林志偉，林明山

(1.閩南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福建 漳州 363000；2.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，福建 漳州 363000)

膠合板生產(chǎn)屬于木材深加工，是將原木旋切成單板，再將多層單板經(jīng)拼接、涂膠、組坯、熱壓、補(bǔ)膠、裁邊和砂光等工藝制造而成的板材[1-4]。因原木含枝椏和樹節(jié)等缺陷[5]，且組坯時(shí)芯板存在離縫[6]，膠合板經(jīng)裁邊后側(cè)面會(huì)出現(xiàn)孔洞或縫隙，每米分布2～3個(gè)，一般可用膩?zhàn)犹钇娇紫叮源颂岣甙宀牡氖褂眯阅芎头浪阅躘7-8]。傳統(tǒng)修補(bǔ)方法是依靠人工使用刮刀取出膩?zhàn)?，沿邊線方向以一定角度反復(fù)移動(dòng)刮刀后將膩?zhàn)油繅旱桨宀膫?cè)面孔隙中，然后去除多余膩?zhàn)?，但修補(bǔ)過程效率低、質(zhì)量差，工況條件惡劣。因此，亟需改變這種現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)孔隙膩?zhàn)有扪a(bǔ)的自動(dòng)化。國(guó)內(nèi)外有關(guān)膩?zhàn)拥淖詣?dòng)化修補(bǔ)裝置研究較少，而進(jìn)行這方面研究有利于完善人造板自動(dòng)化工業(yè)體系[9]，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。筆者研發(fā)的膩?zhàn)有扪a(bǔ)裝置能獨(dú)立使用，也可與先期研發(fā)的膩?zhàn)訑D出機(jī)組成整機(jī)(圖1)，實(shí)現(xiàn)膠合板側(cè)面膩?zhàn)有扪a(bǔ)自動(dòng)化操作。

1.膩?zhàn)訑D出機(jī)；2.雙擺動(dòng)修補(bǔ)裝置；3.雙擺動(dòng)擱擋裝置；4.膠合板；5.壓輥。圖1 膠合板側(cè)面膩?zhàn)有扪a(bǔ)機(jī)Fig.1 Plywood side surface putty repair machine

1 雙擺動(dòng)修補(bǔ)裝置的工作原理

膠合板側(cè)面修補(bǔ)技術(shù)主要包括：側(cè)面孔隙填滿膩?zhàn)樱瑹o遺漏；膩?zhàn)雍穸染鶆?，最大厚度不超過0.4 mm。針對(duì)上述2個(gè)技術(shù)要點(diǎn)，經(jīng)數(shù)次生產(chǎn)研究和試驗(yàn)研制了一種雙擺動(dòng)貼合修補(bǔ)裝置(圖2)[10-12]。該裝置主要由主擺塊、次擺塊、轉(zhuǎn)動(dòng)銷、銷座、彈簧壓板、彈簧頂桿、主次彈簧、帶導(dǎo)角刮片等組成。主擺塊和次擺塊的轉(zhuǎn)動(dòng)銷軸相互垂直。主擺塊的偏擺壓縮主彈簧以產(chǎn)生彈力壓緊板面，次擺塊的微擺可保證安裝于其上的刮片刃緣貼合板面。雙擺動(dòng)的設(shè)計(jì)滿足了線(刮片刃緣)-面(板面)貼合與壓緊的使用需求。

參照?qǐng)D1和2，該裝置配合膩?zhàn)有扪a(bǔ)機(jī)的修補(bǔ)過程為：膠合板在動(dòng)力滾筒和壓輥的推送下，沿水平方向勻速進(jìn)給，側(cè)面附著擠出機(jī)所擠出的膩?zhàn)樱划?dāng)板邊碰觸安裝于次擺塊上的刮片時(shí)，次擺塊將板材推力傳遞至主擺塊，主擺塊產(chǎn)生偏擺的同時(shí)壓縮套在彈簧頂桿上的主彈簧；當(dāng)主擺塊被板材完全頂開后，次擺塊根據(jù)板材的傾斜度調(diào)整擺角使得刮片刃緣貼合板側(cè)面，主彈簧達(dá)到最大壓縮量，彈力經(jīng)主次擺塊傳遞至刮片使其以一定角度壓緊板材側(cè)面；隨著板材的推進(jìn)，附著于側(cè)面的膩?zhàn)邮軆A斜刮片的擠壓作用填塞至孔隙中，孔隙表面多余的膩?zhàn)颖粩R擋于刮片上；無板材通過時(shí)，主擺快和次擺塊在主次彈簧的作用下復(fù)位。修補(bǔ)過程中，刮片刃緣與板側(cè)面無間隙貼合，壓力分布均勻，無須往復(fù)刮涂即能滿足膩?zhàn)油垦a(bǔ)要求。

1.基座；2.伸縮絲桿軸承座；3.伸縮座；4.吸頭；5.吸頭座；6.升降座；7.主擺塊銷座；8.升降絲桿軸承座；9.升降絲桿；10.主彈簧壓板；11.垂直銷；12.主擺塊；13.次擺塊彈簧；14.彈簧頂桿；15.主彈簧；16.次擺塊；17.帶導(dǎo)角刮片；18.水平銷。圖2 雙擺動(dòng)貼合修補(bǔ)裝置Fig.2 Double swing fitting repair device

裝置的壓緊效果決定了側(cè)面殘留膩?zhàn)拥暮穸?，若壓緊力過小，孔隙表層膩?zhàn)雍穸葻o法滿足技術(shù)要求。因此，需圍繞貼合性和壓緊效果對(duì)雙擺動(dòng)貼合修補(bǔ)裝置進(jìn)行討論和設(shè)計(jì)，以完善該裝置的使用性能。

2 裝置自適應(yīng)貼合性分析

膠合板在傳送過程中，由于制造與裝配誤差，輸送裝置與雙擺動(dòng)裝置存在形位公差。具體表現(xiàn)為：輸送滾筒與壓輥存在徑向圓跳動(dòng)，雙擺動(dòng)裝置的擺動(dòng)軸線存在垂直度誤差。此外，圖1中壓輥的雙側(cè)輥壓方式也會(huì)導(dǎo)致膠合板產(chǎn)生微小的橫向翹曲。上述因素可歸結(jié)為實(shí)際工況下板材或者擺動(dòng)件存在繞某坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)誤差。刮片貼合板側(cè)面情況見圖3，以圖3中的固定參考系(O0X0Y0Z0)為絕對(duì)坐標(biāo)，忽略不影響貼合效果的繞Z0軸和Y0軸旋轉(zhuǎn)誤差，由于運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性，為簡(jiǎn)化分析，將傳送裝置、板材和雙擺動(dòng)裝置繞X0軸的誤差疊加為圖3a所示的膠合板傾斜角(θ)，使用坐標(biāo)變化[13]的方法證明雙擺動(dòng)裝置的自適應(yīng)貼合性。

注:W為板寬；E為板厚；m為刮片長(zhǎng)；n為刮片寬；b為水平銷軸與垂直銷軸在Y向的距離；α為主擺塊擺角；γ為次擺塊擺角；θ為板材傾斜角；δ為刮片軸線與板材中面高度差。圖3 刮片貼合板側(cè)面Fig.3 The scraper fitting the plywood sides

(1)

(2)

(3)

(4)

考慮O2X2Y2Z2坐標(biāo)系和O0X0Y0Z0坐標(biāo)系的平移關(guān)系，則r2在O0X0Y0Z0坐標(biāo)系的坐標(biāo)r0可表示為：

(5)

將式(3)和(4)代入式(5)可得：

(6)

若刮片刃緣與板側(cè)面貼合，則集合r0和R存在重合線，令r0=R，解得：

(7)

由式(7)可知，方程r0=R有解，即刮片刃緣上的點(diǎn)集合(線CD)與板側(cè)面投影點(diǎn)集合(線AB)存在重合情況。α和γ的表達(dá)式說明：雙擺動(dòng)裝置會(huì)根據(jù)多種誤差疊加而產(chǎn)生板材傾斜角，并自適應(yīng)調(diào)整主擺塊擺角和次擺塊擺角，以保證雙擺動(dòng)裝置所安裝的刮片刃緣貼合板側(cè)面。

雙擺動(dòng)裝置滿足自適應(yīng)貼合的必要條件是刮片長(zhǎng)度大于板材厚度，否則刮片無法覆蓋板側(cè)面。企業(yè)常用膠合板規(guī)格為板寬1 220 mm，板長(zhǎng)2 440 mm，最大厚度25 mm。選取刃長(zhǎng)60 mm的刮片，調(diào)整圖2中的升降座使刮片軸線與膠合板中面等高時(shí)，此刮片允許板材和雙擺動(dòng)裝置疊加最大傾斜角誤差θmax=tan-1[(60-25)/1 220]=1.64°。

參照GB/T 10595—2017《帶式輸送機(jī)》，傳送帶滾筒和托輥在帶速小于3.15 m/s時(shí)，滾子長(zhǎng)度(B)范圍為950

3 部件主要參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 影響壓緊效果的主要參數(shù)

雙擺動(dòng)裝置貼合-壓緊膠合板側(cè)面過程中，將發(fā)生如圖4所示的碰撞。位置Ⅰ為碰觸瞬間，板邊緣碰觸點(diǎn)為A，并將動(dòng)能傳遞給雙擺塊使其獲得初速度；在位置Ⅱ時(shí)，主擺塊的角速度達(dá)到最大；在位置Ⅲ時(shí)，擺動(dòng)件角速度為0，刮片呈一定角度貼合并壓緊板側(cè)面，膩?zhàn)有扪a(bǔ)過程開始。

注:d為擺動(dòng)件質(zhì)心與銷孔中心的距離；L0為彈簧頂桿軸線與銷孔中心的距離；L為主擺塊擺長(zhǎng)；u為刮片伸出板邊長(zhǎng)度；β為擺動(dòng)件角速度最大時(shí)的主擺塊擺角；H為主彈簧初始長(zhǎng)度；h為刮片壓緊板側(cè)面時(shí)的主彈簧長(zhǎng)度；Fx為銷孔處水平約束反力；Fy為銷孔處垂直約束反力；Fs為板材推力；FN為板側(cè)面對(duì)擺動(dòng)件的支撐力；Fk為主彈簧彈力。圖4 膠合板與雙擺動(dòng)修補(bǔ)裝置碰撞過程Fig.4 The collision between plywood and double swing repair device

對(duì)于位置Ⅲ，由幾何關(guān)系，彈簧的壓縮量(Δx)為:

(8)

其中，α與u的幾何關(guān)系為：

Lsinαtan(α/2)=u

(9)

將式(8)和(9)代入Fk=kΔx可知，彈簧的彈力[14]由主擺塊擺長(zhǎng)(L)、彈簧頂桿軸線與銷孔中心的距離(L0)、剛度系數(shù)(k)、刮片伸出板邊長(zhǎng)度(u)和主彈簧初始長(zhǎng)度(H)決定，為了保證修補(bǔ)過程中刮片對(duì)板側(cè)面的壓緊效果，需要根據(jù)實(shí)際工況確定上述主要參數(shù)。

3.2 主擺塊擺長(zhǎng)和彈簧頂桿安裝位置

為簡(jiǎn)化分析主擺塊擺長(zhǎng)，以主次擺塊及其聯(lián)動(dòng)件整體為研究對(duì)象，將其統(tǒng)稱為擺動(dòng)件。相鄰膠合板持續(xù)進(jìn)給過程中，擺動(dòng)件與板材存在周期性的碰撞，主擺動(dòng)件銷孔處將產(chǎn)生周期性的約束反力增量。為減小位置Ⅰ的約束反力增量，降低碰撞影響，尋找擺動(dòng)件與板材的碰撞中心[15]，并以此為依據(jù)確定主擺塊擺長(zhǎng)和彈簧頂桿安裝位置。

位置Ⅰ處膠合板與擺動(dòng)件發(fā)生碰觸后的瞬間，擺動(dòng)件獲得動(dòng)能并產(chǎn)生初始角速度。位置Ⅰ碰觸時(shí)間極短，主擺塊尚未偏擺，主彈簧除初始?jí)嚎s量外無額外變形。由動(dòng)量矩定理可知：

ωJ=Fst(L-u)-Fk0tL0

(10)

式中：ω為碰觸后擺動(dòng)件的初始角速度；J為擺動(dòng)件繞垂直銷的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；t為位置Ⅰ的碰觸時(shí)間；Fk0為彈簧初始彈力。

若瞬心速度為vC，則：

vC=ωd=[Fst(L-u)-Fk0tL0]d/J

(11)

由動(dòng)量定理可推導(dǎo)出：

mvC=-Fxt-Fk0t+Fst

(12)

將式(11)代入式(12)可得：

(13)

未發(fā)生碰撞時(shí)，銷孔水平約束反力等于彈簧初始彈力。因此，在位置Ⅰ碰觸后瞬間，銷孔水平約束反力增量(ΔFx)為：

(14)

(15)

式(15)中的第1式為擺動(dòng)件的碰撞中心，以此為依據(jù)設(shè)計(jì)主擺塊擺長(zhǎng)，代入相關(guān)數(shù)據(jù)可得L-u=56 mm，由于u比L小很多，實(shí)際設(shè)計(jì)中取L=52 mm。

3.3 主彈簧參數(shù)設(shè)計(jì)

在圖4中的位置Ⅲ，由靜力學(xué)平衡方程可得：

(16)

為了保證刮片能壓緊膠合板側(cè)面，板側(cè)面對(duì)擺動(dòng)件的支撐力必須大于0，求解式(16)可得：

(17)

將Fk=kΔx以及式(8)代入式(17)可得：

(18)

取Δx=4 mm、Fs=100 N、L=52 m、H=36 mm、L0=30 mm、u=4 mm代入式(18)，初步確定彈簧的剛度系數(shù)k>16.6 N/mm，圓整后初步選擇k=20 N/mm。將上述數(shù)據(jù)代入彈簧計(jì)算公式：

(19)

式中：G為線材剛性模量，不銹鋼絲取7 300 MPa；d0為彈簧線徑；Dm為彈簧中徑，根據(jù)頂桿直徑14 mm，選取彈簧中徑為18 mm；NC為彈簧有效圈數(shù)，取3。

由式(19)計(jì)算出彈簧線徑d0=2.5 mm。彈簧規(guī)格選擇2.5 mm×22 mm×40 mm(線徑×外徑×長(zhǎng)度)滿足上述計(jì)算要求。初步調(diào)試后，上述規(guī)格的不銹鋼壓縮彈簧滿足雙擺動(dòng)裝置的壓緊要求。若需進(jìn)一步調(diào)整刮片壓緊力，根據(jù)式(8)和(9)，改變u值可調(diào)節(jié)主彈簧彈力，具體實(shí)現(xiàn)方式為旋轉(zhuǎn)圖2伸縮座的伸縮絲桿以實(shí)現(xiàn)壓緊力微調(diào)。

次擺塊彈簧的作用是使次擺塊在自由狀態(tài)下保持豎直，防止次擺塊在無約束下過度傾斜而與板材劇烈碰撞。由于次擺塊的擺動(dòng)量較小，選擇線徑細(xì)小的輕量彈簧裝配于轉(zhuǎn)軸兩側(cè)，設(shè)計(jì)中不考慮其參數(shù)計(jì)算。

4 裝置應(yīng)用與驗(yàn)證

在實(shí)際試驗(yàn)中，雙擺動(dòng)修補(bǔ)裝置持續(xù)作業(yè)，刮片聚積大量膩?zhàn)?，?dǎo)致板材經(jīng)過刮片后，面板與背板邊緣粘連細(xì)條狀膩?zhàn)樱绊懓宀牡氖褂煤投询B。為清除表板邊緣膩?zhàn)樱瑢?duì)修補(bǔ)裝置做了兩方面的功能補(bǔ)充與改進(jìn)。第一，在圖2中的伸縮座安裝吸頭，吸頭斜切口對(duì)齊刮片并外接工業(yè)吸塵器。無板通過時(shí)，刮片復(fù)位，吸塵器啟動(dòng)，刮片聚積的膩?zhàn)颖淮罅课话宀男扪a(bǔ)時(shí)，吸塵器關(guān)閉。吸除裝置的添加既回收了膩?zhàn)釉?，又極大減少了單板修補(bǔ)后雙擺動(dòng)裝置刮片所聚積的膩?zhàn)訑?shù)量，從而使表板邊緣粘連的細(xì)條狀膩?zhàn)右搽S之減少。第二，基于雙擺動(dòng)裝置的工作原理，經(jīng)過類似分析與計(jì)算，設(shè)計(jì)了雙擺動(dòng)擱擋裝置(圖5)，該裝置使用一組上下對(duì)稱的刮片貼合壓緊膠合板面板與背板，將表板邊緣的細(xì)條狀膩?zhàn)訑R擋于上下刮片，消除表板邊緣聚積的細(xì)條狀膩?zhàn)印?/p>

1.下基座；2.上基座；3.升降座；4.氣缸；5.雙擺動(dòng)裝置。圖5 雙擺動(dòng)擱擋裝置Fig.5 The double swing blocking device

按照上述設(shè)計(jì)制造出雙擺動(dòng)修補(bǔ)裝置及擱擋裝置，與先前設(shè)計(jì)的膩?zhàn)訑D出機(jī)組成膠合板側(cè)面膩?zhàn)有扪a(bǔ)機(jī)(圖6)。在某木業(yè)公司試用樣機(jī)，完成了一種包含側(cè)面膩?zhàn)訑D出與附著、側(cè)面孔洞填塞和膩?zhàn)庸纬?、表板膩?zhàn)訑R擋的膠合板側(cè)面膩?zhàn)幼詣?dòng)化修補(bǔ)工藝。雙擺動(dòng)裝置修補(bǔ)膠合板的側(cè)面效果圖見圖7，已修補(bǔ)板面無孔隙殘留、平整度好、膩?zhàn)雍穸染鶆?。?biāo)準(zhǔn)幅面尺寸2.44 m×1.22 m，厚度12，15和18 mm的3種膠合板側(cè)面修補(bǔ)應(yīng)用情況見表1。應(yīng)用結(jié)果表明：

1)雙擺動(dòng)貼合的膩?zhàn)有扪a(bǔ)裝置適用于不同規(guī)格的膠合板側(cè)面膩?zhàn)有扪a(bǔ)，修補(bǔ)速度為0.4 m/s，對(duì)比單側(cè)0.2 m/s且需要往復(fù)刮涂的手工修補(bǔ)方式，修補(bǔ)效率至少提升3倍以上。

2)經(jīng)雙擺動(dòng)裝置修補(bǔ)后，膠合板側(cè)面無孔隙殘留，膩?zhàn)雍穸染鶆颍畲蠛穸葹?.2 mm；而手工修補(bǔ)存在20%～30%的殘留孔隙，膩?zhàn)雍穸仍?.6～1.2 mm浮動(dòng)。

3)為對(duì)比自動(dòng)化與手工修補(bǔ)膩?zhàn)佑昧?，?0 kg膩?zhàn)釉献鰧?duì)比試驗(yàn)。經(jīng)吸頭回收再利用，10 kg的膩?zhàn)釉峡赏瓿?50塊標(biāo)準(zhǔn)幅面尺寸18 mm厚的膠合板自動(dòng)化修補(bǔ)，同樣質(zhì)量的膩?zhàn)釉峡赏瓿?30塊膠合板手工修補(bǔ)。因此，雙擺動(dòng)裝置修補(bǔ)過程的膩?zhàn)酉牧柯源笥谑止ば扪a(bǔ)。

根據(jù)以上應(yīng)用結(jié)果分析得出，雖然雙擺動(dòng)裝置的膩?zhàn)酉牧柯源笥谑止ば扪a(bǔ)，但從生產(chǎn)效率、生產(chǎn)環(huán)境和人工成本等綜合考慮，總生產(chǎn)成本低，修補(bǔ)質(zhì)量?jī)?yōu)，符合企業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)需求，適合在實(shí)際生產(chǎn)中推廣。此外，在未來的設(shè)備升級(jí)中，可考慮配合視覺檢測(cè)系統(tǒng)僅對(duì)有孔隙位置涂抹膩?zhàn)樱档湍佔(zhàn)釉舷?，其?yīng)用前景廣闊。

圖6 膠合板膩?zhàn)有扪a(bǔ)樣機(jī)Fig.6 Prototype of plywood putty repair machine

圖7 膠合板側(cè)面修補(bǔ)前后對(duì)比Fig.7 Comparison of the repair effects of plywood side surfaces

表1 雙擺動(dòng)修補(bǔ)裝置應(yīng)用結(jié)果Table 1 The application results of double swing repair device

5 結(jié) 論

研制了一種雙擺動(dòng)貼合的膠合板側(cè)面膩?zhàn)有扪a(bǔ)裝置，當(dāng)裝置安裝的刮片以一定角度貼合并壓緊膠合板側(cè)面后，附著于板側(cè)面的膩?zhàn)訉㈦S著板材的運(yùn)動(dòng)被刮片斜壓入孔洞中，孔隙表面多余膩?zhàn)颖还纬?。?duì)裝置的貼合性與壓緊效果展開分析與設(shè)計(jì)，首先使用坐標(biāo)變化證明了該裝置的線-面自適應(yīng)貼合性允許傳送裝置和修補(bǔ)裝置產(chǎn)生一定的傾斜誤差；然后進(jìn)行了影響壓緊效果和裝置碰撞穩(wěn)定性的主要參數(shù)設(shè)計(jì)，包括主擺塊擺長(zhǎng)、彈簧頂桿安裝位置和彈簧規(guī)格選型；最后對(duì)雙擺動(dòng)裝置修補(bǔ)后表板邊緣膩?zhàn)拥木鄯e問題做了改進(jìn)設(shè)計(jì)。將雙擺動(dòng)貼合的修補(bǔ)裝置和擱擋裝置結(jié)合膩?zhàn)訑D出機(jī)組成側(cè)面膩?zhàn)有扪a(bǔ)機(jī)，應(yīng)用結(jié)果表明，該裝置滿足企業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)要求，修補(bǔ)效率較手工修補(bǔ)提升3倍以上，一次性修補(bǔ)后膠合板側(cè)面無殘留孔隙，膩?zhàn)油坎季鶆?，最大厚度?.2 mm。本研究設(shè)計(jì)的裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易調(diào)整，適用于不同厚度的膠合板側(cè)面自動(dòng)化修補(bǔ)，可在行業(yè)中推廣應(yīng)用。