（机械制造及其自动化专业论文）人造板全自动对花贴面系统的关键问题研究.pdf

摘要 摘要 人造板全自动对花贴面系统是将贴面材料贴覆到基材上，并压制三维花纹， 制造出表面美观贴面板的专业设备。 首先，简要介绍了国内外人造板对花贴面设备的发展情况，阐述了进行人 造板贴面设备开发的重要性。进而，提出本课题研究的目的：设计出具有同行 业先进水平的人造板对花贴面专业设备，解决设计中所遇到技术上的主要问题。 积极探索运用基础理论和现代技术手段解决实际生产开发中关键技术问题的方 式和途径。 本文对人造板全自动对花贴面系统的关键问题进行了分析和研究：如何调 整人造板贴面纸花纹的位置与热压机上压板花纹的位置对齐，保证对花精度。 人造板位置的调整采用图像处理系统来得到人造板的位置，通过与理论位置的 对比，计算出删方向所要调整的距离和绕z 轴所要调整的角度，并驱动步进电 机来实现。w 方向的移动和绕z 轴的转动。 本文还分析了影响对花精度的其他因素。 关键词：人造板，对花贴面，位冕调整系统，图像处理 a b s t r a c t a u t o m a t i c3 ds h o r t c y c l eo v e r l a y i n gs y s t e m i s ak i n d o f e q u i p m e n t ，w h i c ha t t a c ：h e ss u r f a c em a t e r i a l t 。b a s e b 。a r dt 。g e l b o a r dw i t hb e a u t i f u lf a c ea n d3 d v e i n s p r o f e s s i o n a l ag o o da r t i f i c i a l n r s t l y ，t h es t a t eo ft h e d e v e l o p m e n to fd o m e s t i ca n do v e r s e a sa n d t h e l m p o n a n c eo ft h e d e v e l o p m e n to fn e w b o a r do v e r l a y i n ge q u i p m e n ta r ed e s c r i b e d 工h e 脚o s eo ft h i sp r o j e c ti st os e t t l es o m ek e yp r o b l e m so f t e c h n 0 1 0 9 yf o rt h e d e v c l o p m 蛐to fn e wb o a r d o v e r l a y i n gs y s t e m 1 nt h i s 抓1 c l e ，r e g u l a t i n gs y s t e mo f3 d s h o r tc y c l eo 滴a 卵n gl i n ei sr e s e a r c h e d jn ek e yp r o b i e l i li sh o w t da t t a c hv e i n so np r e s s i n gp l a t ew i t hv e i n so no v 盯l 州n g p a p 既b yu s i n gd i g i a lc a m e r a , p i c t u r e so fm a r k so no v e r l a y i n gp a p e r a r et a k e da n d s a v e do nc o m p u t e r t h e c e n t r e so ft h em a r k sa r eg e tu s i n ga s e r i a lo fi m a g e d i s p o s a l m e t h o d s ，枷t h ed i a m e t e r sn e e dr e g u l a t i n g l a s t ，t h er e g u l a t i o n i se x e c u t e db y s t e p m o t o r s u t h e rk e y p r o b l e m st h a ta f f e c tr e g u l a t i n gp r e c i s i o na r e b r i e f l ym t r o d u c e di nt h e k 姆w 。r d s ：a n i f i c i a lb 。a r d ，3 d v e i n s 。v e r l 蛳n 岛p 。s i t i 。nr e 刚a t i n gs y s t 咖， i m a g ed i s p o s a l 。 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电 子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索 以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规 定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢 利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于 学术活动。 学位论文作者签名：森於写b 妒g 年夙月l y 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 签名：扔尜军内 加黟年口s 月f v 第l 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 木材具有立体的、动态的花纹，有吸湿和解吸作用，具有调湿功能，其导 热系数小，有良好的表面冷暖感，是一种良好的室内用材料。木材的比强度( 强 度与密度的比值) 较大，易加工，是一种良好的工程材料，用途极广。但木材 也是一种非均质材料，具有方向性，顺纹和横纹方向的物理力学性能差异极大 ( 达1 0 倍以上) 。而且树木在生长过程中会形成各种缺陷，使木材的力学性能 变异较大。另外，树木天然长成的形状，使木材直接制成的产品宽度较窄，因 而应用上受到了一定的限制。为了克服上述不足，采用各种加工单元( 单板、 刨花、纤维) 进行组合和复合技术，制造出成千上万种人造板产品来满足人们 的需求。人造板是木质纤维原料经机械加工分离成各种形状的单元材料，经组 合压制而成的各种板材【l 】。 近年来我国经济飞速发展，城市化进程的速度也随之加快。办公楼、宾 馆、酒店以及大量民居对装饰装修的需求与同俱增，随之而来的对人造板的需 求量十分巨大。由于我国人均木材量很低，在这个巨大的人造板需求市场中， 人造贴面板占有十分重要的份额。人造板贴面就是给表面质量很差的刨花板、 纤维板等，人造板表面贴附上具有良好外观的表面材料( 通常为贴面纸) 。人 造贴面板具有丰富的花色、优美的图案，能满足人们审美和使用上的需求，进 而能达到节约森林资源、改善生态环境的目的【2 1 。人造板贴面设备就是完成人 造板贴面工艺的专业设备，对花贴面设备是人造板贴面设备中的高端设备，能 在板材表面印上与贴面纸相对应的三维立体花纹。 “人造板对花贴面设备研发项目”是与苏州伍得人造板设备有限公司合作 的项目。苏州伍得人造板设备有限公司是一家致力于研发和生产高水平、高品 质人造板设备的专业化公司。人造贴面板的规格很多、使用环境各不相同，对 生产设备的要求也就存在不同。苏州伍得人造板设备有限公司能够为用户定制 个性化解决方案，满足用户的特殊需求。依托高校较雄厚的科研实力并结合公 司在该领域的经验积累，对人造板贴面专业设备进行研究分析，解决新产品开 第1 章绪论 发中存在的些关键技术问题，进而将设计开发提高到科学理沦层次，实现规 范高效系统的新产品开发。本文对人造板全自动对花贴面设备对托精度控制的 一些关键问题进行了分析研究，这将有力地促进企业在没计、分析上实现较大 的提高。同时借助苏州伍得人造板设备有限公司这支生产人造板设备的新军， 可以将研究结果推而广之，促进相关行业进行技术革新和改造，提高产品竞争 力。 1 2 国内外对人造板贴面系统工程技术研究概况 相关报道认为：人造板工业是高教利用木材或其他植物纤维资源、缓解术 材供需矛盾的重要产业也是世界林产工业的支柱产业。血十年前，中密度纤 维板和定向包4 花板( 图li ) 最初出现在美国市场二十年后被引进到欧洲，如 今木质人造板仍然是世界上使用摄多的木质材料之一，到上个世纪未，据联合 营粮农组织( f a o ) 报道2 0 0 0 年世界木质人造板( 含单板、胶合扳、装1 ：i 【j 扳 和纤维板) 产量接近1 9 亿张( 其r p ：腔台扳占3 01 ，刨花扳占4 44 纤维 板占1 73 ) ，较十年前增长了5 7 以上。近十年束，世界人造板工业之所咀 得到飞速的发展，一方面得益于木材资源由利用天然林资源为主向利用人1 林 资源为主转变，另一方而得盏于人造扳工艺技术的长足进展、新技术的普遍采 用和主机设各的技术进步。1 9 6 9 年德国首先研制成功在刨花扳或中密度纤维 板表面贴覆改性三聚氰胺村脂没渍的装饰纸，可使其表面获得美丽的纹理图案 ( 图1 2 ) ，并改善其光泽度、耐水、耐磨、时烫、耐污染等性能。过去2 0 年，仝世界人造扳产量年甲均增长率为3 ，近l o 年来又以中密度纤维板和定 向刨花扳增长最快，尤其在近儿年这阿个板种的年增长率都达到两位数。 幽1 l 刨花扳 幽iz 三聚氰胺树脂咀占面扳 人造板产量及其预测见表l1 【“，2 0 0 6 年我国人造板产量达7 4 2 85 6 万立 第1 章绪论 方米，比2 0 0 5 年增长1 6 2 0 ，增速基本持平。另外，2 0 0 6 年人造贴面板产量 为2 9 6 7 万平方米。 一 表1 1 人造板产量及预测( 单位：万m 3 ) 人造板纤维板其它 年份胶合板刨花板 总产量总产量 m d f 人造板 1 9 5 l1 6 91 6 9 1 9 6 02 0 7 2 1 4 7 6 1 9 7 0 2 4 0 41 7 0 71 5 0 5 4 7 1 9 8 0 9 1 4 03 3 0 07 8 25 0 6 2 1 9 9 02 4 4 6 07 5 8 74 2 8 01 1 7 2 l8 2 9 1 9 9 51 6 8 4 6 07 5 9 2 64 3 5 1 02 1 6 4 05 3 6 92 7 3 8 4 2 0 0 02 0 0 1 6 69 9 2 5 42 8 6 7 75 1 4 4 34 9 5 4 22 0 7 9 2 2 0 0 45 4 4 6 4 92 0 9 8 6 26 4 2 9 21 5 6 0 4 61 4 6 6 4 81 1 1 4 4 9 2 0 0 56 3 9 32 5 1 55 7 62 0 6 11 8 5 41 2 4 1 2 0 0 67 4 2 8 5 62 7 2 8 7 88 4 3 2 62 4 6 6 6 02 2 2 2 0 41 3 8 9 9 2 2 0 1 09 9 0 0 随着人造板生产的发展，各国纷纷制订或修订新的人造板标准，其共同点 是对人造板的质量要求越来越高。生产规模大型化、监测控制微机化以提高产 品质量、降低成本、增加效益，体现出很强的竞争意识。我国自十一届三中全 会实行改革开放政策以来，引进了许多国家先进的设备和技术：另外，在消化 吸收国外先进设备和技术的同时，也加快了国产人造板设备的设计和改造，并 取得了喜人的成绩，有些设备已达到发达国家8 0 年代或9 0 年代初的水平。但 从总体上看，当前我国人造板设备和技术水平，仅仅停留在发达国家七八十年 代的水平。 9 0 年代以后我国陆续引进了一些先进的贴面板生产设备，并在江苏丹阳和 上海等地投产，产生了巨大的经济价值。同时我国的人造板加工设备制造企业 3 第1 章绪论 也开始推出我国自行设计的中、小规模设备，但与国外先进生产设备相比，差 距仍较大。经过多年的重复引进、生产实践之后，人们注意到，尽管引进设备 运行可靠，产品质量好，销路也不错，但经济效益并不理想。究其原因，进口 设备价格昂贵，投资过大，工厂负债高，所得利润无法偿清银行贷款。加上设 备维修的备件必须进口，价格昂贵且供应不及时。生产企业不能消化吸收先进 技术，即使有备件却不会修理，仍需聘请国外专家来修理，致使多数引进设备 的企业背上沉重的包袱。上述情况向人们提示：设备国产化是本行业走出困 境，取得效益的最佳出路，只有我国自行研制或与国外协作研制、开发出适合 我国生产的技术含量高的先进设备，以满足我国人造板的生产需要，才能为我 国人造板行业的发展开拓更大的空削3 。5 1 。 1 3 人造板贴面系统概况 1 3 1 人造板贴面背景情况 木材在当今四大建筑材料( 钢材、水泥、木材和塑料) 中具有特殊的优势： 木材的天然纹理、色彩、吸湿和介湿作用，以及隔热、隔音作用，能给人们带 来视觉、听觉和感觉等多方面的舒适感。近年来，随着人们对“绿色”生活的 追求，木制品越来越受到人们的喜爱。然而，我国是世界上缺林少材的国家之 一，木材供应大量依赖进口，与2 0 0 5 年相比，2 0 0 6 年进口原木3 2 1 5 万立方 米，增长9 5 ，进口锯材6 0 7 万立方米，增长1 6 ，是仅次于石油和钢铁的 第三大用汇行业。如今，随着建筑装饰和家具业的快速发展，国内木材需求量 急剧增长，木材供应的缺口越来越突出。与此相对应，人造板不仅能大量节约 林木资源，有利于环境保护，而且材料性能和加工性能优越，而刨花板凭借良 好的弯曲性、易加工性、易装饰性等优势，已经大量进入高层建筑、船舶和汽 车制造等领域( 表1 2 ) 【6 1 。 但是人造板素材表面没有纹理，色彩单调、边缘粗糙，所以它不能适应市 场需求，满足人们的要求。为了解决人造板外观质量不足，人们采用给人造板 加贴面处理的方法，这样不仅可以改善产品的外观质量，而且能提高物理力学 性能和化学性能如耐水、耐磨、耐烫、耐污染，从而扩大产品用途，提高人造 板价值，是节约木材和提高木材利用率的有效举措。 4 第1 章绪论 表1 2 人造板应川范同举例 行业用途人造板品种备注 内外墙板 胶合板 问隔墙 房屋胶合板、o s b 、刨化板、复合地板、 建筑地板 复合工字梁 搁板 水泥模板胶合板 ) 装饰薄胶合板，各种贴面人造板 尉房家具胶合板、刨花板、细木工板、h d f 等 室内家具胶合板、刨仡板、细木工板、m d f 等 家具 柜体材料 办公室胶合板、刨仡扳、细术t 板、m d f 等 会 义室胶合板、刨花板、细术t 板、m d f 等 客房胶合板、刨花板、细术丁板、m d f 等 车_ f f l i 板胶合板、0 s b 车辆 隔板胶含板、o s b 设备胶合板、o s b 包装仪器胶合板、0 s b 物品胶合板、0 s b 木材加工与制造业继以胶合板为标志的第一次技术革命，以中密度纤维板 为标志的第二次技术革命后进入了人造板二次加工向纵深扩展的时代，堪称第 三次木材技术革命，在整个建筑装饰材料行业影响深远【7 1 。人造板二次加工处 于木制品产品生产的材料前沿，随着我国木构件、家具、装修等行业的高速发 展，市场规模不断急剧扩大。 1 3 2 人造板全自动对花贴面系统概述 人造板全自动对花贴面系统要完成的工作就是：将贴面纸和人造板按要求 5 第l 章绪论 层叠好后通过对花调整系统进行调整，调整好后输送入热压机，经过热压机的 压制，制成外观良好的人造贴面板，并将贴面板从热压机工位取出，完成人造 贴面板生产工艺流程。这条人造板全自动对花贴面生产线的设备配置情况如图 1 1 所示。 o 4 o 、 气8 7 一 o “l 珏弓j 一 心 l 医习 l o 一八 叹 图1 1 人造板全口动对花贴面生产线的设备配置 1 推板机2 升降机3 刷光机4 对中滚台5 ：合板机构6 静电发生器 7 上板机构8 对花调整机9 热压机l o 清边工位 其具体的生产工艺流程为：首先用叉车将外观质量比较粗糙的人造板放在 推板机构下的液压升降台2 上，贴面纸放在储纸架上，推板机构1 的作用是推 动人造板进入整条生产线进行贴面加工，首先人造板被推入刷光机3 ，成对的 毛刷除去人造板两表面的灰尘( 刷下的粉尘由吸尘装置排出) 。清扫干净的人 造板进入对中滚台4 ，进行对中操作，将人造板进行初定位。人造板在合板机 构滚筒运输机带动下进入到合板机构皮带运输机的上方位置，滚筒运输机反 转，由于合板机构滚筒并不组成完整环路而是只有一部分( 如图1 1 中设备5 所示) ，在人造板随滚筒后退的过程中被挡板机构挡住，人造板落到下方已事 先铺好贴面纸的皮带运输机上，再从储纸架取贴面纸铺放到人造板上表面。在 合板机构工位将贴面纸和人造板层叠好后，人造板将整体通过高压静电发生器 6 ，这样贴面纸与人造板之间会产生静电，贴面纸将紧紧吸附在人造板的表 面，确保人造板和贴面纸不产生滑移，经过皮带运输机的输送，铺好纸的人造 板进入对花调整机构8 ，调整好后通过上板机构7 将贴附着贴面纸的人造板送 入热压机9 进行热压加工，在热压过程中，贴面纸上的胶融化，这样贴面纸便 紧紧粘附在人造板表面，形成贴面板。而后，下板装置将压制好的贴面板从热 压机中取出，送入清边工位1 0 上，进行清边操作，将板上多余的贴面纸清 除，最后是翻板机构，检验贴面板下表面的质量，生产出的贴面板经检验合格 将成为成品。 人造板对花贴面系统要求定位准确，确保贴面材料( 贴面纸) 和人造板之 6 第1 章绪论 间的位置关系；各工步协调工作，确保连续生产；因热压机上压板花纹要和贴 面纸花纹对齐，因此液压缸同步问题显的很重要。 1 4 课题研究的目的和意义 人造板全自动对花贴面设备作为专业性较强的设备，目前国内还没有厂家 进行生产，而对花贴面板作为贴面板的新产品，具有很高的应用价值。通过本 课题对人造板全自动对花贴面系统开发中所遇到的一些关键性技术问题进行的 分析研究，能为设计出具有同行业先进水平的人造板对花贴面设备提供一些指 导性的原则方法，积极探索运用基础理论和现代技术手段解决实际生产开发中 关键技术问题的方式和途径，最终使新型人造板全自动对花贴面设备达到结构 优化，性能改进，效率提高，开发成本降低等目的。 人造板贴面是人造板生产中的重要一环，对提高人造板的性能，适应市场 需求，进而减少林木采伐量，维持生态的可持续发展具有重大影响。对人造板 全自动对花贴面系统关键技术问题的研究有利于提高我国人造板生产设备的技 术水平，缩小与发达国家先进生产设备的差距。提高我国人造板生产企业的生 产能力，降低生产成本，更好地参与国内和国际竞争，因此具有十分重要的现 实意义。而人造板全自动对花贴面系统是由数个部分组成的综合系统，整个设 备的机械结构、原理和控制系统十分复杂，因此通过对系统中关键技术问题进 行分析研究可丰富有关机械结构与误差分析的理论，拓宽c a d c a e 等现代辅助 设计分析理论的应用领域等，这些都具有一定的理论和现实意义。 1 5 论文研究内容 本文开展的是人造板全自动对花贴面系统开发设计中一些关键问题的研 究，这些关键问题包括： ( 1 ) 因对花要求精度比较高，其误差要控制在- 4 - 0 2 m m 之内，贴覆贴面纸 的人造板很难进行定位。如何实现人造板的定位及调整将是本文研究的主要内 容。 ( 2 ) 另外简要介绍对产品质量影响较大的两个问题：压机在下压过程中的 多缸同步问题；不锈钢模板在高温下的膨胀带来的错位问题。 7 第1 章绪论 在明确所要研究的目标基础上，从满足贴面生产工艺诸要求出发重点进行 了以下研究： ( 1 ) 对人造板的对花问题进行了深入研究，该系统采用调整机来实聊 方向的移动以及绕z 车由的转动，采用图像处理方法来计算出人造板所需调整量， 进而通过控制步进电机来调整好人造板的位置；对调整的精度进行了分析。 ( 2 ) 采用同步回路来保证压板下压过程中的平稳；分析了不锈钢模板的热 膨胀问题，使之在高温下的花纹与贴面纸花纹相匹配。 1 6 本文内容安排 第2 章介绍了全自动调整系统的原理，对硬件进行了选择和设计，并分析 了调整机构的精度。 第3 章介绍了图像的采集，并将采集的数字图像进行处理，如图像灰度化、 图像平滑、图像锐化、图像二值化、图像边缘检测等。并以一幅标记的图像为 例，通过一系列的处理提取出标记的边缘。 第4 章对标记的边缘数据信息进行了分析，计算出了标记的圆心坐标，并 利用圆心坐标进行坐标转换，分析所要调整的廊向的距离和绕z 轴旋转的角 度。 第5 章介绍了全自动对花贴面系统的其它关键问题研究，包括压机下压过 程中的多缸同步问题，不锈钢模板和贴面纸在高温下的匹配问题。 第6 章对全文进行了总结，介绍了本条全自动对花贴面线的生产情况，并 对全自动对花调整系统未来的发展方向提出了几点意见。 8 第2 章全白动调整系统关键问题研究 第2 章全自动调整系统关键问题研究 人造板位置调整系统是整套人造板全自动对花贴面系统的核心部分，在整 条人造板全自动对花贴面生产线中占有十分重要的地位。这一部分对机构动作 的有效、可靠和高效等要求比较高，对系统能否有效协调工作和能否制造出高 质量的对花贴面板有重要影响，也是最容易成为提高生产效率瓶颈的地方。 这条生产具有立体花纹的贴面生产线是国内第一条同类型的生产线，没有 类似的经验可以遵循，这罩把全自动调整系统作为一个关键的技术问题来进行 研究，通过对全自动调整系统的分析研究，提出了设计同类机构时所应遵循的 方式和原则，而且这一分析研究必将对我国人造板贴面生产设备设计水平的提 高产生积极地促进作用。 本章介绍了人造板被送入热压机前进行调整的工作原理，对调整机所用到 的硬件进行了设计，并且对调整机的调整精度进行了分析。 2 1 位置调整系统工作原理 位置调整系统是用来调整人造板的位置，使贴覆在人造板表面上的贴面纸 所印刷的花纹与上热压板上的花纹对齐。贴面工作原理如图2 1 所示，不锈钢 模板印刷有和贴面纸相同的花纹，不锈钢模板固定在上热压板上，在更换产品 后只需更换不锈钢模板就可以了，而不需要将整个上热压板都更换。在静电的 作用下，贴面纸紧紧贴覆在人造板的上下两表面。上热压板下压后，在高温高 压下，贴面纸上的粘接剂融化，将贴面纸紧紧粘覆在人造板的表面上，不锈钢 模板上的花纹印在人造板上，形成三维立体花纹。 9 第2 章全白动调整系统关键问题研究 ，7 竹j - 。弋心 弋 ”。 、。 图2 1 贴面j r 作原理 l ，7 上下热压板2 缓冲垫3 不锈钢模板4 ，6 贴面纸5 人造板 2 1 1 调整系统的组成 调整系统由光源、数字相机、计算机、位置调整机、上板机构、和驱动电 路组成，调整系统的组成如图2 2 所示。 图2 2 调整系统的组成 2 1 2 调整系统的工作过程 人造板的规格为7 7 97 ( 2 1 4 0 2 7 5 0 m m ) ，贴面纸比人造板略大为 2 1 8 0 2 7 9 0 m m 。在贴面纸上三个不同的位置印刷有“o 形的标记，直径6 r a m ， 在标记的正上方各有一部数字相机，相机的旁边有用来照亮标记的光源，如图 2 3 所示。 1 0 第2 章全自动调整系统关键问题研究 ，一j一 昌 瓦 9 瑚瑚 ，7 5 0 7 f w 图2 3 ：标记位置尺寸 1 贴面纸2 人造板3 标记 调整机工作过程如图2 4 所示。 图2 4 调整机【作过程 第2 章全口动调整系统关键问题研究 人造板到达位置调整机的上方后，位置调整机升起，将人造扳从输送皮带 上托起。光源打开，给数字相机拍照的信号，数字相机拍照后将照片保存在计 算机硬盘中。计算机进行图像处理，计算出标记的圆心位置，与计算机存储的 数据进行对比，计算出所要调整的肖肪向移动距离和所要绕旆自旋转的角度，并 将数据输出到步进电机进行调整。调整完成后，给数字相机拍照信号，进行第 二轮的调整，直至舯方向移动的调整量却i 0 0 1 m t n ，- 巾o o l m m ，绕辟自 旋转的角度调整量d 00 1 。调整完成后由上板机构将贴面纸和人造板送入 到热压机进行热压。 213 位置调整机的设计 根据第一章中对整条生产线生产工艺的介绍，可以了解位置调整机功能是： 将铺放好贴面纸的人造扳，从输送皮带上提升定高度调整人造板的位置与 热压机的上压板花纹相对应。人造板位置调整机结构示意图如图25 所示。 ， 捌25 人造扳位置调整机结构示意捌 i 舫向调整部分2y 方向调整郭分3 提升机构j 舶度整部分4 底座5 立捧板 要生产的成品板尺寸( 厚x 宽x 长) 为( 6 4 0 ) 2 1 4 0 2 7 5 0 m m ，技术要求 如下：z 疗向的调整范m 5 m m ，方向的调整范围5 m m ，绕z 轴旋转方向的调 整角度2 。，支撑面的升降范围为0 2 0 0 m m ，因贴面纸通过高压静电贴附在人 造板上，所以支撑面必须是绝缘材料，可耐压6 0 k v 。位置调整机的设计主要 是围绕解决调整机机构的设计和标记特征的提取这两个问题，参考同类机械结 构展开设计。同时，在设计过程中考虑到驱动系统，通过步进电机来驱动删7 向的移动和绕z 轴的转动。 1 2 第2 章全自动调整系统关键问题研究 214 人造板的定位方法 在机械加工中，为了保证工件被加工表面的技术要求，必须使工件相对刀 具的机床处于正确的加工位置即工件的定位h 】。工序中用束确定本工序所加 工表面加工后的尺寸、形状、位置的基准称为工序基准p 】。任何一个i ll 在央 具中朱定位前都可以看成为在空问直角坐标系中的自由刚体。如图2 6 所示， 它能沿x ，y ，z i 个坐标轴移动，用x ，r ，z 表示：也可以绕这三个坐标轴 转动用，r z 表示，这称之为工件具有六个自由度。要使工件在某个方 向上的位置确定就必须限制工件在该方向上的自由度，为使工件在夹具中的 位置完全确定，就需要将它的六个自由度全部予以限制。 lz 削2 6 刚体自由度而意幽 人造板的定位就是将人造板送入贴面压机的下压板上，并使贴丽纸上的花 纹与上压板上的花纹保持精确的对应。 对于压制普通平面花纹的人造板贴面压机来说，不需要考虑人造板在压机 中的定位问题，如图27 所示，只需将人造板输入到下压板上，人造板不突出 到下压板外就可以了，然后高温高压下就能完成贴面工序。 疆盖贴面纸广1 的 毽握 上压扳 亘压- 4 - - 吨警 本文设计的三维贴面的压机要保证热压时上压板上的花纹与贴面纸上的花 第2 章全白动调整系统关键问题研究 纹要对应，如图2 8 所示。人造板的上下两表面贴有贴面纸，贴面纸是通过静 电吸附在人造板上的。为了保证人造板贴面质量，贴面纸要大于人造板，由于 人造板和贴面纸材质的特殊性，不能像金属等工件用定位销或用侧面来定位。 因此就设计了这套调整系统，- 将人造板调整好位置后，再利用上板机构将调整 好的人造板送入到热压机中。 覆盖贴面纸 下压板 图2 8 对花贴面定位示意图 2 2x 、y 方向调整机构设计 2 2 1 平移机构的原理 能够实现螺旋运动转换为直线运动的传动方式是螺旋传动。设计之初考虑 到成本问题，采用滑动螺旋传动，出于内外螺纹都存在偏差，查机械设计手 册g b 2 5 1 6 - 8 1 规定的内外螺纹极限偏差，内螺纹中径上偏差为+ 2 8 0 i - t m ，而外 螺纹中径下偏差为- 2 8 0 1 a m ，使内外螺纹旋合时可能产生最大间隙2 5 6 9 m ，传递 运动时间一长，加上螺纹磨损后，间隙会更大。因此，为了减小螺纹间隙，增 加传动的精度，本平移机构采用步进电机驱动滚珠丝杠螺母的机构来实现墨】， 方向的移动。肋向调整的结构如图2 9 所示。 图2 9x r - z 向调整机构简图 1 步进电机2 连轴节3 滚珠丝杠4 螺母5 工作台6 滚动直线导轨 1 4 第2 章全自动调整系统关键问题研究 步进电机转过一步距角，带动滚珠丝杠转过一定角度，滚珠丝杠会带动螺 母移动，这样就将旋转运动转换成了直线运动，实现n 仿向的调整。 滚珠丝杠螺母是一种滚动摩擦传动机构【l0 1 ，与滑动丝杠螺母机构相比具有 以下特点： ( 1 ) 传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠螺母传动效率q = o 9 2 , - - , 0 9 6 ，比 滑动丝杠螺母的q - - o 2 - - - , 0 4 提高2 - - 4 倍。 ( 2 ) 动作灵敏无爬行现象。滚动摩擦的启动阻力很小( 几乎与运动速度完 全无关) ，运动平稳、动作灵敏在低速时能均匀运动且不易出现爬行现象，特 别适于位移速度较低的高精度传动。 ( 3 ) 精度保持性好。滚动摩擦的磨损小，寿命长在长期运转中能保持较好 的精度。 ( 4 ) 经适当预紧，能实现无间隙传动。采用双螺母加预紧力控制弹性变形， 经调整后能基本上消除轴向间隙，提高轴向精度，在无间隙和过盈下能f 常运 转，并具有较高的定位精度和位移精度。机床上采用滚珠丝杠螺母传动，是一 种精密而又省力的运动转换装置。 2 2 2 平移运动的实现 为了实现水平运动，需采用直线运动功能部件。执行直线运动功能的部件 一般由一下几种：滚动直线导轨副、滚动直线导套、副滚动花键、副滚动导轨 块】。 滚动直线导轨副结构如图2 1 0 所示，滚动体与圆弧导轨沟槽相接触，承 载能力大，刚性好，摩擦系数小，一般小于0 0 0 5 ，仅为滑动导轨副的1 2 0 1 4 0 ，节省动力。可以承受上下左右四个方向的载荷，磨损小寿命长，安装、 润滑简便。运动灵活，无冲击，在低速微量进给时，能很好控制位置尺寸。 图2 1 0 滚动直线导轨副 1 5 第2 章全白动调整系统关键问题研究 选用导轨时应基于每种导轨的特点来选择。考虑到本设计只传递运动，导 轨的承载的重量只是人造板的重量和兄y 调整机构的和，重量大约3 0 0 0 n ，且 运动的距离很短约1 0 m m ，运动速度低，基本上是微动，因此选用滚动直线导 轨副。 2 2 3 滚动直线导轨的选型 由于实现r - b 向运动的导轨在下面一层，承受的重量比肪向多，因此只校 核实现功向运动的导轨，考虑到同一台机器中零件的一致性，肪向选择与y 方向相同的导轨。 滚动功能部件的主要失效形式是滚动元件与滚道的疲劳点蚀与塑性变形， 其相应的计算准则为寿命计算【1 2 】。滚动体为球时，直线运动部件的寿命计算公 式为： 2 ：5 j 垃立五旦1 3 ( 2 1 ) l厶尼j 其中， 卜额定寿命，指一组同样的直线运动国运动功能部件，在相同的条件 下运行其数量为9 0 不发生疲劳时所能达到的总运行距离，单位k m 。 c l _ 一基本额定载荷，指垂直于运动方向且大小不变地作用于一组同样的 直线运动滚动功能部件上使额定寿命为l = 5 0 k m ( 对于球形滚动体) - 2 觌, = 10 0 k m ( 对于滚子形滚动体) 时的载荷，单位k n 。 如计算载荷，指直线运动功能部件所承受的垂直于运动方向的载荷， 幻讥 厶硬度系数，厶= ( 实际硬度系数h r c 5 8 ) 3 6 ，一般厂家的滚动元 件及滚道表面的实际硬度均在h r c 5 8 以上，厶均可取1 ； 厶温度系数； 厶接触系数； 厶载荷系数。 本设计采用的是四根滚动直线导轨，每根导轨上有一个滑块。这罩的总负 荷是人造板、肪向调整部分和肪向调整部分质量的总和。 人造板规格为2 1 4 0 x 2 7 5 0 x 4 0 m m ，密度为7 5 0 k g m 3 ，其质量为： 1 6 第2 章全臼动调整系统关键问题研究 m 础= 21 4 0 x 2 7 5 0 x 4 0 x10 一x 7 5 0 = 17 7 k g 。 而肪向调整部分设计质量为1 5 2 k g ，功向调整设计质量为1 1 0 姆，总负 荷尸三( 1 7 7 + 1 5 2 + 11 0 ) x 9 8 - - 4 3 0 2 n 。根据技术要求，单向行程+ 5 r a m ，每分钟往 返次数n = 4 ，每日平均开机1 6 小时，要求适用5 年以上。 按每年3 0 0 个工作日计算，l t t = 5 x 3 0 0 x 1 6 = 2 4 0 0 0 h ，每个滑块上的计算载荷 p f p | 4 = 4 3 0 2 4 = 1 0 7 5 5 n o 查机械设计手册知，用小时数计算表示的额定寿命可用下式计算： l ：8 3 l ( 2 2 ) 其中，f _ 直线运动部件的单向行程长度，7 7 刀指向运动部件每分钟往返次数，1 m i n 将上面的相关数据代入上面的公式2 2 得， 上：旦监：4 x 0 0 1 x 2 4 0 0 0 ：1 1 5 6 8 k m 8 3 8 3 查机械设计手册表7 3 5 ( 7 2 7 2 ) 知厅= 0 8 1 ；工作温度低于1 0 0o c ， 由表7 3 4 ( 7 2 7 2 ) 知厅= l ；由于只传递运动，工作中冲击较小，且是微动， 速度小于1 5 m m i n ，可取厶= 1 3 ，导轨副的硬度在h r c 5 8 以上，取厶= l 。 将上面数据代入公式2 1 得： c ：五：堡f ，三1 i 3 ：! ：! 兰翌r 堂 l ，3 = 5 8 3 7n 厶力厶t , 5 0 ) l 1 o 8 l l5 0 选四个滑块受等载荷型，从表7 3 9 中查得合适的型号为h j g d 2 5 。 2 2 4 步进电机的选型 步进电机是自动控制系统中常用的执行部件【1 3 】。步进电机的输入信号为脉 冲电流，它能将输入的脉冲信号转换为阶跃型的角位移或直线位移，因而步进 电机可看作是一个串行的数模转换器【】。步进电机有以下优点：通常不需要 反馈就能对位置和速度进行控制，位置误差不会积累，与数组设备兼容，能够 直接接收数字信号，可以快速启停。 步进电机的选用主要考虑一下几个参量： ( 1 ) 步距角 1 7 第2 章全自动调整系统关键问题研究 电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率( 当量) 换算 到电机轴上，每个当量电机应走多少角度( 包括减速) 。电机的步距角应等于 或小于此角度。 一 实际选用时，常根据系统的脉冲当量选择电机的步距角和传动机构的传动 比。根据精度要求选择电机的步距精度，并确保电机的步距误差、负载引起的 附加误差及传动机构的传动误差之和小于负载所允许的定位误差。 本设计朋调整机构调整范围为+ 2 m m ，步进电机通过连轴器与丝杠螺母机构 相连，设定调整精度为0 0 1 m m ，步进电机步距角选择为0 6 0 ，即步进电机转过 0 6 0 ，丝杠移动0 o l m m 。 丝杠螺母机构的传动比为： p z = 一 2 万 ( 2 3 ) 可求出丝杠螺距为t p = 2 瘕= 3 6 0 x 0 0 i o 6 = 6 r a m ( 2 ) 最大静转矩 步进电机的动念力矩一下子很难确定，因此往往先确定电机的静力矩。静 力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。 单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时( 一般由低速) 时 二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行时只要考虑摩擦 负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2 3 倍内好，静力矩一旦选定，电 机的机座及长度便能确定下来( 几何尺寸) 。 在系统中用滚珠丝杠螺母机构把负载连接到步进电机，步进电机驱动滚 珠丝杠螺母转动。 ( 3 ) 响应频率和起动频率 要求步进电动机输出很大的转矩，还要求较高的定位精度和较快的反应速 度，这是设计控制系统需要首先考虑的问题。步距角越小，分辨率越高，电动 机的响应速度越快，系统的速度越快，整个系统的效率就越高。选用步进电动 机时，必须着重考虑步距角、响应频率和起动频率。步进电动机的选用将在很 大程度上影响整个控制系统的分辨率和速度。 本课题对于调整速度要求不是很高，只要达n v = o 5 m m s ，就能满足系统 的控制要求。在丝杆套的速度达到0 5 m m s 时，步进电机要求的运行频率： 1 8 第2 章全白动调整系统关键问题研究 f ，：3 6 0 n ( 2 4 ) 。7 秒 式中：万电机的转速( 转秒) 卜步距角 由n = 0 5 i 3 6 0 = 18 r m i n ，代入公式2 4 得 f y = 1 2 0 0 h z 。 按照以上步骤，并参考计算的参数值，考虑对花调整系统要求的调整精度 比较高，所以选择步距角比较小的混合型步进电机。实际应用中，由于负载参 数无法具体确定等原因，要结合现场的需要，当电机的各种参数范围确定了之 后，选择了国内生产步进电机的厂家进行联系，进一步根据厂家提供的步进电 机产品型号和参数，选择比较适合型号的电机。综合以上分析初选步进电机为 某厂生产的b s h b 6 3 8 三相步进电机。步进电机技术参数如表2 1 所示： 表2 1 步进电机的主要参数 步距角额定t 【l 流静转矩转了惯量，乜机重量机身长 电机型号 ( o )( 彳)( m ) ( k g c m 2 )( 坛) ( m m ) b s h b 3 6 8o 65 83 54 1 2 41 17 6 4 2 2 5m 釉方向调整误差分析 ( 1 ) 砌向调整机构的误差来源 a 步进电机对系统精度的影响，即步距角精度的影响； b 导轨形位公差的影响。 ( 2 ) 步距角对系统精度的影响 步进电机在制造过程中由于冲片的齿和极分配不均，转子齿形加工不准确 等因素，以及在使用过程中摩擦力矩或负载力矩的波动，驱动电源所提供的各 相电流的不平衡因素的影响，将引起实际平衡点与理论上的不一致，因此必然 存在步距误差【1 引。在3 6 0 0 范围内给步进电机输入n 个脉冲，其分析误差如图2 1 1 所示： 1 9 第2 章全白动调整系统关键问题研究 d t 。 a 参凇 、 | iillii 以慢 i | l i l 、 a 8 l t 凼t 图2 1 1 步进电机步距角误差分析 步进电机的特性决定了转子在一周内仍会回到原点，即步距角累积误差为 零。而且前后脉冲形成的步距角误差没有关联，可以认为在任意时刻，可能出 现的最大步距角为： a p = m a x ( 1 一l ，l 帆h1 ) 步进电机每转一步，螺母在丝杠上移动的距离误差为： a j , ：! ! 垒星! ( 2 5 ) 3 6 0 b s h b 3 6 8 步进电机实际步距角与理论值之间的误差可以控制在步距角 的5 内，即i 声l _ o 0 3 。，将导程p = 6 m m ，i z 妒l = 1 0 代入公式2 5 得 a y ：竖业：0 0 0 0 5 00 0 0 5 m m= = 3 6 0 ( 3 ) 滚珠丝杠导程引起的误差 滚珠丝杠在制造过程中也不可避免存在导程误差( p ) ，该系统所使用的 滚柱丝杠，精度为3 级，滚珠丝杠导程为6 m m ，在2 0 0 0 m m 长度上的导程误差 为1 8 , u r n 。所以，滚珠丝杠导程引起的误差为： , a y 2 = 0 0 1 8 l 丝杠2 0 0 0 ( 2 6 ) 查表得丝杠的长度为l 学t , = 4 0 0 m m ，代入公式2 6 得导轨的导程带来的误差 为： a y 2 = 0 0 1 8 4 0 0 2 0 0 0 = 0 0 0 3 6 m m ( 4 ) 朋防向调整机构的最大误差 由前所述，砌向调整机构的最大误差y 嗽由步距角产生的误差和丝杠 制造精度产生的误差组成。 2 0 第2 章全白动调整系统关键问题研究 k = a y l + a y 2 ( 2 7 ) 将公式z x y l - o 0 0 0 5 ，a y 2 = 0 0 0 3 6 代入公式2 7 得 y 眦= 0 0 0 3 6 + 0 0 0 0 5 = o 0 0 4 1 m m 此值小于设计任务中提出的0 0 1 m m 的调整精度值。说明本设计在保证精度 方面是成功的，完全能满足设计目标的要求。 2 3 角度调整机构设计 2 3 1 角度调整的原理 角度调整机构的功能是要实现整个工作台最大士2 。的调整，调整精度0 0 1 0 实现角度的旋转是本设计中的一个难点。 ( 1 ) 机构的自由度 任何机器都是由零件组成的，把刚性的连接的零件共同组成一个独立的运 动单元体叫做构件【1 9 】。而把两构件直接接触而构成运动副的表面的称为运动副 元素【2 0 】。 为了使机构具有确定的运动，则原动件的数目必须等于机构自由度的数目。 这是机构具有确定运动的条件。当这一条件不满足时，如果原动件的数目小于 机构自由度的数目，那么机构的运动将不确定。如果原动件的数目大于机构的 自由度，那么将导致机构中作薄弱的环节的损坏。 设平面机构有以个活动构件，设共有p 1 个低副和优个高副，它们将提供 ( z p l 忱) 个约束，故机构的自由度助 卢3 疗一( 2 p l 协) ( 2 8 ) 联系本台机器的设计，很明显，在实现旋转功能实现的机构中，原动件只有一 个，那么这机构的自由度应为1 ，这样才能实现机构的确定的运动。 ( 2 ) 绕z 轴旋转机构方案的确定 在旋转机构原理设计阶段，考虑了两个方案： 方案一，如图2 1 2 所示： 2 1 第2 章全臼动调整系统关键问题研究 图2 1 2 滑块连杆机构 1 转盘2 连杆3 滑块 图2 1 3 丝杆机构 1 摆杆2 步进电机 外部动力源推动滑块，滑块通过连杆推动圆盘，最终实现圆盘的转动。其 自由度为： f = 3 x 3 - - ( 2 x 4 +