地板背部開槽機設計應用

李小冬

（豪德機械（上海） 有限公司，上海 201600）

近年來，以PVC 塑料為代表的新興材料，主要是LVT和SPC，憑借其超輕超薄、超強耐磨、阻燃防潮、綠色環保、可循環使用等優點，逐步占據了地板材料的重要地位。近兩年最為流行的SPC 地板結構見下圖1 所示，從上到下依次為UV 層、耐磨層、彩膜層、SPC 層，其中，UV 層為地板表面保護層，防止表面污漬進入地板內；耐磨層為透明高分子層，保護地板花色不被磨損；彩膜層為模擬各種材質花色，使得地板鋪裝效果美觀、多樣化；SPC 層為硬基材層，預防地板拉伸和收縮，確保地板穩定性。

圖1 SPC 地板結構圖

目前全球范圍內PVC 地板生產廠家主要集中在中國，而國內生產的PVC 地板主要是銷往歐美市場。行業數據表明：2015 年北美地區PVC 塑料地板銷售量為32.50 億平方英尺， 2015 年歐洲地區PVC 塑料地板銷售量為41.25 億平方英尺，歐美市場約占全球總市場規模的60%以上。

國內PVC 地板生產商，通過集裝海運發往歐美市場，集裝箱運輸費用對于任何一家PVC 生產廠家來說，都是一項較大的開支項。因為LVT 與SPC 材質密度叫木地板高，通常LVT 或SPC 材料地板裝至集裝箱約一半空間就已經達到集裝箱運輸限重標準。為了解決這一難題，瑞典VALINGE 公司提出一種在地板背面開減重槽的解決方案liteback?技術，從而在減重降費的同時，還可以回收切削廢料，實現節能環保，開槽地板如圖2 所示。對于地板生產商來說，如果可以實現該方案， 每年將會大幅降低運輸成本，節約現金開支。

1 地板背部開槽機的結構開發

圖2 SPC 地板背面開槽圖

基于liteback?技術開發一種地板背部開槽設備。該設備可以沿著地板長度方向在地板背面進行開槽，根據地板不同寬度尺寸，安裝不同數量的鋸片，可以加工不同數量的溝槽，保證最大限度的減重，同時也可以根據控制程序進行開槽深度與開槽長度設置。根據不同材質、不同開槽深度、不同開槽類型，經過開槽后單塊地板可以減重約10%-18%。

按產品功能將背部開槽機可劃分為以下幾個功能模塊：1.底座機架、2.輥筒傳動系統、3.鋸切開槽系統、4. 安全防護系統、5.吸塵系統、6.電氣控制、7.氣動控制等，如圖3 所示。

圖3 產品結構簡圖

1.1 底座機架

底座主要用于安裝框架結構及馬達等支架，對整機工作部分提供支撐與調平，保證機器運行穩定性。對安裝上表面進行精加工保證安裝面的平面度已經定位安裝孔的位置度。

用鋼板拼焊箱型結構保證結構強度和剛性，采用三根工字型材與鋼板拼焊作為底座三條支腿，在保證底座結構強度的同時又相應降低了重量，節約了成本。設計結構如下圖4所示。

1.2 輥筒傳動系統

輥筒傳動系統包括：馬達、上下層傳動輥筒、傳動鏈輪鏈條、上壓輥筒輪調高裝置、鏈條張緊機構等組成。動力傳輸過程由馬達—傳動軸—兩側鏈輪鏈條—上、下四組輥筒。根據不同的PVC 地板，上下層輥筒間距不同，上壓輥筒輪需要設計調高裝置進行高度調節，上下輥筒輪間距要略小于板厚，保證地板在輥

筒上傳動時，有一定的壓緊力，需要克服鋸片的縱向切削力進行傳動，從進料端傳動至開槽位置進行開槽，然后從出料口傳出。設計結構如下圖5 所示。

為了獲得較大的壓緊力，每一個上層輥筒均采用了氣缸頂緊的結構，使用T 型絲桿螺母機構推動楔形桿前后移動，從而使得上層輥筒在高度方向進行調節，設計結構如下圖6所示。

圖4 底座機架示意圖

圖5 輥筒傳動系統示意圖

圖6 上層輥筒結構示意圖

1.3 鋸切開槽系統

鋸切系統為背部開槽機核心工作部件。當被加工PVC地板通過鋸片下方時，鋸切主軸動作為刀軸旋轉的同時下切與抬起。為保證切削開槽過程中，被加工PVC 地板位置穩定，鋸切開槽工位處增加下托輥組和上壓板，用于傳動和支撐被加工PVC 地板。由于設計為鋸切軸上置，上壓板壓住上表面，并克服向上的切削力，加工不同板厚PVC 地板時，上壓板與下托輥組中間的工作高度可以通過調節下壓板位置實現。切削開槽系統結構如圖7 所示。

圖7 鋸切開槽系統結構示意圖

采用偏心軸連桿機構帶動鋸切主軸搖臂，從而實現鋸切主軸的上下切削動作。通過控制伺服馬達旋轉角度，帶動連桿以偏心軸中心旋轉不同角度，進而實現搖臂帶動鋸切主軸下切不同深度與抬起不同高度。偏心軸連桿結構如圖8 所示。

圖8 偏心軸連桿機構

該偏向軸連桿機構設計原理原型為曲柄搖桿機構，如圖9 所示，其中構件1 曲柄為偏心軸，構件2 為拉桿，構件3搖桿為鋸切刀軸搖臂，構件4 為固定機架。當伺服馬達帶動曲柄1 做順時針圓周運動時，曲柄活動端位置由a1 a a2的過程中，搖臂與連桿連接端位置由b1 b b2,而搖臂另一端為鋸切主軸，鋸切主軸的位置由最低點上升至最高點，最高點與最低點的高度差為h。

從圖9 曲柄搖桿機構可以看出，當曲柄在位置a1 時，刀軸位置在最低點；當曲柄位置在a2 時，刀軸位置在最高點。曲柄由a1 至a2 的任意兩點順時針轉動即為抬刀，曲柄由a2 至a1 的任意兩點順時針轉動即為下切。開槽機動作需要的動作循環為：下切-抬刀-下切-抬刀-往復。

假設需要在PVC 地板上開槽深度為t，通常鋸片最低點與PVC 地板開槽表面（即上壓板的下表面） 的距離約為1mm。目前PVC 地板材料厚度T 一般在3mm-8mm 之間，開槽深度不超過一半地板厚度時，可滿足轉輪椅25000 次循環試驗（EN425:2002）。即開槽深度t 最大值可取T/2，則刀軸所需上下切削高度差：

h≥t+1=T/2+1=5mm

考慮機構空間布局方面的問題，確定機架桿長及固定鉸點位置，由刀軸上下切削高度差5mm，確定搖桿3 的旋轉角度，采用幾何圖解反轉法[1-2]，可以進行曲柄連桿機構的設計計算，并最終驗算傳動角是否合適。最后進行連桿構件2設計時，端部鉸接處可采用關節螺栓，以便機構在實際運行中，可以通過關節螺栓調節，微調拉桿長度，實現開槽切削深度的一致性。

圖9 曲柄連桿簡化模型

可調高上壓板機構的下支架與底座機架通過螺栓固定連接，上支架與下支架間設置導軌滑塊裝置，通過旋轉T 型絲桿進行上壓板高度的調節，以適應不同厚度的PVC 地板。上壓板由鋼框和hornit 板組成，鋸片穿過hornit 板對PVC 地板進行開槽加工。可調高上壓板結構如圖10 所示。

圖10 可調高上壓板機構

1.4 安全防護系統

圖11 防工件飛出機構

安全防護系統主要包括機器的鈑金罩殼和進料口安全防護裝置。其主要功能是防止切削工作時人員與旋轉部件接觸受傷或是切削廢料飛出傷人。由于切削方向與被切削PVC 地板工件傳送方向相反，如果切削力大于上下輥筒壓緊力時，被切削PVC 地板工件有可能飛出傷人，為防止此風險發生，在進料口設計安裝一個防工件飛出機構。防工件飛出機構結構如圖11 所示。當意外發生時，擋板和空氣阻尼裝置可以強制停止彈射而出的PVC 地板，防止事故發生。

1.5 吸塵系統

背部開槽機切削過程中，廢料大、粉塵多，容易造成環境污染，還會干擾傳感器工作。設計一款吸塵罩置于主軸鋸片組上方,采用局部密封設計，吸塵罩口與切削粉塵運動方向一致，充分利用切削粉塵氣流的初始動能。吸塵效果如圖12所示。

圖12 吸塵效果示意圖

1.6 電氣與氣動系統

電氣控制系統由電源、安全類器件、開關類器件、控制類器件、電器柜、線纜等電器元件組成。該系統用于控制各機構能夠按照既定的工藝與程序節奏運行。

氣動系統由氣源處理、調壓表、電磁閥、轉接頭、輔助件、氣管管路組成，為整個設備各氣動元器件提供氣源并可進行壓力調節。

2 結語

經過實際測試驗證，PVC 地板傳送速度在70m/分以為時，地板背部開槽加工的一致性較好，開槽長度偏差控制在±2mm，開槽深度范圍±0.1mm。

在當前PVC 地板穩定增長的市場行情下，若能廣泛推廣背部開槽機的應用，從而在減重降費的同時，還可以回收切削廢料，實現節能環保，幫助地板生產企業提高效益，節約現金開支。