振動研磨拋光機的改進設計*

俞志根 ， 李國強

(1.湖州職業技術學院 機電與汽車工程學院， 浙江 湖州 313000; 2.湖州中云機械股份有限公司 技術部， 浙江 湖州 313000)

一、振動研磨技術的研究現狀

研磨拋光是零件表面處理與加工的常用方法，歷史非常悠久。振動研磨拋光從早期的單件人工操作到現代的大規模自動化生產，種類繁多，性能各異。研磨拋光方法分干法和濕法兩大類：干法易產生細微粉塵且噪音大，適用于大型零件的單件加工；濕法主要指利用磨料磨液對零件進行拋光加工的方法，會產生一定的廢液，適用于微小零件的研磨拋光加工。振動研磨拋光機主要由研磨機構、支撐機構、傳動機構和磨料磨具等組成。目前對其原理方面的研究基本成熟。近年來，對振動研磨拋光機的研究主要集中在結構改進和自動化改造方面。例如：秦立慶針對振動研磨拋光機在工作時主體結構和傳動機構存在的問題，開發出一種行星式振動研磨拋光機[1]106；王偉和劉偉等對傳統的雙面拋光機加載不均勻問題進行研究，并對傳統的傳動結構進行了優化設計，提高了振動研磨拋光機的加工效率和精度[2]51；陳文清研制了一種超鏡面研磨拋光工藝方法，較好地解決了研磨拋光加工中的潤滑和散熱問題，降低了研磨拋光加工中表面缺陷的產生機率，提高了鏡面加工質量[3]46；嚴振和方從富等通過建立偏擺式平面研磨拋光機的運動參數模型，對研磨拋光加工進行定量評價，得到了最佳運動參數，改善了研磨拋光效果[4]77；賈玉坤和沈姝君等開發了基于“互聯網+”的振動研磨拋光機群控系統，提高了研磨拋光的加工精度和自動化程度[5]194；劉濤和劉漫丹等將PLC與Touch Win人機界面相結合，開發了一種振動研磨拋光機的自動控制系統，實現了研磨拋光參數的在線計算與修正，提高了研磨拋光加工的自動化水平[6]155；劉侃和張洪等設計了一款專用于閥芯頭的自動研磨拋光機，實現了自動上料、研磨拋光和下料的全程自動化[7]127；張汝琦和樊智敏等針對離心式研磨拋光機研磨齒磨損嚴重、主軸集成度低等問題進行了結構改進，提高了研磨拋光性能[8]22。

由此可見，類似的結構改進大多為提高研磨拋光的加工精度和效率，對振動研磨拋光機的加工環境友好性的研究不多。本文以提高振動研磨拋光機的環境友好性為重點，以常見的振動研磨拋光機為研究對象，針對其噪音較大、密封性差、自動化程度低等不足，對整機結構進行改造，設計了減振消音罩和出料振動分選篩，并用PLC進行自動控制，以提高技術含量和產品檔次，滿足綠色生產要求。

二、振動研磨拋光機結構的改進設計

(一)帶自動啟閉機構的減振消音罩

傳統的振動研磨拋光機屬敞開式結構，主要由偏心激振器、電氣操作面板、立式振動電機、帶PU內襯料槽、出料裝置、振動機底板、減振彈簧和套筒底座等組成(參見圖1)。各部件的作用和功能為：偏心激振器由偏心輪和減速機構組成，由立式振動電機帶動，工作時產生定幅振動；將立式振動電機與帶PU襯料槽固定于振動機底板，減振彈簧則安裝在振動底板下，通過套筒底座與地面固定；出料裝置由料門和出料擋板等組成，研磨完成后自動打開料門，將出料擋板擋在振動槽內，這樣就可以使磨粒磨料及工件在振動中從出料口排出，實現自動卸料；減振彈簧的作用是減小振動對地基的影響，實現動與靜的過渡；底座做成套筒形狀，目的是保護彈簧和保障使用安全；電氣操作面板用于振動研磨過程的控制操作，設有啟動、停止按鈕，以及振動頻率、振動幅度和研磨時間等調節旋鈕，可按不同研磨要求進行調節。

振動研磨拋光機的工作原理是：利用振動電機產生的上下左右振動，使工件與磨料產生強烈磨削，以去除工件表面毛刺，降低工件表面粗糙度。傳統的振動研磨拋光機料槽沒有蓋子，進出料都靠手工。雖然結構簡單、成本低，但研磨過程噪音較大，研磨效果基本取決于操作人員的工作經驗。另外，工人的工作環境較差，勞動強度較大。

為降低振動研磨產生的噪音，改善操作人員的工作環境，課題組設計一個減振消音罩(參見圖2)，將整個研磨機密封在消音罩內，實現減振消音的目的。

圖1 傳統的振動研磨拋光機結構示意圖 圖2 減振消音罩結構示意圖

由圖2可知：減振消音罩由罩蓋、罩蓋柄、罩體、出料罩、罩蓋啟閉機構、支承架、步進電機等組成。將振動研磨拋光機放置在減振消音罩內，可大大降低研磨過程的噪音，更符合環保要求。罩蓋和罩體用鋼板壓制成型，采用泡沫塑料、石棉或橡膠等吸音減振材料做內襯。80L以下的小型機也可采用雙層薄鋼板夾消音減振材料的結構形式。為實現自動開關罩蓋，罩蓋上設有固定的罩蓋柄。罩蓋柄的一端開孔，孔內固定連接一轉軸，轉軸的兩端通過軸孔與支承架相連。轉軸上有固定的齒輪，轉軸齒輪與固定在支承架上的步進電機軸齒輪構成罩蓋的自動啟閉機構。由于齒輪與軸固定，罩蓋與轉軸固定，所以罩蓋的自動啟閉過程為：步進電機正轉90°，罩蓋逆轉90°，正好處于打開狀態；步進電機反轉90°，罩蓋關閉。步進電機帶動罩蓋轉軸，實現了罩蓋的自動開啟或關閉?？紤]到安全因素，針對大型振動研磨拋光機設計的罩蓋較重問題，可采用在罩蓋柄轉軸兩側對稱布置兩對齒輪的方法來實現罩蓋的自動啟閉。同時，可以在罩蓋轉軸的支座上增設限位鎖止銷軸，以保證罩蓋在打開狀態的安全。支承架可用角鋼、扁鋼、圓鋼等型材焊接構成，主要用于安裝電機、齒輪機構、罩蓋軸及操作面板等。

(二)工件與磨料自動分選裝置

為提高振動研磨拋光機的自動化程度，減輕工人的勞動強度，實現研磨完成后的自動出料，課題組設計一個帶輸送機的工件與磨料振動分選裝置(參見圖3)。

如圖3所示，該裝置主要由振動篩、工件輸送機、磨料存放箱和廢液收集桶等組成，用以實現對研磨物料的后續處理。振動分選篩采用普通的兩層振動篩，設計成卡扣式可更換篩面。篩面網格大小需要根據工件和磨粒磨料大小合理選擇。篩分出來的工件經輸送機運送至下一工序。磨料暫存在存儲箱里，待積累到一定量后可用叉車運輸。廢液直接由振動研磨拋光機的出水口排入收集桶。收集桶的容量根據振動研磨拋光機的大小配備，一般不超過100升，可使用叉車運送至沉淀池進行環保化處理。

三、PLC電氣控制系統

為實現研磨加工過程的自動化，課題組經市場調研與對比，選用價廉物美的信捷XC3-32RT-E型PLC作為控制系統的核心。它是一款國產的性價比較高的小型PLC，其輸入/輸出接點各16個，非常適合研磨機類較為簡單的傳統設備的自動控制。信捷在軟件編程方面具有較大的便捷性，比如：GROUP和GROUPE指令可方便定位到相應的程序段，便于編程時對各程序段功能的檢查；信捷的一個順序功能塊可以直接用于順序控制編程，無需使用較復雜的STL指令[9]4；信捷的觸摸屏可以實現良好的人機操控性能。

(一)PLC控制系統的硬件設計

帶消音罩和出料系統的振動研磨拋光機主要有4臺電機，分別是振動主機M1、消音罩啟閉電機M2、篩分電機M3和輸送電機M4。其工作流程是：先根據不同的研磨工件設置好研磨時間，然后進行人工裝料。完成裝料后，M2正轉，關閉消音罩，啟動M1開始研磨。到設定時間后，M2反轉，打開消音罩，放下卸料擋板開始卸料；同時，M3啟動，進行篩分。卸料完成后關閉M1，篩分完成后關閉M3；同時啟動M4，把工件輸送到下一工位，然后關閉M4。這樣就完成了一個研磨拋光的加工周期。整個過程由PLC自動控制4臺電機按設定的時間順序運行，完成一個比較簡單的時序控制。

課題組選用的XC3-32RT-E型信捷PLC，其硬件電路如圖4所示(參見圖4)。

如圖4所示，PLC接收輸入的時間信號和開關信號，經控制程序運算后輸出電機的運行順序信號。輸入信號主要有計時、模式選擇等。計時信號根據不同工件設定不同的研磨時間。正常的研磨都采用自動模式，手動模式用于試驗性研磨，急停用于研磨機運行過程中出現故障時的緊急處理，手動M1到M4用于手動模式時的電機啟停。輸出信號主要有控制電機啟停、電源和電機狀態指示及故障報警三類。

(二)PLC控制系統的主程序流程

課題組設計的帶消音罩和出料系統的振動研磨拋光機自動控制主程序流程如下：手工裝載好需要研磨的工件和磨料磨液，設置研磨時間，然后選擇“自動運行”，按下啟動按鈕。此時，消音罩自動關閉，研磨機開始按設定的研磨時間進行研磨。完成研磨后，電機M1停止，消音罩自動打開，卸料擋板自動落下開始卸料。完成卸料后，篩分電機開始運轉，對研磨料進行篩分。此后，磨料流入磨料桶，磨液進入廢液收集桶；同時，啟動輸送機，工件進入輸送機，被輸送至下一工序，做進一步處理。

總之，本項目主要對傳統敞開式振動研磨拋光機的結構和電氣控制進行了改進：增設密封性良好且帶自動啟閉機構的消音罩，有效降低了研磨拋光時產生的噪音；用振動分選篩分選研磨后的工件和磨料磨液，實現了對廢棄物的自動收集，符合當前的環保要求；采用PLC對研磨拋光過程進行自動控制，可方便地調整研磨拋光各參數，適應了不同工件的研磨拋光加工需要。對振動研磨拋光機的改進設計，既提高了傳統振動研磨拋光機的環境友好性，適應了當前機械產品綠色生產的大趨勢，又提高了產品的市場競爭力。