木制家具旋转喷涂关键结构及智能控制系统研究

胡 松， 李月茹， 杜佳宝， 李三平， 王金聪

(1.广东博硕涂装技术有限公司，广东 佛山 528000；2.东北林业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040；3.国家林业草原人工智能与装备工程技术研究中心，黑龙江 哈尔滨 150040)

近年来，随着科学技术的进步，木质家具的制造技术发展极为迅速，我国木质家具制造业在国内外均有着庞大的市场。涂装作业是木质家具生产的最后一道工序，在木质家具加工制造过程中极为重要，也是最容易影响木质家具质量的一道工序[1]。现阶段，国内小型木质家具企业喷漆环节主要以人工喷漆为主，家具涂装车间环境较为恶劣，涂料中的可挥发性物质、粉尘等严重影响工人的身体健康。另外，人工喷涂的不确定因素较多，工作效率、漆膜性能、喷涂效率、涂料利用率等方面难以稳定保持[2，3]。

目前，小型家具企业喷漆环节以人工喷涂为主，但是大型木质家具企业喷漆环节基本实现了自动化喷漆作业，主要使用往复式喷漆机。但在喷漆过程中，一次只能对一件木质家具进行喷涂，需要人工频繁地更换木质家具，浪费了较多时间，不利于喷漆的连续性作业[4]。因此，根据家具的喷漆工艺要求，研制高效、环保、低成本的新型木质家具喷漆装备，对推动我国木工及家具行业的发展，具有重大的经济效益和社会价值。本文对木质家具喷漆机的旋转式喷漆系统进行了结构设计，对喷漆机关键部分旋转架进行静力学分析，通过对刚柔耦合多体动力学仿真和全刚性体仿真进行对比分析，验证了该喷漆机模型的准确性和有效性[5-7]。

1 木质家具旋转式喷涂机总体结构及工作原理

如图1所示，木质家具旋转式喷漆机主要由上料传送带、机架、旋转喷漆系统、自动识别工件系统、喷漆室、油漆回收系统和下料传送带七部分组成。该喷漆机的工作流程为：清洁干净的木质家具在上料传送带1的作用下，进入到喷漆室5，在自动识别工件系统4识别到木质家具时，旋转喷漆系统3开始对木质家具表面进行喷涂；同时，喷漆机内部的传送带逐步将木质家具送出喷漆室，最终在下料传送带7的作用下将木质家具送转至下一工序(干燥、翻转)，翻转后经由其他传送带重新将木质家具送回至喷漆机内以便完成另一面喷涂，可形成连续性的喷涂作业。

图1 木质家具旋转式喷漆机总体结构图1.上料传送带；2.机架；3.旋转喷漆系统；4.自动识别工件系统；5.喷漆室；6.油漆回收系统；7.下料传送带

2 喷涂机关键结构力学分析

2.1 旋转架的静力学分析

为了验证喷漆机结构设计的合理性以及分析喷漆机构件(刚度、强度)对喷漆机喷涂性能的影响，需要对喷漆机的关键部件进行有限元分析和模态分析。本文采用的是有限元分析软件对木质家具旋转式喷漆机的主要受力部件进行静力学分析。木质家具旋转式喷漆机的旋转架为减轻自身重量，减小整个喷漆系统的转动惯量，旋转架采用空心矩形管焊接而成。木质家具旋转式喷漆机的旋转架作为整个喷枪系统及上部旋转接头的承载支撑架，对整个旋转喷漆系统的喷漆精度以及喷漆系统的稳定性都有着重要的作用[8]，因此需要对旋转架的合理性及可行性进行研究。

木质家具旋转式喷漆机的旋转架主体支架部分由矩形管焊接而成，各旋转支架通过圆周圈支撑，起固定作用。其三维模型利用SolidWorks 2021软件完成建模。在利用有限元软件进行静力学分析时，为了更快速地获取处理结果，首先应对模型进行简化处理。本文在静力学分析时，对旋转架上喷枪安装板的中心孔、倒角进行了微处理，简化处理了连接螺栓，并认为焊接处焊接质量绝对可靠，工作过程中焊缝不影响力的传递。在完成对模型的处理后，将模型另存为.x_t的格式导入到有限元软件中并打开。模型简化后如图2所示。

图2 旋转架简化后结构模型

简化后的模型导入到有限元软件中需要进行材料参数的定义，旋转架中矩形管的材料均为Q235A，具体的材料属性参数如表1所示。

表1 材料属性表

网格划分是有限元分析中最重要的环节，是把模型分成很多小的单元，然后通过施加载荷和约束能够对未知量进行求解。本文采用自动网格划分方法，将木质家具旋转式喷漆机的旋转架划分为22 672个节点，5 108个单元。网格划分的结果如图3所示。

图3 旋转架网格划分

本文采用在实体上添加载荷的方法，通过对木质家具旋转式喷漆机的结构进行分析，旋转架所受载荷主要来自于对旋转接头的支撑力，各个喷枪的重力，以及在工作过程中旋转架所受到的转矩。通过在三维建模软件中对各个零件添加相应的材料属性，可以计算出各零件的质量，可知喷枪安装板的质量为0.274 kg，旋转接头支撑架的质量为0.08 kg，旋转接头所受的转矩为6 000 N·mm，通过查阅资料可知WA-200-202P型号喷枪的质量为0.47 kg。对模型施加载荷约束如图4所示。

图4 旋转架载荷添加图

通过对旋转架约束后便可对模型进行求解，经过软件计算可以得出旋转架的等效应力、等效应变及变形云图，如图5～7所示，旋转架承载着多个关键零部件，对喷漆精度及漆膜厚度均匀性有着重要的影响。故需要对云图进行分析以校核支撑架的强度和刚度。

旋转架的等效应力云图如图5所示，旋转架所受的最大应力在喷枪安装的竖直支架上，数值为7.588 MPa。旋转架的材料为Q235，屈服强度为σs=235 MPa，考虑到计算精度的问题，取安全系数[S]=2，则最大许用应力为[σ]=σs/[S]=117.5 MPa，实际产生的最大应力远小于旋转架的许用应力，所以旋转架能够确保木质家具旋转式喷漆机的稳定运行，满足设计要求。

图5 旋转架等效应力云图

图6 旋转架等效应变云图

图6所示为旋转架的等效应变云图，其反映了旋转架的刚度特性。从图上可以看出最大应变出现在喷枪安装的竖直支架上，此处承受喷枪及喷枪安装板的重力，发生应变符合实际，且旋转架的最大应变小于材料的极限挠度，满足设计要求。

图7 旋转架变形云图

由图7可知，变形最大的区域集中在支撑各支架的圆周架上，跨度越大，产生的变形量越大，最大变形量为0.072 mm。这是由于圆周架起着支撑各支架的作用，各支架上也安装有喷枪安装板及喷枪，所承受的压力也就更大，因此发生的变形更大，所以图3～11发生的变形符合旋转架实际工作情况发生的变形，满足设计要求。

通过对旋转架应力、应变、变形云图等分析，可以确定旋转架的刚度和强度能够保证旋转喷漆系统的稳定运行，所以旋转架的结构设计合理。但由于旋转架的结构为悬臂式结构，为分析其是否会发生共振，又对其进行了模态分析。

2.2 旋转架的模态分析

求得旋转架每阶的固有频率，基于频率分析喷漆机旋转完成之后的振动特性，并进行模态分析。模态分析分为无阻尼模态分析和有阻尼模态分析，本节采用无阻尼模态分析，根据材料的属性以及旋转架的结构以及有限元软架的振动情况进行分析。根据经典动力学理论可知，物体的动力学通用方程为：

[M]{&}+[K]{x}={0}

(1)

结构的自由振动为简谐振动，即位移为正弦函数：

x=xsin(ωt)

(2)

代入上式得：

([K]-ω2[M]){x}={0}

(3)

由之前的静力学分析文件可将模态分析模块与静力学分析模块进行数据共享。经过分析可获得前六阶模态下的振型云图以及各阶模态的固有频率。木质家具旋转式喷漆机旋转架的前六阶模态振型固有频率如图8所示，不同频率下的振型云图如图9所示。

由图9六阶模态振型云图可以观察到一阶模态振型最大振幅出现在喷枪安装的支架上，通过对振型云图的观察以及云图变化过程的动态演示可以得知六阶模态中旋转架主要发生沿Y轴方向的左右摆动，且随着振幅频率的增加，摆动的频率也会增加。前六阶模态振幅最大位置为各云图中红色位置，且变形最大位置集中在喷枪安装的支架上以及旋转架的支撑圆周架上，通过振型云图变化以及计算得出的变形数值可以得知最大变形量未超过许用变形量，且符合实际情况。旋转架前六阶振动方向及最大变形位置如表2所示。

图8 旋转架的模态振型固有频率

表2 旋转架前六阶振动方向及最大变形位置

由表2可知，旋转架固有频率为64.996 Hz，由振源频率公式f=n/60计算可得到振源频率，已知振源电机的转速为3 000 r/min，因此振源频率为50 Hz，旋转架的固有频率大于振源频率，故在喷漆机工作的过程中旋转架不存在共振现象，不会对喷漆机的整体稳定性以及喷漆机的喷漆效率造成影响。

2.3 刚柔耦合多体动力学仿真分析

根据上节对旋转架的静力学分析，可知在载荷的作用下，旋转架会发生微小的变形，为分析变形是否对喷漆机的喷涂精度产生影响，对其进行了刚柔耦合动力学仿真分析。木质家具旋转式喷漆机的喷枪旋转架工作时，空间范围大，各支架相当于简支梁，其柔度相较于其他的运动件大，且其运转的稳定性会影响喷枪的喷涂精度，因此旋转喷枪架产生的变形不可忽视，故此处将旋转架视为柔性体处理。

将旋转喷枪架从SolidWorks中导出.x_t格式文件，并将旋转喷枪架.x_t格式文件导入到hypermesh中，在hypermesh中划分网格，定义材料、密度、泊松比，并在运动副处进行刚性化处理建立外连接点，最后通过定义卡片属性生成mnf文件，完成旋转喷枪架模型的柔性化。由hypermesh生成的零件柔性体模型如图10、11所示。

图10 喷枪旋转架有限元网格

图11 与刚体连接的外连接点约束方程

如图11所示，通过定义刚性外连接点的约束方程可实现柔性体与刚性体的连接。定义柔性体上外连接点的自由度与定义连接铰链的标记点相关。本文定义的刚性外连接点刚性区域采用的是rigids。

将上节求解得到的喷枪旋转架的mnf文件导入到Adams刚体模型中，将旋转喷枪架的刚体零件进行替换，删去原有的约束关系，进行重新约束，保持原有模型的零件位置、连接形式不发生变化。为简化刚柔耦合模型，将与仿真无关的零部件删除，仅保持与运动有关的机构。

如图12所示，通过对比两种模型的旋转架角速度在同一时刻速度值的变化，可以得出在木质家具旋转式喷漆机刚开始工作时，喷枪旋转架的角速度发生了较大的波动。这是由于喷漆机刚启动一瞬间，喷枪旋转架发生了微小的变形。据此，在实际动作中，可以先启动旋转式喷漆机，让其先空转0.2 s，再打开喷枪开关对工件进行喷涂，以此来保证工件表面漆膜厚度的均匀性。在0.75 s以后喷枪旋转架的角速度并未发生较大波动，与全刚性时基本保持一致。图13为两种模型下旋转架的角速度误差，根据计算可以得出两种模型下角速度的误差约为-0.5%～0.25%之间，误差率较小，有效地确保了喷漆机喷漆系统的稳定性。

图12 两种模型下旋转架角速度对比

图13 两种模型下旋转架角速度误差变化

图14为两种模型下喷枪轨迹的变化。图15为两种模型下喷枪轨迹的变化误差，通过观察可以得知图中误差曲线较为规整，同一时刻两种模型下喷枪的喷涂轨迹并未发生明显的变化，轨迹误差较小，表明全刚体模型仿真的准确性较好，旋转架的微小变形并不会对喷涂轨迹以及喷涂效果产生较大的影响。

图14 两种模型下喷枪轨迹的变化

3 智能喷涂控制系统

本文设计的定制家具智能喷涂控制系统，可实现针对定制家具智能优选最佳的喷漆模式和最好的喷涂方向及合理的散射角。定制家具在生产线上每块板的尺寸和厚度都不同，在保证最高生产率的条件下，实时调整生产线数控系统的喷涂参数，实现喷涂智能控制。利用人工智能和专家系统，根据自学习的机理，逐步实现工业大数据的智能调控，在客户定制数据传给数控系统以后，利用互联网高速传输的特性，使系统自动匹配最合理的数控加工参数，实现生产线的智能化。

图15 两种模型下喷枪轨迹的变化误差

智控系统拥有主窗口、视频监控、账户管理、维护管理、记录查询、故障查询及云端五个模块功能，其中主窗口用于显示机器运行状态并且可以通过主窗口自定义机器组成及自定义控制界面，所述视频监控模块可以通过系统对生产机器进行实施监控，所述账号管理可以对系统的每个登陆者进行管理，所述维护管理可以查看机器的相关维护信息，所述记录查询可以查询机器的使用记录及操作者ID等，所述故障查询可以查询机器遇到的故障与解决故障的相关办法，所述云端可以查看网络上其他机器的生产信息以及机器状态。

智能喷涂控制系统展现了工业互联网的全新趋势，有效把5G技术与项目产品实行有效对接，为装备的生产、使用提供更加柔性化的互联网技术连接和支持，贯穿涂装行业的生命周期数字化转型，最终实现整线的智能化控制及绿色环保涂装制造。

4 结论

(1)通过静力学分析，获得了木质家具旋转式喷漆机关键部件的静力学特性，结果表明喷漆机的喷枪旋转架、旋转主轴和传动齿轮的强度刚度均满足设计要求。

(2)通过模态分析，得到喷枪旋转架的前六阶振型和固有频率，验证了喷枪旋转架不会和整机发生共振。

(3)将旋转架作为柔性体，进行了刚柔耦合多体动力学仿真，验证了实际工作中旋转架的微小变形并不会对喷涂精度产生较大的影响。

(4)通过智能化可调控喷涂系统，自定义机器组成，自定义控制界面，参数界面以及监控界面，提升了喷涂生产线的自动化智能化功能。