胡 松, 李月茹, 杜佳寶, 李三平, 王金聰
(1.廣東博碩涂裝技術(shù)有限公司,廣東 佛山 528000;2.東北林業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040;3.國家林業(yè)草原人工智能與裝備工程技術(shù)研究中心,黑龍江 哈爾濱 150040)
近年來,隨著科學(xué)技術(shù)的進步,木質(zhì)家具的制造技術(shù)發(fā)展極為迅速,我國木質(zhì)家具制造業(yè)在國內(nèi)外均有著龐大的市場。涂裝作業(yè)是木質(zhì)家具生產(chǎn)的最后一道工序,在木質(zhì)家具加工制造過程中極為重要,也是最容易影響木質(zhì)家具質(zhì)量的一道工序[1]?,F(xiàn)階段,國內(nèi)小型木質(zhì)家具企業(yè)噴漆環(huán)節(jié)主要以人工噴漆為主,家具涂裝車間環(huán)境較為惡劣,涂料中的可揮發(fā)性物質(zhì)、粉塵等嚴(yán)重影響工人的身體健康。另外,人工噴涂的不確定因素較多,工作效率、漆膜性能、噴涂效率、涂料利用率等方面難以穩(wěn)定保持[2,3]。
目前,小型家具企業(yè)噴漆環(huán)節(jié)以人工噴涂為主,但是大型木質(zhì)家具企業(yè)噴漆環(huán)節(jié)基本實現(xiàn)了自動化噴漆作業(yè),主要使用往復(fù)式噴漆機。但在噴漆過程中,一次只能對一件木質(zhì)家具進行噴涂,需要人工頻繁地更換木質(zhì)家具,浪費了較多時間,不利于噴漆的連續(xù)性作業(yè)[4]。因此,根據(jù)家具的噴漆工藝要求,研制高效、環(huán)保、低成本的新型木質(zhì)家具噴漆裝備,對推動我國木工及家具行業(yè)的發(fā)展,具有重大的經(jīng)濟效益和社會價值。本文對木質(zhì)家具噴漆機的旋轉(zhuǎn)式噴漆系統(tǒng)進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計,對噴漆機關(guān)鍵部分旋轉(zhuǎn)架進行靜力學(xué)分析,通過對剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)仿真和全剛性體仿真進行對比分析,驗證了該噴漆機模型的準(zhǔn)確性和有效性[5-7]。
如圖1所示,木質(zhì)家具旋轉(zhuǎn)式噴漆機主要由上料傳送帶、機架、旋轉(zhuǎn)噴漆系統(tǒng)、自動識別工件系統(tǒng)、噴漆室、油漆回收系統(tǒng)和下料傳送帶七部分組成。該噴漆機的工作流程為:清潔干凈的木質(zhì)家具在上料傳送帶1的作用下,進入到噴漆室5,在自動識別工件系統(tǒng)4識別到木質(zhì)家具時,旋轉(zhuǎn)噴漆系統(tǒng)3開始對木質(zhì)家具表面進行噴涂;同時,噴漆機內(nèi)部的傳送帶逐步將木質(zhì)家具送出噴漆室,最終在下料傳送帶7的作用下將木質(zhì)家具送轉(zhuǎn)至下一工序(干燥、翻轉(zhuǎn)),翻轉(zhuǎn)后經(jīng)由其他傳送帶重新將木質(zhì)家具送回至噴漆機內(nèi)以便完成另一面噴涂,可形成連續(xù)性的噴涂作業(yè)。
圖1 木質(zhì)家具旋轉(zhuǎn)式噴漆機總體結(jié)構(gòu)圖1.上料傳送帶;2.機架;3.旋轉(zhuǎn)噴漆系統(tǒng);4.自動識別工件系統(tǒng);5.噴漆室;6.油漆回收系統(tǒng);7.下料傳送帶
為了驗證噴漆機結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性以及分析噴漆機構(gòu)件(剛度、強度)對噴漆機噴涂性能的影響,需要對噴漆機的關(guān)鍵部件進行有限元分析和模態(tài)分析。本文采用的是有限元分析軟件對木質(zhì)家具旋轉(zhuǎn)式噴漆機的主要受力部件進行靜力學(xué)分析。木質(zhì)家具旋轉(zhuǎn)式噴漆機的旋轉(zhuǎn)架為減輕自身重量,減小整個噴漆系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量,旋轉(zhuǎn)架采用空心矩形管焊接而成。木質(zhì)家具旋轉(zhuǎn)式噴漆機的旋轉(zhuǎn)架作為整個噴槍系統(tǒng)及上部旋轉(zhuǎn)接頭的承載支撐架,對整個旋轉(zhuǎn)噴漆系統(tǒng)的噴漆精度以及噴漆系統(tǒng)的穩(wěn)定性都有著重要的作用[8],因此需要對旋轉(zhuǎn)架的合理性及可行性進行研究。
木質(zhì)家具旋轉(zhuǎn)式噴漆機的旋轉(zhuǎn)架主體支架部分由矩形管焊接而成,各旋轉(zhuǎn)支架通過圓周圈支撐,起固定作用。其三維模型利用SolidWorks 2021軟件完成建模。在利用有限元軟件進行靜力學(xué)分析時,為了更快速地獲取處理結(jié)果,首先應(yīng)對模型進行簡化處理。本文在靜力學(xué)分析時,對旋轉(zhuǎn)架上噴槍安裝板的中心孔、倒角進行了微處理,簡化處理了連接螺栓,并認(rèn)為焊接處焊接質(zhì)量絕對可靠,工作過程中焊縫不影響力的傳遞。在完成對模型的處理后,將模型另存為.x_t的格式導(dǎo)入到有限元軟件中并打開。模型簡化后如圖2所示。
圖2 旋轉(zhuǎn)架簡化后結(jié)構(gòu)模型
簡化后的模型導(dǎo)入到有限元軟件中需要進行材料參數(shù)的定義,旋轉(zhuǎn)架中矩形管的材料均為Q235A,具體的材料屬性參數(shù)如表1所示。
表1 材料屬性表
網(wǎng)格劃分是有限元分析中最重要的環(huán)節(jié),是把模型分成很多小的單元,然后通過施加載荷和約束能夠?qū)ξ粗窟M行求解。本文采用自動網(wǎng)格劃分方法,將木質(zhì)家具旋轉(zhuǎn)式噴漆機的旋轉(zhuǎn)架劃分為22 672個節(jié)點,5 108個單元。網(wǎng)格劃分的結(jié)果如圖3所示。
圖3 旋轉(zhuǎn)架網(wǎng)格劃分
本文采用在實體上添加載荷的方法,通過對木質(zhì)家具旋轉(zhuǎn)式噴漆機的結(jié)構(gòu)進行分析,旋轉(zhuǎn)架所受載荷主要來自于對旋轉(zhuǎn)接頭的支撐力,各個噴槍的重力,以及在工作過程中旋轉(zhuǎn)架所受到的轉(zhuǎn)矩。通過在三維建模軟件中對各個零件添加相應(yīng)的材料屬性,可以計算出各零件的質(zhì)量,可知噴槍安裝板的質(zhì)量為0.274 kg,旋轉(zhuǎn)接頭支撐架的質(zhì)量為0.08 kg,旋轉(zhuǎn)接頭所受的轉(zhuǎn)矩為6 000 N·mm,通過查閱資料可知WA-200-202P型號噴槍的質(zhì)量為0.47 kg。對模型施加載荷約束如圖4所示。
圖4 旋轉(zhuǎn)架載荷添加圖
通過對旋轉(zhuǎn)架約束后便可對模型進行求解,經(jīng)過軟件計算可以得出旋轉(zhuǎn)架的等效應(yīng)力、等效應(yīng)變及變形云圖,如圖5~7所示,旋轉(zhuǎn)架承載著多個關(guān)鍵零部件,對噴漆精度及漆膜厚度均勻性有著重要的影響。故需要對云圖進行分析以校核支撐架的強度和剛度。
旋轉(zhuǎn)架的等效應(yīng)力云圖如圖5所示,旋轉(zhuǎn)架所受的最大應(yīng)力在噴槍安裝的豎直支架上,數(shù)值為7.588 MPa。旋轉(zhuǎn)架的材料為Q235,屈服強度為σs=235 MPa,考慮到計算精度的問題,取安全系數(shù)[S]=2,則最大許用應(yīng)力為[σ]=σs/[S]=117.5 MPa,實際產(chǎn)生的最大應(yīng)力遠小于旋轉(zhuǎn)架的許用應(yīng)力,所以旋轉(zhuǎn)架能夠確保木質(zhì)家具旋轉(zhuǎn)式噴漆機的穩(wěn)定運行,滿足設(shè)計要求。
圖5 旋轉(zhuǎn)架等效應(yīng)力云圖
圖6 旋轉(zhuǎn)架等效應(yīng)變云圖
圖6所示為旋轉(zhuǎn)架的等效應(yīng)變云圖,其反映了旋轉(zhuǎn)架的剛度特性。從圖上可以看出最大應(yīng)變出現(xiàn)在噴槍安裝的豎直支架上,此處承受噴槍及噴槍安裝板的重力,發(fā)生應(yīng)變符合實際,且旋轉(zhuǎn)架的最大應(yīng)變小于材料的極限撓度,滿足設(shè)計要求。
圖7 旋轉(zhuǎn)架變形云圖
由圖7可知,變形最大的區(qū)域集中在支撐各支架的圓周架上,跨度越大,產(chǎn)生的變形量越大,最大變形量為0.072 mm。這是由于圓周架起著支撐各支架的作用,各支架上也安裝有噴槍安裝板及噴槍,所承受的壓力也就更大,因此發(fā)生的變形更大,所以圖3~11發(fā)生的變形符合旋轉(zhuǎn)架實際工作情況發(fā)生的變形,滿足設(shè)計要求。
通過對旋轉(zhuǎn)架應(yīng)力、應(yīng)變、變形云圖等分析,可以確定旋轉(zhuǎn)架的剛度和強度能夠保證旋轉(zhuǎn)噴漆系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,所以旋轉(zhuǎn)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。但由于旋轉(zhuǎn)架的結(jié)構(gòu)為懸臂式結(jié)構(gòu),為分析其是否會發(fā)生共振,又對其進行了模態(tài)分析。
求得旋轉(zhuǎn)架每階的固有頻率,基于頻率分析噴漆機旋轉(zhuǎn)完成之后的振動特性,并進行模態(tài)分析。模態(tài)分析分為無阻尼模態(tài)分析和有阻尼模態(tài)分析,本節(jié)采用無阻尼模態(tài)分析,根據(jù)材料的屬性以及旋轉(zhuǎn)架的結(jié)構(gòu)以及有限元軟架的振動情況進行分析。根據(jù)經(jīng)典動力學(xué)理論可知,物體的動力學(xué)通用方程為:
[M]{&}+[K]{x}={0}
(1)
結(jié)構(gòu)的自由振動為簡諧振動,即位移為正弦函數(shù):
x=xsin(ωt)
(2)
代入上式得:
([K]-ω2[M]){x}={0}
(3)
由之前的靜力學(xué)分析文件可將模態(tài)分析模塊與靜力學(xué)分析模塊進行數(shù)據(jù)共享。經(jīng)過分析可獲得前六階模態(tài)下的振型云圖以及各階模態(tài)的固有頻率。木質(zhì)家具旋轉(zhuǎn)式噴漆機旋轉(zhuǎn)架的前六階模態(tài)振型固有頻率如圖8所示,不同頻率下的振型云圖如圖9所示。
由圖9六階模態(tài)振型云圖可以觀察到一階模態(tài)振型最大振幅出現(xiàn)在噴槍安裝的支架上,通過對振型云圖的觀察以及云圖變化過程的動態(tài)演示可以得知六階模態(tài)中旋轉(zhuǎn)架主要發(fā)生沿Y軸方向的左右擺動,且隨著振幅頻率的增加,擺動的頻率也會增加。前六階模態(tài)振幅最大位置為各云圖中紅色位置,且變形最大位置集中在噴槍安裝的支架上以及旋轉(zhuǎn)架的支撐圓周架上,通過振型云圖變化以及計算得出的變形數(shù)值可以得知最大變形量未超過許用變形量,且符合實際情況。旋轉(zhuǎn)架前六階振動方向及最大變形位置如表2所示。
圖8 旋轉(zhuǎn)架的模態(tài)振型固有頻率
表2 旋轉(zhuǎn)架前六階振動方向及最大變形位置
由表2可知,旋轉(zhuǎn)架固有頻率為64.996 Hz,由振源頻率公式f=n/60計算可得到振源頻率,已知振源電機的轉(zhuǎn)速為3 000 r/min,因此振源頻率為50 Hz,旋轉(zhuǎn)架的固有頻率大于振源頻率,故在噴漆機工作的過程中旋轉(zhuǎn)架不存在共振現(xiàn)象,不會對噴漆機的整體穩(wěn)定性以及噴漆機的噴漆效率造成影響。
根據(jù)上節(jié)對旋轉(zhuǎn)架的靜力學(xué)分析,可知在載荷的作用下,旋轉(zhuǎn)架會發(fā)生微小的變形,為分析變形是否對噴漆機的噴涂精度產(chǎn)生影響,對其進行了剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真分析。木質(zhì)家具旋轉(zhuǎn)式噴漆機的噴槍旋轉(zhuǎn)架工作時,空間范圍大,各支架相當(dāng)于簡支梁,其柔度相較于其他的運動件大,且其運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性會影響噴槍的噴涂精度,因此旋轉(zhuǎn)噴槍架產(chǎn)生的變形不可忽視,故此處將旋轉(zhuǎn)架視為柔性體處理。
將旋轉(zhuǎn)噴槍架從SolidWorks中導(dǎo)出.x_t格式文件,并將旋轉(zhuǎn)噴槍架.x_t格式文件導(dǎo)入到hypermesh中,在hypermesh中劃分網(wǎng)格,定義材料、密度、泊松比,并在運動副處進行剛性化處理建立外連接點,最后通過定義卡片屬性生成mnf文件,完成旋轉(zhuǎn)噴槍架模型的柔性化。由hypermesh生成的零件柔性體模型如圖10、11所示。
圖10 噴槍旋轉(zhuǎn)架有限元網(wǎng)格
圖11 與剛體連接的外連接點約束方程
如圖11所示,通過定義剛性外連接點的約束方程可實現(xiàn)柔性體與剛性體的連接。定義柔性體上外連接點的自由度與定義連接鉸鏈的標(biāo)記點相關(guān)。本文定義的剛性外連接點剛性區(qū)域采用的是rigids。
將上節(jié)求解得到的噴槍旋轉(zhuǎn)架的mnf文件導(dǎo)入到Adams剛體模型中,將旋轉(zhuǎn)噴槍架的剛體零件進行替換,刪去原有的約束關(guān)系,進行重新約束,保持原有模型的零件位置、連接形式不發(fā)生變化。為簡化剛?cè)狁詈夏P停瑢⑴c仿真無關(guān)的零部件刪除,僅保持與運動有關(guān)的機構(gòu)。
如圖12所示,通過對比兩種模型的旋轉(zhuǎn)架角速度在同一時刻速度值的變化,可以得出在木質(zhì)家具旋轉(zhuǎn)式噴漆機剛開始工作時,噴槍旋轉(zhuǎn)架的角速度發(fā)生了較大的波動。這是由于噴漆機剛啟動一瞬間,噴槍旋轉(zhuǎn)架發(fā)生了微小的變形。據(jù)此,在實際動作中,可以先啟動旋轉(zhuǎn)式噴漆機,讓其先空轉(zhuǎn)0.2 s,再打開噴槍開關(guān)對工件進行噴涂,以此來保證工件表面漆膜厚度的均勻性。在0.75 s以后噴槍旋轉(zhuǎn)架的角速度并未發(fā)生較大波動,與全剛性時基本保持一致。圖13為兩種模型下旋轉(zhuǎn)架的角速度誤差,根據(jù)計算可以得出兩種模型下角速度的誤差約為-0.5%~0.25%之間,誤差率較小,有效地確保了噴漆機噴漆系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
圖12 兩種模型下旋轉(zhuǎn)架角速度對比
圖13 兩種模型下旋轉(zhuǎn)架角速度誤差變化
圖14為兩種模型下噴槍軌跡的變化。圖15為兩種模型下噴槍軌跡的變化誤差,通過觀察可以得知圖中誤差曲線較為規(guī)整,同一時刻兩種模型下噴槍的噴涂軌跡并未發(fā)生明顯的變化,軌跡誤差較小,表明全剛體模型仿真的準(zhǔn)確性較好,旋轉(zhuǎn)架的微小變形并不會對噴涂軌跡以及噴涂效果產(chǎn)生較大的影響。
圖14 兩種模型下噴槍軌跡的變化
本文設(shè)計的定制家具智能噴涂控制系統(tǒng),可實現(xiàn)針對定制家具智能優(yōu)選最佳的噴漆模式和最好的噴涂方向及合理的散射角。定制家具在生產(chǎn)線上每塊板的尺寸和厚度都不同,在保證最高生產(chǎn)率的條件下,實時調(diào)整生產(chǎn)線數(shù)控系統(tǒng)的噴涂參數(shù),實現(xiàn)噴涂智能控制。利用人工智能和專家系統(tǒng),根據(jù)自學(xué)習(xí)的機理,逐步實現(xiàn)工業(yè)大數(shù)據(jù)的智能調(diào)控,在客戶定制數(shù)據(jù)傳給數(shù)控系統(tǒng)以后,利用互聯(lián)網(wǎng)高速傳輸?shù)奶匦裕瓜到y(tǒng)自動匹配最合理的數(shù)控加工參數(shù),實現(xiàn)生產(chǎn)線的智能化。
圖15 兩種模型下噴槍軌跡的變化誤差
智控系統(tǒng)擁有主窗口、視頻監(jiān)控、賬戶管理、維護管理、記錄查詢、故障查詢及云端五個模塊功能,其中主窗口用于顯示機器運行狀態(tài)并且可以通過主窗口自定義機器組成及自定義控制界面,所述視頻監(jiān)控模塊可以通過系統(tǒng)對生產(chǎn)機器進行實施監(jiān)控,所述賬號管理可以對系統(tǒng)的每個登陸者進行管理,所述維護管理可以查看機器的相關(guān)維護信息,所述記錄查詢可以查詢機器的使用記錄及操作者ID等,所述故障查詢可以查詢機器遇到的故障與解決故障的相關(guān)辦法,所述云端可以查看網(wǎng)絡(luò)上其他機器的生產(chǎn)信息以及機器狀態(tài)。
智能噴涂控制系統(tǒng)展現(xiàn)了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的全新趨勢,有效把5G技術(shù)與項目產(chǎn)品實行有效對接,為裝備的生產(chǎn)、使用提供更加柔性化的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連接和支持,貫穿涂裝行業(yè)的生命周期數(shù)字化轉(zhuǎn)型,最終實現(xiàn)整線的智能化控制及綠色環(huán)保涂裝制造。
(1)通過靜力學(xué)分析,獲得了木質(zhì)家具旋轉(zhuǎn)式噴漆機關(guān)鍵部件的靜力學(xué)特性,結(jié)果表明噴漆機的噴槍旋轉(zhuǎn)架、旋轉(zhuǎn)主軸和傳動齒輪的強度剛度均滿足設(shè)計要求。
(2)通過模態(tài)分析,得到噴槍旋轉(zhuǎn)架的前六階振型和固有頻率,驗證了噴槍旋轉(zhuǎn)架不會和整機發(fā)生共振。
(3)將旋轉(zhuǎn)架作為柔性體,進行了剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)仿真,驗證了實際工作中旋轉(zhuǎn)架的微小變形并不會對噴涂精度產(chǎn)生較大的影響。
(4)通過智能化可調(diào)控噴涂系統(tǒng),自定義機器組成,自定義控制界面,參數(shù)界面以及監(jiān)控界面,提升了噴涂生產(chǎn)線的自動化智能化功能。