白 雪， 毛 磊， 李晨琦， 趙思淼， 王宏棣*

(1.黑龍江省木材科學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150081；2.黑龍江省木材綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150081)

中國(guó)木地板從20世紀(jì)80年代發(fā)展至今已有30余年，雖然起步較晚但發(fā)展極快，不僅是林業(yè)產(chǎn)業(yè)的重要部分，也在世界地面裝飾材料市場(chǎng)中扮演重要角色。木地板鎖扣技術(shù)是一種木地板拼接技術(shù)，作為木地板鋪裝連結(jié)的核心技術(shù)，木地板鎖扣技術(shù)的發(fā)展和研究對(duì)木地板行業(yè)的發(fā)展尤為重要。通過研究木地板鎖扣技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀可以掌握木地板鎖扣的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和未來的發(fā)展趨勢(shì)。

1 木地板鎖扣技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展與現(xiàn)狀

1.1 木地板鎖扣技術(shù)的國(guó)外發(fā)展與現(xiàn)狀

歐洲作為木地板鎖扣技術(shù)的起源地，無論是發(fā)展程度還是發(fā)展速度都處于世界領(lǐng)先地位，至今仍掌握著木地板鎖扣的關(guān)鍵技術(shù)，其中比利時(shí)的尤尼林(UNILIN)和瑞典的瓦林格(VALINGE)兩家企業(yè)是行業(yè)內(nèi)發(fā)展較早且掌握全球行業(yè)大部分核心技術(shù)的企業(yè)，通過分析這兩家企業(yè)的技術(shù)發(fā)展過程可以了解木地板鎖扣技術(shù)的發(fā)展變化和未來發(fā)展趨勢(shì)。

1.1.1 尤尼林(UNILIN)

尤尼林(UNILIN)是強(qiáng)化木地板(浸漬紙層壓木質(zhì)地板)制造商、經(jīng)銷商和營(yíng)銷商，其下屬地板工業(yè)公司(Flooring Industries)是知識(shí)產(chǎn)權(quán)管理公司，可見其對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的掌握與重視。

1997年，尤尼林設(shè)計(jì)生產(chǎn)出世界上第一款免膠鎖扣系統(tǒng)Uniclic?，其通過在至少兩個(gè)相對(duì)邊的邊緣上設(shè)置能夠相互嚙合的機(jī)械鎖定裝置實(shí)現(xiàn)木地板整體的緊鎖，如圖1所示。這款鎖扣裝置系統(tǒng)是目前世界上使用最多的木地板鎖扣專利技術(shù)，目前仍有2/3的歐美地板工廠生產(chǎn)搭載Uniclic?技術(shù)的木地板產(chǎn)品。這款鎖扣系統(tǒng)不僅通過自身結(jié)構(gòu)咬合形成緊鎖力從而保證地板的連結(jié)性能，還具有無膠環(huán)保、免龍骨安裝、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。此后尤尼林圍繞著Uniclic?核心技術(shù)不斷改進(jìn)更迭，針對(duì)木地板鋪裝需要對(duì)縫、邊角處難以鋪裝等問題開發(fā)出新的Uniclic?系列產(chǎn)品，如圖2所示，這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于簡(jiǎn)化地板長(zhǎng)邊的安裝方式，只需將需要連接的地板兩邊旋轉(zhuǎn)拼接即可完成鋪裝，同時(shí)對(duì)于安裝不方便的角落或者門框、暖氣片下，還可以通過水平插入完成安裝。這種實(shí)現(xiàn)兩種安裝方式的鋪裝方法比傳統(tǒng)的安裝方式節(jié)省約30%的時(shí)間，大大提升了鋪裝效率。2009年，Uniclic Multifit?系統(tǒng)問世，在旋轉(zhuǎn)拼接和水平拼接兩種安裝方式的基礎(chǔ)上，通過利用嵌入彈性鎖定原件與榫頭榫槽的收緊配合，實(shí)現(xiàn)第三種垂直拼接的安裝方式，如圖3所示。由于彈性件具有彈性緊鎖的功能，這種結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑦B接點(diǎn)的負(fù)荷擴(kuò)散分布于整個(gè)連結(jié)面，同時(shí)也為鋪裝提供了更多的安裝方式。

圖1 機(jī)械鎖定裝置1.榫頭；2.榫槽

圖2 Uniclic?系列產(chǎn)品1.榫頭；2.榫槽

圖3 垂直拼接安裝方式1.榫頭；2.榫槽；3.彈性鎖定元件

1.1.2 瓦林格(VALINGE)

瓦林格(VALINGE)公司成立于1993年，是以地板和家具相關(guān)新產(chǎn)品概念研發(fā)和技術(shù)專利的申請(qǐng)與授權(quán)為商業(yè)目標(biāo)的企業(yè)。與尤尼林不同，近些年瓦林格嘗試將鎖扣技術(shù)應(yīng)用到家具的安裝連結(jié)中，并將此作為未來的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。

1994年，Valinge 1G Click第一代鎖扣問世，這是世界上第一款通過角度扣合或者抓拍來鎖定相鄰兩塊地版的機(jī)械鎖定系統(tǒng)。2000年，2G Tongueloc垂直鎖扣系統(tǒng)誕生，這種鎖扣采取垂直安裝的方法，不需要使用其他的工具。這款鎖扣至今仍被地板企業(yè)廣泛使用。2002年，瓦林格推出一款帶有小木條插件的3G鎖扣機(jī)械鎖緊系統(tǒng)，這款被瓦林格稱為突破性產(chǎn)品的鎖定系統(tǒng)奠定了瓦林格利用嵌入鎖定件以提高鎖扣鎖定性能的設(shè)計(jì)思路，并據(jù)此不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)。2004年，4G鎖定系統(tǒng)通過改進(jìn)嵌入鎖定件進(jìn)一步提高產(chǎn)品的連接性能。2006年，瓦林格在Domotex展覽會(huì)上推出使用可替換的弓形柔性舌插件的鎖扣鎖定系統(tǒng)，這款技術(shù)深受市場(chǎng)歡迎，其后經(jīng)過8年的推廣發(fā)展，市場(chǎng)占有比達(dá)到30%。隨后Vlinge 5G?采用更為先進(jìn)的柔性剛毛舌取代了弓形舌，剛毛舌由一段堅(jiān)硬的外部部分和一組內(nèi)部部分組成，內(nèi)部部分是幾個(gè)并列的在折疊過程中向長(zhǎng)度方向彎曲的柔性突出物。這種技術(shù)沿用至今，并開發(fā)出5G+雙滑側(cè)推送系統(tǒng)、5G-S單滑折疊式系統(tǒng)、5G-C緊湊型折疊式鎖定系統(tǒng)等更多的地板安裝解決方案。同時(shí)，瓦林格公司將5G技術(shù)應(yīng)用延申至家具安裝中，研發(fā)出Threespine?插件系列。Threespine?插件系列如圖4所示。

1.2 木地板鎖扣技術(shù)的國(guó)內(nèi)發(fā)展與現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)木地板鎖扣的技術(shù)發(fā)展相對(duì)滯后，早期并沒有可以形成具有較大市場(chǎng)影響力的鎖扣技術(shù)，就核心技術(shù)的專利申請(qǐng)時(shí)間來看，中國(guó)的專利技術(shù)申請(qǐng)始于1994年，但1994-2001年的中國(guó)專利申請(qǐng)幾乎全是國(guó)外企業(yè)在華的專利布局。2006年以后，中國(guó)企業(yè)的鎖扣專利技術(shù)申請(qǐng)數(shù)量開始增長(zhǎng)，說明國(guó)內(nèi)企業(yè)開始具有鎖扣技術(shù)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)意識(shí)，但這與2005年木地板鎖扣“337調(diào)查”對(duì)國(guó)內(nèi)地板企業(yè)的重創(chuàng)有著密切聯(lián)系。

在“337調(diào)查”中，燕加隆集團(tuán)是唯一勝訴的中國(guó)企業(yè)，其地板鎖扣核心技術(shù)——TAP&GO一拍即合鎖扣技術(shù)，也是中國(guó)境內(nèi)唯一可以出口的鎖扣核心技術(shù)。這款鎖扣通過可彈性變形的材料性質(zhì)運(yùn)用漲縮原理使榫槽和榫頭通過垂直插入完成鎖定。在廣泛使用“水平插入”的地板鎖扣中獨(dú)樹一幟。但國(guó)內(nèi)的鎖扣研究目前還主要以本體鎖定的鎖定方式為主，其他的結(jié)構(gòu)研究相對(duì)薄弱。TAP&GO一拍即合鎖扣技術(shù)如圖5所示。

圖4 Threespine?插件系列

圖5 TAP&GO一拍即合鎖扣技術(shù)1.榫頭；2.榫槽

2 鎖扣結(jié)構(gòu)的技術(shù)分解和功能分析

2.1 目的和意義

鎖扣技術(shù)作為一種地板拼接技術(shù)，通過對(duì)其結(jié)構(gòu)的技術(shù)分解可以將地板鎖扣結(jié)構(gòu)進(jìn)行歸類分析并了解地板鎖扣的作用原理并確定其產(chǎn)生緊鎖作用的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。對(duì)鎖扣結(jié)構(gòu)進(jìn)行功能分析，可以了解鎖扣系統(tǒng)的組成并明確各部分的功能作用，通過分析各部分的相互關(guān)系可以明確其設(shè)計(jì)要點(diǎn)。最終可以探求鎖扣結(jié)構(gòu)的功能解決方案。

2.2 地板鎖扣技術(shù)分解和結(jié)構(gòu)功能分析

2.2.1 地板鎖扣技術(shù)分解

地板鎖扣技術(shù)主要通過兩個(gè)部分之間的咬合產(chǎn)生相互作用的緊鎖力，從而實(shí)現(xiàn)地板之間的緊密拼接?，F(xiàn)在普遍認(rèn)知的主要分類方式有三種：按鎖扣結(jié)構(gòu)分類、按拼接方式分類、按榫槽層數(shù)分類。

按照鎖扣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類，鎖扣結(jié)構(gòu)一般分為本體鎖定結(jié)構(gòu)和嵌入件鎖定結(jié)構(gòu)。本體鎖定結(jié)構(gòu)一端具有突出的榫頭，而另一端是能夠與其咬合的凹陷的榫槽。這種結(jié)構(gòu)不需要額外的插件即可完成拼接，因此稱為本體鎖定結(jié)構(gòu)。嵌入件鎖定結(jié)構(gòu)是指除了榫頭和榫槽部分需要通過第三方插件進(jìn)行鎖定結(jié)構(gòu)，這種第三方插件稱為鎖定元件，一般使用硬質(zhì)彈性材料加工成一定的結(jié)構(gòu)形式嵌入榫頭或者榫槽部分內(nèi)，鎖定原件在榫頭滑入榫槽時(shí)產(chǎn)生彈性形變并在榫頭榫槽咬合后恢復(fù)產(chǎn)生相互作用力達(dá)到緊鎖的目的。

按拼接方式分類，一般分為水平推入、垂直插入和縱向滑入?？v向滑入的拼接方式現(xiàn)在使用較少。隨著技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)致力于為客戶提供更多的地板安裝解決方案，拼接方式不再單一化，有的地板產(chǎn)品會(huì)同時(shí)滿足兩種甚至更多的拼接方式。

按榫槽層數(shù)分類，一般分為單層榫槽技術(shù)和多層榫槽技術(shù)。由于地板厚度的限制，多層一般是兩層或三層。

地板鎖扣技術(shù)的三種分類方式存在互相影響的關(guān)聯(lián)。技術(shù)開發(fā)主要圍繞這三種分類方式進(jìn)行交叉關(guān)聯(lián)形成新的地板安裝方案，如圖6所示。

2.2.2 結(jié)構(gòu)功能分析

對(duì)木地板結(jié)構(gòu)進(jìn)行功能分析能夠明確結(jié)構(gòu)的各部件功能及相互關(guān)系，為機(jī)構(gòu)的研究提供參考。

從層級(jí)邏輯上可以將鎖扣結(jié)構(gòu)分為本體鎖定和嵌入鎖定兩個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)的各個(gè)部件互相配合實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)的功能，即咬合緊鎖。將子系統(tǒng)繼續(xù)細(xì)化成結(jié)構(gòu)單元可分為榫頭結(jié)構(gòu)和榫槽結(jié)構(gòu)以及鎖定原件。按照不同功能可分為導(dǎo)入部分、安裝部分和緊鎖部分三個(gè)組件。在外力作用下，各組件之間產(chǎn)生相互作用從而實(shí)現(xiàn)鎖扣的安裝緊鎖，見表1、表2。

圖6 地板安裝方案

表1 本體鎖定鎖扣結(jié)構(gòu)組件相互作用表

表2 嵌入鎖定鎖扣結(jié)構(gòu)組件相互作用表

通過分析結(jié)構(gòu)組件相互作用，可以判斷鎖扣結(jié)構(gòu)各部分的功能作用，從而分析設(shè)計(jì)鎖扣結(jié)構(gòu)。

3 木地板鎖扣技術(shù)的研發(fā)探究

通過對(duì)木地板鎖扣進(jìn)行逆向數(shù)據(jù)仿真建?？梢孕纬赡镜匕彐i扣的三維模型數(shù)據(jù)，進(jìn)而可以對(duì)其進(jìn)行特征分析、模擬力學(xué)分析等，探究木地板鎖扣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。但鎖扣結(jié)構(gòu)尺寸細(xì)小復(fù)雜，其信息提取的精準(zhǔn)性更尤為重要。

3.1 鎖扣結(jié)構(gòu)信息提取方法

借助三維掃描技術(shù)獲取木地板鎖扣的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，逆向重構(gòu)鎖扣結(jié)構(gòu)的模型用以進(jìn)一步研究分析，因此鎖扣結(jié)構(gòu)信息提取方法尤為重要。常用的三維掃描技術(shù)有三坐標(biāo)檢測(cè)機(jī)(CMM)、激光雷達(dá)、工業(yè)CT、立體視覺法和機(jī)構(gòu)測(cè)量技術(shù)等。

三維掃描技術(shù)是利用機(jī)械探頭進(jìn)行接觸式掃描測(cè)量。其特點(diǎn)是測(cè)量精度較高，但因需要逐點(diǎn)掃描導(dǎo)致測(cè)量速度較慢，接觸式測(cè)量的方法會(huì)對(duì)物體表面造成損傷，且三維掃描技術(shù)不適用于軟質(zhì)表面的物體測(cè)量。

激光雷達(dá)技術(shù)是一種利用激光掃描的非接觸式測(cè)量方法。其特點(diǎn)是掃描速度快，但測(cè)量精度較低且測(cè)量成本較高。

工業(yè)CT掃描技術(shù)是將掃描物體逐層掃描采集數(shù)據(jù)。特點(diǎn)是無損檢測(cè)并且可以檢測(cè)內(nèi)部腔體，但是同樣存在測(cè)量精度較低、測(cè)量成本較高的缺陷。

立體視覺法是模仿生物雙目視覺系統(tǒng)進(jìn)行掃描測(cè)量。其要點(diǎn)是對(duì)左右像面中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配問題，對(duì)配準(zhǔn)物要求較高。同時(shí)對(duì)表面平坦、圖像灰度變化不明顯的物體特征點(diǎn)匹配較難，對(duì)被測(cè)物體較為挑剔，并且測(cè)量精度較低。

結(jié)構(gòu)測(cè)量技術(shù)是一種非接觸式的視覺測(cè)量方法。利用結(jié)構(gòu)光在被測(cè)物體表面形成特征點(diǎn)，從而形成圖像，結(jié)構(gòu)測(cè)量技術(shù)成像便于后續(xù)圖像處理分析，但其適用于較平坦的表面工件測(cè)量。

木地板鎖扣尺寸小，結(jié)構(gòu)精細(xì)復(fù)雜，還存在不同曲率的曲面形狀，對(duì)掃描技術(shù)精準(zhǔn)度要求較高，因此普通精度的三維掃描設(shè)備和CT斷層掃描數(shù)據(jù)不適于掃描木地板鎖扣。

3.2 木地板鎖扣技術(shù)研發(fā)探究

通過運(yùn)用三維掃描技術(shù)獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，可以利用逆向工程軟件重構(gòu)地板鎖扣的幾何模型，將模型導(dǎo)入三維建模軟件進(jìn)行修訂，便可以得到地板鎖扣的實(shí)體模型。因此，可以通過對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行有限元分析，獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)木地板鎖扣技術(shù)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。

有限元分析在多個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，其較高的計(jì)算能力和對(duì)各種復(fù)雜情況的適應(yīng)能力，成為一種快速解決工程分析的有效方法，還可以提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)可靠性，因此為木地板鎖扣技術(shù)的設(shè)計(jì)提供新的思路和方向。