析，結(jié)果如圖11所示。移動(dòng)底座的應(yīng)變與應(yīng)力的變化趨勢(shì)相同，并且，應(yīng)力最大處的應(yīng)變數(shù)值遠(yuǎn)小于移動(dòng)底座材料的應(yīng)變要求，證明移動(dòng)底座的應(yīng)變符合材料要求，可以滿足門(mén)窗材加工過(guò)程的雙端移動(dòng)部分。

圖11 移動(dòng)底座初始應(yīng)變

應(yīng)力以及應(yīng)變能反映出移動(dòng)底座的受力情況，證明移動(dòng)底座的整體受力集中在雙端加工部分。但是，并不能反映出移動(dòng)底座的強(qiáng)度滿足使用要求，需要對(duì)其進(jìn)行形變的分析。通過(guò)圖12可以看出，受到應(yīng)力以及應(yīng)變的影響，變形也集中在雙端加工底座部分的中間部分，變形量符合材料要求，證明移動(dòng)底座的設(shè)計(jì)符合要求。

圖12 移動(dòng)底座變形

3.5 移動(dòng)底座的模態(tài)分析

門(mén)窗材加工中心的移動(dòng)底座所承載的是端頭加工部分，端頭加工部分實(shí)現(xiàn)對(duì)木門(mén)窗材的鋸切、銑削加工，設(shè)有電主軸以及三相異步電機(jī)，有很強(qiáng)的震動(dòng)性。為了保證正常工作時(shí)沒(méi)有較大的振幅以及和整體框架發(fā)生共振，因此必須對(duì)移動(dòng)底座的振動(dòng)特性進(jìn)行研究。

通過(guò)SolidWorks Simulation里的頻率分析對(duì)移動(dòng)底座進(jìn)行頻率的提取和分析，分析方法和分析應(yīng)力基本相同，劃分網(wǎng)格，對(duì)移動(dòng)底座進(jìn)行邊界條件設(shè)置，載荷施加等，然后運(yùn)行算例得出下面的移動(dòng)底座的5個(gè)階段的頻率圖，如圖13、圖14、圖15所示。

圖13 移動(dòng)底座一、二階模態(tài)振型圖

圖14 移動(dòng)底座三、四階模態(tài)振型圖

圖15 移動(dòng)底座五階模態(tài)振型圖

振型參數(shù)表如表2所示：

表2 振型參數(shù)表

通過(guò)對(duì)求解結(jié)果的分析，得出以下結(jié)論：

一、二階模態(tài)從圖13中可以看出，移動(dòng)底座整體振動(dòng)，固有頻率為51.765 Hz，二階模態(tài)固有頻率為51.891 Hz，從圖片的振動(dòng)方向可以看出，在一、二階模態(tài)中移動(dòng)底座中間段在Y方向上下產(chǎn)生振動(dòng)，此時(shí)在主軸中間位置可能出現(xiàn)問(wèn)題。

三、四階模態(tài)從圖14可以看出，三階模態(tài)固有頻率為144.49 Hz，四階模態(tài)固有頻率為144.82 Hz，振動(dòng)方向?yàn)閄Y平面內(nèi)的扭轉(zhuǎn)，此時(shí)在移動(dòng)底座的兩端鏈輪軸肩處容易出現(xiàn)問(wèn)題。五階模態(tài)從圖15可以看出，五階模態(tài)固有頻率為296.6 HZ，此時(shí)振動(dòng)為擺動(dòng)變形。整體震動(dòng)符合要求，設(shè)計(jì)合理。

4 結(jié)論

本文針對(duì)現(xiàn)有的門(mén)窗材加工工藝加工精度低、加工效率低等問(wèn)題，對(duì)加工工藝進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)改進(jìn)后的加工工藝流程，確定門(mén)窗材加工中心的總體布局與結(jié)構(gòu)，并對(duì)其主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。運(yùn)用ANSYS對(duì)門(mén)窗材加工中心的移動(dòng)底座結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析與模態(tài)分析，得到移動(dòng)底座的最大應(yīng)力值與最大變形量，移動(dòng)底座的前五階模態(tài)的頻率范圍為50～300 Hz，與電機(jī)激振頻率不重合，故移動(dòng)底座在機(jī)床工作時(shí)不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。最終校核結(jié)果認(rèn)為：門(mén)窗材加工中心的底座符合設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了加工設(shè)備的合理性。