木衣架整體式加工中心的研制與仿真研究

　謝國進，黃光永，諶炎輝

（廣西科技大學機械工程學院，廣西柳州545006）

綠色裝備技術

木衣架整體式加工中心的研制與仿真研究

謝國進，黃光永，諶炎輝

（廣西科技大學機械工程學院，廣西柳州545006）

木衣架行業在我國國民經濟中占的比重比較小，但是在廣西地區所占的經濟比重卻是不可忽視，僅廣西地區的木衣架加工企業擁有的木衣架的加工生產線多達1000多條。傳統的木衣架加工過程中，木衣架生產效率低，工人勞動強度大，生產中時常伴隨著危險性。針對這些問題，設計了一款經濟實用的木衣架整體加工中心，提高了木衣架加工的自動化水平，通過采用ADAMS仿真軟件進行運動學仿真，驗證了該加工中心設計的合理性。

木衣架整體式架加工中心；ADAMS；運動學仿真

木衣架行業在我國國民經濟中的占的比重比較小，但是在廣西地區所占的經濟比重卻是不可忽視［1］。僅僅廣西地區的木衣架加工企業擁有的木衣架的加工生產線多達1 000多條，其中在廣西荔浦縣，木衣架生產廠家達到150家，年產各類木衣架達到20億只，被稱為“中國木衣架基地”。現在，該縣的90%以上的木衣架都出口到了國際市場，在中國出口的木衣架中，每兩個就有一個出自于荔浦地區［2-4］。目前，木衣架的生產加工面臨的問題是加工設備自動化程度低，需要工人數目比較多，加工成本很高，再加上在加工過程中，存在一些安全問題，這些因素都嚴重地制約了廣西地區的木衣架行業的發展。

針對這些問題，設計了一款經濟實用的木衣架整體加工中心，提高了木衣架加工的自動化水平，有效降低了生產成本和減輕了工人勞動強度。

1　木衣架整體式加工中心總體結構和工作原理

1.1總體結構

傳統的木衣架加工工序為：齊邊—打榫—畫線—鋸彎—齊尾—仿形［5］，本文對加工工序進行分析，構思出木衣架整體式加工中心的設計方案，進而設計出木衣架整體式加工中心。木衣架整體式加工中心主要由機架、衣架坯料輸送系統、雙頭開榫系統、木衣架切割分片系統等組成，如圖1、圖2所示。設計要求為：傳動機構的額定功率1.5 kW，轉速2 840 r/s；開榫用電機的額定功率為2.2 kW，2 840 r/s；鋸切分片用的電機額定功率為0.75 kW，額定轉速為2 830 r/s；齊尾鋸片電機額定功率為：0.8 kW，10 000 r/min，加工的木衣架坯料的速度為30個/min.

圖1　木衣架整體式加工中心立面結構圖

圖2　木衣架整體式加工中心俯視結構圖

1.2工作原理

木衣架整體式加工中心的加工原理為：先在進料口放入板料，電機開動，經過帶傳動將動力傳遞到減速器中，經過減速輸出動力，繼而帶動凸輪機構和曲柄滑塊機構運動。滑塊2推著木衣架板料沿著導軌，進行進給運動，通過榫槽刀，進行打榫工序，然后打完榫的板料由滑塊1推入。上刀架下降進行加工，同時下刀架下降到機架面板以下，避免刀具相碰發生干涉，上刀架加工完成之后上升，離開坯料表面后，下刀架上升進行加工。加工完成的板料由后面待加工的板料推出，完成一個整個加工周期。

2　木衣架整體式加工中心結構方案的設計

2.1鋸切運動的設計

由于木衣架整體式加工中心的鋸切運動主要是由上下兩個刀架的運動來完成，為了滿足這種運動方式，并且使上、下刀架的運動具有一定的規律，所以考慮采用了兩個偏置滾子直動凸輪機構來控制上、下刀架的運動，如圖3所示。

圖3　上、下刀架的運動設計示意圖

對于偏置滾子凸輪，為了減少在運動過程的剛性沖擊和柔性沖擊。所以對于上刀架，正弦加速度運動規律［6］。通過設計計算，控制下刀架的凸輪機構的設計參數為：基圓半徑50 mm，偏移距離為20 mm，滾子半徑為20 mm推程角為80°，遠休止角為220°，回程角為60°；控制下刀架的凸輪機構的參數為：基圓半徑為130 mm，偏距為20 mm，滾子半徑為20 mm，推程角為80°，遠休止角為220°，回程角為60°.

2.2進料系統的設計

曲柄滑塊機構由鉸鏈四桿機構的演變而來，通常將曲軸的轉動轉化為滑塊的直線往復運動，或者將滑塊的往復直線運動轉化為曲軸的轉動［7］。由于在一個加工周期內，凸輪機構在轉動過程中有140°的轉角為加工角度，由220°為非加工角度。曲柄和凸輪機構的轉動速度相等，所以為了讓曲柄滑塊機構具有急回特性以提高效率，可以算出曲柄滑塊機構的行程速比系數為：k=1.57.如圖4中滑塊3的行程為400mm，所以經過計算得出曲柄滑塊的設計為：極位夾角θ=34°，搖桿r=160 mm，偏心距e=235 mm，動臂L=440 mm，最大壓力角λmax=26.14°.

圖4　曲柄滑塊機構示意圖

3　木衣架整體式加工中心的仿真

在UG7.5中建立好木衣架整體式加工中心的整體裝配模型，以parasolid格式導出，導出的格式為x_t，然后導入到ADAMS中，為了減少運算量需要首先進行布爾操作和添加約束［8-9］。

在添加凸輪副的時候，可以采用兩種方式：第一種，直接建立凸輪副；第二種，以選擇用接觸的方式來限制滾子和凸輪之間位置關系，第二種采用直接建立凸輪副。對于第一種方式來建立，由于接觸之間的參數較難獲得，所以最后獲得的位移曲線、速度曲線、加速度曲線會出現不規則的跳動。所以采用第二種方式，建立凸輪副，但是由于凸輪的輪廓線在ADAMS里面是分段的，而仿真的時候需要沒有斷點的完整的輪廓曲線。所以采取的方式是，將UG中建立好的模型導入到proE中，繪制出凸輪的輪廓線，然后導出凸輪的輪廓線上的點，利用這些點，在ADAMS中繪制出凸輪的輪廓線，進而建立凸輪副，如圖5建立的上、下刀架的凸輪機構模型。

圖5　上、下刀架的凸輪機構建模

木衣架整體式加工中心模型如圖6所示，由于設計的木衣架整體式加工中心的加工速度為2 s一個周期，所以設置的驅動函數為180°/s.設置好驅動函數之后就可以進行運動學仿真了。將仿真時間設置為2s，仿真步數為500.

圖6　木衣架整體式加工中心建模

當仿真運算結束之后，ADAMS/solver對木衣架整體式加工中心的上刀架、下刀架、以及進料滑塊的相對位移、速度、加速度進行計算。將主軸的轉動角度設置為X軸，位移、速度、加速度的值設置為Y軸，利用ADAMS/Posterprocessor對所得的數據進行分析和比較，繪制出各個結構的運動學參數變化的曲線。

（1）木衣架整體式加工中心的上刀架運動的位移、速度、加速度隨著主軸轉動角度變化的曲線，如圖7所示。

圖7　上刀架運動的位移、速度、加速度隨著主軸轉動角度變化的曲線

（2）木衣架整體式加工中心的下刀架的位移、速度、加速度隨著主軸轉動角度變化的曲線，如圖8所示。

圖8　下刀架的位移、速度、加速度隨著主軸轉動角度變化的曲線

（3）木衣架整體是加工中心上、下刀架的位移運動曲線匯總。

上刀架、下刀架的位移、速度、以及加速度運動曲線相對比較光滑，運動平穩，速度加速度沒有出現突變，所以沒有剛性沖擊和柔性沖擊。由圖9可以看出，在一個周期內，上、下刀架的運動無干涉，說明上刀架和下刀架在運動的過程中沒有出現撞刀現象。

圖9　上、下刀架的位移運動曲線匯總圖

4　結束語

通過對廣西地區木衣架的生產進行了解，發現當前的木衣架生產存在的問題是：生產效率低下，耗費大量的人力物力以及在木衣架生產加工過程中存在一定的危險，由此提出了研究的問題和解決的方案，實現了木衣架整體式加工中心的整體機構以及部分零部件的設計。并對木衣架整體式子加工中心進行虛擬建模和裝配，將模型進行簡化后導入到ADAMS中進行虛擬運動學仿真，得出上刀架、下刀架以及進料的曲柄滑塊的運動曲線，驗證了木衣架整體式加工中心設計的合理性。

［1］諶炎輝，胡義華，梁焱.木衣架加工自動取料—喂料裝置設計［J］.制造業自動化，2012，34（3）：128-129.

［2］李利軍，廖曉珺，韋鑒.荔浦：“中國木衣架基地”在崛起［N］.中國工商報，2013-09-26A02.

［3］陳張.“衣架之都”是這樣煉成的［N］.桂林日報，2010-11-26004.

［4］繆龍華.荔浦：全面提升縣域經濟核心競爭力［J］.廣西經濟，2011，（4）：45-47.

［5］諶炎輝，胡義華.雙頭打榫機設計［J］.制造業自動化，2012，34（6）：145-146.

［6］孫桓，陳作模，機械原理［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［7］婁建國.基于工作行程最佳傳動性能的曲柄滑塊機構的設計［J］.煤礦機械，2006，27（1）：15-17.

［8］王國強，張進平，馬若丁.虛擬樣機技術及其在ADAMS上的實踐［M］.西安：西北工業大學出版社，2002.

［9］陳德民，槐創鋒.精通ADAMS2005/2007虛擬樣機技術［M］.北京：化學工業出版社，2010.

The Developmentand Simulation of the Wood Hangers Monolithic Machining Center

XIE Guo-jin，HUANG Guang-yong，CHEN Yan-hui
（GuangxiUniversity of Science and Technology，Mechanical Engineering Institute，Liuzhou Guangxi545006，China）

Wooden hanger industry is in small part of national economy，but in Guangxi Province，the proportion is not to be ignored.Only in Guangxi Province，there are about 1000 production lines in the wooden hanger enterprises.In the process of the traditionalwooden hangermanufacture，the production efficiency is low，worker’s labor intensity is great，and sometimes the production is often accompanied with the danger.To solve these problems，this paper designed a economic and practical wooden hangers overall processing center，improve the automation level of the wood hangers processing，by using the ADAMS simulation software of kinematics simulation，verify the rationality of the design of themachining center.

wood hangersmonolithic machining center；ADAMS；kinematics simulation

TH122

A

1672-545X（2016）06-0157-03

2016-03-12

廣西教育廳重點資助項目（編號：No.ZD2014074）；廣西科技大學博士基金項目（編號：校科博13Z13）

謝國進（1980-），男，湖南邵陽人，工學碩士，工程師，主要研究方向：機電一體化。