一種高效環(huán)保自動(dòng)鋼管內(nèi)壁拋光機(jī)的設(shè)計(jì)

摘 要：鋼管在進(jìn)行切斷等機(jī)械加工后除了在切口會(huì)產(chǎn)生一些毛刺，在內(nèi)壁也會(huì)粘連切屑?xì)埩粑?，目前大部分工廠以人工進(jìn)行簡(jiǎn)單地打磨拋光處理為主。設(shè)計(jì)一種針對(duì)管型金屬零件具備自動(dòng)上料并對(duì)切口及內(nèi)壁進(jìn)行去毛刺和拋光作業(yè)的設(shè)備，與人工打磨一個(gè)工件需要4～5 s相比，自動(dòng)拋光機(jī)僅需1.5 s，大幅度提高了工作效率，鋼管內(nèi)壁經(jīng)設(shè)備處理后表面粗糙度Ra達(dá)到了0.1～0.2 μm，提升了產(chǎn)品品質(zhì)。該設(shè)備可以根據(jù)拋光的工藝要求進(jìn)行個(gè)性化的參數(shù)設(shè)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)拋光過程的可控性，優(yōu)化了工作流程，減少了人員編制并解決了拋光過程中產(chǎn)生的金屬粉塵對(duì)人體健康的影響，對(duì)工廠如何以低成本實(shí)現(xiàn)向“智能制造”邁進(jìn)有一定的示范意義。

關(guān)鍵詞：鋼管；打磨拋光；個(gè)性化；智能制造

中圖分類號(hào)：TG580.23" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" 文章編號(hào)：1671-5276（2024）05-0097-05

Design of Efficient and Environmental Protection Automatic Polishing Machine for Inner Steel Pipe

Abstract：With respect to the burrs at the incision of steel pipe and the chip residues adhering to on the inner wall as the result of simple grinding and polishing conducted manually in mechanical cutting processing， designs an equipment for automatic feeding of tubular metal parts and deburring and polishing of the incision and inner wall. Compared with the manual grinding of a workpiece which needs 4-5 s， the automatic polishing machine only needs 1.5 s， which greatly improves the work efficiency. The roughness Ra of the inner wall of the steel tube after the equipment treatment reaches 0.1-0.2 μm， upgrading the product quality. The equipment can set personalized parameters according to the polishing process requirements， so as to realize the controllability of polishing process， optimize the work flow， reduce the staffing and solve the impact of metal dust produced in the polishing process on human health， which is of a significant demonstration for factory to achieve \"intelligent manufacturing\" at low cost.

Keywords：steel pipe; grinding and polishing; personalization; intelligent manufacturing

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的不斷發(fā)展，一方面人力成本越來越高，另一方面企業(yè)面臨產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，要實(shí)現(xiàn)更高效率的生產(chǎn)以及對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)也有了更高的要求，而采用傳統(tǒng)的人工拋光管型金屬零件切口和內(nèi)壁的方式，越來越不適應(yīng)企業(yè)的發(fā)展要求。目前工業(yè)機(jī)器人在金屬拋光中應(yīng)用非常廣泛，但是對(duì)于一些中小型企業(yè)來說，工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用面臨一次性投入成本高，后期設(shè)備維護(hù)對(duì)技術(shù)人員的要求高等問題［1］?；谝陨显颍疚慕榻B了一種結(jié)構(gòu)精巧、功能完善、應(yīng)用靈活、操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、性價(jià)比高的自動(dòng)鋼管內(nèi)璧拋光機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用。

1 總體方案

1.1 系統(tǒng)介紹

圖1所示為自動(dòng)鋼管內(nèi)壁拋光機(jī)，包括：皮帶輸送機(jī)構(gòu)1、分料及固定機(jī)構(gòu)2、HMI與PLC控制箱3、步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)4、物料收集器5等［2］。拋光機(jī)的前端設(shè)計(jì)為輸送帶，一方面可以直接和鋼管加工前端生產(chǎn)線直接對(duì)接形成一條完整的自動(dòng)化生產(chǎn)線，另一方面作為一臺(tái)獨(dú)立的加工設(shè)備，可以很方便地實(shí)現(xiàn)人工加料時(shí)鋼管輸送的存儲(chǔ)和緩存。同樣在拋光機(jī)的輸出端，拋光機(jī)在完成鋼管的加工之后，鋼管可以直接對(duì)接下游生產(chǎn)線，獨(dú)立運(yùn)作時(shí)只需要對(duì)接周轉(zhuǎn)箱即可，非常靈活。

拋光流程如圖2所示。自動(dòng)鋼管內(nèi)壁拋光機(jī)通過輸送帶將鋼管輸送至分料機(jī)構(gòu)，傳感器檢測(cè)到鋼管到位信號(hào)后，分料機(jī)構(gòu)將當(dāng)前的鋼管與尾隨的鋼管分隔開，利用氣缸將鋼管夾緊固定后，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的毛刷啟動(dòng)，氣缸將毛刷送入鋼管內(nèi)，根據(jù)觸摸屏上設(shè)定的拋光參數(shù)進(jìn)行拋光，完成后將鋼管送入下一個(gè)工序或者周轉(zhuǎn)盤中。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

1）設(shè)備總功率約為6.5kW；2）供電電源為AC 380V；

3）步進(jìn)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為800 r/min；

4）氣源壓力為0.4～0.8MPa；

5）拋光后產(chǎn)品表面粗糙度應(yīng)滿足Ralt;0.3μm；

6）拋光工件最大尺寸（孔徑×長度）為40mm×160mm；

7）效率目標(biāo)為40～60個(gè)/min；

8）自動(dòng)化程度為送料及拋光過程由機(jī)器自動(dòng)完成；

9）環(huán)保目標(biāo)為配備專用的封閉空間或粉塵專用收集設(shè)備，不會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及人體健康造成影響［3］。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 皮帶輸送機(jī)構(gòu)

輸送機(jī)構(gòu)如圖3所示。皮帶輸送機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)將上一個(gè)工序中加工完成的鋼管輸送到分料和固定機(jī)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)，輸送機(jī)構(gòu)的寬度可以在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同長度鋼管的輸送。為了防止鋼管堆積而出現(xiàn)的物料阻塞，在輸送帶的末端設(shè)置了鋼管的阻攔機(jī)構(gòu)，該阻攔機(jī)構(gòu)為一個(gè)L型的擋片，擋片可以根據(jù)不同鋼管的直徑進(jìn)行柔性調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了每次只有1個(gè)鋼管進(jìn)入分料和固定機(jī)構(gòu)。

2.2 分料及夾緊裝置

分料及夾緊裝置如圖4所示。鋼管進(jìn)入U(xiǎn)型分隔槽后，分料氣缸推動(dòng)一個(gè)三角形的金屬塊，金屬塊的斜面能引導(dǎo)當(dāng)前鋼管進(jìn)入V型夾緊槽內(nèi)，直角面阻擋分隔開后面的鋼管。在打磨過程中，由于鋼管內(nèi)壁與毛刷的阻力，鋼管存在旋轉(zhuǎn)甚至偏移的情況，因此為了保證夾持的力度，在設(shè)計(jì)時(shí)夾緊氣缸采用的是雙缸雙作用氣缸，并且在V型槽內(nèi)有絨毛層，可防止在夾持過程中對(duì)鋼管的外壁造成損傷。在下V型夾緊槽中間開有一個(gè)方形孔，一個(gè)三角形的金屬塊穿過方形孔可以將打磨完畢的鋼管送出下V型夾緊槽。

2.3 步進(jìn)電機(jī)毛刷機(jī)構(gòu)

步進(jìn)電機(jī)毛刷機(jī)構(gòu)如圖5所示。步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)后通過毛刷伸縮氣缸的伸縮實(shí)現(xiàn)毛刷對(duì)鋼管內(nèi)壁往復(fù)拋光，其中步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、拋光的時(shí)間以及毛刷的往復(fù)次數(shù)等可以通過觸摸屏進(jìn)行設(shè)定。這樣就保證了每個(gè)鋼管加工過程的一致性，同時(shí)設(shè)定參數(shù)的開放可以滿足不同產(chǎn)品拋光工藝的個(gè)性化要求，這在人工拋光的情況下是無法實(shí)現(xiàn)的［4］。

3 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣動(dòng)系統(tǒng)主要由氣源、氣源處理、電磁閥、單向節(jié)流閥、氣缸、傳感器等組成，氣缸采取排氣節(jié)流的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)氣缸速度的控制，保證氣缸在運(yùn)動(dòng)過程中動(dòng)作的平穩(wěn)。圖6為氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖。為了保證鋼管的夾持力度，確保在拋光過程中的安全和產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量，上夾緊氣缸采用雙缸雙作用氣缸，分料和送出氣缸因?yàn)榭紤]成本，故在滿足功能需求的情況下選用的是單作用氣缸。下面以毛刷伸縮氣缸為例介紹氣動(dòng)元件的選型。

3.1 氣缸行程選擇

毛刷伸縮氣缸的作用是推動(dòng)步進(jìn)電機(jī)裝置及毛刷進(jìn)出鋼管，設(shè)備設(shè)計(jì)要求能打磨的鋼管最大長度為160mm，實(shí)際有效工作行程應(yīng)大于這個(gè)值才能確保鋼管兩端的切口可以打磨到位。通過查詢SMC公司提供的雙作用氣缸圓整數(shù)值，選擇行程為200mm的氣缸。

3.2 氣缸缸徑選擇

1）步進(jìn)電機(jī)裝置質(zhì)量m=3.5kg，氣缸推動(dòng)步進(jìn)電機(jī)在滑動(dòng)導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)摩擦因素u=0.25，氣缸的軸向負(fù)載力F=umg=0.25×3.5×9.8=8.575（N）。考慮到打磨過程中，毛刷進(jìn)出鋼管需要克服一定的阻力，負(fù)載力的最終取值應(yīng)為F=8.575+50=58.575（N）。

3.3 電磁閥選型

時(shí)間就是效率，生產(chǎn)線對(duì)拋光效率有一定的要求，這樣對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮氣缸在快速運(yùn)動(dòng)過程中的可靠性。因此設(shè)計(jì)采用了滑動(dòng)導(dǎo)軌。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 電氣設(shè)計(jì)

1）控制器選型

為了控制成本以及實(shí)現(xiàn)設(shè)備小型化，控制器采用西門子最新推出的S7-1511C-1緊湊型PLC，它可靠性高、功耗小、抗干擾能力強(qiáng)、程序開發(fā)周期短、容易操作和方便日后維護(hù)人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修維護(hù)，配置有4個(gè)通道用于PTO（脈寬調(diào)制），頻率輸出高達(dá)100kHz，用以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，同時(shí)博途工藝對(duì)象中的運(yùn)動(dòng)控制向?qū)Э梢院芊奖愕貙?duì)脈沖輸出軸進(jìn)行參數(shù)配置。

自動(dòng)拋光機(jī)不可能孤立地成為一個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，它必須是企業(yè)全自動(dòng)生產(chǎn)線中的一個(gè)環(huán)節(jié)。因此要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化拋光機(jī)與整個(gè)生產(chǎn)線中的其他設(shè)備融合和聯(lián)動(dòng)，進(jìn)行信息交互，S7-1511C-1配備有Profinet等通信接口，方便了設(shè)備日后的擴(kuò)展和升級(jí)［6］。

2）PLC的I/O接線圖

圖7所示為自動(dòng)拋光機(jī)的I/O接口，包括有物料檢測(cè)、各種氣缸限位、氣缸的輸出、設(shè)備報(bào)警燈等，并且預(yù)留了一定數(shù)量的I/O接口，方便后期設(shè)備升級(jí)或者設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的信號(hào)交互。

3）步進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

拋光機(jī)進(jìn)行的是精拋?zhàn)鳂I(yè)，因此對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力要求并不高，選用步科的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)2S57Q-25B2，保持轉(zhuǎn)矩為2.5Nm，步距角為1.8°，相電流在線圈串聯(lián)情況下為2.9A，并聯(lián)情況下為6A。由于拋光的鋼管材質(zhì)為金屬，并且屬于精拋，高轉(zhuǎn)速性能相對(duì)來說更為重要，因此步進(jìn)電機(jī)在接線上選擇高速性能更好的線圈并聯(lián)式接法［7］。

步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器選擇步科的2CM880，主要考慮到步進(jìn)電機(jī)線圈并聯(lián)接法的電流為6A，是該型號(hào)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器相電流（峰值）的中位值，能更好地滿足拋光的要求。

4.2 程序設(shè)計(jì)

1）人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

如圖8所示，觸摸屏控制畫面提供了二維碼，方便操作人員在設(shè)備運(yùn)行中出現(xiàn)問題后聯(lián)系設(shè)備維護(hù)人員或者是開發(fā)人員。

如圖9所示，觸摸屏控制系統(tǒng)包括：主頁面、手動(dòng)界面、自動(dòng)界面、參數(shù)設(shè)定和I/O監(jiān)控，通過觸摸屏的設(shè)備狀態(tài)信息欄可以查看到當(dāng)前設(shè)備的報(bào)警信息，例如急停信號(hào)和傳感器故障信號(hào)等。在I/O監(jiān)控界面可以查看限位開關(guān)、氣缸當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)等，在參數(shù)設(shè)定界面可以實(shí)現(xiàn)各種拋光參數(shù)的設(shè)定，包括步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速、毛刷的旋轉(zhuǎn)方向、拋光時(shí)間等。

2）PLC程序的設(shè)計(jì)

電源開啟后，PLC控制系統(tǒng)初始化，包括計(jì)數(shù)器初始化、相關(guān)變量初始化、中斷信號(hào)初始化及報(bào)警信息清除等。當(dāng)系統(tǒng)初始化完成后，系統(tǒng)等待技術(shù)員完成啟動(dòng)步驟。主程序流程如圖10所示，操作工人首先通過觸摸屏完成工藝參數(shù)的設(shè)定。設(shè)備啟動(dòng)后，輸送帶開始運(yùn)行，將輸送帶上的鋼管送入分料機(jī)構(gòu)，如果5min內(nèi)無鋼管到達(dá)分料機(jī)構(gòu)，設(shè)備將通過HMI控制箱中的蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警同時(shí)輸送帶停機(jī)，提醒工人放料或者將信號(hào)送達(dá)前端產(chǎn)線。鋼管進(jìn)入分料槽后為了防止后續(xù)的鋼管與分料機(jī)構(gòu)或鋼管之間產(chǎn)生摩擦損傷，輸送帶應(yīng)停機(jī)，分料氣缸抬升將當(dāng)前鋼管推送入V型夾緊槽，輸送帶可以將下一個(gè)鋼管送入分料槽。上下V型夾緊氣缸完成鋼管夾持后，步進(jìn)電機(jī)依據(jù)觸摸屏設(shè)定的轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)毛刷旋轉(zhuǎn)，毛刷伸縮氣缸將毛刷送入鋼管內(nèi)進(jìn)行打磨拋光，打磨的時(shí)間由觸摸屏設(shè)定，打磨結(jié)束后毛刷退出鋼管，本次拋光結(jié)束。依據(jù)觸摸屏設(shè)定的打磨次數(shù)進(jìn)行多次打磨后，步進(jìn)電機(jī)停止并返回原點(diǎn)位，送出氣缸伸出，將鋼管送出拋光工位，完成一個(gè)鋼管的打磨加工［8］。

實(shí)際生產(chǎn)中的設(shè)備除了應(yīng)具備基本的動(dòng)作流程之外，其實(shí)很大一部分的編程與調(diào)試工作量是在安全和報(bào)警上。例如長時(shí)間沒有檢測(cè)到鋼管后能實(shí)現(xiàn)報(bào)警以及執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作流程，以及限位傳感器無信號(hào)，氣缸故障，氣源故障等的判斷與處理，方便維修人員快速地對(duì)故障進(jìn)行定位。

5 產(chǎn)品實(shí)際效果

如圖11所示，鋼管在拋光處理前在內(nèi)壁存在劃痕或者瑕疵，通過表面粗糙度測(cè)試儀檢查后發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品的粗糙度一般為Ra=0.4～0.8μm。如圖12所示，經(jīng)過拋光機(jī)打磨拋光后鋼管內(nèi)壁表面粗糙度提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)達(dá)到了Ra=0.1～0.2μm，顯著地提升了產(chǎn)品的品質(zhì)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語

自動(dòng)拋光機(jī)實(shí)物如圖13所示。通過巧妙的機(jī)械設(shè)計(jì)以及選用合理的氣動(dòng)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了拋光工藝的全自動(dòng)化。自動(dòng)拋光機(jī)可以根據(jù)不同材質(zhì)及產(chǎn)品的特性實(shí)現(xiàn)不同拋光工藝的要求，極大地提高了鋼管拋光作業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)，節(jié)省了人工成本。操作員與拋光機(jī)可以完全隔離不會(huì)吸入粉塵，符合安全與環(huán)保的理念；拋光過程中的金屬粉塵也可集中處理，不會(huì)污染環(huán)境，具有較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

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