門窗材加工中心結(jié)構(gòu)設(shè)計與移動底座的有限元分析

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)

木門窗行業(yè)是我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之一，現(xiàn)在木門窗行業(yè)中對于門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)在加工木門窗的過程中會比較浪費(fèi)材料，加工精度普遍較低，而我國現(xiàn)在木材越來越少，應(yīng)提高對木材的利用率，故對加工精度的要求也越來越高[5-7]。完整的木門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，采用集開榫、銑削、鉆孔等多功能機(jī)床來實(shí)現(xiàn)一次加工即可完成門窗材單側(cè)梃的所有加工。本文設(shè)計了一種門窗材加工中心設(shè)備，意在使用數(shù)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)門窗材加工過程中的自動上料、鉆削、銑削、開榫等工藝，實(shí)現(xiàn)對門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)

所謂的門窗材，指的是木門、木窗的門梃、窗梃，或者在加工尺寸范圍內(nèi)的長條形立體方木，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，單個窗邊材包含六個面，每個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)的門窗材加工工藝一般包括對端頭的鋸切、對側(cè)邊的銑榫與鉆孔?，F(xiàn)在國內(nèi)加工實(shí)木門窗的設(shè)備大多需要人工的配合，對端頭的加工和側(cè)邊的加工分布在兩個單獨(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)行鋸切和開榫加工，加工過程中木材的定位夾緊都需人工操作，加工完成后工人將開完榫的木材再次轉(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)的門窗材加工工藝流程相對于現(xiàn)在的市場需求而言已經(jīng)落后，要實(shí)現(xiàn)自動化，就要對門窗材的加工工藝進(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)化后的門窗材加工中心工藝流程

2 門窗材加工中心整體布局與關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 門窗材加工中心總體布局

門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、側(cè)面鉆銑機(jī)構(gòu)和底座。門窗材加工中心的機(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，對各個機(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，將各個機(jī)構(gòu)合理裝配組合，得到門窗材加工中心的整體布局如圖3所示。

圖3 門窗材加工中心整體布局

由布局圖可知，門窗材加工中心在工作時，工人取料后進(jìn)行的第一步是對窗邊材的定位夾緊，故在進(jìn)料臺的前方需留有空間供工人上料。使用輥臺運(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需要很長的占地面積，整臺設(shè)備的長度會過長，所以采用“L”型布局，窗邊材上料時確定夾緊定位面后，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)省了加工時間。但在這中間需要一個轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)對窗邊材進(jìn)行轉(zhuǎn)接，故設(shè)計了一個X型升降轉(zhuǎn)換平臺方便木材的調(diào)頭。

在進(jìn)料臺兩側(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，在到達(dá)刀具所在位置后，兩側(cè)的刀具同時工作，對窗邊材的端頭進(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?，無法設(shè)置兩組刀具一起進(jìn)行加工，會發(fā)生干涉。全部加工完后窗邊材從送料臺退出。

2.2 門窗材加工中心總體方案

本文設(shè)計的門窗材加工中心由進(jìn)料機(jī)構(gòu)、端頭鋸銑機(jī)構(gòu)、型材轉(zhuǎn)運(yùn)平臺、側(cè)面鉆銑機(jī)構(gòu)、相關(guān)輥臺和控制面板等構(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)料輥臺上，窗邊材隨輥臺輸送至端頭鋸銑機(jī)構(gòu)，這時利用氣缸對窗邊材進(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，平臺協(xié)助窗邊材運(yùn)輸至側(cè)面鉆銑機(jī)構(gòu)進(jìn)行鉆孔，從而完成對門窗材的全部加工。

圖4 門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；4.側(cè)面銑削機(jī)構(gòu)；5.側(cè)面鉆孔機(jī)構(gòu)

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

2.3 門窗材加工中心主要部件設(shè)計

門窗材加工中心在對型材進(jìn)行加工時，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側(cè)面的鉆孔和開榫，而為了縮減整機(jī)的長度所以端頭加工機(jī)構(gòu)和側(cè)面鉆銑結(jié)構(gòu)成T形布置，這也就需要一個轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)在完成將型材形從端頭加工輥臺上轉(zhuǎn)運(yùn)到側(cè)面鉆銑機(jī)構(gòu)的輥臺上的同時實(shí)現(xiàn)對型材的換向。為了實(shí)現(xiàn)此功能本文設(shè)計了如圖5所示的型材轉(zhuǎn)運(yùn)平臺，轉(zhuǎn)運(yùn)平臺的升降功能由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、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)折疊變化的對象，鉸點(diǎn)約束剪桿的變化，折疊過程即剪桿圍繞鉸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，最后達(dá)到指定位置，從而完成一個升降過程。而對型材的換向功能由電機(jī)通過齒輪嚙合帶動轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。整個轉(zhuǎn)運(yùn)平臺的工作過程為當(dāng)平臺檢測到型材到來是，平臺下降轉(zhuǎn)臺逆時針旋轉(zhuǎn)90°，之后平臺上升型材被轉(zhuǎn)運(yùn)至旋轉(zhuǎn)平臺上，此時平臺下降轉(zhuǎn)臺順時針旋轉(zhuǎn)90°并上升對準(zhǔn)側(cè)面鉆銑機(jī)構(gòu)輥臺，旋轉(zhuǎn)平臺輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動將型材轉(zhuǎn)運(yùn)至側(cè)面鉆銑機(jī)構(gòu)輥臺。X型升降臺受力分析如圖6所示。

圖5 轉(zhuǎn)運(yùn)平臺結(jié)構(gòu)示意圖1.基座；2.X型支架；3.滑道；4.轉(zhuǎn)臺驅(qū)動電機(jī)；5.輥臺；6.輥?zhàn)域?qū)動電機(jī)

圖6 X型升降臺受力分析

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。

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

3 門窗材加工中心移動底座有限元分析

門窗材專用加工機(jī)床中，端頭加工部分的重量都集中在移動底座機(jī)構(gòu)上。并且，移動底座作為承載雙端加工部分的底座，還需對其進(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)床在加工過程的精度以及安全性。

3.1 移動底座的簡化模型

利用SolidWorks繪制移動底座的初始三維模型，通過對門窗材加工中心的設(shè)計發(fā)現(xiàn)，移動底座需要滿足端頭加工組件的移動，并且還要保證端頭移動部分移動的穩(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。移動底座的初始模型結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 移動底座初始模型結(jié)構(gòu)

3.2 移動底座模型的網(wǎng)格劃分

通過對移動底座建模后，需要對移動底座進(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。采用四面體對移動底座進(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 移動底座網(wǎng)格的主要參數(shù)

3.3 移動底座模型邊界條件的約束以及載荷的施加

通過對移動底座的工作過程以及各個階段的位置進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)移動底座的受力主要在導(dǎo)軌安裝面以及雙端加工底座部分。通過對導(dǎo)軌安裝面以及雙端加工底座添加受力，分析移動底座在承載移動的過程中，底部通過地腳螺栓與地面進(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，得到移動底座的受力情況如圖9所示。

圖9 移動底座受力情況

3.4 移動底座模型靜力學(xué)求解的結(jié)果分析

圖10為移動底座的應(yīng)力結(jié)果。對其進(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)計預(yù)期，通過讀取數(shù)值發(fā)現(xiàn)，其最大應(yīng)力小于材料要求的許用應(yīng)力，證明移動底座的應(yīng)力符合設(shè)計要求。并且，通過應(yīng)力圖可以看出，應(yīng)力被集中在雙端加工中心部位，移動導(dǎo)軌處并未有過多應(yīng)力，證明可以穩(wěn)定進(jìn)行移動。

圖10 移動底座初始應(yīng)力

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

圖11 移動底座初始應(yīng)變

應(yīng)力以及應(yīng)變能反映出移動底座的受力情況，證明移動底座的整體受力集中在雙端加工部分。但是，并不能反映出移動底座的強(qiáng)度滿足使用要求，需要對其進(jìn)行形變的分析。通過圖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，證明移動底座的設(shè)計符合要求。

圖12 移動底座變形

3.5 移動底座的模態(tài)分析

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

通過SolidWorks Simulation里的頻率分析對移動底座進(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，對移動底座進(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底座的5個階段的頻率圖，如圖13、圖14、圖15所示。

圖13 移動底座一、二階模態(tài)振型圖

圖14 移動底座三、四階模態(tài)振型圖

圖15 移動底座五階模態(tài)振型圖

振型參數(shù)表如表2所示：

表2 振型參數(shù)表

通過對求解結(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，移動底座整體振動，固有頻率為51.765 Hz，二階模態(tài)固有頻率為51.891 Hz，從圖片的振動方向可以看出，在一、二階模態(tài)中移動底座中間段在Y方向上下產(chǎn)生振動，此時在主軸中間位置可能出現(xiàn)問題。

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，振動方向?yàn)閄Y平面內(nèi)的扭轉(zhuǎn)，此時在移動底座的兩端鏈輪軸肩處容易出現(xiàn)問題。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，此時振動為擺動變形。整體震動符合要求，設(shè)計合理。

4 結(jié)論

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