新型異形鋼板切割件毛刺自動(dòng)打磨機(jī)的設(shè)計(jì)

韋林，賀曉華

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西柳州545006）

新型異形鋼板切割件毛刺自動(dòng)打磨機(jī)的設(shè)計(jì)

韋林，賀曉華

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西柳州545006）

鋼板切割件的毛刺打磨是一個(gè)現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)難題，設(shè)計(jì)一種自動(dòng)打磨裝置對(duì)解決這個(gè)難題有重要意義。通過研究自動(dòng)打磨過程的關(guān)鍵要素，確定了自動(dòng)打磨裝置的技術(shù)路線。綜合運(yùn)用機(jī)電CAD/CAE技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)打磨機(jī)的機(jī)械建模、強(qiáng)度分析和運(yùn)動(dòng)控制，為物理樣機(jī)試制奠定了基礎(chǔ)。

毛刺打磨；機(jī)械建模；運(yùn)動(dòng)控制

鋼板切割件用途廣泛，需求量大。但是目前鋼板切割件基本都是采取人工的方式去除毛刺，存在著勞動(dòng)強(qiáng)度大，人工成本高，打磨效率低下，打磨質(zhì)量不穩(wěn)定等種種弊端?，F(xiàn)有的打磨機(jī)械由于適用性不廣，無法自動(dòng)打磨異形鋼板切割件，鋼板切割件毛刺去除成為一個(gè)機(jī)械加工企業(yè)的生產(chǎn)難題，嚴(yán)重制約生產(chǎn)的發(fā)展。針對(duì)這一現(xiàn)狀，有必要研制一種自動(dòng)打磨裝置，通過對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，充分運(yùn)用機(jī)電一體化技術(shù)，自動(dòng)確定磨削要素，自動(dòng)跟蹤磨削軌跡，自動(dòng)修整磨具，實(shí)現(xiàn)鋼板切割件毛刺的自動(dòng)打磨，從而促進(jìn)企業(yè)生產(chǎn)效率提高和經(jīng)濟(jì)效益的增長。

1　自動(dòng)打磨機(jī)功能概述

分析異型鋼板毛刺去除過程可知，自動(dòng)打磨異型鋼板切割件毛刺的過程主要包括兩種基本運(yùn)動(dòng)，其一是自動(dòng)尋邊運(yùn)動(dòng)，也就是能自動(dòng)依循異型鋼板的輪廓行進(jìn)，保證打磨砂輪與鋼板輪廓的可靠接觸；其二是打磨運(yùn)動(dòng)，能確保打磨砂輪以適當(dāng)?shù)牧Χ冗M(jìn)行打磨。

采用接觸力反饋的方式可以較為方便的同時(shí)實(shí)現(xiàn)這兩種運(yùn)動(dòng)。接觸力反饋控制指的是通過檢測(cè)砂輪與鋼板輪廓之間的接觸力，對(duì)打磨機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行控制，從而達(dá)到自動(dòng)打磨的目的。采用接觸力反饋控制可以簡化打磨機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高打磨機(jī)的可靠性。

2　自動(dòng)打磨機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)

2.1自動(dòng)打磨機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

打磨機(jī)的工作主要需要尋邊行走和打磨這兩種運(yùn)動(dòng)，因此打磨機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)能確保這兩種運(yùn)動(dòng)的可靠實(shí)現(xiàn)。打磨運(yùn)動(dòng)是單一的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)砂輪以一定速度旋轉(zhuǎn)即可。自動(dòng)尋邊行走是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)打磨的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡需要根據(jù)鋼板輪廓的變化而變化，采用四輪行走機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。因此，整個(gè)自動(dòng)打磨機(jī)可以看成是一個(gè)四輪小車，在小車上安裝用于打磨的砂輪機(jī)構(gòu)。為了平衡磨削力對(duì)行走的影響，需要給小車提供足夠的摩擦力。由于不考慮增加打磨機(jī)質(zhì)量的方式來增加摩擦力，因此可采用磁吸力來增加正壓力，從而增加行走摩擦力。采用磁吸力的另一好處是可以方便地調(diào)整正壓力的大小，從而適應(yīng)不同的打磨工況。

2.2自動(dòng)打磨機(jī)的整體模型

自動(dòng)打磨機(jī)主要由兩部分組成，采用NX10進(jìn)行三維建模。NX10是UG軟件的最新版，具有較為強(qiáng)大的參數(shù)化建模功能，有利于實(shí)現(xiàn)從概念設(shè)計(jì)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的全過程，除了較為強(qiáng)大的CAD功能之外，NX10還具有滿足設(shè)計(jì)所需的CAE功能，能無縫實(shí)現(xiàn)CAD /CAE一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)，已得到越來越多的應(yīng)用。

自動(dòng)打磨機(jī)如圖1所示。打磨機(jī)機(jī)座位于鋼板之上，通過四個(gè)小輪可在鋼板上自由移動(dòng)?；习惭b有打磨砂輪支架，打磨砂輪支架為一懸臂結(jié)構(gòu)。其上浮動(dòng)安裝有砂輪驅(qū)動(dòng)軸。砂輪驅(qū)動(dòng)軸由彈簧預(yù)定位，無外力時(shí)砂輪驅(qū)動(dòng)軸與砂輪支架之間無位移。打磨時(shí)在磨削力的作用下，砂輪驅(qū)動(dòng)軸發(fā)生位移，通過位置傳感器檢測(cè)砂輪驅(qū)動(dòng)軸的位置，可判斷打磨機(jī)機(jī)座的行走軌跡是否合適。所有建模均采用參數(shù)化設(shè)計(jì)，有利于實(shí)現(xiàn)CAE之后的快速優(yōu)化。

圖1　打磨機(jī)三維模型

2.3自動(dòng)打磨機(jī)磨削抗力的實(shí)現(xiàn)

由自動(dòng)打磨機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)可知，打磨機(jī)工作時(shí)的磨削力經(jīng)砂輪傳遞到砂輪支架，最終與行走小車與鋼板之間產(chǎn)生的摩擦力平衡。磨削力的大小可由小車與鋼板輪廓邊緣的距離進(jìn)行調(diào)節(jié)以保持在正常工作范圍內(nèi)，行走小車與鋼板之間產(chǎn)生的摩擦力通過小車對(duì)鋼板的正壓力獲得。由于小車的自重不足以提供足夠的正壓力，因此采用磁吸力來獲得額外的正壓力。磁吸力可由永久磁鐵或電磁線圈產(chǎn)生，當(dāng)采用永久磁鐵來產(chǎn)生磁吸力時(shí)，其結(jié)構(gòu)類似磁力表座，通過改變永久磁鐵的位置來加載或卸載磁吸力；當(dāng)采用電磁線圈來產(chǎn)生磁吸力時(shí)，則可方便的通過調(diào)節(jié)電流大小來改變磁吸力的大小。

2.4自動(dòng)打磨機(jī)的行走機(jī)構(gòu)

自動(dòng)打磨機(jī)的行走機(jī)構(gòu)如圖2、圖3所示，由四個(gè)獨(dú)立行走小輪組成。四個(gè)小輪呈菱形布置，其中位于縱向軸線的兩個(gè)小輪稱為前輪和后輪（圖3位于左上角位置的輪為前輪，位于右下角位置的輪為后輪），為非驅(qū)動(dòng)輪。位于橫向軸線上的兩個(gè)小輪稱為左輪和右輪，為獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輪。左輪和右輪通過兩個(gè)獨(dú)立的電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，由電機(jī)速度的變化來實(shí)現(xiàn)行進(jìn)軌跡的控制。

圖2　行走機(jī)構(gòu)主視圖

圖3　行走機(jī)構(gòu)俯視圖

2.5自動(dòng)打磨機(jī)的CAE分析

自動(dòng)打磨機(jī)的砂輪支架是打磨機(jī)的關(guān)鍵受力部件，有必要對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。在NX 10中進(jìn)行CAE結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析主要包括部件材料設(shè)置，網(wǎng)格劃分，約束與載荷加載等前期工作，提交計(jì)算后，可以方便的在后處理中看到計(jì)算的結(jié)果。圖4、圖5是砂輪支架的受力應(yīng)力云圖及位移云圖，從圖中可以知道，砂輪支架變形在合理范圍之內(nèi)，不會(huì)影響打磨機(jī)的正常工作。

圖4　砂輪支架CAE應(yīng)力云圖

圖5　砂輪支架CAE位移云圖

3　自動(dòng)打磨機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)

3.1自動(dòng)打磨機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制策略

自動(dòng)打磨機(jī)的行走軌跡控制是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)打磨的關(guān)鍵所在。由于前后輪是非驅(qū)動(dòng)輪，因此，打磨機(jī)的行走軌跡主要由左右輪來控制。不同的運(yùn)動(dòng)控制策略會(huì)導(dǎo)致不同的打磨效果。設(shè)基本打磨行進(jìn)速度為v，左輪速度為vz，右輪速度為vy，幾種可能的控制策略如下：

（1）vz=vy=v打磨直線輪廓，打磨機(jī)按照行進(jìn)速度v進(jìn)行打磨；

（2）vz＞vy＞v打磨機(jī)向右轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向圓弧大小由vz、vy速度大小決定，用于較平緩的輪廓變化；

（3）vy＞vz＞v打磨機(jī)向左轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向圓弧大小由vz、vy速度大小決定，用于較平緩的輪廓變化；

（4）vz=v，vy=0打磨機(jī)向右轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向圓弧大小由左右輪距決定；

（5）vy=v，vz=0打磨機(jī)向左轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向圓弧大小由左右輪距決定；

（6）vz=v，vy＜0打磨機(jī)向右轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向圓弧大小由vz、vy速度大小決定，用于較急劇的輪廓變化；

（7）vy=v，vz＜0打磨機(jī)向左轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向圓弧大小由vz、vy速度大小決定，用于較急劇的輪廓變化。

左右輪的速度根據(jù)對(duì)砂輪驅(qū)動(dòng)軸位置的檢測(cè)信號(hào)來控制。當(dāng)左右位置檢測(cè)信號(hào)均無時(shí)，說明砂輪位置居中，打磨機(jī)保持直線行進(jìn)，采用控制策略（1）；當(dāng)砂輪位置右信號(hào)輸出時(shí)，說明砂輪與鋼板之間正壓力偏小，打磨機(jī)應(yīng)右轉(zhuǎn)，采用控制策略（2）；當(dāng)砂輪位置左信號(hào)輸出時(shí)，說明砂輪與鋼板之間正壓力偏大，打磨機(jī)應(yīng)左轉(zhuǎn)；采用控制策略（3）；在設(shè)定的t1時(shí)間內(nèi)，控制策略（2）或控制策略（3）未改變砂輪位置信號(hào)，則啟用對(duì)應(yīng)的控制策略（4）或控制策略（5）；在設(shè)定的t2時(shí)間內(nèi)，控制策略（4）或控制策略（5）未改變砂輪位置信號(hào)，則啟用對(duì)應(yīng)的控制策略（6）或控制策略（7），直至砂輪位置信號(hào)均無輸出。在設(shè)定的t3時(shí)間內(nèi)，控制策略（6）或控制策略（7）未改變砂輪位置信號(hào)，則啟動(dòng)報(bào)警，需要人工干預(yù)自動(dòng)尋邊狀態(tài)。

3.2自動(dòng)打磨機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)

左右輪由獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制器通過檢測(cè)砂輪位置信號(hào)，按照控制策略對(duì)左右電機(jī)進(jìn)行速度和轉(zhuǎn)向的控制，應(yīng)用Lab VIEW軟件可以方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)左右輪的控制，部分控制框圖如圖6（a）、圖6（b）、圖6（c）、圖6（d）所示。

（續(xù)下圖）

（續(xù)下圖）

圖6　打磨機(jī)運(yùn)動(dòng)控制框圖

4　結(jié)束語

通過對(duì)鋼板毛刺去除過程的分析，建立了自動(dòng)打磨機(jī)概念模型，在這個(gè)基礎(chǔ)上運(yùn)用CAD/CAE軟件建立了自動(dòng)打磨機(jī)的機(jī)械模型并對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行了強(qiáng)度分析。運(yùn)用LabVIEW軟件建立了自動(dòng)打磨機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)打磨機(jī)的自動(dòng)尋邊工作。該數(shù)字樣機(jī)的建立為下一步進(jìn)行物理樣機(jī)的試制奠定了基礎(chǔ)。

[1]梁健，曹雁.毛刺打磨機(jī)方案說明[J].科技傳播，2003，（11上）：172，176.

[2]張新眾.鋼軌軌墻自動(dòng)打磨機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[D].沈陽：東北大學(xué)，2012.

Design of A New Type Automatic Polishing Machine for Cutting Pieces of Profiled Steel Plate

WEI Lin，HE Xiao-hua
（Liuzhou Vocational&Technical College，Liuzhou Guangxi 545006，China）

The burr polishing of steel-plate cutting piece tends to be a practical development problem.Thus，it appears to be significantly meaningful to design a kind of automatic-polish device to solve the problem.By studying the pivotal elements of the automatic-polishing process，the technology roadmap of automatic-polish device was formulated.Employing the electromechanical technology CAD/CAE comprehensively，the mechanical modeling，strength analysis and motion control have been achieved，which has laid the foundation for the triadproduction of the physical prototype.

burr polishing；mechanical modeling；motion control

TG74

A

1672-545X（2016）09-0063-03

2016-06-24

2014年度廣西高等學(xué)?？蒲许?xiàng)目（編號(hào)LX2014543）；獲廣西高等學(xué)校優(yōu)秀中青年骨干教師培養(yǎng)工程項(xiàng)目資助。

韋林（1973-），女，廣西柳江人，碩士，副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)、設(shè)備管理；賀曉華（1972-），男，湖南衡南人，碩士，副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)電技術(shù)。