陶瓷砂輪自動加工線的設計與研究

耿紅生，張國權，陳遠方

(機械工業(yè)第六設計研究院有限公司 工業(yè)與智能中心，河南 鄭州450007)

我國是磨料磨具生產(chǎn)大國，陶瓷結合劑金剛石砂輪有強度高，耐熱性好，切削鋒利，磨削效率高，磨削過程中不易發(fā)熱和堵塞，熱膨脹量小，加工精度易控制等特點[1]。但近年來國內(nèi)磨料磨具行業(yè)面臨的形勢逐漸嚴峻，問題主要來自兩方面：一方面國家正在轉(zhuǎn)變“高投入、高消耗、高排放、不協(xié)調(diào)、難循環(huán)、低效率”的經(jīng)濟增長方式，對能源和資源消耗型且有污染排放的磨料行業(yè)，限制政策越來越多；另一方面能源、原料、運輸?shù)某杀驹絹碓礁?，磨料磨具行業(yè)的發(fā)展面臨轉(zhuǎn)型。

目前，國內(nèi)磨料磨具行業(yè)與國外先進技術水平還有一定差距，陶瓷磨具產(chǎn)品需要進行產(chǎn)品創(chuàng)新，改進生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低能耗和環(huán)境污染，以縮小與國際先進水平的差距[2]。本文對陶瓷砂輪的加工工藝進行研究，并對能夠?qū)崿F(xiàn)陶瓷砂輪自動加工的生產(chǎn)設備進行設計。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外普通磨具制品生產(chǎn)裝備制造的總體趨勢是單一設備的智能化和高效化。這在砂輪成形設備中得到了充分體現(xiàn)，例如砂輪內(nèi)外圓加工設備上主要表現(xiàn)為自動裝卡、自動尺寸測量、自動刀具磨損補償。目前國外磨料磨具行業(yè)已能用計算機數(shù)字化控制(Computer Numerical Control,CNC)加工中心來一次性完成單片砂輪的加工，普通陶瓷砂輪的加工設備大都具有單機智能化加工的功能，但多機智能化加工線尚不多見。這是由于國外這類企業(yè)多采用訂單式生產(chǎn)產(chǎn)品，并且批量不大，因而自動化的流水線加工模式很少采用。根據(jù)市場調(diào)研，除極個別企業(yè)研制的直徑小于250 mm薄片砂輪自動加工線外，國外其他廠家目前均無陶瓷砂輪的自動加工線。

國內(nèi)在砂輪加工方面，砂輪平面、內(nèi)外圓加工設備齊全，目前的整體制造水平也比前幾年有了較大的提升，但在設備加工精度、自動化程度、基礎元件性能、環(huán)保安全性等方面與國外存在一定差距。國內(nèi)典型的陶瓷砂輪加工線工藝流程如圖1所示。國內(nèi)生產(chǎn)的砂輪內(nèi)外圓加工設備，雖然可以一次裝卡數(shù)片，完成內(nèi)孔、外圓加工，但均為手工裝卡，基本上都是單機使用，且無自動檢測功能，無法完全滿足用戶的使用要求。

圖1 國內(nèi)典型的陶瓷砂輪加工線工藝流程

近幾年，由于人力成本不斷上升，用戶對產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和一致性要求也越來越高，行業(yè)內(nèi)要求整合各種設備形成自動加工線的要求越來越迫切。

2 砂輪自動加工線的工藝布局

陶瓷砂輪自動加工線應能自動完成陶瓷砂輪的整個加工過程(包括砂輪上下端面加工、內(nèi)圓加工、外圓加工、靜平衡檢測、動平衡檢測、打標、裝箱、打帶、碼垛)，實現(xiàn)砂輪在不同工位之間的轉(zhuǎn)運，以及砂輪在不同加工情況下的監(jiān)測和糾偏。全自動陶瓷砂輪加工線主要包含3個功能模塊，即輸送模塊、加工模塊、裝箱打帶模塊。輸送模塊讓砂輪在不同的工位之間輸送；加工模塊完成砂輪的加工檢測；裝箱打帶模塊對合格的砂輪進行捆扎、打標、裝箱、打帶后，在指定區(qū)域?qū)⒀b有砂輪的箱子擺放整齊。砂輪自動加工線的工藝布置如圖2所示。

圖2 砂輪自動加工線的工藝布置

本文對陶瓷砂輪的自動加工技術進行研究，主要涉及以下關鍵技術：①砂輪的自動裝夾機構設計；②砂輪加工精度的在線監(jiān)測與修正系統(tǒng)設計；③砂輪裝箱后自動打帶工藝的設計；④砂輪加工時的無塵化工藝設計；⑤加工系統(tǒng)的集成和控制功能設計。

與現(xiàn)有的陶瓷砂輪加工線相比，本文的技術創(chuàng)新點在于：①采用連桿機構實現(xiàn)砂輪的夾持，加持力大且具有防脫落功能；②采用齒輪齒條的傳動方式，配合編碼器技術，定位精度較高；③通過設計打帶工位的自動轉(zhuǎn)盤，提高打帶效率；④砂輪裝箱后采用輥道輸送機輸送，運行安全平穩(wěn)；⑤機床加工采取全防護措施，能夠改善車間的勞動環(huán)境；⑥采用統(tǒng)一的通信協(xié)議，并預留與數(shù)字化車間的通信接口，降低了維護成本。

3 砂輪自動加工線的輸送模塊設計

采用夾持機構固定砂輪后，在齒輪齒條機構上實現(xiàn)砂輪在不同機床之間的輸送。在完成打標后，用輥道輸送機實現(xiàn)產(chǎn)品的輸送。為節(jié)約所需土建投資，自動加工線采用U形布置方式，因而在輸送過程中需要自動轉(zhuǎn)盤來實現(xiàn)換向功能。根據(jù)砂輪輸送的工藝要求，輸送模塊的設計應包括以下內(nèi)容：夾持機構設計、齒輪齒條機構設計、輥道輸送機選擇和自動轉(zhuǎn)盤設計。

3.1 夾持機構設計

夾持機構如圖3所示。當氣缸不發(fā)生動作時，頂緊桿端頭的橡膠頭與砂輪內(nèi)圓緊貼，完成砂輪的夾持。需將砂輪松開時，氣缸帶動驅(qū)動桿向上運動，通過短連桿使兩邊的頂緊桿向中間收縮，從而將砂輪放下。該機構的優(yōu)點在于設計時考慮了壓縮空氣突然斷氣或者氣壓不足的緊急情況，在氣缸不通氣時能保持夾緊，通氣時才讓砂輪松開。這樣，一方面能縮短氣缸處于工作狀態(tài)的時間，延長氣缸的使用壽命；另一方面，在發(fā)生意外時，砂輪不會從夾持機構上脫落，能避免對設備和產(chǎn)品造成的傷害。

圖3 夾持機構

3.2 齒輪齒條機構設計

電機通過聯(lián)軸器能帶動齒輪在齒條上進行直線運動。抓取砂輪的機械手整體安裝在滑軌滑塊上方的安裝板上。當電機工作時，該機械手能在不同的加工工位間移動，完成砂輪的直線輸送。砂輪自動加工線的輸送模塊以圖4所示的齒輪齒條機構作驅(qū)動，定位精度高、設備故障率低。齒輪齒條機構采用直線滑軌滑塊作為導向和承載機構，具有承載能力大、導向性能好和行走阻力小的優(yōu)點。

圖4 齒輪齒條機構

3.3 輥道輸送機選擇

圖5所示的輥道輸送機有長短之分。短輥道輸送機可布置在加工區(qū)域，用于將檢測結果為不合格的產(chǎn)品輸送到指定區(qū)域，以便讓這些產(chǎn)品重新進入砂輪自動加工線，進行二次修正。檢測結果為合格的產(chǎn)品在打標裝箱后進入長輥道輸送機，進行自動捆扎和碼垛。輥道輸送機是市場上成熟的產(chǎn)品，可以直接選購。采用輥道輸送機進行砂輪輸送的優(yōu)點在于：運行安全，過程平穩(wěn)，且在系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)故障時便于人工干預。

圖5 輥道輸送機

3.4 自動轉(zhuǎn)盤設計

自動捆扎機只能完成一個方向的捆扎動作，而砂輪裝箱后為了保證捆扎的牢固性，至少需要進行“十字形”的兩道捆扎。為了解決這個問題，一種方案是在裝箱砂輪的運送線路上加設一臺自動捆扎機，另外一種方案是在捆扎工位上設置自動轉(zhuǎn)盤。第一種方案需要另外購置設備，會延長工藝環(huán)節(jié)、占用生產(chǎn)空間，因此設計時不予考慮。

本文所設計的自動轉(zhuǎn)盤如圖6所示。它通過電機帶動減速機，再通過聯(lián)軸器帶動主軸旋轉(zhuǎn)而實現(xiàn)驅(qū)動。轉(zhuǎn)盤下方設有4個鋼輪。在自動轉(zhuǎn)盤工作時，4個鋼輪完全著地，一方面可分擔主軸承受的軸向載荷，另一方面可以避免轉(zhuǎn)盤的晃動。自動轉(zhuǎn)盤的頂面可拆卸，以便于其安裝和檢修。

圖6 自動轉(zhuǎn)盤

4 砂輪自動加工線的加工模塊設計

自動加工線的加工模塊需要完成砂輪上下端面加工、內(nèi)圓加工、外圓加工、靜平衡檢測和動平衡檢測工作。它涉及的設備包括：2臺車床、1臺內(nèi)圓磨床、1臺外圓磨床、1臺靜平衡檢測儀和1臺動平衡檢測儀。為了提高生產(chǎn)效率，上述設備采用直線形布置方式。加工模塊應實現(xiàn)上述加工功能。此外，設計時還需要針對陶瓷砂輪加工的特點進行其粉塵防護功能設計、在線自動檢測和修正功能設計。

4.1 粉塵防護功能

本文對砂輪自動加工線除塵設計的整體方案是：對加工設備的機加部位進行封閉處理，并通過負壓將加工時產(chǎn)生的粉塵抽走。

本文以圖7所示的封閉方式，對機床加工區(qū)域進行封閉，使機床工作臺能沿滑軌進出封閉空間。需要加工時，氣缸自動打開密封板，工作臺滑出封閉空間，抓取砂輪的機械手將砂輪放在工作臺上，工作臺載著砂輪返回加工位置，密封板關閉，進行砂輪的加工。在加工完成后，密封板打開，工作臺載著砂輪從封閉空間出來，機械手將砂輪夾持牢固并帶到下一個工位，而另一個抓取砂輪的機械手將新的待加工砂輪放在工作臺上，重復上述加工動作。

圖7 機床封閉方式

砂輪平衡是磨削加工需要的專門技術，對于高速磨削而言,砂輪不平衡不僅會破壞工件的加工精度還會危及主軸系統(tǒng)的精度甚至損壞機床結構。在線自動平衡裝置一般由拾振傳感器、測控單元和平衡頭組成。傳感器拾取砂輪不平衡所產(chǎn)生的振動信號，測控單元根據(jù)所拾取振動信號對砂輪的不平衡狀態(tài)進行判斷，同時讓平衡頭中的驅(qū)動器拖動平衡塊運動，直至砂輪的振動值達到預期值為止[3]。

做靜平衡檢測時砂輪不運動，因而不需要對其進行除塵設計。但在動平衡檢測時，砂輪要做高速的旋轉(zhuǎn)運動，如果不進行除塵處理，機加工時的粉塵就會對車間造成很大的污染。動平衡檢測儀的封閉方式如圖8所示。這種殼體封閉方式是由氣缸帶動兩塊密封板實現(xiàn)的。在動平衡檢測時，兩個氣缸帶動密封板打開封閉區(qū)，抓取砂輪的機械手將砂輪放在檢測工位，氣缸復位，砂輪在封閉區(qū)進行動平衡檢測。一旦檢測完畢，氣缸即動作，帶動密封板，將封閉區(qū)打開，機械手將砂輪取走并送到下一個工位。

圖8 動平衡檢測儀的封閉方式

為了將砂輪上的殘渣清理干凈，可讓砂輪在動平衡檢測后進入清吹工位。清吹裝置采用氣缸帶動密封板方式，在清吹時保持裝置的密封，以避免粉塵污染車間。

4.2 在線自動檢測和修正功能

一直以來，砂輪產(chǎn)品的質(zhì)量檢測主要采用人工抽查方法。該方法漏檢率高、效率低，有時會造成一定的產(chǎn)品損傷，不利于企業(yè)的發(fā)展和技術進步[4]。砂輪在線自動檢測技術是實現(xiàn)砂輪自動加工的關鍵因素。目前常用的砂輪在線自動檢測技術有激光功率譜技術、電機功率檢測技術、光學投影技術、振動檢測技術、CCD(Charge Coupled Device)圖像檢測技術、聲發(fā)射檢測技術、多傳感器檢測技術、基于網(wǎng)絡的專家系統(tǒng)等[5]。

本文采用“在線式”砂輪加工線，將砂輪的平面加工、孔加工與在線自動檢測有機地結合在一起，大大提升了整個加工線的自動化和數(shù)字化水平。加工線上設有靜平衡設備，能在線完成自動平衡及增重；設有立式回轉(zhuǎn)設備，可通過自動裝卡完成回轉(zhuǎn)檢測。

設備的自身精度是保證砂輪加工質(zhì)量的前提。砂輪的在線自動檢測和修正，需要在設備層面選用高精度的機床和動、靜平衡檢測儀。在設備采購時，需要注意通信接口的統(tǒng)一性，并采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，以便在數(shù)據(jù)處理中心對實時采集的各設備的加工信息進行整合，根據(jù)訂單要求、產(chǎn)品精度對指定信息進行快速比對，將糾偏信息及時反饋到設備加工層面。

5 砂輪自動加工線的裝箱打帶模塊設計

裝箱打帶模塊主要包括產(chǎn)品的打標、裝箱、自動打帶和自動碼垛等功能。

(1) 砂輪自動加工線上設置的噴碼設備能自動噴涂砂輪標識和防偽碼。企業(yè)資源計劃(Enterprise Resource Planning,ERP)系統(tǒng)根據(jù)裝箱打帶加工需要，向控制中心發(fā)送訂單信息。控制中心在線進行單據(jù)制作，并在打標后進行自動記錄、存儲，以備產(chǎn)品質(zhì)量追溯之用。

(2) 砂輪自動加工線上設置的自動打帶機，能在砂輪裝箱后，通過自動轉(zhuǎn)盤實現(xiàn)兩個方向的自動打帶。打帶機屬于市場上的成熟設備，可以根據(jù)砂輪自動加工線的具體尺寸和打帶能力要求，直接從市場上選購。

(3) 目前市場上有很多類型的自動碼垛機。本文選用的自動碼垛機至少具有4個自由度，載重能力為200 kg以上。同時，造型時要根據(jù)箱子的大小，考慮自動碼垛機抓手的結構形式和具體尺寸[6]。

6 結束語

本文介紹了一種全自動陶瓷砂輪加工線的設備配置方案，其中輸送模塊采用桁架與輥道配合的方式，并配置了自動轉(zhuǎn)盤裝置；加工模塊采用砂輪在線自動檢測與修正技術，并進行了清潔化設計；裝箱打帶模塊采用在線噴碼技術和自動打帶技術，配合自動碼垛機抓手，實現(xiàn)了工藝過程的自動化和智能化。所述方案為陶瓷砂輪加工過程中降低工人勞動強度、提高產(chǎn)品質(zhì)量提供了一種新的思路。