（机械制造及其自动化专业论文）板材自动贴面系统关键问题研究.pdf

摘要 摘要 板材自动贴面系统是将贴面材料贴附到基材上制造表面质量美观的人造板 材的专业设备。 首先简要介绍了国内外板材贴面设备的发展情况，说明了进行板材贴面设 备新产品开发的重要性，进而提出了本课题的研究目的是为设计出具有同行业 先进水平的板材贴面专业设备解决技术上的主要问题，同时达到优化系统结构， 改进系统性能，提高系统效率等目的，并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。 板料在热压机中的自动安放和从压机中卸出是板材自动贴面系统中一个十 分重要的问题，经过对各种机构的分析，确定采用椭圆机构作为上板部分的基 本结构，在优选出合理机构后，对机构进行了尺度综合研究和误差分析。 目前板材贴面设备的开发还停留在二维阶段，设计效率较低，因此将系统 的装配模型建立和运动模拟作为一个关键技术问题来解决。运用计算机辅助设 计软件p r o e n g i n e e r 建立了系统核心工位的装配模型，并进行干涉分析，运用 p r o e n g i n e e r 内部运动分析模块进行系统的运动模拟，了解系统的运动情况。 针对计算机辅助设计所不能发现的一些问题，对解决方案进行了介绍。 热压机是系统中受力情况最恶劣的设备，它的优化设计也是系统开发中要 认真研究的问题，针对工作油缸布置位置不同对板材压制质量的影响，借助有 限元方法确定了恰当的框架布置尺寸，对框架形式和尺寸参数进行确定。并最 终确定了合理的热压机结构。 为了提高生产效率，实现自动化生产，本系统采用p l c 控制方式实现对整条 生产线的控制。对系统电气控制中设备的选型、i 0 点的配置进行了分析，并对 p l c 软件结构进行了介绍。 关键词：板材贴面，椭圆机构，热压机，p l c 一一 垒! 壁! 竺! a b s t r a c t a u t o m a t i cb o a r do v e r l a y i n gs y s t e mi sak i n do f p r o f e s s i o n a le q u i p m e n tw h i c h i su s e dt oa t t a c hs u r f a c em a t e r i a lt ob a s eb o a r dt og e tag o o da r t i f i c i a lb o a r dw i t h b e a u t i f u lf a c e f i r s t l y , t h e s 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 c a n do v e r s e a sa n dt h e i m p o r t a n c eo f t h ed e v e l o p m e n to fn e w b o a r d , o v e r l a y i n ge q u i p m e n ta l ed e s c r i b e d t h ep u r p 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 o l o g yf o rt h e d e v e l o p m e n t o fn e wb o a r d o v e r l a y i n gs y s t e m a u t o m a t i c l a y i n g a n d t m l o a d i n g o fb o a r d sw h e nh o t p r e s s i n gi sa v e r y i m p o r t a n tp r o b l e mi na u t o m a t i cb o a r do v e r l a y i n gs y s t e m a f t e rc o m p a r i s o n , t h e e u i p s em e c h a n i s mi su s e da sab a s i cm e c h a n i s mo fb o a r df e e d i n gm a c h i n e a f t e r s e l e c t i o no fag o o dm e c h a n i s m ，d i m e n s i o ns y n t h e s i ss t u d ya n de r r o ra n a l y s i sa l e c a r r i e do u to nt h i sm e c h a n i s m n o w , m o s t f a c t o r i e ss t i l ls t a n di n2 - dd e s i g n p h r a s e t h ee f f i c i e n c yo f d e s i g ni s l o w , s ot h i st h e s i st a k e st h e3 - dm o d e lb u i l d i n ga n dm o t i o ns i m u l a t i o na sam a i n p r o b l e mo fs y s t e m t h ea s s e m b l a g em o d e lo f c o r ew o r k i n gp o s i t i o ni ss e tu pb y c a ds o f t w a r ep r o e n g i n e e r m o t i o ns i m u l a t i o ni sm a d et ot h i ss y s t e mb yt h e p r o e n g i n e e rt ok n o w t h em o t i o ns t a t e h o t - p r e s si st h ee q u i p m e n t w h i c h w o r k si ne x e c r a b l ep m s f i n ge n v i r o n m e n t ，s o i t sd e s i g ni sa i m p o r t a n tp r o b l e m i ns y s t e md e v e l o p i n g b e c a u s eo f t h ei m p o r t a n c eo f w o r k i n gc y l i n d e rl o c a t i o n t oq u a l i t yo f p r e s s e db o a r d s ，t h er i g h td i s p o s a ld i m e n s i o n o ff r a m ea n dd i m e n s i o np a r a m e t e r so f h o t - p r e s s s t r u c t u r e 、i mr a t i o n a l i t yi s d e t e r m i n e db yf e m ( f m i t ee l e m e n tm e t h o d ) no r d e rt o i m p r o v et h ee f f i c i e n c y o fp r o d u c t i o na n da c h i e v ep r o d u c t i o n a u t o m a t i o n ，p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) i su s e d t oc o n t r o lt h ep r o d u c t i o n l i n e t h es e l e c t i o no fp l c e q u i p m e n t a n di 0s c h e m ei sd i s c u s s e di nt h ep a p e r t h e s o f t w a r es t r u c t u r e ；sp r e s e n t e d k e y w o r d s ：b o a r d o v e r l a y i n g ，e l l i p s em e c h a n i s m ，h o t - p r e s s ，p l c i l 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：舌3 撂趁 矿r 年 月 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：毒j 芬乞 一 年3 月肜日 第1 章绪论 1 0 引言 第1 章绪论 随着经济的发展，办公楼、宾馆、酒店以及大量民居对装饰装修的需求与 日俱增，随之而来的对板材的需求量十分巨大，在这个巨大的板材需求市场中， 贴面板占有十分重要的份额。 板材贴面就是给表面质量很差的刨花板、纤维板等板材表面贴附上具有良 好外观的表面材料( 通常为贴面纸) ，从而使人造板具有不同的花色、不同的图 案，满足人们审美和使用上的需求，进而达到节约森林资源、改善生态环境的 i i 的。而板材贴面设备就是完成板材贴面工艺的专业设备。苏州新协力企业发 展有限公司是一家总部设在苏州国家高新技术产业开发区内的民营科技型实业 公司。该企业为江苏省“高新技术企业”，是我国目前为数不多的专业生产人 造板材制造设备的厂家之一，本课题就是同济大学和苏卅l 新协力企业发展有限 公司联合开展的研究课题。 因贴面人造板的规格很多、使用环境各不相同，对生产设备的要求也就存 在不同，因此苏州新协力公司经常需要根据客户需求进行产品定制和新产品开 发，而依托高校和科研院所较雄厚的科研实力并结合公司在该领域的经验积累， 对板材贴面专业设备进行研究分析，解决新产品开发中存在的一些关键技术问 题，进而将设计开发提高到科学理论层次，实现规范高效系统的新产品开发。 在本文中我们通过对板材贴面系统开发中一些关键问题进行的分析研究将 有力地促进企业在设计、分析水平上实现较大的提高，同时借助苏州新协力企 业发展有限公司在我国板材设备行业的领导地位，进而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 i 板材贴面系统概况 1 1 1 板材贴面背景情况 第1 章绪论 木材在当今四大材料( 钢材、塑料、水泥和木材) 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和隔音作用，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”生活的追求不断提 高，木材越来越受到人们的喜爱。然而我国人e l 众多，森林资源严重短缺，目 前可供采伐利用的森林资源约1 4 亿n 3 ，年均木材总耗约2 5 亿m 3 ，人均年耗术 材0 2 2 m 3 ，相当于世界人均年耗木材0 6 5 m 3 的3 4 8 。一度对天然林资源的过 度采伐和不合理消耗己使木材资源短缺。天然林保护工程实施后，将加剧我国 木材供应总量的不足。以速生材和次等材为原料的木材加工业的崛起为代用木 材开辟了广阔的前景。但是人造板素材表面没有纹理，色彩单调、呆板，所以 它不能完全适应市场需求。 为了解决人造板外观质量不足，人们采用了给木质纤维板加贴面处理的方 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，从而扩大 产品用途，提高人造板价值，是节约木材提高木材利用率的有效举措。随着我 国经济的快速发展，人们生活水平不断提高，居住条件得到极大的改善，随之 而来的对各种家装板材的需求有了很高的增长，贴面板材的市场前景将十分广 阔“。 1 1 2 板材贴面系统概述 板材贴面系统要完成的工作就是将贴面材料和纤维板按要求层叠好后送入 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。 我们新开发的这条板材自动贴面生产线的设备配置如图1 1 所示，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纤维板等基板放在推板 机构的液压升降台上，贴面纸放到贮纸架中，推板机构的作用是推动板材进入 整条生产线进行贴面加工，首先板材被推入刷光机，成对的刷辊除去板材双面 的灰尘( 刷下的粉尘由吸尘装置排出) ，而后清扫干净的板材进入对中滚台， 进行对中操作，将木板的位置定好，而后木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) ，在木板随滚筒后 退的过程中被挡板机构挡住，板材落到下方己事先铺好贴面纸的皮带运输机上， 2 第1 章绪论 再从贮纸架上取纸铺放到板材上表面，在合板机构将纸和木板铺叠好后，木板 将整体通过高压静电发生器，这样纸和板之间会产生静电，纸将吸附在纤维板 表面，这是为防止木板和贴面纸之间产生滑移，经过皮带运输机的输送，铺好 纸的纤维板进入上板机构升降台8 ，升降台上升将板升高到上下板运动小车上 板装置的作用高度，而后通过上板装置将贴附着纸的木板送入热压机进行热压 加工，在热压过程中，贴面纸上的胶水融化，这样贴面纸便紧紧粘附在纤维板 表面，形成贴面板，雨后出板机构将压制好的贴面板从热压机中取出，送入后 续的滚台上，后续还有一些如清边、检验等工序，生产出的贴面板经检验合格 将成为产品。 ， 、 4 e 6 _ o 一 j o i i - - - - - - - - - - - - 一 i = 2 二= 1 0 叉 1o 罡又 if 一 1 推板机构2 升降台3 刷光机( 清灰) 4 对中滚台5 合板机 6 静电发生器7 上下板小车8 升降台9 热压机1 0 出料滚筒机 图1 1 生产线配置示意图 整套系统要求定位准确，确保贴面材料和板材之间的位置关系；各工步协 调工作，确保连续生产；因热压机工作压力巨大，因此要确保热压机工作可靠， 热压机框架强度满足生产要求。 1 2国内外对板材贴面系统工程技术研究概况 相关报道认为：人造板工业是高效利用木材或其他植物纤维资源、缓解木 材供需矛盾的重要产业，也是世界林产工业的支柱产业。五十年前，中密度纤 维板和定向刨花扳最初出现在美国市场，二十年后被引进欧洲。如今木质人造 板仍然是世界上使用最多的木质材料之一，到上个世纪末，联合国粮农组织( f a 0 ) 报道，2 0 0 0 年世界木质人造板( 含单板、胶合板、装饰板和纤维板) 产量接近 1 9 亿m 2 ( 其中：胶合板占3 0 1 ，刨花板占4 4 4 ，纤维板占1 7 3 ) ，较十年 第l 苹绪论 前增长了5 7 以上。近十年来，世界人造板工业之所以得到飞速的发展，一方 面得益于木材资源由利用天然林资源为主向利用人工林为主转变，另一方面得 益于人造板工艺技术的长足进展、新技术的普遍采用和主机设备的技术进步8 3 。 1 9 6 9 年德国首先研制成功在刨花板或中密度纤维板表面采用较低的单位覆 贴改性三聚氰胺树脂浸渍装饰纸，可使其表面获得美丽的纹理图案，并改善其 光泽度、耐水、耐磨、耐烫、耐污染等性能。 过去2 0 年，全世界人造板产量年平均增长率为3 ，近1 0 年来又以中密度 纤维板和定向刨花板增长最快，尤其在近几年这两个板种的年增长率都达到两 位数，1 9 9 4 年年产量双双超过1 0 0 0 万珊2 。同年我国人造板的总产量已达到 6 6 4 7 2 万2 。随着人造板生产的发展，各国纷纷制订新的或修订原有的人造板 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，体现出报强的竞争意识“儿”1 。 我国自十一届三中全会以来，实行了改革开放政策后，一方面引进了许多 国家先进的设备和技术；另一方面，在消化吸收国外先进设备和技术的同时， 加快了国产人造板设备的设计和改造，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，当前我国人造板设各和技 术水平只有发达国家7 0 、8 0 年代水平。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 时我国的板材加工设备制造企业也开始不断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迸技术， 即使有备件但不会修理仍需聘请国外专家来修，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间。 第1 章绪论 1 3 课题研究的目的和意义 板材自动贴面设备作为专业性比较强的设备，目前国内对其开展的研究还 不是很多，企业生产中使用的设备大量采用的是全套外国进口设备价格昂贵， 而国产设备的技术水平还比较低，在生产中时常发生问题，影响生产效率，而 通过本课题对板材自动贴面系统开发中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板材贴面专业设备提供一些指导性的原则方 法，最终使新型板材自动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，进而替代进口设备，并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。 板材贴面是人造板生产的重要一环，对提高板材的性能，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。对板材自动贴面 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。提高我国板材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。而板材贴 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 等十分复杂，因此通过对系统中的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、提出有关新的设备机构参数的计算方法和设计准则， 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 意义。 1 4 论文研究内容 本文开展的是板材自动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 ) 国内已有贴面生产系统中所消化、仿制的机构部分设计比较 粗糙，而其中重要的上下板机构，没有形成设计应遵循的准则，设计盲目性较 大，且系统各参数的确定无严密、精确的计算和理论分析；( 2 ) 原有设备开发 基本还停留在二维开发阶段，开发手段落后，开发周期长，设计中错误多；( 3 ) 热压机框架受力情况恶劣，极易发生变形和裂纹，但对其在工作状态下的应力、 应变分布情况，所作研究较少；( 4 ) 我国同类板材贴面设备自动化程度较低， 而先进的控制方式在该领域的应用，介绍较少。 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： 对板材贴面设备上下板机构进行深入研究，提出设计类似设备所应遵 循的准则和应考虑的因素，对上下板机构进行型综合和尺度综合研究， 确定采用椭圆机构作为上板机构的基本机构，而椭圆机构在上板机构 上的应用具有开创性。文中还对上板椭圆机构进行了误差分析。对该 机构进行的分析是本文的难点之一，它将基本理论应用到了实际机构 的研究中。 对板材贴面系统装配模型建立和运动模拟进行研究，进行模型的动静 态干涉分析，并对实际生产中发生的问题提出了解决方案。通过建模 和装配研究将大大提高设计效率，减少设计错误，缩短开发周期，促 进企业设计开发从二维向三维发展。 运用热压机进行热压加工是将贴面材料和纤维板贴合起来的重要工 序，但我国同类热压机原有结构形式基本是照搬国外设备的形式和尺 寸，对热压机受力状态缺乏研究，因此在文中运用有限元方法，在对 工作油缸布置位置进行研究的基础上，对原有框架受力情况进行研究， 了解其在工作状态下的应力和应变状态，进行有针对性的设计改进。 这些研究对我们了解熟压机框架工作状态，提高热压机设计的水平有 一定的指导意义。 针对我国原有板材加工设备自动化程度较低的情况，对p l c 工业控制 方式在板材自动贴面设备中的应用进行介绍，在对整套系统进行大量 认真研究的基础上，按生产工艺提出多台设备的i o 配置，并进行了 p l c 选型研究。这对同类设备的电气改造提高自动化水平具有参考价 值。 第2 章上板、下板机构的分析研究 2 0 引言 第2 章上板、下板机构的分析研究 上板、下板机构是整套板材自动贴面系统的核心部分，在整条板材自动贴 面生产线中具有十分重要的地位，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质量较好的贴面板有重要 影响，也是最容易成为提高生产效率瓶颈的地方。 我国原有设备所用上下板机构基本是照搬国外设备的形式和尺寸，没有进 行深入的研究，也就没有搞清楚机构在设计时，应注意什么问题，应考虑那些 方面的因素，因此这里把上下板机构分析研究作为一个关键的技术问题来进行 研究，通过对上下板机构的分析研究，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板材贴面生产设备设计水平的提高产生 积极的促进作用。 2 1 上板、下板装置的功能要求与结构形式分析 根据第一章绪论中对整条生产线生产工艺的介绍，我们知道板材自动贴面 系统上下板装置的功能是：将铺放好贴面纸的板材，送入热压机进行热压加工， 在热压完成后将贴面板从热压机中取出送往后续工序。板材贴面加工上下板工 位示意图如图2 1 所示； 板材加工流动方向 上料托板工位 热压加i 工工位 出料工位 图2 1 加i i 位示意图 ! 鎏里圭堡：! 堡塑塑塑坌堑堑塞 目前，国内外现有板材贴面生产设备中上下板装置的主要形式如图2 2 所 示，上板装置和出板装置为两套独立的装置，实现上下板操作需要完成如图2 , 2 所示的共4 个动作，是按动作的先后顺序排列的。 显 图2 2 上下板机构形式围 各个动作完成的具体功能是： ：上板装置将铺放好贴面纸的木板送入热压机。 ：上板装置在将木板放到热压机工作台上后，退回到上料托板工位。 在完成了两个动作后，热压机闭合开始压板。此时上板装置退回到上 料托板工位准备装下块板。 ：在热压机热压完成并张开后，出板装置进入热压加工工位，准备取出 贴面板。 ：出板装置将贴面板带出热压机，回到出料工位。 而后上板装置重新开始执行动作，如此循环，实现连续上下板操作。 对图2 2 所示结构形式进行分析可知： ( 1 )上下板装置被分开成独立的两套装置，需要两套驱动装置，成本 较高，可靠性却不高。 ( 2 )整个上下板操作要完成4 个动作，上板装置和出板装置分别要运 行一个往复，动作多必然导致控制比较复杂。 ( 3 )上下板装置的动作都是在热压机处于张开状态下进行的，其动作 多必将导致热压准备周期长，生产效率比较低。 通过上述分析，经过研究，我们决定改进原有结构，改为采用图2 。3 所示 8 第2 章上板、下板机构的分析研究 的上下板结构形式，即将上板装置和出板装置连接在一起，这样整个上下板装 置将只需采用一套驱动装置，动作步数也将从两套装置所要完成的两个往复简 化为只有整体一个往复即上板装置移动的同时出板装置随之移动，这样控制将 更方便，而且能有效减少热压准备时间，大大提高系统工作效率，所以设计成 上板装置和出板装置安放在一辆运动小车上。 如图2 3 所示，其中( a ) 部分表达的是在热压过程中小车的工作位置，此时 上板装置在上料托板工位装下块板，出板装置则在热压机中准备下板。图中 ( b ) 部分表示的是上板装置进入热压机上板，出板装置则带动从热压机中取出的 贴面板到出料工位，而后运动小车移动回到( a ) 所示位置。循环往复，实现连续 上下板操作。 ( a ) ( b ) 图2 3 运动小车工作位置示意图( 点划线为小车范围) 运载小车来回往复运动通过热压机工位，因此热压机的结构对小车的结构 和各构件的配合有很大限制。热压机的上下模板都是大块的实体，而且大部分 时间两者是合在一起热压贴面板材的。结合图2 3 的分析我们可以知道，在热 压机热压时出板装置是处于热压加工工位的，这就存在着避免干涉的问题。因 此要求上下板装置必须要在横向尺寸上能伸缩( 以小车运动方向为纵向) ，即热 9 第2 章上板、下板机构的分析研究 压机处于闭合热压状态时，出板装置要处于收缩状态，在压机张开后出板装置 再伸出用吸盘吸起贴面板进行下板，以确保不和熟压机发生干涉。 2 2 上板装置分析研究 2 2 1 上板装置功能 板材贴面系统中上板装置的作用是将由升降台升到一定高度的待加工木板 用两根托杆托住，升降台下降后，木板将完全靠上板装置的托杆托住( 如图2 4 所示) ，图2 4 中是按动作的先后顺序排列的。上板装置在小车的带动下 移动到热压机工位，然后收拢托住木板的托秆，被托木板则依靠自重落在热压 工作台上，随之热压机开始热压。上板装置在随运动小车运动时和托杆收拢动 作过程中应避免和热压机发生干涉，并且上板装置应及时随运动小车退回初始 位置，准备装下一块板材。 升降台 图2 4 上板装置工作示意图 2 2 2 上板机构型综合 由2 2 1 上板装置功能要求可知，上板装置上的托杆必须由一机构带动实 现推程并将木板托住，并且在回程时能收缩到避免与热压机及上板升降台干涉 的位置，在平面运动的三种运动形式( 平动、转动、平面复杂运动) 中，执行 构件托杆采用平动占用空间最小，所以一般采用托杆推程与回程作平动。但平 动轨迹有直线与曲线。图2 5 表示了推程与回程轨迹的可能组合。c 、d 两种轨 迹组合中回程轨迹为曲线，易造成由于切向力作用使木板偏离上下压模位置的 情况，影响压制精度，所以不宣采用。推程时托杆水平位置低于升降台托着的 1 0 第2 章上板、下板机构的分析研究 木板( 如图2 4 中号位置所示) ，即托杆伸出时不和木板接触，所以托杆推程 采用曲线轨迹不影响木板定位，可见a 、b 两种运行轨迹是可行的，但是由于采 用曲线轨迹增加了构件在空间划过的范围，对避免与其他构件干涉不利，所以 a 、b 两种组合中，采用a 轨迹组合更为合理。 ab f c 图2 5 上板装置可能运行轨迹组合 能实现图2 5 中a 、b 所示轨迹斡平面机构有很多，究竞选择俺幂孛机构 乍 为上板机构，结合贴面生产线的生产工艺要求等，还应考虑以下因素： 在上扳装置机构固程收缩后，横向尺寸应尽可能小( 运输小车运行方 向为纵向) ，若能实现在高度方向的重叠则最理想。 因为板材表面要求光洁，因此系统确定采题比较清洁的气压动力缸来 作为驱动原动件，因气缸活塞杆运动为直线移动，因此要求上板机构 原动件为直线移动，丽不应是转动。 在托卡t 行程满足工艺要求的条件下，机构原动件的行程不应太大，以 保证驱动气缸产品在市场上容易购得。 托杆处于最大行程位置时，即整个上板机构处于伸出状态时，机构处 于最大悬臂状态，此时要有较大的刚度，以减少挠度，保证机构回程 时动作灵活可靠。 尽可能减少构件运动副数，缩短传动链，以保证动作的连续可靠。 通过对多种机构的综合分析，我们筛选得到两种较为理想的连秆机构作为 上板机构来实现要求的轨迹a 。一种为摇杆滑块正弦机构。另一种为椭圆机构， 下面进行分析比较： ( 1 )摇杆滑块正弦机构 摇杆滑块正弦机构如图2 6 所示。 、lt， d f、 0 一篁! 里圭堡：! 堡盟垫塑坌堑竺壅 图2 6 摇秆、滑块正弦机构 摇杆滑块正弦机构自由度计算： 构件数为r l = 5 ，低副为p ，= 7 ，高副为r = 0 故整个机构自由度 f = 3 n( 2p i + p h ) = 3 5 一( 2 7 + 0 ) = 1 ( 2 1 ) 即当滑块a 作为原动件直线运动时，从动件托杆构件5 实现直线平动。 ( 2 ) 椭圆机构 椭圆机构如图2 7 所示。 l t 盟p 必j x 图2 7 椭圆机构示意图 在图2 7 ( a ) 中，当k = k = k 时，滑块4 与c 处的转动副、移动副带 给机构的约束为虚约束，所以可以把滑块4 及其两个运动副拆去，而变为图( b ) 机构。可见实际上这是一种特殊的曲柄滑块机构，曲柄b d 整周回转时，连杆 1 2 第2 章上板、下板机构的分析研究 a b 上的点的轨迹为椭圆。 于是对椭圆机构自由度计算如下：活动构件数为n = 3 ，低副为p 。= 4 ， 高副为p 。= 0 故整个机构自由度： f = 3 n 一2p l - - p h = 3 3 - 2 4 - 0 = 1( 2 2 ) 当l e o = k = k 时，容易证明当滑块a 作为原动件直线移动时，c 点的轨 迹是垂直于滑块a 轨迹a d 的一条直线。 若把两套结构参数完全一致的椭圆机构如图2 8 并联起来，且满足 4 4 = c 1 c 2 ，4 4 c l c z ，则当机构运动时，由于c 1 、c 2 的轨迹是两条并行的 直线，所以托杆构件6 作的是直线平动。 8 图2 8 并联椭圆机构图 对该机构进行自由度计算： 活动构件数为n = 6 ，低副为p l = 9 ，高副为p h = 0 故整个机构自由度： f = 3 n 一2p 1 - - p 。= 3 x 6 - 2 9 - 0 = 0 ( 2 3 ) 表面上看，由以上计算可得机构自由度为o ，似乎机构不能运动。但实际 上，由于机构运动时，杆5 及其两端b 2 、d 。对杆4 的约束为虚约束，即拆去杆5 及其两端转动副b 2 、d 。，不难证明杆4 上的b z 点的轨迹仍能保证是以d 2 为圆心 以b 。d 。为半径的圆。若拆去杆5 及其两端转动副b 2 、d z 如图2 9 所示。 第2 章上板、下板机构的分析研究 图2 9 拆去虚约束的并联椭圆机构 对图2 。9 机构进行自由度计算，则有： 活动构件数为n = 5 ，低副为p ，= 7 ，高副为p n = 0 整个机构自由度：f = 3 n 一2p ，一p h = 3 x 5 - 2 7 - 0 = l( 2 + 4 ) 必须注意到，两套椭圆机构并联后滑块a ，、a 。是固联起来的一个构件，可 以用同一个气缸驱动它们。 为了增加上板装置沿托杆长度及悬臂方向的刚度，有必要也可以沿木板长 度方向设置多个结构参数一致的椭圆机构。通过以上关于虚约束的分析，可以 推知若在两套并联椭圆机构后再并联n 套结构参数一致的椭圆机构，则这n 套 椭圆机构整体都是虚约束，计算自由度时都可以拆去后计算，也即整个机构仍 将还原成图2 9 所示，可保证整个机构自由度为1 。 不难看出，若采用摇杆滑块正弦机构也可应用并联的方法以增加刚度。 但必须指出，当采用并联多套相同连杆机构作为上板装置时，在制造加工 铰链等结构以及装黉时，必须保证有关构件长度相等、平行、垂直等设计要求， 一定要达到必要的精度，以及采取适当增加运动副元素之间间隙等方法，以保 证不使虚约束成为真正的实际约束和不影响机构动作的灵敏。 可见多套机构并联增加了机构的复杂程度，且往往会出现虚约束，故必须 正确计算机构自由度，严格证明存在的虚约束，明确指出虚约束所在，这是设 计零件时控制误差、提高精度的方向和依据。 ( 3 ) 机构选择 摇杆滑块正弦机构和椭圆机构都能实现预期要求的运动轨迹，也同时满足 前述选择要索中的要求。现再根据其余三项选择要素进行分析比较。 两者相比，摇杆滑块正弦机构构件数和运动副数较多，机构相对复杂支 第2 章上板、下板祝梅的分析研究 持托杆的构件c d ( 图2 6 ) 悬臂较长，受力状况不是太好，刚度不是很好，回 程时，由于图2 6 中b c 杆有一定长度。所以摇杆滑块正弦机构占有横向尺寸较 大。 椭圆机构结构比较简单，运动副数较少，主要承担托住木板作用的杆a c 在 b 点有b d 的支撑，受力情况较好，而椭圆机构回程后，只要保证启动时不大的 传动角即可，所以几乎可使构件a b c 与b d 再高度方向上重叠，横向尺寸相当 小。 可见，椭圆机构更优。 2 ，2 3 黼圆机构尺度综合 我们必须确定满足生产要求的执行构件的结构参数和主动件的运动参数。 对椭圆机构上板装鬣，由贴面生产的工艺要求可给出托秆构件推、回程的 行程大小，要确定的是各杆的长度以及将要由气压动力缸驱动的主动件滑块的 行程。为了便于程序化计算，必须用解析法综合。我们良复矢量法进行机构的 尺度综合研究。 这是一个平面机构中的精确点轨迹综合问题。要求综合一个椭圆机构，傻 其连杆上c 点，在运动中精确地通过给定轨迹上的若干点位。 如图2 伯所示，首先要建立复平面坐标系，然后把所有构件设置为复向量。 其中设置：硒= 夏，面= i ，丽= 云 f y 图2 1 0 椭圆机构尺度综合示意图 第2 章上板、下板机构的分析研究 当机构从参考位置1 运动至位置j 时有： a ? b l = z t e ? 。 五百= 乏坤一 可r = 一z4 e “， 瓦一= 瓦 d a j = s j 瓦= i d c ，= h j 从图2 1 0 中取两个矢量闭环： q d a l b i d b j a j d ，d c l b l d b j c j d 由此得到两个复数方程： r 一夏扣“一1 ) + 云( e “一1 ) 一巧+ i = 0 l 云( e “，一1 ) + 云( e4 一1 ) 一巧+ 石= o 当式2 5 ，式2 6 消去云后，可得： ( 2 5 ) ( 2 6 ) 云( e 一1 ) + 云( e v 1 1 ) + ( s ，一s ，) p 。= ( 6 厂h t ) p ( 2 7 ) 取a i b 。杆与b 。d 。杆重合于轴x 时为位置l ，又根据椭圆机构的结构特点，可 得以下关系： 瓦= 夏= x 。e ”。 爵；s e “” 瓦= s e “” 把以上关系带入式2 7 可得： 2 y 。( p m 一一1 ) - ( s 一s 1 ) ：( j 一 ，) f ( 2 8 ) 由于托杆只要求实现始末两点行程，所以式2 8 可以取j = 2 ，3 ，故可得到以 下方程组： 第2 章上板、下板机构的分析研究 篇：竺：篇二 将式2 1 0 和式2 9 相减： 2 x n ( p ”一e j 4 2 ) + a s = a h i ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 其中：s ：一s ，：a s ，( 3 一h 2 ) = a h 在式2 1 1 中，待定的实参数为以下5 个： 五，喁，呸，a s ，a h 而复方程式2 1 1 对应两个实数方程，所以可以由其他条件先确定其中三个 实参数。 如前所述，执行构件托杆的行程由生产工艺给出，所以a h 为已知。 而是由机构许用传动角确定， 。：，掣，其中p 】是传给杆3 的许用传动角，但为了尽可能减少机构横 向尺寸，经认真调研分析，取p 】= 2 3 。 下 所以，a 2 = 1 1 5 。 于是式2 1 0 可变化为： 2 x 。( p ”一e 1 1 5 * ) + a s = a h i 实部、虚部分开后为； ：2x石o。(gco；。s。x3 ，一- c 。o ；。s 。1 。1 ，5 。，) + ：a s 。2 。 若根据流水线许用纵向长度，先确定) ( 0 值，则 s i n 口，：尘生+ s i n1 1 5 。 2 面”“ a s = 一2 x o ( c o s 口3 一c o s1 1 5 。) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 由此可以计算中间参数强，确定s 。 若要由已购驱动气缸的行程，即可先确定a s ，再求出吗，确定k 的步骤如 第2 章上板、下板机构的分析研究 由式2 1 3 ，式2 1 4 可得： ! 堕竺! 二墅! ! ：! ：竺 c o s “3 一c o s l l 5 。 s s i n 口3 + 竺c o s 口1 一氅c o s1 1 5 。一s i n1 1 5 。：0 蛐口3 + 石州3 一面8 。8 1 n 。2 式2 1 8 简化为： a s i n 口3 + 曰c o sa3 + c = 0 则有： a ，= 姆( a 士 j 1 az f + 丁bz 一- c2 ) 其中： 厂a ：1 lb ：急 lc = 一丛c o s1 1 5 。一s i ni i 5 。 由式2 。1 4 确定】( o ： j o 一丽i 2 2 4 上板机构误差分析 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 在板材自动贴面生产线各机构的设计中，往往对某些执行构件的位置精度 要有一个评估。尤其是对机构工作空间有限制，要求特别紧凑时，更要对有关 构件的运动精确度提出一定的要求，应进行必要的误差分析，从中可以找出提 高执行构件动作准确度的途径，找到零件制造时提高精度的方向等。 又如前所述，上板装置为了保持足够的刚度必须并联多套椭圆机构，为了 保证机构产生的是虚约束，而不会成为真正的约束，也必须对机构进行误差分 析和精确度计算。 机构误差的基本计算方法有多种，本文把各种方法的优点结合起来应用， 对上板机构进行误差计算。从机构的几何约束方程出发，根据机构几何约束方 程建立机构的运动方程，推导出一种适合于复杂平面或空间机构的误差分析方 法。所建立的方程还可方便地解出构件的任意运动参数的误差和运动构架上点 第2 章上板、下板机构的分析研究 的误差。所应用的方法有较大的普遍性。 2 2 4 1椭圆机构运动参数的位置误差 机构运动约束方程的一般形式为： f ，( 妒l ，妒2 ，一，妒。，l ，1 2 ，。，妒l ，2 ，一， ) = 0 ( j = 1 ，2 ， )( 2 2 2 ) 其中： p ( i = 1 , 2 ，”) 机构输入参数； ，。( i = l ，2 ，m ) 机构结构参数； ( i = 1 , 2 ， ) 机构输入参数； 对方程组( 2 2 2 ) 微分，并以增量形式代替微分得： 喜鲁地+ 荟瓦9 f j “+ 妻鲁觇“j = 1 ，2 可解得机构运动参数的位置误差： 缈 = 【c 一( 口】 a 矿 + 陋弘， 其中： = 【妒l ，妒：，a 矿i 7 妒 = 【a 矿l ，妒2 ，一，a 9 。】7 z ) = a i ，a i ：，。r a i = 1 , 1 = a f , a 仍 a 已 明胡胡 。l l 烈2a l m 蜴幔峨 烈t 秘2a m ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ，j 盟瓴一弼一弘 嘏一锄|峨一镌 第2 章上板、下板机构的分析研究 【c 】= a f d l a f d 2 8 f a y l 旦生塑l 旦生 a p l a p2 a 妒i 妒 = 伊。，妒：，妒。】7 ， = e a t ，a i ：，a i ，】7 当仅考虑机构结构参数误差时，( 伊) = o ，则机构位置误差向量“” ) = p 】- 1 忙】 a f ) ( 2 2 5 ) 上述误差矩阵方程，可利用现有标准程序电算求解。当只求某一运动参数 的位置误差时，也可按c r a m e r 法则解上面的方程组。 a ，= 其中盱套铷 如图2 1 1 所示： 历+ 面：历 & 棚6 + 1 2 e 巩= 1 3 e 1 如 对式2 2 6 作欧拉展开： s ( c o s l 8 0 。+ i s i n l 8 0 。) + f 2 ( c o s 0 2 + i s i n 0 2 ) = 1 3 ( c o s 0 3 + i s i n 0 3 ) 可橡l 。c o s 0 。2 - i 。3c o s 0 。3 - s 2 。 ( 2 2 6 ) ( 2 。2 7 ) 第2 章上板、下板机构的分析研究 图2 1 1 椭圆机构误差分析结构图 fy x 对于我们所研究的板材贴面系统上板装置椭圆机构，输入参数为： 滑块的位移s ，n = l ； 结构参数为杆长z ：、f ，m = 2 输出参数为吼、岛， 。2 所以有： 求下列偏导得 售鬻们，一o + 曼垒a 口：0 鲁鹕1 ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) 鲈垃