不銹鋼保溫杯自動化機械拋光技術的研究

羅 俏，莫慶龍

（廣東省自動化研究所廣東省現代控制技術重點實驗室//廣東省現代控制與光機電技術公共實驗室，廣東廣州 510070）

不銹鋼具有耐蝕性、耐熱性、良好的加工性等特點，因而被廣泛應用于航空、醫療、建筑、家電以及食品等行業[1]。不銹鋼保溫杯因其造型精美、結實耐用、保溫性能好，成為了人們的日常生活用品。我國是一個不銹鋼保溫杯的生產大國，主要有浙江永康、武義和廣東潮安、新會、揭陽等產業基地[2]。不銹鋼保溫杯在加工的過程中，因沖壓和焊接，其表面會形成一層灰色的氧化皮，嚴重影響產品的外觀質量和使用性能，因此去除氧化皮的拋光工藝就成了不銹鋼保溫杯加工過程中極其重要的一個環節[3]。

現階段我國不銹鋼制品的拋光模式主要是人工拋光模式，人工拋光不但效率低下、成本高昂，而且作業條件惡劣，人體長期吸入不銹鋼粉塵，易患塵肺病[4]。用自動化機械拋光代替人工拋光，可以提高效率、降低成本，更重要的是可以改善工人的工作環境，防止職業病的發生，對于我國不銹鋼產業的發展具有重要意義。

1 設計原理

拋光是一個復雜的過程，目前還沒有統一的理論對拋光的本質進行描述。為了便于分析和控制拋光過程，通過簡化模型，普林斯頓提出了著名的材料去除率模型，用于表示拋光效率和工藝參數之間的關系[5]。

從式（1）可知，影響拋光速率的主要因素有兩個，一個是拋光點接觸壓強，另一個是拋光輪和工件之間的相對速度。要想獲得良好的拋光質量，整個拋光過程的材料去除率越均勻越好。拋光輪與工件之間的相對速度V比較好控制，當工藝參數一定時，V就一定；拋光點接觸壓強P則會隨著工件與拋光輪的接觸位置不同而改變。若拋光的整個過程，工件的外廓曲線都能在拋光輪的中點與之相切，則拋光點接觸壓強P最穩定，獲得的拋光質量最佳。由于不銹鋼保溫杯外廓曲線的復雜性以及拋光輪厚度的限制，普通的數控裝置很難做到這點。而在人工拋光過程中，人們在拋光過程中會根據不銹鋼保溫杯的外廓曲線的變化而將不銹鋼保溫杯旋轉一定的角度，以保證在拋光的整個過程，不銹鋼保溫杯的外廓曲線都在拋光輪的中點與之相切。圖3是通過模擬人工拋光過程設計的不銹鋼保溫杯自動拋光試驗機。用絲杠完成拋光的橫向進給，同時用兩個氣缸模擬人的兩個手，對不銹鋼保溫杯施加一定的力矩，使之旋轉。兩個氣缸的氣壓分別通過電氣比例閥控制，控制系統根據不銹鋼保溫杯的外廓曲線和橫向進給速度，不斷調整兩個氣缸的氣壓，輸出合適的控制力矩。

假設不銹鋼保溫杯外廓曲線上的一段如圖1所示。X為橫坐標，也是絲杠的進給方向，f（X）為表示曲線的函數。在任意一點x上作曲線的切線，f′（X）為該切線的斜率，切線與X軸的夾角θ就是在這點上不銹鋼保溫杯旋轉角度的參考量，即當拋光輪的中點和X重合時，不銹鋼保溫杯旋轉一個角度θ，其外廓曲線就能與拋光輪相切，切點就是x點。θ與f′（X）的關系如式（2）所示。

x與橫向進給速度的關系如式（3）所示，x?[0，不銹鋼保溫杯的長度]：

其中：v——橫向進給速度；

t——拋光時間。

若在任意一點上，曲線切線與X軸的夾角θ的變化率都能與不銹鋼保溫杯旋轉的角速度相同，即可保證整個拋光過程中，不銹鋼保溫杯的外廓曲線都在拋光輪的中點與之相切，即：

其中：

M（t）——施加給機臺的控制合力矩；

I——機臺的轉動慣量；

ω0——0點處的初始角速度。

將式（2）（3）代入式（4）得：

兩邊再對時間t求導，并整理得

式（6）就是不銹鋼保溫杯拋光試驗機機臺控制合力矩的變化函數，從式（6）中可以看出，當不銹鋼保溫杯外廓曲線一定時，控制合力矩與機臺的轉動慣量、橫向進給速度的平方成正比關系。

圖1 不銹鋼保溫杯外廓的一段曲線

不銹鋼保溫杯的外廓曲線往往是不規則的，所以f(x)是很難求出精確的解析式的。解決的辦法將外廓曲線分段，然后用多項式擬合[6]。從式（6）中看到，f(x)要求三階導數，所以多項式要求至少三階以上。階數越高，結果越精確，但計算量也相應增加了。需要注意的是，當外廓曲線是凹形而且曲率較大時，由于拋光輪的厚度很大，使用這種控制方法有可能會使凹處無法拋光，若出現這種情況，則要把這段曲線單獨處理。不銹鋼保溫杯的外廓曲線的曲率一般不大，所以通常不需要考慮這個問題。

當不銹鋼保溫杯的外廓曲線用多項式擬合出來后，通過式（6）和式（3）就可以計算出合力矩M（t）在整個拋光過程的變化規律。合力矩M（t）由兩部分合成，如式（7）所示。

其中：

M氣（t）——氣缸的輸出力矩；

M磨——機臺的摩擦力矩。

由（7）可得氣缸輸出控制力矩

在實際應用中，要逐段分析摩擦力矩M磨的方向。此外，還要考慮氣動系統的滯后性，給電氣比例閥下達的控制指令要有一定的超前時間，保證氣缸的動作能與拋光動作同步。超前時間要通過實驗測定。

2 不銹鋼保溫杯拋光試驗機的設計

2.1 結構設計

不銹鋼保溫杯拋光試驗機除了上下料需要手工外，整個拋光過程都能實現自動化，而且通過修改PLC程序，各工藝參數也能很方便地修改。如圖2所示，不銹鋼保溫杯拋光試驗機各部功能簡介：

（1）布輪：拋光輪；

（2）氣缸（40 mm）：夾緊不銹鋼保溫杯；

（3）氣缸（25 mm）：工作臺縱向進給以及提供不銹鋼保溫杯與布輪之間的作用力；

（4）滑臺：工作臺的橫向進給（伺服控制）；

（5）瓶動力裝置：提供保溫瓶拋光時自轉的動力（伺服控制）；

（6）氣缸（16 mm，兩個）：拋光過程中，能根據不銹鋼保溫杯與布輪的接觸面形狀自動調整工作臺的傾角，保證保溫杯的整個外表面拋光均勻（電氣比例閥控制），實際加工的試驗機如圖3所示。

圖2 不銹鋼保溫杯自動拋光試驗機3D設計圖

圖3 不銹鋼保溫杯自動拋光試驗機

2.2 控制系統設計

不銹鋼保溫杯自動拋光試驗機采用PLC(可編程邏輯控制器)控制。其控制系統的硬件主要有匯川H-3232MTQ型PLC 1臺和匯川高頻模擬量輸出模塊1塊。控制流程是：夾緊→靠近準備拋光→開始拋光→拋光完成→結束。該控制系統最大的特點是能在拋光過程中根據時間的變化自動調節控制力矩，具體的實施過程如圖4所示。

3 實驗

3.1 實驗儀器

（1）不銹鋼保溫杯拋光試驗機（自制）；

（2）不銹鋼保溫杯毛坯；

（3）WGG20——S(C)系列輕便數字光澤度計。

圖4 控制力矩自動調節實施過程圖

3.2 實驗方案

為了測試不銹鋼保溫杯拋光試驗機的拋光效果并獲得比較合理的工藝參數，采用正交實驗設計方法設計了實驗。根據分析，確定瓶輪接觸壓力、拋光輪線速度和橫向進給速度為實驗的三個試驗因素，分別記作A、B和C。每個因素均取3個水平，因素水平表見表1所示。

表1 拋光正交實驗因素水平表

因有3個三水平的因素，且不考慮因素之間的交互作用，所以采用L9（34）正交表，形成的實驗方案如表2所示。

表2 拋光正交實驗設計表

3.3 實驗結果

按照表2設定好實驗參數，將不銹鋼保溫杯毛坯手工裝上拋光試驗機，然后啟動自動拋光程序，將不銹鋼保溫杯毛坯拋光。拋光完成后，將制品卸下，首先目測制品的拋光質量，如圖5所示。然后用數字光澤度計測量制品的表面光潔度，獲得實驗結果，并將數據處理，結果如表3所示。

表3 實驗結果表

從拋光的結果來看，拋光試驗機能比較好的模擬人工拋光過程，為獲得成本低廉、性能穩定的全自動的不銹鋼保溫杯拋光機奠定了基礎。從拋光工藝參數的正交實驗結果看出，不銹鋼保溫杯與拋光輪之間的壓力是影響拋光質量的最大因素，其次是橫向進給速度，影響最小的是拋光輪的線速度，這對制定合適的拋光工藝參數具有一定的指導意義。

圖5 不銹鋼保溫杯拋光效果圖

4 結束語

我國不銹鋼保溫杯的拋光工藝普遍采用人工拋光的模式，嚴重制約了不銹鋼制品產業的發展。人工拋光模式具有效率低下、拋光質量不穩定的缺點，并嚴重威脅拋光從業人員的身體健康。通過對人工拋光過程的研究，設計了能模擬人工拋光的不銹鋼保溫杯拋光試驗機，并推導了不銹鋼保溫杯拋光試驗機機臺控制合力矩與不銹鋼保溫杯外廓曲線、橫向進給速度的關系表達式。實驗顯示，不銹鋼保溫杯拋光試驗機除了不能自動上下料，其他的拋光動作都能自動完成，且取得了良好的拋光效果，這說明開發出全自動的不銹鋼保溫杯拋光設備是具備可行性的。此外，還通過正交實驗方法研究了各個工藝參數對拋光質量的影響。

［1］李偉華，閻秋生，高偉強.不繡鋼表面加工的現狀與發展趨勢［J］.機械制造，2009，47（537）：45-47.

［2］毛佩佩.中國不銹鋼保溫杯調查報告［D］.沈陽：遼寧大學，2012.

［3］朱則剛.淺談不銹鋼的應用及其表面處理和加工技術［J］.特鋼技術，2014，20（78）：8-13.

［4］張偉.九成職業病為塵肺?。跱］.保健時報，2014-7-17（003）.

［5］徐造坤.不銹鋼薄壁材料工件自動化機械拋光技術研究及工藝優化［D］.武漢：華中科技大學，2013.

［6］王兆清，李淑萍，唐炳濤.任意連續函數的多項式插值逼近［J］.山東建筑大學學報，2007，22（2）：158-162.