基于氣動技術補償雙重磨損的拋光涂蠟裝置研究

彭 余，王忠偉，黃溢明

（廣東博科數控機械有限公司，廣東佛山 528306）

0 引言

拋光涂蠟裝置是用于把固體蠟均勻涂抹在拋光設備拋光輪工作表面上的裝置。目前，拋光設備使用的拋光涂蠟分為液體蠟和固體蠟[1-2]。液體涂蠟通過人工不斷調整噴槍角度與磨損的拋光輪配合，避免使液體蠟噴射到拋光輪以外區域。使用液體蠟的缺點是蠟的浪費、成本高，而且污染設備部件難以清理[3]?，F有拋光設備更多采用的是人工或自動固體蠟條進行涂蠟[4]。由于蠟條與拋光輪接觸產生兩者的磨損沒有實現實時補償，造成涂蠟不均勻。本文將介紹利用氣壓傳動控制技術，實現同時補償固體蠟條和拋光輪磨損的自動涂蠟裝置，具有較高的經濟價值，適應當前工業自動化發展趨勢[5]。

圖1 氣動拋光涂蠟裝置示意圖

1 拋光涂蠟裝置的設計

1.1 拋光涂蠟裝置設計方案

圖1為氣動拋光涂蠟裝置示意圖。氣動拋光涂蠟裝置主要由氣動固體蠟夾持和執行元件及氣動控制元件組成。真空固體蠟夾持和執行元件由直線運動氣缸，擺動運動氣缸，中空活塞桿，真空吸盤，帶密封螺紋的實心軸及其調節手輪等零部件組成。氣動控制元件由單向節流閥，換向閥，真空發生器，感應開關和外部控制系統等組成。直線運動氣缸和擺動氣缸共用1條中空活塞桿，2個氣缸分別由2個電磁閥單獨控制，擺動氣缸的軸銷和接近開關實現擺動角度控制與調整。通過外部控制系統使共用中空活塞桿的直線運動氣缸和擺動運動氣缸合成為直線擺動運動，驅動固體蠟條向前與拋光輪接觸涂蠟，實時補償蠟條與拋光輪的磨損，使固體蠟條端面始終維持平整，拋光輪涂蠟保持均勻一致；或快速退回原位。2個氣缸的單向節流閥分別用于調節蠟條擺動速度和驅動固體蠟條進給速度，以適應不同材質的拋光輪涂蠟接觸力大小和蠟條的磨損。由于外部控制系統的時序控制和2個氣缸內的空氣壓力保持穩定，因此拋光輪和固體蠟條的接觸力也保持恒定。擺動運動消除接觸涂蠟所產生的蠟條凹槽，從而保持固體蠟條端面始終維持平整，同時補償了固體蠟條和拋光輪的磨損。圓形真空吸盤用于吸附固定固體蠟條，并通過高效真空發生器和電磁閥組件實現固體蠟條的夾緊與松開[6]。轉動調節手輪調整新換固體蠟條和拋光輪邊緣表面接觸區域，使蠟條端面保持平整。

1.2 拋光涂蠟裝置氣動原理

本文采用的拋光涂蠟裝置氣動系統主要由氣源、氣動閥、氣缸、真空發生器、電控開關和外部控制系統等組成，如圖2所示。壓縮空氣經過濾減壓閥后形成預設的恒定壓力，通過換向控制閥同時進入真空發生器和氣缸，吸盤內部形成真空。同時，外部控制系統的時序控制使2個氣缸動作，分別調節2個單向節流閥，可以改變氣缸的輸出力和直線擺動運動速度，適應不同材質的拋光輪所需的涂蠟接觸力。通過控制電磁閥，可以切換真空狀態，吸住和松開固體蠟條。當直線運動氣缸活塞上的磁環使接近開關發出信號時，直線運動氣缸和擺動氣缸快速退回原位，外部控制系統提示更換新的固體蠟條[6-8]。

圖2 拋光涂蠟裝置氣動原理圖

1.3 拋光涂蠟裝置匹配計算

在使用不同材質的拋光輪對工件拋光時，需先確定氣缸的輸出力、活塞桿的運動速度、壓力開關的設定壓力值[7-8]。

1.3.1 氣缸的輸出力

氣缸活塞桿伸出時克服拋光輪涂蠟阻力，根據靜力平衡方程，氣缸輸出力為：

式中：F為氣缸輸出力，N；FR為拋光輪涂蠟阻力，N；G為固體蠟條的重力，N；θ為固體蠟條與水平面的夾角。

1.3.2 壓力開關的設定壓力

壓力開關的設定壓力值為氣缸的涂蠟工作壓力和單向閥的壓力損失之和，則：

式中：p為壓力開關的設定壓力，kPa；ps為氣缸涂蠟工作壓力，kPa；Δp為壓縮空氣經過單向節流閥的壓力損失，kPa；F為氣缸的輸出力，N；A1為活塞面積，m2。

1.3.3 氣缸活塞桿的運動速度

氣缸以最大速度工作時，根據經驗公式，則：

式中：Q為氣缸最大耗氣量，L/min；D為氣缸缸徑，mm；v為氣缸最大速度，mm/min。

由節流閥的流量特性可知，則：

式中：q為流過節流閥的流量，L/min；Cd為流量系數，一般取0.62～0.63；AT為節流口通流截面積，m2；ρ為空氣密度，kg/L3。

通過調節單向節流閥，以氣缸最大速度時的流量為基準流量，調節單向節流閥后，流量相對基準流量的變化率β為：

式中，β=[0 , 1]。0表示節流閥完全關閉；1表示節流閥完全打開，氣缸達到最大速度。

根據上述計算公式所得，本涂蠟裝置的相關設計計算參數如表1所示。

表1 涂蠟裝置相關設計計算參數表

圖3 固體蠟重量與工件編號的關系

2 拋光涂蠟裝置的涂蠟性能實驗

分別選取10個經過編號的三通閥零件作為斜風輪和百折布輪的拋光工件，選取1根紫色固體蠟條，重量均為2.5 kg，用于上述2種布輪的拋光實驗。拋光輪直徑為460 mm，線速度為26 m/s，在該線速度下的上述2種拋光輪涂蠟阻力均為30 N。1個工件涂蠟均為5次，每次0.5 s。在每個工件拋光之前，用電子秤對固體蠟進行稱重。通過完成以上實驗，得到固體蠟的重量與每個拋光工件的關系如圖3所示。由圖3可知，上述2種拋光輪拋光工件時，斜風輪的蠟損耗量小于百折布輪的蠟損耗量。并且固體蠟條重量與加工工件數量均呈近似線性關系，隨著拋光工件數量的增加，固體蠟條的損耗成比例地遞減。因此，拋光每個工件的涂蠟量近似一致，從而在涂蠟過程中同時補償固體蠟和拋光輪的磨損。

3 結束語

該氣動拋光涂蠟裝置結構簡單，對不同材質拋光輪和固體蠟條的適用性好，涂蠟使用量少且涂蠟污染極少，涂蠟均勻并降低耗材成本，提高產品拋光質量的一致性。氣動拋光涂蠟裝置在拋光打磨領域具有良好的實用價值和應用前景。