PVC地板翻板機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及仿真分析

曹飛，王琪

(1.江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003；2.中國(guó)易華塑料有限公司，江蘇張家港215600)

0 引言

PVC地板是指采用聚氯乙烯材料生產(chǎn)的地板。它是當(dāng)今世界上非常流行的一種新型輕體地面裝飾材料，也稱為“輕體地材”，是一種使用非常廣泛的產(chǎn)品，比如家庭、醫(yī)院、學(xué)校、辦公樓、工廠、公共場(chǎng)所、超市、體育場(chǎng)館等各種場(chǎng)所。目前PVC地板生產(chǎn)線速度不斷提高，部分設(shè)備的設(shè)計(jì)理念不斷更新，本文針對(duì)PVC地板雙端銑槽機(jī)流水線設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單快速的翻板機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析。

在PVC地板雙端銑槽機(jī)流水線上，開槽后的地板(此時(shí)正面朝上)需要正面相對(duì)疊放，來(lái)防止地板正表面磨損，所以在堆疊過(guò)程前，需要對(duì)PVC地板進(jìn)行奇數(shù)片不翻轉(zhuǎn)，偶數(shù)片翻轉(zhuǎn)(第2n+1片不翻轉(zhuǎn)，第2n片翻轉(zhuǎn))，才能實(shí)現(xiàn)地板正面相對(duì)疊放。然而在生產(chǎn)過(guò)程中，地板流水線速度快，人工翻板勞動(dòng)強(qiáng)度大，體能消耗多，工作效率低，成為生產(chǎn)過(guò)程中的瓶頸。因此，需要設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單快速的翻板機(jī)構(gòu)，來(lái)減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，滿足生產(chǎn)節(jié)拍的要求。

1 翻板機(jī)構(gòu)介紹

目前翻板機(jī)構(gòu)可分為3類:氣動(dòng)翻板、機(jī)械翻板、液壓翻板。在PVC地板生產(chǎn)線中，采用最廣泛的是機(jī)械式翻板機(jī)構(gòu)，隨著生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)機(jī)械翻板設(shè)備進(jìn)行了很大的改進(jìn)，主要有以下兩種結(jié)構(gòu)。

1.1 翻板臂-接板臂組合方式

該種形式的翻板機(jī)構(gòu)使用最廣泛。結(jié)構(gòu)如圖1所示，

圖1 翻板臂-接板臂組合方式

翻板臂和接板臂的實(shí)際翻轉(zhuǎn)角度分別與地板進(jìn)入時(shí)的水平面形成鈍角和銳角，地板由翻板臂落在接板臂上，從而實(shí)現(xiàn)地板翻轉(zhuǎn)。目前應(yīng)用于PVC地板輥涂生產(chǎn)線上，這種翻板機(jī)構(gòu)主要特點(diǎn)是:連續(xù)翻板時(shí)，地板翻轉(zhuǎn)交接和落板階段速度變化均勻，工作狀態(tài)平穩(wěn)，但在實(shí)現(xiàn)地板奇數(shù)片不翻轉(zhuǎn)，偶數(shù)片翻轉(zhuǎn)時(shí)，翻板周期長(zhǎng)，控制也較麻煩。

1.2 轉(zhuǎn)籠式

這種結(jié)構(gòu)是參照木工板材的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)而成的，結(jié)構(gòu)如圖2所示。轉(zhuǎn)籠翻板機(jī)實(shí)現(xiàn)在360°方向的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，分成12組翻板叉，每進(jìn)一組地板，轉(zhuǎn)籠翻轉(zhuǎn)30°并在該位置等候。目前應(yīng)用于PVC地板削邊-倒角機(jī)流水線之間，這種翻板機(jī)主要特點(diǎn)是:翻板機(jī)省去了“翻板-接板”的往復(fù)動(dòng)作，生產(chǎn)中動(dòng)作幅度小，工作穩(wěn)定性高。但無(wú)法實(shí)現(xiàn)地板奇數(shù)片不翻，偶數(shù)片翻的功能。

圖2 轉(zhuǎn)籠翻板機(jī)

2 技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)模型及工作原理

2.1 翻板機(jī)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)

翻板速度:1.6s/片

PVC地板規(guī)格:200×1 220(mm)，厚度為5mm，重2.5kg

PVC地板移動(dòng)速度:650mm/s

PVC地板之間距離:780mm

2.2 翻板機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成

2.2.1 同步帶輪模型的建立

同步帶輪模型的建立是個(gè)難點(diǎn)，具體過(guò)程如下:用pro/e創(chuàng)建兩個(gè)帶輪及帶塊的三維模型，在組件模塊中進(jìn)行同步帶樣機(jī)的裝配，如圖3，在裝配時(shí)帶塊和帶輪不能使用陣列的方式安裝，因?yàn)殛嚵械牧慵Q都相同，導(dǎo)入ADAMS后會(huì)發(fā)現(xiàn)只有三個(gè)剛體零件，所以帶塊必須一個(gè)一個(gè)裝配，并且每一個(gè)帶塊的零件名稱都必須不同。將建立好的三維裝配模型導(dǎo)入ADAMS中分別定義兩個(gè)帶輪和轉(zhuǎn)軸之間的旋轉(zhuǎn)副，以及每個(gè)帶塊之間的旋轉(zhuǎn)副，在各個(gè)帶塊與主動(dòng)輪以及從動(dòng)輪之間添加接觸副，完成同步帶輪模型的建立。

圖3 同步帶輪的裝配體

2.2.2 翻板機(jī)構(gòu)模型的建立

用Pro/e建立翻板機(jī)構(gòu)的三維模型，如圖4所示。

圖4 翻板機(jī)構(gòu)的三維模型

翻板機(jī)的結(jié)構(gòu)主要由機(jī)架、同步帶輪、翻板臂、軸承座、接近開關(guān)、光電開關(guān)、帶動(dòng)翻板臂翻轉(zhuǎn)的電機(jī)1和帶動(dòng)同步帶輪運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)2組成。將Pro/e裝配好的模型導(dǎo)入ADAMS中，完成模型的導(dǎo)入。

從Pro/e導(dǎo)入ADAMS的三維模型，必須對(duì)模型中各構(gòu)件的屬性(顏色、材料、名稱等)進(jìn)行修改，否則在仿真計(jì)算過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤信息。修改各構(gòu)件的屬性之后，就可直接計(jì)算出各個(gè)構(gòu)件的質(zhì)量信息，捕捉到模型的幾何特征。對(duì)于由多個(gè)零件組成的構(gòu)件最好進(jìn)行布爾求和運(yùn)算，合并為一個(gè)實(shí)體，這樣可以簡(jiǎn)化模型，減少一些不影響仿真分析的多余約束，提高仿真效率。至此，翻板機(jī)構(gòu)的三維模型在ADAMS中已創(chuàng)建完畢。

2.3 翻板機(jī)構(gòu)工作原理

PVC地板翻板機(jī)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)奇數(shù)片不翻轉(zhuǎn)，偶數(shù)片翻轉(zhuǎn)(第2n+1片不翻轉(zhuǎn)，第2n片翻轉(zhuǎn))的功能，只需對(duì)第一、二片PVC地板翻轉(zhuǎn)工作原理進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明:翻板機(jī)工作時(shí)，計(jì)數(shù)器設(shè)定值為2，光電開關(guān)感應(yīng)到第一片PVC地板，計(jì)數(shù)為1，此時(shí)翻板臂不翻轉(zhuǎn)，當(dāng)光電開關(guān)感應(yīng)到第二片PVC地板時(shí)，計(jì)數(shù)為2，信號(hào)發(fā)送給電機(jī)1，電機(jī)1帶動(dòng)翻板臂旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)第二片PVC地板的翻轉(zhuǎn)，同時(shí)計(jì)數(shù)器復(fù)位，重新開始計(jì)數(shù)。當(dāng)翻板臂旋轉(zhuǎn)180°時(shí)，接近開關(guān)感應(yīng)到翻板臂，信號(hào)發(fā)給電機(jī)1令其停止運(yùn)轉(zhuǎn)，即翻板臂復(fù)位，為下一個(gè)工作循環(huán)做準(zhǔn)備。

3 翻板機(jī)構(gòu)的仿真分析

在ADAMS中建立PVC地板模型并對(duì)翻板機(jī)構(gòu)添加約束和驅(qū)動(dòng)，如圖5所示，設(shè)置仿真時(shí)間為3.5s，仿真步長(zhǎng)為0.001，開始對(duì)第一、二片PVC地板工作過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，得到地板1和地板2(地板1、2指其質(zhì)心)的位置曲線圖(圖6)；地板1、地板2和翻板臂(取翻板臂一側(cè)的質(zhì)心)的速度曲線圖(圖7)；地板1、地板2和翻板臂的角速度曲線圖(圖8)。

圖5 翻板機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型

圖6 地板1和地板2的位置曲線圖

圖7 地板1、地板2和翻板臂的速度曲線圖

圖8 地板1、地板2和翻板臂的角速度曲線圖

由地板1和地板2的位置曲線圖6可知，仿真開始時(shí)，第一塊PVC地板在780mm處，第二塊PVC地板在1 560mm處，之間距離為780mm，第二塊地板被翻轉(zhuǎn)后，兩塊地板之間距離增加，為942mm。從地板1、地板2和翻板臂的速度曲線圖7可以看出，翻板臂從1.9s開始翻轉(zhuǎn)，到3.5s停止，翻轉(zhuǎn)周期為1.6s。地板1速度始終為650mm/s，說(shuō)明未被翻轉(zhuǎn)。在2.1s時(shí)，地板2在翻板臂接觸力的作用下，速度突變，并跟隨翻板臂翻轉(zhuǎn)，在2.1-2.7s之間，地板2的速度變化趨勢(shì)和翻板臂的速度變化趨勢(shì)相似，都呈現(xiàn)正弦變化趨勢(shì)。在2.7s時(shí)，翻板臂翻轉(zhuǎn)了半個(gè)周期，轉(zhuǎn)過(guò)90°，2.7s后，地板2在重力作用下做初速度為516mm/s的加速運(yùn)動(dòng)。3s時(shí)，地板2落在同步帶上，在沖擊力的作用下，速度由1 309.5mm/s突降，在650mm/s上下振動(dòng)，并跟隨同步帶一起運(yùn)動(dòng)。從地板1、地板2和翻板臂的角速度曲線圖8可知，翻板臂的最大角速度為168.7°/s，角速度的變化趨勢(shì)和速度的變化趨勢(shì)相同，也間接證明仿真的正確性。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)兩種翻板機(jī)構(gòu)的比較，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單快速的PVC地板翻板機(jī)構(gòu)，建立了三維實(shí)體模型并導(dǎo)入ADAMS中，對(duì)翻板機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，得到了地板1和地板2的位置曲線圖；地板1、地板2和翻板臂的速度、角速度曲線圖，真實(shí)地反映了該翻板機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

由于前期進(jìn)行了細(xì)致的建模與仿真分析，因此PVC地板翻板機(jī)構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用在了PVC地板雙端銑槽機(jī)流水線上，該翻板機(jī)速度效率高，安全可靠，后期維護(hù)費(fèi)用低，用在PVC地板雙端銑槽機(jī)流水線上優(yōu)勢(shì)突出，經(jīng)功能性實(shí)驗(yàn)和可靠性實(shí)驗(yàn)后，表明翻板機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造是可行的，為類似翻板機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)。

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