PVC地板翻板機構的設計及仿真分析

曹飛，王琪

(1.江蘇科技大學機械工程學院，江蘇鎮江212003；2.中國易華塑料有限公司，江蘇張家港215600)

0 引言

PVC地板是指采用聚氯乙烯材料生產的地板。它是當今世界上非常流行的一種新型輕體地面裝飾材料，也稱為“輕體地材”，是一種使用非常廣泛的產品，比如家庭、醫院、學校、辦公樓、工廠、公共場所、超市、體育場館等各種場所。目前PVC地板生產線速度不斷提高，部分設備的設計理念不斷更新，本文針對PVC地板雙端銑槽機流水線設計一種簡單快速的翻板機構，并進行運動仿真分析。

在PVC地板雙端銑槽機流水線上，開槽后的地板(此時正面朝上)需要正面相對疊放，來防止地板正表面磨損，所以在堆疊過程前，需要對PVC地板進行奇數片不翻轉，偶數片翻轉(第2n+1片不翻轉，第2n片翻轉)，才能實現地板正面相對疊放。然而在生產過程中，地板流水線速度快，人工翻板勞動強度大，體能消耗多，工作效率低，成為生產過程中的瓶頸。因此，需要設計一種簡單快速的翻板機構，來減輕工人勞動強度，提高工作效率，滿足生產節拍的要求。

1 翻板機構介紹

目前翻板機構可分為3類:氣動翻板、機械翻板、液壓翻板。在PVC地板生產線中，采用最廣泛的是機械式翻板機構，隨著生產技術的進步，對機械翻板設備進行了很大的改進，主要有以下兩種結構。

1.1 翻板臂-接板臂組合方式

該種形式的翻板機構使用最廣泛。結構如圖1所示，

圖1 翻板臂-接板臂組合方式

翻板臂和接板臂的實際翻轉角度分別與地板進入時的水平面形成鈍角和銳角，地板由翻板臂落在接板臂上，從而實現地板翻轉。目前應用于PVC地板輥涂生產線上，這種翻板機構主要特點是:連續翻板時，地板翻轉交接和落板階段速度變化均勻，工作狀態平穩，但在實現地板奇數片不翻轉，偶數片翻轉時，翻板周期長，控制也較麻煩。

1.2 轉籠式

這種結構是參照木工板材的翻轉機構設計而成的，結構如圖2所示。轉籠翻板機實現在360°方向的連續運轉，分成12組翻板叉，每進一組地板，轉籠翻轉30°并在該位置等候。目前應用于PVC地板削邊-倒角機流水線之間，這種翻板機主要特點是:翻板機省去了“翻板-接板”的往復動作，生產中動作幅度小，工作穩定性高。但無法實現地板奇數片不翻，偶數片翻的功能。

圖2 轉籠翻板機

2 技術參數、結構模型及工作原理

2.1 翻板機構主要技術參數

翻板速度:1.6s/片

PVC地板規格:200×1 220(mm)，厚度為5mm，重2.5kg

PVC地板移動速度:650mm/s

PVC地板之間距離:780mm

2.2 翻板機構結構組成

2.2.1 同步帶輪模型的建立

同步帶輪模型的建立是個難點，具體過程如下:用pro/e創建兩個帶輪及帶塊的三維模型，在組件模塊中進行同步帶樣機的裝配，如圖3，在裝配時帶塊和帶輪不能使用陣列的方式安裝，因為陣列的零件名稱都相同，導入ADAMS后會發現只有三個剛體零件，所以帶塊必須一個一個裝配，并且每一個帶塊的零件名稱都必須不同。將建立好的三維裝配模型導入ADAMS中分別定義兩個帶輪和轉軸之間的旋轉副，以及每個帶塊之間的旋轉副，在各個帶塊與主動輪以及從動輪之間添加接觸副，完成同步帶輪模型的建立。

圖3 同步帶輪的裝配體

2.2.2 翻板機構模型的建立

用Pro/e建立翻板機構的三維模型，如圖4所示。

圖4 翻板機構的三維模型

翻板機的結構主要由機架、同步帶輪、翻板臂、軸承座、接近開關、光電開關、帶動翻板臂翻轉的電機1和帶動同步帶輪運轉的電機2組成。將Pro/e裝配好的模型導入ADAMS中，完成模型的導入。

從Pro/e導入ADAMS的三維模型，必須對模型中各構件的屬性(顏色、材料、名稱等)進行修改，否則在仿真計算過程中就會出現錯誤信息。修改各構件的屬性之后，就可直接計算出各個構件的質量信息，捕捉到模型的幾何特征。對于由多個零件組成的構件最好進行布爾求和運算，合并為一個實體，這樣可以簡化模型，減少一些不影響仿真分析的多余約束，提高仿真效率。至此，翻板機構的三維模型在ADAMS中已創建完畢。

2.3 翻板機構工作原理

PVC地板翻板機構要實現奇數片不翻轉，偶數片翻轉(第2n+1片不翻轉，第2n片翻轉)的功能，只需對第一、二片PVC地板翻轉工作原理進行詳細說明:翻板機工作時，計數器設定值為2，光電開關感應到第一片PVC地板，計數為1，此時翻板臂不翻轉，當光電開關感應到第二片PVC地板時，計數為2，信號發送給電機1，電機1帶動翻板臂旋轉，實現第二片PVC地板的翻轉，同時計數器復位，重新開始計數。當翻板臂旋轉180°時，接近開關感應到翻板臂，信號發給電機1令其停止運轉，即翻板臂復位，為下一個工作循環做準備。

3 翻板機構的仿真分析

在ADAMS中建立PVC地板模型并對翻板機構添加約束和驅動，如圖5所示，設置仿真時間為3.5s，仿真步長為0.001，開始對第一、二片PVC地板工作過程進行運動學仿真，得到地板1和地板2(地板1、2指其質心)的位置曲線圖(圖6)；地板1、地板2和翻板臂(取翻板臂一側的質心)的速度曲線圖(圖7)；地板1、地板2和翻板臂的角速度曲線圖(圖8)。

圖5 翻板機構虛擬樣機模型

圖6 地板1和地板2的位置曲線圖

圖7 地板1、地板2和翻板臂的速度曲線圖

圖8 地板1、地板2和翻板臂的角速度曲線圖

由地板1和地板2的位置曲線圖6可知，仿真開始時，第一塊PVC地板在780mm處，第二塊PVC地板在1 560mm處，之間距離為780mm，第二塊地板被翻轉后，兩塊地板之間距離增加，為942mm。從地板1、地板2和翻板臂的速度曲線圖7可以看出，翻板臂從1.9s開始翻轉，到3.5s停止，翻轉周期為1.6s。地板1速度始終為650mm/s，說明未被翻轉。在2.1s時，地板2在翻板臂接觸力的作用下，速度突變，并跟隨翻板臂翻轉，在2.1-2.7s之間，地板2的速度變化趨勢和翻板臂的速度變化趨勢相似，都呈現正弦變化趨勢。在2.7s時，翻板臂翻轉了半個周期，轉過90°，2.7s后，地板2在重力作用下做初速度為516mm/s的加速運動。3s時，地板2落在同步帶上，在沖擊力的作用下，速度由1 309.5mm/s突降，在650mm/s上下振動，并跟隨同步帶一起運動。從地板1、地板2和翻板臂的角速度曲線圖8可知，翻板臂的最大角速度為168.7°/s，角速度的變化趨勢和速度的變化趨勢相同，也間接證明仿真的正確性。

4 結語

通過對兩種翻板機構的比較，設計了一種簡單快速的PVC地板翻板機構，建立了三維實體模型并導入ADAMS中，對翻板機構進行了運動學仿真分析，得到了地板1和地板2的位置曲線圖；地板1、地板2和翻板臂的速度、角速度曲線圖，真實地反映了該翻板機的運動規律。

由于前期進行了細致的建模與仿真分析，因此PVC地板翻板機構已經應用在了PVC地板雙端銑槽機流水線上，該翻板機速度效率高，安全可靠，后期維護費用低，用在PVC地板雙端銑槽機流水線上優勢突出，經功能性實驗和可靠性實驗后，表明翻板機構的設計與制造是可行的，為類似翻板機構的設計積累了經驗。

［1］趙俐敏，郭中艷.基于Pro/e的翻料機構運動仿真分析［J］.金屬加工，2009，6(3):10-13.

［2］劉歌，王勤.中厚板翻板機的設計與仿真［J］.冶金設備，2008，3(3):33-35.

［3］蔣少鋒.淺析石膏板生產線翻板機構［J］.中國建材裝備，2001，3(2):43-44.

［4］李珊，孫東明，董為民.新型陰極板加工翻板出料機［J］.機械設計與制造，2005，4(2):73-74.

［5］沈利霞.同步帶定位系統的動力學仿真與實驗分析［J］.機床與液壓，2007，8(3):62-64.

［6］李長春，朱彬.薄板翻板機的優化設計［J］.機械傳動，2002，2(2):34-35.

［7］伍雁.滾筒式翻板機的運動分析［D］.昆明:昆明理工大學，2011.

［8］賈景珍，荀鳳超.雙臂曲柄搖桿翻板機的優化設計［J］.重型機械，2010，3(4):52-55.

［9］暢慧朝.翻板機翻板裝置設計原理詳解［J］.機電產品開發與創新，2012，1(2):77-78.