自動拋光機設計及拋光結構受力分析

劉侃　張洪　馬俊峰

【摘 要】本文主要介紹一款針對放風閥閥芯頭的自動拋光機設計，本設計包括機械結構設計和控制系統設計，利用有限元分析對自動拋光機的核心部位即拋光輪機構進行力學校核和機構完善，使得此自動拋光機實現了對放風閥閥芯從上料，運料，拋光，以及下料各環節全自動操控，實現真正的自動拋光。此自動拋光機設計合理，可用于工程實際。

【關鍵詞】自動拋光機；有限元；拋光輪機構

中圖分類號： TG502 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）08-0127-003

Automatic Polisher Design and Forced Analysis of Polished Structure

LIU Kan ZHANG Hong MA Jun-feng

（School of Mechanical Engineering，Jiangnan University，Wuxi2114122，China）

【Abstract】This article mainly introduces an automatic polisher design for air release valve heads. This design includes the mechanical structure design and control system design. The finite element analysis is used to improve the core of the automatic polisher， namely the polishing wheel mechanism. This makes the automatic polishing machine realize the automatic control of the air release valve spool from feeding， transporting， polishing， and blanking to achieve true automatic polishing. This automatic polishing machine is designed to be practical and practical.

【Key words】Automatic polishing machine； Finite element； Polishing wheel mechanism

0 引言

目前市場上針對放風閥閥芯頭還是以手動拋光為主。手動拋光不僅速度慢，而且還會消耗大量人力，同時對于拋光人員的技術也有很大的要求，拋光后的產品質量也會參差不齊。現在市場追求自動化程度越來越高，也急需一臺自動化設備來完成對放風閥閥芯頭的拋光工作，本文介紹一款自動拋光機設備，解決放風閥閥芯頭的拋光問題。設計這樣的設備，其核心部分即拋光機構的設計極其重要，因此需要對拋光機構進行不斷校核和完善機構，以達到拋光要求。

1 自動拋光機設計

本設計主要針對放風閥閥芯產品，其特點是體積小，形狀特殊，所要拋光表面為圓弧形狀，如圖一所示。此設計包括上料，運料，拋光以及下料各環節，實現對放風閥閥芯頭的全自動拋光。上料環節完成閥芯的自動上料，運料環節完成放風閥閥芯的工位轉換，即從上料區到拋光區，以及到下料區，此環節采用氣動手爪設計，其優點是簡單，快速，穩定，拋光環節主要結構設計是針對拋光輪的安裝設計，此結構是整個設備的關鍵部位，也決定拋光質量的好壞。下料環節主要完成對拋光后的工件的整理，使得產品便于包裝。全部環節都由可編程控制器進行控制。

1.1 上料機構設計

為使產品自動上料，可采取振動盤機構，在振動盤出口處放置傳感器，設置上料區，等待氣動手爪進行抓取。振動盤設計穩定快速，且應用廣泛，此處針對放風閥閥芯這種小型工件，此設計合理簡便。

1.2 氣動手爪機構設計

氣動手爪機構主要完成運料工作。本機構包括手指氣缸，薄型氣缸，迷你氣缸，滑動導軌以及各連接件。兩手指氣缸設計采用并聯機構，其運動過程一致，在不同工位點進行相同動作，采用同一電磁閥控制。在夾取工件過程中，為防止留下刮痕，手指部分采用尼龍材料，增大接觸面的摩擦力。在手指氣缸夾取工件時，由于是雙指機構，所以在運料過程中會出現旋轉現象，為解決這一問題，本機構采用了手指氣缸底部法蘭固定以及螺紋過渡連接，使得運料過程中夾取更加穩定。閥芯頭的拋光過程共有三個工位點，分別是上料點，拋光點，下料點。由于采用并聯機構，本設計將出現兩點位置完成三個工位的工作過程。導軌除了引導作用外還具有支撐功能，其優點是在進行運料過程中，整體機構平穩，不會出現偏移或者抖動現象。這樣的設計便于控制，且使得運料過程更加迅速，縮短運料時間，提高拋光效率。

1.3 拋光輪機構設計

拋光輪機構是整個設備的關鍵部位，其包括砂輪，氣動馬達，同步帶，迷你氣缸，薄型氣缸，導軌以及各連接件。本機構采用氣動馬達為動力源，同步帶進行傳動，以此帶動砂輪進行高速旋轉拋光工件。放風閥閥芯頭是一個圓弧形狀，在進行拋光過程中，需根據圓弧面進行不斷的調節進給量以此來進行拋光曲面。所以拋光過程需要兩個自由度，迷你氣缸負責前后方向自由度，薄型氣缸負責上下方向自由度。在拋光時，兩個方向同時運動，使得拋光輪走出圓弧路線。整個拋光輪機構在導軌上運行，提高了穩定性和拋光精度。

1.4 閥芯頭夾持機構設計

放風閥閥芯頭底部為圓柱形，所以在進行拋光過程中需要夾緊閥芯頭底部。本設計采用彈簧夾頭作為夾具，彈簧夾頭安裝在儀表車頭上，通過氣缸動作控制彈簧夾頭的夾緊與松開。基于放風閥這個特定的工件，使它在拋光過程中工件不會出現傾斜現象，需要在彈簧夾頭大徑處做一平臺為支撐面。彈簧夾頭夾緊工件的同時還要由三相異步電機帶動其旋轉，這樣可以使整個閥芯頭拋光更加完整。

1.5 下料機構設計

在完成拋光環節后，氣動手爪機構會將工件送至下料區，為使得排料整齊，將由旋轉氣缸帶動刮條將工件進行整料。

1.6 控制系統設計

控制系統全程采用可編程控制器，各傳感器連接到控制器的輸入端，輸出端連接電磁閥，以及繼電器。接觸器控制三相異步電機的正反轉。可編程控制器系統穩定，抗干擾能力強，操作更加方便。

2 拋光結構受力分析

拋光結構是整個自動拋光機的關鍵部位，拋光質量的好壞直接決定了整個設備是否可以投入實際生產，而本設計將采用有限元分析，對此部分結構進行校核以及改進。拋光機構包括拋光輪，轉動軸，同步帶，氣動馬達，支撐板以及各連接件。拋光時，氣動馬達作為動力元件提供動力，經同步帶傳動，帶動轉動軸旋轉，與轉動軸同步的砂輪高速磨削工件。砂輪上單個磨粒的切削厚度固然很小，但是大量的磨粒同時對被磨金屬層進行擠壓、刻劃和滑擦，加之磨粒的工作 角度又很不合理，因此總的磨削力很大。為便于測量和計算，將總磨削力分解為三個相互垂直的分力Fx（軸向磨削力）、Fy（徑向磨削力）、Fz（切向磨削力）。

所受磨削力有以下特點：

（1）徑向磨削力Fy最大。這是因為磨粒的刃棱大都以負前角工作，而且刃棱鈍化后，形成小的棱面增大了與工件的實際接觸面積，從而使Fy增大。通常Fy=（1.6～3.2）Fz。

（2）軸向磨削力Fx很小，一般可以不必考慮。

（3）磨削力隨不同的磨削階段而變化。在初磨階段，磨削力由小至大變化較大；進入穩定階段，工藝系統的彈性變形 達到一定程度，此時磨削力較為穩定；光磨階段實際磨削深度近趨于零，此時磨削力漸小。

磨削過程很復雜，影響磨削力的因素也很多，上述理論公式的精確度不高。目前一般采用實驗方法來測定磨削力的大小。

此拋光機構由支撐板作為主要支撐元件，承受來自各元件的重力以及磨削時的磨削力，因此相對來說，支撐板結構需要很高的強度和抗彎矩能力。此支撐板設計采用工字型模型，受力如圖4所示。

圖中FZ，Fy——分別為支撐板所受切向和徑向磨削力（N）；F1，F2——分別為氣動馬達重力和下方薄型氣缸的支撐力（N）；F2，Mg——分別為砂輪部分重力和支撐板重力（N）。

從圖中可以看出支撐板所受最大位移量為0.01534mm，而在核心部位的位移量為0.00767mm到0.00921mm之間，此變形量不會對實際拋光產生影響。

3 結語

本自動拋光機實現了對放風閥閥芯頭的自動拋光工作，從上料，運料，拋光以及下料，各個環節都是自動完成。全程由可編程控制器進行控制，方便快捷。整體機構設計合理完善，使得拋光質量較高，利于放風閥閥芯的批量生產，也使得此設計機構可用于生產實際。

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