角磨機(jī)工況試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

戴欣平，汪中民，張建榮，丁肇

（ 1. 金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 金華 321000；2. 金華尤創(chuàng)自動(dòng)化科技有限公司， 浙江 金華 321000；3. 浙江省農(nóng)作物收獲裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 金華 321000 ）

0 引言

我國(guó)是電動(dòng)工具的生產(chǎn)和出口大國(guó)，產(chǎn)量約占全球總產(chǎn)量的80 %。其中，85 %以上用于出口，是我國(guó)貿(mào)易順差幅度較大的大宗機(jī)電產(chǎn)品之一[1-3]。電動(dòng)工具的工況試驗(yàn)，也稱性能試驗(yàn)或使用試驗(yàn)，是新產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品認(rèn)證、抽檢等過程中不可缺少的環(huán)節(jié)，目的是模擬電動(dòng)工具的真實(shí)作業(yè)工況，綜合檢驗(yàn)電動(dòng)工具的使用性能[4-6]。

電動(dòng)工具在進(jìn)行工況試驗(yàn)時(shí)需達(dá)到一定功率、進(jìn)給速度、進(jìn)給力或試驗(yàn)速度，并按照規(guī)定的試驗(yàn)循環(huán)與周期次數(shù)進(jìn)行[7-8]。目前電動(dòng)工具的工況試驗(yàn)大多采用人工作業(yè)，存在試驗(yàn)準(zhǔn)確度低、試驗(yàn)過程無法自動(dòng)記錄、作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境差及人工重復(fù)性作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大等一系列問題[9-10]。因此，開發(fā)電動(dòng)工具的通用工況試驗(yàn)臺(tái)，以替代和模擬人工作業(yè)過程，在檢驗(yàn)電動(dòng)工具產(chǎn)品質(zhì)量、提高產(chǎn)品品質(zhì)及生產(chǎn)效率等方面具有重要意義。

本文基于所設(shè)計(jì)的電動(dòng)工具通用工況試驗(yàn)臺(tái)，針對(duì)角向磨光機(jī)（以下簡(jiǎn)稱角磨機(jī)）的裝夾與作業(yè)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了角磨機(jī)的專用裝夾臺(tái)，進(jìn)行了角磨機(jī)的工況模擬試驗(yàn)。

1 電動(dòng)工具通用工況試驗(yàn)臺(tái)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的電動(dòng)工具通用工況試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示，由機(jī)座、龍門架、電動(dòng)工具裝夾臺(tái)、電氣控制系統(tǒng)及聲光報(bào)警系統(tǒng)等部件組成。

圖1 電動(dòng)工具通用工況試驗(yàn)臺(tái)

通過在龍門架X、Y、Z三個(gè)自由度方向上設(shè)置導(dǎo)軌并加裝步進(jìn)電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)龍門架沿導(dǎo)軌在X、Y、Z三個(gè)方向上的移動(dòng)。更換裝夾臺(tái)后，可滿足不同類型電動(dòng)工具產(chǎn)品的測(cè)試需求。

工況試驗(yàn)時(shí)，電動(dòng)工具通過夾爪固定于裝夾臺(tái)上，工作臺(tái)（X向、Y向）放置如鐵板、水泥塊、木板等被試材料，龍門架通過在X、Y、Z方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)工具的加載、進(jìn)給和退刀等動(dòng)作，模擬電動(dòng)工具的人工測(cè)試過程。電氣控制系統(tǒng)完成電動(dòng)工具電機(jī)的自動(dòng)開啟、關(guān)閉、調(diào)速，冷卻液及吸塵罩開關(guān)的開啟、關(guān)閉等功能。報(bào)警系統(tǒng)可對(duì)系統(tǒng)的異常情況進(jìn)行報(bào)警或停機(jī)處理。

1.2 控制與監(jiān)測(cè)

試驗(yàn)臺(tái)的控制系統(tǒng)由兩套ARM嵌入式系統(tǒng)和外圍線路組成，一套作為ARM控制系統(tǒng)完成總的控制，一套作為ARM保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)參數(shù)的采樣和保護(hù)，如圖2a所示。平臺(tái)通過編程對(duì)所需測(cè)試的電動(dòng)工具進(jìn)行周期性的進(jìn)給加載、退刀卸載、停歇等過程控制，自動(dòng)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。采用觸摸屏人機(jī)界面，對(duì)被試驗(yàn)電動(dòng)工具功率、電流等參數(shù)與模擬加載的作用力、轉(zhuǎn)矩、作業(yè)速度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與監(jiān)控，通過存盤、統(tǒng)計(jì)、分析，生成檢測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)告，如圖2b所示。

圖2 試驗(yàn)平臺(tái)控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2 角磨機(jī)專用裝夾臺(tái)設(shè)計(jì)

針對(duì)角磨機(jī)的作業(yè)特點(diǎn)及實(shí)際工況，設(shè)計(jì)了角磨機(jī)專用裝夾臺(tái)，主要由機(jī)架、反向拉繩裝置、半圓形夾爪及壓力傳感器組成，如圖3所示。

圖3 角磨機(jī)專用裝夾臺(tái)

為模擬角磨機(jī)打磨過程中對(duì)工件不同大小的施壓過程，采用裝夾臺(tái)在Z方向移動(dòng)進(jìn)行施壓，利用反向拉繩裝置進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，拉繩的反向拉力大小由增減配重塊調(diào)節(jié)。角磨機(jī)對(duì)工件的實(shí)際施加壓力值通過安裝在機(jī)架上的壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量，從而達(dá)到模擬人工施壓過程的目的。此外，為模擬角磨機(jī)對(duì)工件不同部位及不同方向的打磨作業(yè)，采用半圓形夾爪機(jī)構(gòu)，通過鉸鏈與機(jī)架連接，使角磨機(jī)能夠在±45 °自由旋轉(zhuǎn)進(jìn)行角度調(diào)節(jié)，如圖4所示。

圖4 角磨機(jī)不同角度打磨示意圖

3 角磨機(jī)工況試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)過程

將所設(shè)計(jì)的角磨機(jī)專用裝夾臺(tái)安裝在電動(dòng)工具工況試驗(yàn)臺(tái)上，進(jìn)行角磨機(jī)的工況模擬試驗(yàn)，如圖5所示。

圖5 工況試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

選用BOSCH公司生產(chǎn)的GWS 14-125 CI型角磨機(jī)，主要參數(shù)見表1。選用兩種材質(zhì)的角磨片進(jìn)行試驗(yàn)，分別為棕剛玉及立方氮化硼，試驗(yàn)作業(yè)材料為鐵板。按照角磨機(jī)工況試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)要求，將鐵板固定在X、Y平面內(nèi)，對(duì)裝夾臺(tái)在X、Y、Z三個(gè)方向進(jìn)行編程聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)角磨機(jī)的自動(dòng)進(jìn)給及往復(fù)作業(yè)。角磨機(jī)的打磨工作時(shí)間為30 min，試驗(yàn)時(shí)利用反向拉繩裝置調(diào)節(jié)施加壓力值，使負(fù)載電流分別為3 A、5A和7 A。

表1 角磨機(jī)主要參數(shù)

對(duì)試驗(yàn)前后的角磨片及鐵板進(jìn)行稱重，如圖6所示，計(jì)算角磨片及鐵板的磨損量，每種試驗(yàn)條件下進(jìn)行3次重復(fù)測(cè)試。試驗(yàn)過程中，傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功率、電流、堵轉(zhuǎn)電流等并進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，判斷異常情況時(shí)報(bào)警或停機(jī)。

圖6 試驗(yàn)前后稱重

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

不同測(cè)試工況下角磨機(jī)壓力、角磨片磨損量及鐵板磨損量平均測(cè)試值見表2.

表2 平均測(cè)試值

從表2中可以看到，測(cè)試壓力值隨負(fù)載電流的增大顯著增加，表明工況試驗(yàn)臺(tái)的檢測(cè)系統(tǒng)可以在短時(shí)間內(nèi)自動(dòng)辨識(shí)工作負(fù)載的控制參數(shù)，自動(dòng)加載到穩(wěn)定狀態(tài)，從而達(dá)到模擬人工作業(yè)過程的目的。然而在實(shí)際作業(yè)過程中，不同的人工個(gè)體在操作時(shí)的加載強(qiáng)度、速度及角度等方面均有波動(dòng)偏差[11-12]，因此提高試驗(yàn)臺(tái)對(duì)電動(dòng)工具負(fù)載電流、機(jī)械進(jìn)給動(dòng)力參數(shù)等柔性控制的能力，以提高模擬人工作業(yè)的真實(shí)性，是今后需要研究的方向。

從表2中還可以看到，角磨片及鐵板的磨損量均隨負(fù)載電流的增大有增加的趨勢(shì)，但并不顯著，這表明增加角磨機(jī)對(duì)工件的施加壓力值能夠在一定程度上提升打磨效率，但角磨片的磨損量也相應(yīng)增大。此外，角磨片的不同材質(zhì)也顯著的影響打磨效率及角磨片的磨損量，立方氮化硼材質(zhì)角磨片的耐磨性高于棕剛玉，打磨效率更高，但立方氮化硼材質(zhì)在成本上也要高于棕剛玉。需要說明的是，除了角磨片的材質(zhì)，其它參數(shù)如結(jié)合劑材料及角磨片形狀等，也會(huì)影響角磨片的打磨效率及耐磨特性，因此，研究不同參數(shù)角磨片對(duì)打磨效率及耐磨性的影響，尋找性價(jià)比高的角磨片制作參數(shù)，是今后需要研究的重點(diǎn)方向之一。

4 結(jié)語

本文在電動(dòng)工具通用工況試驗(yàn)臺(tái)的應(yīng)用基礎(chǔ)上，結(jié)合角磨機(jī)的實(shí)際工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了專用裝夾臺(tái)，安裝在工況試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了角磨機(jī)的工況模擬試驗(yàn)。研究表明所設(shè)計(jì)的電動(dòng)工具工況試驗(yàn)臺(tái)能夠在一定程度上模擬人工作業(yè)過程，滿足工況試驗(yàn)所需的運(yùn)行精度及準(zhǔn)確度要求，但在模擬人工作業(yè)真實(shí)性方面仍需進(jìn)一步提高。