PUR熱熔膠封邊機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

李茂洪， 車天庚， 呂楚濤， 李曉旭， 劉 東， 劉子昕， 閆承琳*

(1.廣州弘亞數(shù)控機械股份有限公司，廣東 廣州 510700；2.廣州極東機械有限公司，廣東 廣州 511300；3.中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京 100091)

隨著人們生活水平與消費水平的提高，個性化定制家居市場發(fā)展迅速，在追求品質(zhì)環(huán)保的同時，還要更加美觀時尚；封邊是家具生產(chǎn)流程關(guān)鍵工序之一，封邊的表面質(zhì)量、貼合強度和加工效率等都會影響整套家具的最終性能[1，2]。封邊質(zhì)量高的家具不僅具備高端的藝術(shù)水準(zhǔn)和視覺美感，而且受濕度、溫度等外部環(huán)境的影響小，性能穩(wěn)定、使用壽命長，實現(xiàn)了板式家具功能性與藝術(shù)性的統(tǒng)一，更符合現(xiàn)代家居理念[3]。

目前家具生產(chǎn)主要采用的封邊技術(shù)是EVA膠封邊、PUR膠封邊、激光封邊和熱風(fēng)封邊等。其中激光封邊和熱風(fēng)封邊作為新興的封邊模式，通過自身技術(shù)結(jié)合新型封邊材料提升封邊質(zhì)量和美感，但由于成本高昂和核心技術(shù)受限，目前國內(nèi)自主生產(chǎn)激光或熱風(fēng)封邊機制造廠家很少，導(dǎo)致市場普及程度很低[4-7]。EVA膠封邊屬于傳統(tǒng)熱熔膠封邊技術(shù)，工藝相對成熟，封邊材料和熱熔膠成本低廉，EVA封邊材料適應(yīng)性高，但膠層不耐高溫，易出現(xiàn)封邊條脫落、產(chǎn)生膠縫等問題；PUR熱熔膠封邊工藝耐溶性、耐冷性、耐熱性、耐腐蝕性均比EVA膠高，具有優(yōu)良的使用性能，采用耐高溫PUR封邊技術(shù)可以減小膠縫，提高板式家具產(chǎn)品的品質(zhì)和使用壽命[8-10]。

熱熔膠封邊依舊是目前國內(nèi)家具封邊主體技術(shù)，PUR熱熔膠封邊工藝和設(shè)備仍需克服自身技術(shù)缺點，通過工藝創(chuàng)新與設(shè)備改進，引領(lǐng)家具制造業(yè)的大規(guī)模定制化服務(wù)快速發(fā)展[11，12]。廣州弘亞數(shù)控機械股份有限公司研發(fā)人員通過在封邊機領(lǐng)域的經(jīng)驗積累，對傳統(tǒng)封邊機的輸送裝置、涂膠裝置、存膠裝置、齊頭裝置和跟蹤修邊裝置進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，改進研發(fā)出一套智能化、柔性化程度高的PUR熱熔膠封邊機，能夠滿足不同的封邊要求，封邊質(zhì)量和封邊效率大大提高。

1 傳統(tǒng)熱熔膠封邊機

1.1 封邊工藝與主要結(jié)構(gòu)

熱熔膠封邊技術(shù)是通過熔膠設(shè)備將熱熔膠融化并均勻地涂抹在板材上，使板材與封邊帶完美貼合。根據(jù)封邊工件形狀可以將封邊機大致分為直線封邊機和曲線封邊機，不同類型封邊機的加工流程不同，以傳統(tǒng)直線封邊機為例，熱熔膠封邊技術(shù)一般包括以下工序：涂膠、施壓封邊、切除余邊、跟蹤修邊；為了進一步提高封邊質(zhì)量及效果，部分智能化程度較高的封邊機增加了預(yù)銑、粗修、精修和拋光工序[13，14]。其工藝流程如圖1所示：①預(yù)銑，去除待封板材表面的毛刺，提高板材表面平整度以待后續(xù)封邊；②預(yù)熔：預(yù)銑后，將膠鍋中的熱熔膠加熱到合適溫度，為涂膠過程做前期準(zhǔn)備；③涂膠：預(yù)銑后，使熱熔膠平整涂布到待封板材表面；④封邊：涂膠后，將封邊帶與涂好熱熔膠的板材貼合并壓緊；⑤切斷：封邊后，切斷板材前、后兩端封邊帶多余部分；⑥粗修：切斷后，保留板材上下側(cè)的多余封邊帶余量，其余部分切掉；⑦精修：粗修后，完全切除板材上下側(cè)余量封邊帶并倒角(倒圓角或倒直角)；⑧跟蹤修邊：精修后，對倒角后封邊帶上鋒利棱邊進行修整；⑨刮邊：精修后，刮除板材上下側(cè)封邊帶的棱角與劃痕；⑩拋光：刮邊后，將板材上、下棱邊進行拋光。

傳統(tǒng)熱熔膠封邊機一般由輸送、預(yù)熔、涂膠、齊頭、修邊以及其他輔助裝置組成。輸送裝置用于板材的入料、出料，銜接封邊各個工序，實現(xiàn)板材封邊的協(xié)調(diào)配合；預(yù)熔裝置用于融化熱熔膠，加熱輸膠管及涂膠裝置，將固態(tài)的熱熔膠轉(zhuǎn)化成適用不同涂膠裝置的液態(tài)熱熔膠；涂膠裝置主要分為下涂膠和上涂膠兩類，將熱熔膠采用輥涂方法涂布到板材待封邊上；齊頭裝置包括用于切斷封邊條首端的下齊頭鋸組件及用于切斷封邊條尾端的上齊頭鋸組件；修邊裝置是利用刀具修掉封邊齊頭后的上下余料；其他輔助裝置還包括壓帶裝置、退帶裝置、驅(qū)動裝置、密封裝置等。

圖1 熱熔膠封邊工藝流程圖

1.2 傳統(tǒng)熱熔膠封邊機存在問題

板材封邊常見的質(zhì)量問題一般為針孔、膠縫粗、膠合強度不夠等問題，這些問題既影響板材家具的邊部保護、防潮防塵、封閉有害氣體等功能，也會影響家具的視覺美觀[15]。封邊機的安裝和裝配精度、封邊板材的材質(zhì)特點、封邊帶和熱熔膠的種類、封邊過程中工人操作的誤差等因素都會影響封邊質(zhì)量，以下是傳統(tǒng)封邊機在熱熔膠封邊工藝過程中存在的問題：

(1)封邊方式。目前家具生產(chǎn)廠家主要還是使用單臺封邊機進行封邊作業(yè)，封邊效率低、工作強度大，完成全部板材封邊的落地次數(shù)多、費時費力；也有可以同時封四條邊的封邊機，但無法應(yīng)付只需要封單條邊、封兩條邊、封三條邊等不同的工況條件。

(2)存膠清膠。PUR熱熔膠易與空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，存儲和轉(zhuǎn)運難度大；較高的粘接強度在封邊任務(wù)結(jié)束后又給膠鍋清理增加了難度，且人工刮膠清理不能適應(yīng)規(guī)模化封邊生產(chǎn)需求。

(3)出膠涂膠。膠門堵塞是出膠過程主要問題，由于長時間工作，膠門出口處容易堆積粘接結(jié)團的熱熔膠或人造板材顆粒，使板材表面涂膠不均，影響封邊帶與板材的粘接質(zhì)量；涂膠過程存在熔膠泄露問題，密封效果不好會導(dǎo)致熱熔膠在膠門處泄露形成堵塞，從而影響涂膠均勻性。

(4)齊頭修邊。在齊頭和修邊的實際操作過程中，需要人工多次調(diào)整切割余量和鋸片角度，加工速度慢、工作效率低，且對操作人員的技能要求較高，不符合規(guī)?；?、自動化的封邊需求。

2 PUR封邊機結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進

2.1 封邊機工作過程

本文設(shè)計的PUR熱熔膠封邊機如圖2所示，主要由預(yù)銑裝置、涂膠裝置、壓貼裝置、齊頭裝置、仿形跟蹤修邊裝置、拋光裝置和控制系統(tǒng)等組成。

圖2 改進后PUR熱熔膠封邊機結(jié)構(gòu)示意圖1.床身；2.導(dǎo)向板；3.預(yù)銑裝置；4.涂膠裝置；5.壓貼裝置；6.齊頭裝置；7.修邊裝置；8.仿形跟蹤修邊裝置；9.刮邊裝置；10.開槽裝置；11.拋光裝置；12.循環(huán)輸送裝置

封邊機工作過程如下：首先根據(jù)加工要求，通過循環(huán)輸送裝置將板材輸送至封邊機相應(yīng)位置進行封邊的涂膠和封邊加工；利用涂膠裝置的可彈射膠門結(jié)構(gòu)控制適宜的施膠量，將熔融膠均勻涂布到板材待封邊上并壓帶封邊；封邊完成后將板材運輸?shù)烬R頭加工位置切割余量，將前后多余的封邊帶切掉，再將其運輸?shù)叫捱吋庸の恢?，利用修邊裝置完全切除板材上下側(cè)余量，再將其運輸?shù)椒滦胃櫺捱呇b置對封邊帶進行棱角處理，最后封邊機對板材進行刮邊和拋光處理；待板材的封邊加工任務(wù)結(jié)束后中轉(zhuǎn)裝置將膠鍋中的殘余PUR熱熔膠進行儲存并可清理。

2.2 關(guān)鍵裝置設(shè)計改進

本文對傳統(tǒng)熱熔膠封邊機的輸送、涂膠、齊頭和跟蹤修邊裝置進行了結(jié)構(gòu)改進，重點完成涂膠裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增設(shè)了可彈射膠門結(jié)構(gòu)和止動結(jié)構(gòu)，同時優(yōu)化了密封結(jié)構(gòu)；針對PUR膠不易存儲問題增設(shè)中轉(zhuǎn)裝置，同時增強了整機和各裝置控制系統(tǒng)信號快速采集分析和傳輸處理能力。改進后的PUR熱熔膠封邊機具有穩(wěn)定靈敏的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了存膠、涂膠、齊頭、修邊和清膠的一體化加工，智能化和柔性化水平大幅度提高，符合定制化和規(guī)?；a(chǎn)需求。

2.2.1 循環(huán)輸送裝置

針對目前傳統(tǒng)封邊機只能同時封單條邊或四條邊而不能靈活處理實時工況的問題，本文設(shè)計了一種循環(huán)輸送裝置，如圖3所示，主要結(jié)構(gòu)包括兩個上料輸送輥、兩個出料輸送輥、兩個回轉(zhuǎn)抓取機構(gòu)和尺寸識別單元等，其中回轉(zhuǎn)抓取機構(gòu)和尺寸識別單元是本裝置的核心?；剞D(zhuǎn)抓取機構(gòu)為兩平行吸附板，用來轉(zhuǎn)換板材方向，各輸送輥上設(shè)有間距控制阻擋件用以控制板材的間距；尺寸識別單元采用光電傳感器等組件，用以讀取板材條形碼或二維碼信息并傳回控制系統(tǒng)做出處理。循環(huán)輸送裝置可以通過尺寸識別單元對進入該封邊機的板材進行掃碼識別，獲取板材的加工要求信息，完成板材單條邊封邊、兩相對邊封邊、兩相鄰邊封邊、三條邊封邊、四條邊封邊中的任何一種加工要求，使得封邊加工更為智能化和柔性化。

圖3 循環(huán)輸送裝置示意圖1.第一上料輸送輥；2.尺寸識別單元；3.第一出料輸送輥；4.第二上料輸送輥；5.封邊加工機構(gòu)；6.第二出料輸送輥；7.第一回轉(zhuǎn)抓取機構(gòu)；8.第二回轉(zhuǎn)抓取機構(gòu)

2.2.2 涂膠裝置

涂膠裝置主要實現(xiàn)出膠和涂膠兩個功能，針對兩個過程存在的不同問題分別進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

(1)可彈射膠門結(jié)構(gòu)

針對出膠過程中容易出現(xiàn)的膠門堵塞問題，本文在傳統(tǒng)涂膠裝置基礎(chǔ)上增設(shè)了一個可彈射膠門結(jié)構(gòu)，主要結(jié)構(gòu)包括氣缸、連桿、擺動桿、限位機米螺絲、蓋板、氣缸的固定座和安裝座等，如圖4所示。該結(jié)構(gòu)通過進膠口氣缸和出膠口氣缸的收縮或伸出實現(xiàn)膠門的彈性啟閉，同時擁有定量施膠和膠門清潔的功能，實現(xiàn)了PUR膠封邊機的柔性化改進，具體實現(xiàn)方案如下：①膠門的開閉：工作時兩個膠門同時打開，上溶膠膠鍋中的熱熔膠在加熱到合適的溫度后，通過出膠口膠門流到涂膠軸上對板材邊緣進行涂膠，然后隨涂膠軸轉(zhuǎn)動進入進膠口膠門回流入膠鍋。當(dāng)涂膠裝置不工作時，出膠口氣缸處于伸出狀態(tài)，控制膠門為關(guān)閉狀態(tài)，同時進膠口氣缸處于收縮狀態(tài)，控制膠門處于關(guān)閉狀態(tài)。②定量施膠：當(dāng)膠鍋中熱熔膠溫度加熱到加工溫度時，出膠口氣缸處于收縮狀態(tài)，進膠口氣缸軸端收縮帶動進膠口膠門打開；同時由于氣缸收縮也會使擺動桿逆時針轉(zhuǎn)動，此時兩個氣缸座會同時向前移動一定距離，帶動出膠口氣缸向前移動一定距離，進而使出膠口膠門順時針旋轉(zhuǎn)打開一定縫隙；通過旋轉(zhuǎn)安裝在氣缸固定座上的限位螺釘控制出膠口膠門開口大小，使涂膠機構(gòu)工作時涂膠軸上有合適的膠量。③膠門清潔：涂膠軸工作一定時間或有一定數(shù)量的板材涂膠后，出膠口容易產(chǎn)生積膠現(xiàn)象；控制驅(qū)動機構(gòu)中出膠口氣缸瞬間伸出再收縮使出膠口膠門瞬間開大(彈射膠門)，由于內(nèi)部出膠壓力大，膠門處結(jié)團的堵塞物會從出膠口處帶出，實現(xiàn)膠門的自動清理。

圖4 可彈射膠門結(jié)構(gòu)示意圖1.膠鍋；2.連軸；3、4、11、13.限位螺釘；5.膠門；6.連桿；7.蓋板；8.上蓋板；9.涂膠軸；10.氣缸固定座；6、12.限位機米；14.氣缸連接塊；15.氣缸；16.擺動桿；17、18、20.光軸；19.氣缸安裝座；21.氣缸；22.氣缸連接塊

(2)密封結(jié)構(gòu)

針對涂膠過程中熱熔膠容易泄露的問題，本文在涂膠裝置中設(shè)計了一個密封結(jié)構(gòu)，主要結(jié)構(gòu)包括密封圈、限位套、限位圈、連接螺母、鎖緊螺母等，如圖5所示。密封圈是本結(jié)構(gòu)的核心，包括內(nèi)圈、外圈和連接面，內(nèi)圈和外圈通過連接面相連，使密封圈整體呈U型結(jié)構(gòu)，密封圈內(nèi)外壁與涂膠軸和第一孔壁相抵接。U形結(jié)構(gòu)可以有效提升密封圈的彈性貼合性能，在工作軸發(fā)生左右晃動時，內(nèi)圈能夠隨著晃動，始終貼合工作軸的外壁面，從而保證了密封圈的密封性能，大大提高設(shè)備使用性能，節(jié)約生產(chǎn)和維護成本。

圖5 密封結(jié)構(gòu)1.涂膠軸；2.熔膠盒；3.底座；4，6.高溫軸承；5.限位套；7.限位圈；8.鎖緊螺母；9.連接螺母；10、12.密封圈；11.擋圈

(3)止動結(jié)構(gòu)

針對涂膠結(jié)束后板材與涂膠裝置二次接觸的問題，本文在涂膠裝置中增設(shè)了一個止動結(jié)構(gòu)，主要結(jié)構(gòu)包括固定座、驅(qū)動氣缸、限位組件、涂膠組件等，如圖6所示。驅(qū)動氣缸和限位組件是本結(jié)構(gòu)的核心，在涂膠裝置的機架上設(shè)置固定座，并且在固定座上設(shè)有驅(qū)動機構(gòu)，再通過驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動限位組件以實現(xiàn)涂膠機構(gòu)上涂膠組件的止動，具體實現(xiàn)方案如下：板材在涂膠過程中會經(jīng)過涂膠軸前面的導(dǎo)向器，當(dāng)板材脫離導(dǎo)向器時，板材也就脫離了止動結(jié)構(gòu)，而止動結(jié)構(gòu)上的涂膠組件在其驅(qū)動氣缸推動下依舊朝向板材方向移動，此時通過與板材驅(qū)動方向平行的驅(qū)動氣缸反向驅(qū)動，在板材離開涂膠軸之前，驅(qū)動限位組件抵住涂膠組件以實現(xiàn)止動，防止板材脫離后涂膠組件在驅(qū)動氣缸的驅(qū)動下繼續(xù)朝向板材的方向移動，從而避免二次接觸。

2.2.3 中轉(zhuǎn)裝置

針對PUR熱熔膠存儲和清理困難的問題，本文設(shè)計了一種中轉(zhuǎn)裝置，如圖7所示，主要結(jié)構(gòu)包括存儲箱、抽真空組件、旋轉(zhuǎn)加熱組件、刮膠組件、膠鍋等，抽真空組件、旋轉(zhuǎn)加熱組件和刮膠組件是本裝置的核心。中轉(zhuǎn)裝置可以實現(xiàn)PUR熱熔膠的暫時存儲和用后清理，為規(guī)模化熱熔膠封邊生產(chǎn)提供條件，具體實現(xiàn)方案如下：①實現(xiàn)存膠功能過程中，抽真空組件中真空泵抽出容置腔內(nèi)的氣體，真空存膠裝置可以提前設(shè)定保持負壓，當(dāng)箱體內(nèi)氣壓高于保持負壓時控制系統(tǒng)驅(qū)動真空泵工作，保證存儲箱實現(xiàn)穩(wěn)壓。當(dāng)需要取出膠鍋時，系統(tǒng)控制電磁閥打開，外界大氣進入到容置腔內(nèi)使得腔內(nèi)真空狀態(tài)破壞，方便膠鍋的取出。②在實現(xiàn)清膠功能過程中，旋轉(zhuǎn)加熱組件加熱膠鍋使熱熔膠熔化，加入適量的沖洗劑(防止PUR膠反應(yīng)固化)并控制涂膠軸轉(zhuǎn)動，PUR熱熔膠在涂膠軸的旋轉(zhuǎn)下順著刮膠組件流向清膠盒中，實現(xiàn)清膠過程。

圖6 止動結(jié)構(gòu)1.涂膠軸；2.涂膠組件；3.機架；4.固定座；5.氣缸座；6.驅(qū)動氣缸；7.第一限位螺母；8.輸出軸；9.第二限位螺母；10.限位板；11.驅(qū)動件

圖7 中轉(zhuǎn)裝置1.箱蓋；2.抽真空組件；3.密封膠條；4.涂膠軸；5.旋轉(zhuǎn)加熱組件；6.萬向輪；7.裝置平臺；8.清膠盒；9.把手；10.支架；11.刮膠組件；12.控制系統(tǒng)；13.膠鍋

2.2.4 水平齊頭裝置

針對傳統(tǒng)封邊齊頭作業(yè)中需要手動調(diào)節(jié)齊頭余量且鋸片的切割角度不能調(diào)整的問題，本文對齊頭裝置進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，主要結(jié)構(gòu)包括控制系統(tǒng)、橫梁、兩個齊頭機構(gòu)和橫向驅(qū)動組件等，如圖8所示。齊頭機構(gòu)是本裝置的核心，包括固定板、旋轉(zhuǎn)板、滑座、定位板、移動組件、升降組件、切割組件、距離微調(diào)組件、水平擺動和豎直擺動組件；各組件都與控制系統(tǒng)電連接，準(zhǔn)確性和可靠性高。水平齊頭裝置可實現(xiàn)0°～25°范圍內(nèi)切割余量大小的靈活調(diào)節(jié)，兩齊頭結(jié)構(gòu)通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)同時切割，控制系統(tǒng)內(nèi)檢測單元根據(jù)實際切割余量靈活調(diào)整鋸片角度，提高了工作效率，節(jié)省了時間成本。

圖8 水平齊頭裝置1.左齊頭機構(gòu)；2.橫向驅(qū)動組件；3.橫梁；4.右齊頭機構(gòu)

2.2.5 仿形跟蹤修邊裝置

現(xiàn)有跟蹤修邊裝置的作用是通過氣動控制刀具跟隨板材同步移動，其無法控制刀具與板材的相對移動，加工速度比較低。本文設(shè)計了一種仿形跟蹤修邊裝置，如圖9所示，其結(jié)構(gòu)包括上、下跟蹤修邊組件、驅(qū)動組件、行程組件、滑動組件等，跟蹤修邊組件和驅(qū)動組件是本裝置的核心。具體實現(xiàn)方案如下：進行齊頭切割之后的板材輸送到修邊加工位置時，

圖9 仿形跟蹤修邊裝置1.修邊電機；2.第二跟蹤支板；3.轉(zhuǎn)動塊；4.第二光軸；5.底板；6.第一光軸；7.軸承座；8.鎖緊板；9.擺臂板；10.軸承；11.導(dǎo)向桿；12.橫桿；13.第一跟蹤支板

被跟蹤修邊組件感應(yīng)到，驅(qū)動組件提前驅(qū)動下跟蹤修邊組件和上跟蹤修邊組件運動，使其追趕板材，并在板材到達前使修邊電機到位。在保證封邊穩(wěn)定性的前提下，根據(jù)板材信息自行調(diào)節(jié)加工位置以適應(yīng)對不同板材的修邊需求，通過設(shè)置追蹤裝置使仿形跟蹤修邊裝置的加工速度最快達到0.43 m/s，提高了封邊機修邊效率和柔性加工水平。

3 結(jié)論

本文基于PUR熱熔膠性能特點以及傳統(tǒng)熱熔膠封邊技術(shù)存在問題，對傳統(tǒng)熱熔膠封邊機進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，循環(huán)輸送裝置可滿足不同封邊工況，為涂膠裝置研發(fā)了可彈射膠門、密封和止動結(jié)構(gòu)，中轉(zhuǎn)裝置能夠真空存膠和自動清膠，并提高了齊頭裝置和跟蹤修邊裝置的自動化水平和工作速度。改進后的PUR熱熔膠封邊機實現(xiàn)了存膠、涂膠、齊頭、修邊和清膠的一體化加工，以及板材封邊工藝的自動化、柔性化，為家具制造業(yè)的大規(guī)模定制化提供了高性能智能封邊設(shè)備。