木制家具旋轉(zhuǎn)噴涂關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及智能控制系統(tǒng)研究

胡 松， 李月茹， 杜佳寶， 李三平， 王金聰

(1.廣東博碩涂裝技術(shù)有限公司，廣東 佛山 528000；2.東北林業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；3.國家林業(yè)草原人工智能與裝備工程技術(shù)研究中心，黑龍江 哈爾濱 150040)

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進步，木質(zhì)家具的制造技術(shù)發(fā)展極為迅速，我國木質(zhì)家具制造業(yè)在國內(nèi)外均有著龐大的市場。涂裝作業(yè)是木質(zhì)家具生產(chǎn)的最后一道工序，在木質(zhì)家具加工制造過程中極為重要，也是最容易影響木質(zhì)家具質(zhì)量的一道工序[1]?，F(xiàn)階段，國內(nèi)小型木質(zhì)家具企業(yè)噴漆環(huán)節(jié)主要以人工噴漆為主，家具涂裝車間環(huán)境較為惡劣，涂料中的可揮發(fā)性物質(zhì)、粉塵等嚴(yán)重影響工人的身體健康。另外，人工噴涂的不確定因素較多，工作效率、漆膜性能、噴涂效率、涂料利用率等方面難以穩(wěn)定保持[2，3]。

目前，小型家具企業(yè)噴漆環(huán)節(jié)以人工噴涂為主，但是大型木質(zhì)家具企業(yè)噴漆環(huán)節(jié)基本實現(xiàn)了自動化噴漆作業(yè)，主要使用往復(fù)式噴漆機。但在噴漆過程中，一次只能對一件木質(zhì)家具進行噴涂，需要人工頻繁地更換木質(zhì)家具，浪費了較多時間，不利于噴漆的連續(xù)性作業(yè)[4]。因此，根據(jù)家具的噴漆工藝要求，研制高效、環(huán)保、低成本的新型木質(zhì)家具噴漆裝備，對推動我國木工及家具行業(yè)的發(fā)展，具有重大的經(jīng)濟效益和社會價值。本文對木質(zhì)家具噴漆機的旋轉(zhuǎn)式噴漆系統(tǒng)進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，對噴漆機關(guān)鍵部分旋轉(zhuǎn)架進行靜力學(xué)分析，通過對剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)仿真和全剛性體仿真進行對比分析，驗證了該噴漆機模型的準(zhǔn)確性和有效性[5-7]。

1 木質(zhì)家具旋轉(zhuǎn)式噴涂機總體結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1所示，木質(zhì)家具旋轉(zhuǎn)式噴漆機主要由上料傳送帶、機架、旋轉(zhuǎn)噴漆系統(tǒng)、自動識別工件系統(tǒng)、噴漆室、油漆回收系統(tǒng)和下料傳送帶七部分組成。該噴漆機的工作流程為：清潔干凈的木質(zhì)家具在上料傳送帶1的作用下，進入到噴漆室5，在自動識別工件系統(tǒng)4識別到木質(zhì)家具時，旋轉(zhuǎn)噴漆系統(tǒng)3開始對木質(zhì)家具表面進行噴涂；同時，噴漆機內(nèi)部的傳送帶逐步將木質(zhì)家具送出噴漆室，最終在下料傳送帶7的作用下將木質(zhì)家具送轉(zhuǎn)至下一工序(干燥、翻轉(zhuǎn))，翻轉(zhuǎn)后經(jīng)由其他傳送帶重新將木質(zhì)家具送回至噴漆機內(nèi)以便完成另一面噴涂，可形成連續(xù)性的噴涂作業(yè)。

圖1 木質(zhì)家具旋轉(zhuǎn)式噴漆機總體結(jié)構(gòu)圖1.上料傳送帶；2.機架；3.旋轉(zhuǎn)噴漆系統(tǒng)；4.自動識別工件系統(tǒng)；5.噴漆室；6.油漆回收系統(tǒng)；7.下料傳送帶

2 噴涂機關(guān)鍵結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

2.1 旋轉(zhuǎn)架的靜力學(xué)分析

為了驗證噴漆機結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性以及分析噴漆機構(gòu)件(剛度、強度)對噴漆機噴涂性能的影響，需要對噴漆機的關(guān)鍵部件進行有限元分析和模態(tài)分析。本文采用的是有限元分析軟件對木質(zhì)家具旋轉(zhuǎn)式噴漆機的主要受力部件進行靜力學(xué)分析。木質(zhì)家具旋轉(zhuǎn)式噴漆機的旋轉(zhuǎn)架為減輕自身重量，減小整個噴漆系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量，旋轉(zhuǎn)架采用空心矩形管焊接而成。木質(zhì)家具旋轉(zhuǎn)式噴漆機的旋轉(zhuǎn)架作為整個噴槍系統(tǒng)及上部旋轉(zhuǎn)接頭的承載支撐架，對整個旋轉(zhuǎn)噴漆系統(tǒng)的噴漆精度以及噴漆系統(tǒng)的穩(wěn)定性都有著重要的作用[8]，因此需要對旋轉(zhuǎn)架的合理性及可行性進行研究。

木質(zhì)家具旋轉(zhuǎn)式噴漆機的旋轉(zhuǎn)架主體支架部分由矩形管焊接而成，各旋轉(zhuǎn)支架通過圓周圈支撐，起固定作用。其三維模型利用SolidWorks 2021軟件完成建模。在利用有限元軟件進行靜力學(xué)分析時，為了更快速地獲取處理結(jié)果，首先應(yīng)對模型進行簡化處理。本文在靜力學(xué)分析時，對旋轉(zhuǎn)架上噴槍安裝板的中心孔、倒角進行了微處理，簡化處理了連接螺栓，并認(rèn)為焊接處焊接質(zhì)量絕對可靠，工作過程中焊縫不影響力的傳遞。在完成對模型的處理后，將模型另存為.x_t的格式導(dǎo)入到有限元軟件中并打開。模型簡化后如圖2所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)架簡化后結(jié)構(gòu)模型

簡化后的模型導(dǎo)入到有限元軟件中需要進行材料參數(shù)的定義，旋轉(zhuǎn)架中矩形管的材料均為Q235A，具體的材料屬性參數(shù)如表1所示。

表1 材料屬性表

網(wǎng)格劃分是有限元分析中最重要的環(huán)節(jié)，是把模型分成很多小的單元，然后通過施加載荷和約束能夠?qū)ξ粗窟M行求解。本文采用自動網(wǎng)格劃分方法，將木質(zhì)家具旋轉(zhuǎn)式噴漆機的旋轉(zhuǎn)架劃分為22 672個節(jié)點，5 108個單元。網(wǎng)格劃分的結(jié)果如圖3所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)架網(wǎng)格劃分

本文采用在實體上添加載荷的方法，通過對木質(zhì)家具旋轉(zhuǎn)式噴漆機的結(jié)構(gòu)進行分析，旋轉(zhuǎn)架所受載荷主要來自于對旋轉(zhuǎn)接頭的支撐力，各個噴槍的重力，以及在工作過程中旋轉(zhuǎn)架所受到的轉(zhuǎn)矩。通過在三維建模軟件中對各個零件添加相應(yīng)的材料屬性，可以計算出各零件的質(zhì)量，可知噴槍安裝板的質(zhì)量為0.274 kg，旋轉(zhuǎn)接頭支撐架的質(zhì)量為0.08 kg，旋轉(zhuǎn)接頭所受的轉(zhuǎn)矩為6 000 N·mm，通過查閱資料可知WA-200-202P型號噴槍的質(zhì)量為0.47 kg。對模型施加載荷約束如圖4所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)架載荷添加圖

通過對旋轉(zhuǎn)架約束后便可對模型進行求解，經(jīng)過軟件計算可以得出旋轉(zhuǎn)架的等效應(yīng)力、等效應(yīng)變及變形云圖，如圖5～7所示，旋轉(zhuǎn)架承載著多個關(guān)鍵零部件，對噴漆精度及漆膜厚度均勻性有著重要的影響。故需要對云圖進行分析以校核支撐架的強度和剛度。

旋轉(zhuǎn)架的等效應(yīng)力云圖如圖5所示，旋轉(zhuǎn)架所受的最大應(yīng)力在噴槍安裝的豎直支架上，數(shù)值為7.588 MPa。旋轉(zhuǎn)架的材料為Q235，屈服強度為σs=235 MPa，考慮到計算精度的問題，取安全系數(shù)[S]=2，則最大許用應(yīng)力為[σ]=σs/[S]=117.5 MPa，實際產(chǎn)生的最大應(yīng)力遠小于旋轉(zhuǎn)架的許用應(yīng)力，所以旋轉(zhuǎn)架能夠確保木質(zhì)家具旋轉(zhuǎn)式噴漆機的穩(wěn)定運行，滿足設(shè)計要求。

圖5 旋轉(zhuǎn)架等效應(yīng)力云圖

圖6 旋轉(zhuǎn)架等效應(yīng)變云圖

圖6所示為旋轉(zhuǎn)架的等效應(yīng)變云圖，其反映了旋轉(zhuǎn)架的剛度特性。從圖上可以看出最大應(yīng)變出現(xiàn)在噴槍安裝的豎直支架上，此處承受噴槍及噴槍安裝板的重力，發(fā)生應(yīng)變符合實際，且旋轉(zhuǎn)架的最大應(yīng)變小于材料的極限撓度，滿足設(shè)計要求。

圖7 旋轉(zhuǎn)架變形云圖

由圖7可知，變形最大的區(qū)域集中在支撐各支架的圓周架上，跨度越大，產(chǎn)生的變形量越大，最大變形量為0.072 mm。這是由于圓周架起著支撐各支架的作用，各支架上也安裝有噴槍安裝板及噴槍，所承受的壓力也就更大，因此發(fā)生的變形更大，所以圖3～11發(fā)生的變形符合旋轉(zhuǎn)架實際工作情況發(fā)生的變形，滿足設(shè)計要求。

通過對旋轉(zhuǎn)架應(yīng)力、應(yīng)變、變形云圖等分析，可以確定旋轉(zhuǎn)架的剛度和強度能夠保證旋轉(zhuǎn)噴漆系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，所以旋轉(zhuǎn)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。但由于旋轉(zhuǎn)架的結(jié)構(gòu)為懸臂式結(jié)構(gòu)，為分析其是否會發(fā)生共振，又對其進行了模態(tài)分析。

2.2 旋轉(zhuǎn)架的模態(tài)分析

求得旋轉(zhuǎn)架每階的固有頻率，基于頻率分析噴漆機旋轉(zhuǎn)完成之后的振動特性，并進行模態(tài)分析。模態(tài)分析分為無阻尼模態(tài)分析和有阻尼模態(tài)分析，本節(jié)采用無阻尼模態(tài)分析，根據(jù)材料的屬性以及旋轉(zhuǎn)架的結(jié)構(gòu)以及有限元軟架的振動情況進行分析。根據(jù)經(jīng)典動力學(xué)理論可知，物體的動力學(xué)通用方程為：

[M]{&}+[K]{x}={0}

(1)

結(jié)構(gòu)的自由振動為簡諧振動，即位移為正弦函數(shù)：

x=xsin(ωt)

(2)

代入上式得：

([K]-ω2[M]){x}={0}

(3)

由之前的靜力學(xué)分析文件可將模態(tài)分析模塊與靜力學(xué)分析模塊進行數(shù)據(jù)共享。經(jīng)過分析可獲得前六階模態(tài)下的振型云圖以及各階模態(tài)的固有頻率。木質(zhì)家具旋轉(zhuǎn)式噴漆機旋轉(zhuǎn)架的前六階模態(tài)振型固有頻率如圖8所示，不同頻率下的振型云圖如圖9所示。

由圖9六階模態(tài)振型云圖可以觀察到一階模態(tài)振型最大振幅出現(xiàn)在噴槍安裝的支架上，通過對振型云圖的觀察以及云圖變化過程的動態(tài)演示可以得知六階模態(tài)中旋轉(zhuǎn)架主要發(fā)生沿Y軸方向的左右擺動，且隨著振幅頻率的增加，擺動的頻率也會增加。前六階模態(tài)振幅最大位置為各云圖中紅色位置，且變形最大位置集中在噴槍安裝的支架上以及旋轉(zhuǎn)架的支撐圓周架上，通過振型云圖變化以及計算得出的變形數(shù)值可以得知最大變形量未超過許用變形量，且符合實際情況。旋轉(zhuǎn)架前六階振動方向及最大變形位置如表2所示。

圖8 旋轉(zhuǎn)架的模態(tài)振型固有頻率

表2 旋轉(zhuǎn)架前六階振動方向及最大變形位置

由表2可知，旋轉(zhuǎn)架固有頻率為64.996 Hz，由振源頻率公式f=n/60計算可得到振源頻率，已知振源電機的轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，因此振源頻率為50 Hz，旋轉(zhuǎn)架的固有頻率大于振源頻率，故在噴漆機工作的過程中旋轉(zhuǎn)架不存在共振現(xiàn)象，不會對噴漆機的整體穩(wěn)定性以及噴漆機的噴漆效率造成影響。

2.3 剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)仿真分析

根據(jù)上節(jié)對旋轉(zhuǎn)架的靜力學(xué)分析，可知在載荷的作用下，旋轉(zhuǎn)架會發(fā)生微小的變形，為分析變形是否對噴漆機的噴涂精度產(chǎn)生影響，對其進行了剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真分析。木質(zhì)家具旋轉(zhuǎn)式噴漆機的噴槍旋轉(zhuǎn)架工作時，空間范圍大，各支架相當(dāng)于簡支梁，其柔度相較于其他的運動件大，且其運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性會影響噴槍的噴涂精度，因此旋轉(zhuǎn)噴槍架產(chǎn)生的變形不可忽視，故此處將旋轉(zhuǎn)架視為柔性體處理。

將旋轉(zhuǎn)噴槍架從SolidWorks中導(dǎo)出.x_t格式文件，并將旋轉(zhuǎn)噴槍架.x_t格式文件導(dǎo)入到hypermesh中，在hypermesh中劃分網(wǎng)格，定義材料、密度、泊松比，并在運動副處進行剛性化處理建立外連接點，最后通過定義卡片屬性生成mnf文件，完成旋轉(zhuǎn)噴槍架模型的柔性化。由hypermesh生成的零件柔性體模型如圖10、11所示。

圖10 噴槍旋轉(zhuǎn)架有限元網(wǎng)格

圖11 與剛體連接的外連接點約束方程

如圖11所示，通過定義剛性外連接點的約束方程可實現(xiàn)柔性體與剛性體的連接。定義柔性體上外連接點的自由度與定義連接鉸鏈的標(biāo)記點相關(guān)。本文定義的剛性外連接點剛性區(qū)域采用的是rigids。

將上節(jié)求解得到的噴槍旋轉(zhuǎn)架的mnf文件導(dǎo)入到Adams剛體模型中，將旋轉(zhuǎn)噴槍架的剛體零件進行替換，刪去原有的約束關(guān)系，進行重新約束，保持原有模型的零件位置、連接形式不發(fā)生變化。為簡化剛?cè)狁詈夏Ｐ停瑢⑴c仿真無關(guān)的零部件刪除，僅保持與運動有關(guān)的機構(gòu)。

如圖12所示，通過對比兩種模型的旋轉(zhuǎn)架角速度在同一時刻速度值的變化，可以得出在木質(zhì)家具旋轉(zhuǎn)式噴漆機剛開始工作時，噴槍旋轉(zhuǎn)架的角速度發(fā)生了較大的波動。這是由于噴漆機剛啟動一瞬間，噴槍旋轉(zhuǎn)架發(fā)生了微小的變形。據(jù)此，在實際動作中，可以先啟動旋轉(zhuǎn)式噴漆機，讓其先空轉(zhuǎn)0.2 s，再打開噴槍開關(guān)對工件進行噴涂，以此來保證工件表面漆膜厚度的均勻性。在0.75 s以后噴槍旋轉(zhuǎn)架的角速度并未發(fā)生較大波動，與全剛性時基本保持一致。圖13為兩種模型下旋轉(zhuǎn)架的角速度誤差，根據(jù)計算可以得出兩種模型下角速度的誤差約為-0.5%～0.25%之間，誤差率較小，有效地確保了噴漆機噴漆系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖12 兩種模型下旋轉(zhuǎn)架角速度對比

圖13 兩種模型下旋轉(zhuǎn)架角速度誤差變化

圖14為兩種模型下噴槍軌跡的變化。圖15為兩種模型下噴槍軌跡的變化誤差，通過觀察可以得知圖中誤差曲線較為規(guī)整，同一時刻兩種模型下噴槍的噴涂軌跡并未發(fā)生明顯的變化，軌跡誤差較小，表明全剛體模型仿真的準(zhǔn)確性較好，旋轉(zhuǎn)架的微小變形并不會對噴涂軌跡以及噴涂效果產(chǎn)生較大的影響。

圖14 兩種模型下噴槍軌跡的變化

3 智能噴涂控制系統(tǒng)

本文設(shè)計的定制家具智能噴涂控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)針對定制家具智能優(yōu)選最佳的噴漆模式和最好的噴涂方向及合理的散射角。定制家具在生產(chǎn)線上每塊板的尺寸和厚度都不同，在保證最高生產(chǎn)率的條件下，實時調(diào)整生產(chǎn)線數(shù)控系統(tǒng)的噴涂參數(shù)，實現(xiàn)噴涂智能控制。利用人工智能和專家系統(tǒng)，根據(jù)自學(xué)習(xí)的機理，逐步實現(xiàn)工業(yè)大數(shù)據(jù)的智能調(diào)控，在客戶定制數(shù)據(jù)傳給數(shù)控系統(tǒng)以后，利用互聯(lián)網(wǎng)高速傳輸?shù)奶匦裕瓜到y(tǒng)自動匹配最合理的數(shù)控加工參數(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)線的智能化。

圖15 兩種模型下噴槍軌跡的變化誤差

智控系統(tǒng)擁有主窗口、視頻監(jiān)控、賬戶管理、維護管理、記錄查詢、故障查詢及云端五個模塊功能，其中主窗口用于顯示機器運行狀態(tài)并且可以通過主窗口自定義機器組成及自定義控制界面，所述視頻監(jiān)控模塊可以通過系統(tǒng)對生產(chǎn)機器進行實施監(jiān)控，所述賬號管理可以對系統(tǒng)的每個登陸者進行管理，所述維護管理可以查看機器的相關(guān)維護信息，所述記錄查詢可以查詢機器的使用記錄及操作者ID等，所述故障查詢可以查詢機器遇到的故障與解決故障的相關(guān)辦法，所述云端可以查看網(wǎng)絡(luò)上其他機器的生產(chǎn)信息以及機器狀態(tài)。

智能噴涂控制系統(tǒng)展現(xiàn)了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的全新趨勢，有效把5G技術(shù)與項目產(chǎn)品實行有效對接，為裝備的生產(chǎn)、使用提供更加柔性化的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連接和支持，貫穿涂裝行業(yè)的生命周期數(shù)字化轉(zhuǎn)型，最終實現(xiàn)整線的智能化控制及綠色環(huán)保涂裝制造。

4 結(jié)論

(1)通過靜力學(xué)分析，獲得了木質(zhì)家具旋轉(zhuǎn)式噴漆機關(guān)鍵部件的靜力學(xué)特性，結(jié)果表明噴漆機的噴槍旋轉(zhuǎn)架、旋轉(zhuǎn)主軸和傳動齒輪的強度剛度均滿足設(shè)計要求。

(2)通過模態(tài)分析，得到噴槍旋轉(zhuǎn)架的前六階振型和固有頻率，驗證了噴槍旋轉(zhuǎn)架不會和整機發(fā)生共振。

(3)將旋轉(zhuǎn)架作為柔性體，進行了剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)仿真，驗證了實際工作中旋轉(zhuǎn)架的微小變形并不會對噴涂精度產(chǎn)生較大的影響。

(4)通過智能化可調(diào)控噴涂系統(tǒng)，自定義機器組成，自定義控制界面，參數(shù)界面以及監(jiān)控界面，提升了噴涂生產(chǎn)線的自動化智能化功能。