木地板锁扣技术的研究现状与研发探究

白 雪， 毛 磊， 李晨琦， 赵思淼， 王宏棣*

(1.黑龙江省木材科学研究所，黑龙江 哈尔滨 150081；2.黑龙江省木材综合利用重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150081)

中国木地板从20世纪80年代发展至今已有30余年，虽然起步较晚但发展极快，不仅是林业产业的重要部分，也在世界地面装饰材料市场中扮演重要角色。木地板锁扣技术是一种木地板拼接技术，作为木地板铺装连结的核心技术，木地板锁扣技术的发展和研究对木地板行业的发展尤为重要。通过研究木地板锁扣技术的发展和现状可以掌握木地板锁扣的设计要点和未来的发展趋势。

1 木地板锁扣技术的国内外发展与现状

1.1 木地板锁扣技术的国外发展与现状

欧洲作为木地板锁扣技术的起源地，无论是发展程度还是发展速度都处于世界领先地位，至今仍掌握着木地板锁扣的关键技术，其中比利时的尤尼林(UNILIN)和瑞典的瓦林格(VALINGE)两家企业是行业内发展较早且掌握全球行业大部分核心技术的企业，通过分析这两家企业的技术发展过程可以了解木地板锁扣技术的发展变化和未来发展趋势。

1.1.1 尤尼林(UNILIN)

尤尼林(UNILIN)是强化木地板(浸渍纸层压木质地板)制造商、经销商和营销商，其下属地板工业公司(Flooring Industries)是知识产权管理公司，可见其对知识产权的掌握与重视。

1997年，尤尼林设计生产出世界上第一款免胶锁扣系统Uniclic®，其通过在至少两个相对边的边缘上设置能够相互啮合的机械锁定装置实现木地板整体的紧锁，如图1所示。这款锁扣装置系统是目前世界上使用最多的木地板锁扣专利技术，目前仍有2/3的欧美地板工厂生产搭载Uniclic®技术的木地板产品。这款锁扣系统不仅通过自身结构咬合形成紧锁力从而保证地板的连结性能，还具有无胶环保、免龙骨安装、可重复使用等优点。此后尤尼林围绕着Uniclic®核心技术不断改进更迭，针对木地板铺装需要对缝、边角处难以铺装等问题开发出新的Uniclic®系列产品，如图2所示，这种结构的特点在于简化地板长边的安装方式，只需将需要连接的地板两边旋转拼接即可完成铺装，同时对于安装不方便的角落或者门框、暖气片下，还可以通过水平插入完成安装。这种实现两种安装方式的铺装方法比传统的安装方式节省约30%的时间，大大提升了铺装效率。2009年，Uniclic Multifit®系统问世，在旋转拼接和水平拼接两种安装方式的基础上，通过利用嵌入弹性锁定原件与榫头榫槽的收紧配合，实现第三种垂直拼接的安装方式，如图3所示。由于弹性件具有弹性紧锁的功能，这种结构能够将连接点的负荷扩散分布于整个连结面，同时也为铺装提供了更多的安装方式。

图1 机械锁定装置1.榫头；2.榫槽

图2 Uniclic®系列产品1.榫头；2.榫槽

图3 垂直拼接安装方式1.榫头；2.榫槽；3.弹性锁定元件

1.1.2 瓦林格(VALINGE)

瓦林格(VALINGE)公司成立于1993年，是以地板和家具相关新产品概念研发和技术专利的申请与授权为商业目标的企业。与尤尼林不同，近些年瓦林格尝试将锁扣技术应用到家具的安装连结中，并将此作为未来的重点发展方向之一。

1994年，Valinge 1G Click第一代锁扣问世，这是世界上第一款通过角度扣合或者抓拍来锁定相邻两块地版的机械锁定系统。2000年，2G Tongueloc垂直锁扣系统诞生，这种锁扣采取垂直安装的方法，不需要使用其他的工具。这款锁扣至今仍被地板企业广泛使用。2002年，瓦林格推出一款带有小木条插件的3G锁扣机械锁紧系统，这款被瓦林格称为突破性产品的锁定系统奠定了瓦林格利用嵌入锁定件以提高锁扣锁定性能的设计思路，并据此不断改进设计。2004年，4G锁定系统通过改进嵌入锁定件进一步提高产品的连接性能。2006年，瓦林格在Domotex展览会上推出使用可替换的弓形柔性舌插件的锁扣锁定系统，这款技术深受市场欢迎，其后经过8年的推广发展，市场占有比达到30%。随后Vlinge 5G®采用更为先进的柔性刚毛舌取代了弓形舌，刚毛舌由一段坚硬的外部部分和一组内部部分组成，内部部分是几个并列的在折叠过程中向长度方向弯曲的柔性突出物。这种技术沿用至今，并开发出5G+双滑侧推送系统、5G-S单滑折叠式系统、5G-C紧凑型折叠式锁定系统等更多的地板安装解决方案。同时，瓦林格公司将5G技术应用延申至家具安装中，研发出Threespine®插件系列。Threespine®插件系列如图4所示。

1.2 木地板锁扣技术的国内发展与现状

国内木地板锁扣的技术发展相对滞后，早期并没有可以形成具有较大市场影响力的锁扣技术，就核心技术的专利申请时间来看，中国的专利技术申请始于1994年，但1994-2001年的中国专利申请几乎全是国外企业在华的专利布局。2006年以后，中国企业的锁扣专利技术申请数量开始增长，说明国内企业开始具有锁扣技术的自主知识产权意识，但这与2005年木地板锁扣“337调查”对国内地板企业的重创有着密切联系。

在“337调查”中，燕加隆集团是唯一胜诉的中国企业，其地板锁扣核心技术——TAP&GO一拍即合锁扣技术，也是中国境内唯一可以出口的锁扣核心技术。这款锁扣通过可弹性变形的材料性质运用涨缩原理使榫槽和榫头通过垂直插入完成锁定。在广泛使用“水平插入”的地板锁扣中独树一帜。但国内的锁扣研究目前还主要以本体锁定的锁定方式为主，其他的结构研究相对薄弱。TAP&GO一拍即合锁扣技术如图5所示。

图4 Threespine®插件系列

图5 TAP&GO一拍即合锁扣技术1.榫头；2.榫槽

2 锁扣结构的技术分解和功能分析

2.1 目的和意义

锁扣技术作为一种地板拼接技术，通过对其结构的技术分解可以将地板锁扣结构进行归类分析并了解地板锁扣的作用原理并确定其产生紧锁作用的关键技术点。对锁扣结构进行功能分析，可以了解锁扣系统的组成并明确各部分的功能作用，通过分析各部分的相互关系可以明确其设计要点。最终可以探求锁扣结构的功能解决方案。

2.2 地板锁扣技术分解和结构功能分析

2.2.1 地板锁扣技术分解

地板锁扣技术主要通过两个部分之间的咬合产生相互作用的紧锁力，从而实现地板之间的紧密拼接。现在普遍认知的主要分类方式有三种：按锁扣结构分类、按拼接方式分类、按榫槽层数分类。

按照锁扣的结构特点分类，锁扣结构一般分为本体锁定结构和嵌入件锁定结构。本体锁定结构一端具有突出的榫头，而另一端是能够与其咬合的凹陷的榫槽。这种结构不需要额外的插件即可完成拼接，因此称为本体锁定结构。嵌入件锁定结构是指除了榫头和榫槽部分需要通过第三方插件进行锁定结构，这种第三方插件称为锁定元件，一般使用硬质弹性材料加工成一定的结构形式嵌入榫头或者榫槽部分内，锁定原件在榫头滑入榫槽时产生弹性形变并在榫头榫槽咬合后恢复产生相互作用力达到紧锁的目的。

按拼接方式分类，一般分为水平推入、垂直插入和纵向滑入。纵向滑入的拼接方式现在使用较少。随着技术的发展，企业致力于为客户提供更多的地板安装解决方案，拼接方式不再单一化，有的地板产品会同时满足两种甚至更多的拼接方式。

按榫槽层数分类，一般分为单层榫槽技术和多层榫槽技术。由于地板厚度的限制，多层一般是两层或三层。

地板锁扣技术的三种分类方式存在互相影响的关联。技术开发主要围绕这三种分类方式进行交叉关联形成新的地板安装方案，如图6所示。

2.2.2 结构功能分析

对木地板结构进行功能分析能够明确结构的各部件功能及相互关系，为机构的研究提供参考。

从层级逻辑上可以将锁扣结构分为本体锁定和嵌入锁定两个子系统，每个子系统的各个部件互相配合实现子系统的功能，即咬合紧锁。将子系统继续细化成结构单元可分为榫头结构和榫槽结构以及锁定原件。按照不同功能可分为导入部分、安装部分和紧锁部分三个组件。在外力作用下，各组件之间产生相互作用从而实现锁扣的安装紧锁，见表1、表2。

图6 地板安装方案

表1 本体锁定锁扣结构组件相互作用表

表2 嵌入锁定锁扣结构组件相互作用表

通过分析结构组件相互作用，可以判断锁扣结构各部分的功能作用，从而分析设计锁扣结构。

3 木地板锁扣技术的研发探究

通过对木地板锁扣进行逆向数据仿真建模可以形成木地板锁扣的三维模型数据，进而可以对其进行特征分析、模拟力学分析等，探究木地板锁扣的结构设计。但锁扣结构尺寸细小复杂，其信息提取的精准性更尤为重要。

3.1 锁扣结构信息提取方法

借助三维扫描技术获取木地板锁扣的点云数据，逆向重构锁扣结构的模型用以进一步研究分析，因此锁扣结构信息提取方法尤为重要。常用的三维扫描技术有三坐标检测机(CMM)、激光雷达、工业CT、立体视觉法和机构测量技术等。

三维扫描技术是利用机械探头进行接触式扫描测量。其特点是测量精度较高，但因需要逐点扫描导致测量速度较慢，接触式测量的方法会对物体表面造成损伤，且三维扫描技术不适用于软质表面的物体测量。

激光雷达技术是一种利用激光扫描的非接触式测量方法。其特点是扫描速度快，但测量精度较低且测量成本较高。

工业CT扫描技术是将扫描物体逐层扫描采集数据。特点是无损检测并且可以检测内部腔体，但是同样存在测量精度较低、测量成本较高的缺陷。

立体视觉法是模仿生物双目视觉系统进行扫描测量。其要点是对左右像面中的对应点匹配问题，对配准物要求较高。同时对表面平坦、图像灰度变化不明显的物体特征点匹配较难，对被测物体较为挑剔，并且测量精度较低。

结构测量技术是一种非接触式的视觉测量方法。利用结构光在被测物体表面形成特征点，从而形成图像，结构测量技术成像便于后续图像处理分析，但其适用于较平坦的表面工件测量。

木地板锁扣尺寸小，结构精细复杂，还存在不同曲率的曲面形状，对扫描技术精准度要求较高，因此普通精度的三维扫描设备和CT断层扫描数据不适于扫描木地板锁扣。

3.2 木地板锁扣技术研发探究

通过运用三维扫描技术获得点云数据后，可以利用逆向工程软件重构地板锁扣的几何模型，将模型导入三维建模软件进行修订，便可以得到地板锁扣的实体模型。因此，可以通过对实体模型进行有限元分析，获得实验数据，对木地板锁扣技术进行研究和设计。

有限元分析在多个领域广泛应用，其较高的计算能力和对各种复杂情况的适应能力，成为一种快速解决工程分析的有效方法，还可以提高设计效率和设计可靠性，因此为木地板锁扣技术的设计提供新的思路和方向。