自動(dòng)拋光機(jī)設(shè)計(jì)及拋光結(jié)構(gòu)受力分析

劉侃　張洪　馬俊峰

【摘 要】本文主要介紹一款針對(duì)放風(fēng)閥閥芯頭的自動(dòng)拋光機(jī)設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用有限元分析對(duì)自動(dòng)拋光機(jī)的核心部位即拋光輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)校核和機(jī)構(gòu)完善，使得此自動(dòng)拋光機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)放風(fēng)閥閥芯從上料，運(yùn)料，拋光，以及下料各環(huán)節(jié)全自動(dòng)操控，實(shí)現(xiàn)真正的自動(dòng)拋光。此自動(dòng)拋光機(jī)設(shè)計(jì)合理，可用于工程實(shí)際。

【關(guān)鍵詞】自動(dòng)拋光機(jī)；有限元；拋光輪機(jī)構(gòu)

中圖分類號(hào)： TG502 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）08-0127-003

Automatic Polisher Design and Forced Analysis of Polished Structure

LIU Kan ZHANG Hong MA Jun-feng

（School of Mechanical Engineering，Jiangnan University，Wuxi2114122，China）

【Abstract】This article mainly introduces an automatic polisher design for air release valve heads. This design includes the mechanical structure design and control system design. The finite element analysis is used to improve the core of the automatic polisher， namely the polishing wheel mechanism. This makes the automatic polishing machine realize the automatic control of the air release valve spool from feeding， transporting， polishing， and blanking to achieve true automatic polishing. This automatic polishing machine is designed to be practical and practical.

【Key words】Automatic polishing machine； Finite element； Polishing wheel mechanism

0 引言

目前市場(chǎng)上針對(duì)放風(fēng)閥閥芯頭還是以手動(dòng)拋光為主。手動(dòng)拋光不僅速度慢，而且還會(huì)消耗大量人力，同時(shí)對(duì)于拋光人員的技術(shù)也有很大的要求，拋光后的產(chǎn)品質(zhì)量也會(huì)參差不齊?，F(xiàn)在市場(chǎng)追求自動(dòng)化程度越來越高，也急需一臺(tái)自動(dòng)化設(shè)備來完成對(duì)放風(fēng)閥閥芯頭的拋光工作，本文介紹一款自動(dòng)拋光機(jī)設(shè)備，解決放風(fēng)閥閥芯頭的拋光問題。設(shè)計(jì)這樣的設(shè)備，其核心部分即拋光機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)極其重要，因此需要對(duì)拋光機(jī)構(gòu)進(jìn)行不斷校核和完善機(jī)構(gòu)，以達(dá)到拋光要求。

1 自動(dòng)拋光機(jī)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要針對(duì)放風(fēng)閥閥芯產(chǎn)品，其特點(diǎn)是體積小，形狀特殊，所要拋光表面為圓弧形狀，如圖一所示。此設(shè)計(jì)包括上料，運(yùn)料，拋光以及下料各環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)放風(fēng)閥閥芯頭的全自動(dòng)拋光。上料環(huán)節(jié)完成閥芯的自動(dòng)上料，運(yùn)料環(huán)節(jié)完成放風(fēng)閥閥芯的工位轉(zhuǎn)換，即從上料區(qū)到拋光區(qū)，以及到下料區(qū)，此環(huán)節(jié)采用氣動(dòng)手爪設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，快速，穩(wěn)定，拋光環(huán)節(jié)主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是針對(duì)拋光輪的安裝設(shè)計(jì)，此結(jié)構(gòu)是整個(gè)設(shè)備的關(guān)鍵部位，也決定拋光質(zhì)量的好壞。下料環(huán)節(jié)主要完成對(duì)拋光后的工件的整理，使得產(chǎn)品便于包裝。全部環(huán)節(jié)都由可編程控制器進(jìn)行控制。

1.1 上料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為使產(chǎn)品自動(dòng)上料，可采取振動(dòng)盤機(jī)構(gòu)，在振動(dòng)盤出口處放置傳感器，設(shè)置上料區(qū)，等待氣動(dòng)手爪進(jìn)行抓取。振動(dòng)盤設(shè)計(jì)穩(wěn)定快速，且應(yīng)用廣泛，此處針對(duì)放風(fēng)閥閥芯這種小型工件，此設(shè)計(jì)合理簡(jiǎn)便。

1.2 氣動(dòng)手爪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣動(dòng)手爪機(jī)構(gòu)主要完成運(yùn)料工作。本機(jī)構(gòu)包括手指氣缸，薄型氣缸，迷你氣缸，滑動(dòng)導(dǎo)軌以及各連接件。兩手指氣缸設(shè)計(jì)采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)過程一致，在不同工位點(diǎn)進(jìn)行相同動(dòng)作，采用同一電磁閥控制。在夾取工件過程中，為防止留下刮痕，手指部分采用尼龍材料，增大接觸面的摩擦力。在手指氣缸夾取工件時(shí)，由于是雙指機(jī)構(gòu)，所以在運(yùn)料過程中會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，為解決這一問題，本機(jī)構(gòu)采用了手指氣缸底部法蘭固定以及螺紋過渡連接，使得運(yùn)料過程中夾取更加穩(wěn)定。閥芯頭的拋光過程共有三個(gè)工位點(diǎn)，分別是上料點(diǎn)，拋光點(diǎn)，下料點(diǎn)。由于采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)，本設(shè)計(jì)將出現(xiàn)兩點(diǎn)位置完成三個(gè)工位的工作過程。導(dǎo)軌除了引導(dǎo)作用外還具有支撐功能，其優(yōu)點(diǎn)是在進(jìn)行運(yùn)料過程中，整體機(jī)構(gòu)平穩(wěn)，不會(huì)出現(xiàn)偏移或者抖動(dòng)現(xiàn)象。這樣的設(shè)計(jì)便于控制，且使得運(yùn)料過程更加迅速，縮短運(yùn)料時(shí)間，提高拋光效率。

1.3 拋光輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

拋光輪機(jī)構(gòu)是整個(gè)設(shè)備的關(guān)鍵部位，其包括砂輪，氣動(dòng)馬達(dá)，同步帶，迷你氣缸，薄型氣缸，導(dǎo)軌以及各連接件。本機(jī)構(gòu)采用氣動(dòng)馬達(dá)為動(dòng)力源，同步帶進(jìn)行傳動(dòng)，以此帶動(dòng)砂輪進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)拋光工件。放風(fēng)閥閥芯頭是一個(gè)圓弧形狀，在進(jìn)行拋光過程中，需根據(jù)圓弧面進(jìn)行不斷的調(diào)節(jié)進(jìn)給量以此來進(jìn)行拋光曲面。所以拋光過程需要兩個(gè)自由度，迷你氣缸負(fù)責(zé)前后方向自由度，薄型氣缸負(fù)責(zé)上下方向自由度。在拋光時(shí)，兩個(gè)方向同時(shí)運(yùn)動(dòng)，使得拋光輪走出圓弧路線。整個(gè)拋光輪機(jī)構(gòu)在導(dǎo)軌上運(yùn)行，提高了穩(wěn)定性和拋光精度。

1.4 閥芯頭夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

放風(fēng)閥閥芯頭底部為圓柱形，所以在進(jìn)行拋光過程中需要夾緊閥芯頭底部。本設(shè)計(jì)采用彈簧夾頭作為夾具，彈簧夾頭安裝在儀表車頭上，通過氣缸動(dòng)作控制彈簧夾頭的夾緊與松開?；诜棚L(fēng)閥這個(gè)特定的工件，使它在拋光過程中工件不會(huì)出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象，需要在彈簧夾頭大徑處做一平臺(tái)為支撐面。彈簧夾頭夾緊工件的同時(shí)還要由三相異步電機(jī)帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，這樣可以使整個(gè)閥芯頭拋光更加完整。

1.5 下料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在完成拋光環(huán)節(jié)后，氣動(dòng)手爪機(jī)構(gòu)會(huì)將工件送至下料區(qū)，為使得排料整齊，將由旋轉(zhuǎn)氣缸帶動(dòng)刮條將工件進(jìn)行整料。

1.6 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)全程采用可編程控制器，各傳感器連接到控制器的輸入端，輸出端連接電磁閥，以及繼電器。接觸器控制三相異步電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。可編程控制器系統(tǒng)穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，操作更加方便。

2 拋光結(jié)構(gòu)受力分析

拋光結(jié)構(gòu)是整個(gè)自動(dòng)拋光機(jī)的關(guān)鍵部位，拋光質(zhì)量的好壞直接決定了整個(gè)設(shè)備是否可以投入實(shí)際生產(chǎn)，而本設(shè)計(jì)將采用有限元分析，對(duì)此部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核以及改進(jìn)。拋光機(jī)構(gòu)包括拋光輪，轉(zhuǎn)動(dòng)軸，同步帶，氣動(dòng)馬達(dá)，支撐板以及各連接件。拋光時(shí)，氣動(dòng)馬達(dá)作為動(dòng)力元件提供動(dòng)力，經(jīng)同步帶傳動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，與轉(zhuǎn)動(dòng)軸同步的砂輪高速磨削工件。砂輪上單個(gè)磨粒的切削厚度固然很小，但是大量的磨粒同時(shí)對(duì)被磨金屬層進(jìn)行擠壓、刻劃和滑擦，加之磨粒的工作 角度又很不合理，因此總的磨削力很大。為便于測(cè)量和計(jì)算，將總磨削力分解為三個(gè)相互垂直的分力Fx（軸向磨削力）、Fy（徑向磨削力）、Fz（切向磨削力）。

所受磨削力有以下特點(diǎn)：

（1）徑向磨削力Fy最大。這是因?yàn)槟チ５娜欣獯蠖家载?fù)前角工作，而且刃棱鈍化后，形成小的棱面增大了與工件的實(shí)際接觸面積，從而使Fy增大。通常Fy=（1.6～3.2）Fz。

（2）軸向磨削力Fx很小，一般可以不必考慮。

（3）磨削力隨不同的磨削階段而變化。在初磨階段，磨削力由小至大變化較大；進(jìn)入穩(wěn)定階段，工藝系統(tǒng)的彈性變形 達(dá)到一定程度，此時(shí)磨削力較為穩(wěn)定；光磨階段實(shí)際磨削深度近趨于零，此時(shí)磨削力漸小。

磨削過程很復(fù)雜，影響磨削力的因素也很多，上述理論公式的精確度不高。目前一般采用實(shí)驗(yàn)方法來測(cè)定磨削力的大小。

此拋光機(jī)構(gòu)由支撐板作為主要支撐元件，承受來自各元件的重力以及磨削時(shí)的磨削力，因此相對(duì)來說，支撐板結(jié)構(gòu)需要很高的強(qiáng)度和抗彎矩能力。此支撐板設(shè)計(jì)采用工字型模型，受力如圖4所示。

圖中FZ，F(xiàn)y——分別為支撐板所受切向和徑向磨削力（N）；F1，F(xiàn)2——分別為氣動(dòng)馬達(dá)重力和下方薄型氣缸的支撐力（N）；F2，Mg——分別為砂輪部分重力和支撐板重力（N）。

從圖中可以看出支撐板所受最大位移量為0.01534mm，而在核心部位的位移量為0.00767mm到0.00921mm之間，此變形量不會(huì)對(duì)實(shí)際拋光產(chǎn)生影響。

3 結(jié)語

本自動(dòng)拋光機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)放風(fēng)閥閥芯頭的自動(dòng)拋光工作，從上料，運(yùn)料，拋光以及下料，各個(gè)環(huán)節(jié)都是自動(dòng)完成。全程由可編程控制器進(jìn)行控制，方便快捷。整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理完善，使得拋光質(zhì)量較高，利于放風(fēng)閥閥芯的批量生產(chǎn)，也使得此設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)可用于生產(chǎn)實(shí)際。

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