基于水龍頭的恒力拋光打磨工作站設(shè)計

劉忠良，李盛明

（1.廣東省職業(yè)技能服務(wù)指導(dǎo)中心，廣州 510100；2.廣東省機械研究所有限公司，廣州 510630）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，制造加工出來的五金件越來越多樣，特別是復(fù)雜曲面的五金件最受人們喜愛，例如汽車外殼、輪船驅(qū)動扇葉、水龍頭、門把手等。這些五金件性能好，精美的外形大大滿足人們的要求。但是，這種精美的五金件加工往往需要很多復(fù)雜的工序，而且成品率不高。在繁雜的加工工序中，最為重要的是曲面的拋光。但打磨的過程耗費的時間很久，而且人工打磨出來的工件質(zhì)量遠(yuǎn)不如機器人。

以復(fù)雜型面的水龍頭為例，國內(nèi)很多企業(yè)都是采用手工拋光打磨的方式去加工。手工拋光打磨分為兩種，一種是工人拿著工件直接靠在大型砂帶機上面去打磨，另外一種是工人利用小型打磨工具進(jìn)行磨屑。但無論利用哪種方式去打磨，其中人工打磨的弊端都是無法避免的[1]，例如加工環(huán)境惡劣、粉塵飛揚等等，這些都會直接影響到工人的健康。

以加工水龍頭為例，旨在全面解決手工加工所出現(xiàn)的問題，使人工加工變?yōu)槿詣蛹庸ぃ瑥亩岣弋a(chǎn)品質(zhì)量，改變傳統(tǒng)人工打磨的現(xiàn)狀，向著智能的方向發(fā)展。水龍頭的加工是一種代表性的加工工件。由于水龍頭表面非常復(fù)雜，對表面的粗糙度處理工作量很大，并且許多不同的尺寸和形狀也不同，這使其始終是拋光水龍頭的難點[2]。

1 拋磨工作站設(shè)計

根據(jù)水龍頭拋光工序的運動軌跡，設(shè)計了拋光打磨工作站，工作站的構(gòu)成以及位置分布如圖1、2所示，該工作站由1臺六軸機器人、2臺砂帶機、1臺拋光機、2臺上下滑料裝置、1臺計算機控制端組成。其中計算機PLC和機器人為控制系統(tǒng)，砂帶機、拋光機、上下滑料臺為機械系統(tǒng)，工業(yè)PC為編程系統(tǒng)。

圖1 拋光打磨工作站位置分布圖

圖2 拋光打磨工作站系統(tǒng)控制圖

2 六軸機器人選型

水龍頭的拋光打磨為三維空間的軌跡運動，所以工作站選用六自由度的機器人。由于水龍頭的質(zhì)量為8 kg，人工打磨合理擠壓力Fn=200 N，通過打磨受力分析可以計算出合力F=450 N。所以選用質(zhì)量為46 kg、負(fù)載為50 kg的機器人。機器人選擇安徽埃夫特智能裝備有限公司的六軸機器人，型號為ER50-C20。

3 拋光打磨機的機械設(shè)計

3.1 砂帶機主要部件布局

水龍頭加工的表面大多數(shù)是復(fù)雜的曲面，考慮到加工面的曲率問題，砂帶機設(shè)計了大小接觸輪，分別適應(yīng)不同曲率半徑的表面；為了防止砂帶發(fā)生打滑現(xiàn)象以及增加砂帶在打磨時穩(wěn)定性，設(shè)計了張緊調(diào)偏機構(gòu)[3]。綜合以上考慮，砂帶機設(shè)計包括1個驅(qū)動輪、1個大接觸輪、1個小接觸輪、1個張緊調(diào)偏輪，具體布局如圖3所示。

圖3 砂帶機打磨位置圖

3.2 拋光機機械設(shè)計

拋光機的拋光輪為圓柱結(jié)構(gòu)，直接連接在驅(qū)動輪上面，由電機驅(qū)動齒輪帶動尼龍輪的轉(zhuǎn)動，從而保證驅(qū)動電機需要的轉(zhuǎn)速。整體由壓緊螺母、尼龍輪、驅(qū)動電機以及安裝底座組成。結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 拋光機機械設(shè)計

圖5 帶旋轉(zhuǎn)接頭的可漲式接頭

4 夾具設(shè)計

由于水龍頭為不規(guī)則工件，加工時需要固定在機器人的抓盤上。所以設(shè)計了可漲式接頭，加工時水龍頭φ30的底孔為定位孔，柔性漲頭和工件固定連接在一起，要求在200 N的切應(yīng)力下固定不動，確保加工的位置不變。專用夾具設(shè)計如圖5所示。

5 拋磨水龍頭工藝分析

待處理的水龍頭零件圖如圖6所示，它有復(fù)雜型面的表面，是經(jīng)典的異形件。拋光打磨屬于光整加工范圍，對這個水龍頭的位置公差不會產(chǎn)生影響。此次的處理就是為了降低表面的粗糙度。所以在拋光打磨的過程中，加工工藝可以分為粗磨、精磨、精拋3個步驟。根據(jù)水龍頭的表面定制了以下的拋光打磨方案：

圖6 水龍頭零件圖

（1）使用60#的砂帶機，對水龍頭各個表面（除底面）進(jìn)行粗打磨；

（2）使用拋光機打磨處理粗打磨的灰塵，毛刺等；

（3）使用180#砂帶機，對水龍頭各個表面（除底面）進(jìn)行粗打磨；

（4）使用拋光機打磨處理作最后的拋光，形成拉絲效果。

6 拋磨軌跡設(shè)計

為了保證水龍頭的加工質(zhì)量，通過分析水龍頭鑄件的表面形狀，對每個曲面進(jìn)行了軌跡設(shè)計。根據(jù)加工工序的設(shè)計步驟，水龍頭的曲面可以分為以下各個部分：A面（上表面），B面（左右兩側(cè)），C面（左右兩側(cè)），D面（底座四周），E面、F面（下表面）共6個加工面，如圖7所示。

B、E、F面為三維空間曲面，拋光時，工件運動軌跡按照工件外形曲線決定，工件在接觸砂輪的同時，機器人同時作回轉(zhuǎn)運動，使工件完全與砂帶接觸，保證加工質(zhì)量。B、E、F的加工軌跡如圖8、9所示。拋光加工只需要把工件與拋光輪接觸即可保證加工質(zhì)量。

圖7 水龍頭鑄件表面分析

圖8 F面加工面軌跡

圖9 B、E加工面軌跡

7 恒力拋磨系統(tǒng)設(shè)計

監(jiān)測打磨壓力是打磨拋光系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)，關(guān)鍵之處就是把壓力反饋回來到電腦控制端，形成一個完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)[8]。具體控制流程如下。

先在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定打磨的壓力值F。機器人抓取工件，開始示教靠近轉(zhuǎn)動的砂帶，讀取計算機顯示的壓力的示數(shù)為Fn。在排除機械震動的前提下，觀察壓力值示數(shù)Fn，控制機器人移動，使壓力值Fn穩(wěn)定在0 N＜Fn＜0.5 N。待壓力穩(wěn)定后，此時的位置就是恒力打磨的坐標(biāo)點。然后，機器人開始轉(zhuǎn)動打磨。在打磨期間的壓力、機械震動等等因素，也會使壓力產(chǎn)生波動，這時候壓力反饋調(diào)節(jié)就會非常重要。通過實時反饋調(diào)節(jié)的方式以達(dá)到恒力打磨的目的。圖10所示為恒力控制流程圖。

圖10 恒力控制流程圖

8 結(jié)束語

本文通過分析砂帶的拋光打磨的過程，改進(jìn)了傳統(tǒng)的拋磨方法，提出了砂帶恒力打磨的方案。由恒力拋磨打磨工作站加工出來的鑄件表面粗糙度可達(dá)到0.8 mm，加工周期縮短了至少20%，完全達(dá)到設(shè)計的目標(biāo)。提出的恒力打磨方案，不僅在加工效率還是加工質(zhì)量上都有顯著的提高，因此，在鑄件拋光打磨的領(lǐng)域內(nèi)引進(jìn)恒力打磨技術(shù)，會使拋光打磨工作站擁有更大的價值。