韋林,賀曉華
(柳州職業(yè)技術學院,廣西柳州545006)
新型異形鋼板切割件毛刺自動打磨機的設計
韋林,賀曉華
(柳州職業(yè)技術學院,廣西柳州545006)
鋼板切割件的毛刺打磨是一個現(xiàn)實的生產(chǎn)難題,設計一種自動打磨裝置對解決這個難題有重要意義。通過研究自動打磨過程的關鍵要素,確定了自動打磨裝置的技術路線。綜合運用機電CAD/CAE技術,實現(xiàn)了自動打磨機的機械建模、強度分析和運動控制,為物理樣機試制奠定了基礎。
毛刺打磨;機械建模;運動控制
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,存在著勞動強度大,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。現(xiàn)有的打磨機械由于適用性不廣,無法自動打磨異形鋼板切割件,鋼板切割件毛刺去除成為一個機械加工企業(yè)的生產(chǎn)難題,嚴重制約生產(chǎn)的發(fā)展。針對這一現(xiàn)狀,有必要研制一種自動打磨裝置,通過對其中的關鍵技術進行研究,充分運用機電一體化技術,自動確定磨削要素,自動跟蹤磨削軌跡,自動修整磨具,實現(xiàn)鋼板切割件毛刺的自動打磨,從而促進企業(yè)生產(chǎn)效率提高和經(jīng)濟效益的增長。
分析異型鋼板毛刺去除過程可知,自動打磨異型鋼板切割件毛刺的過程主要包括兩種基本運動,其一是自動尋邊運動,也就是能自動依循異型鋼板的輪廓行進,保證打磨砂輪與鋼板輪廓的可靠接觸;其二是打磨運動,能確保打磨砂輪以適當?shù)牧Χ冗M行打磨。
采用接觸力反饋的方式可以較為方便的同時實現(xiàn)這兩種運動。接觸力反饋控制指的是通過檢測砂輪與鋼板輪廓之間的接觸力,對打磨機的運動軌跡進行控制,從而達到自動打磨的目的。采用接觸力反饋控制可以簡化打磨機的機械結(jié)構,提高打磨機的可靠性。
2.1自動打磨機的結(jié)構組成
打磨機的工作主要需要尋邊行走和打磨這兩種運動,因此打磨機的結(jié)構應能確保這兩種運動的可靠實現(xiàn)。打磨運動是單一的旋轉(zhuǎn)運動,驅(qū)動砂輪以一定速度旋轉(zhuǎn)即可。自動尋邊行走是實現(xiàn)自動打磨的關鍵運動,運動軌跡需要根據(jù)鋼板輪廓的變化而變化,采用四輪行走機構實現(xiàn)。因此,整個自動打磨機可以看成是一個四輪小車,在小車上安裝用于打磨的砂輪機構。為了平衡磨削力對行走的影響,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,從而適應不同的打磨工況。
2.2自動打磨機的整體模型
自動打磨機主要由兩部分組成,采用NX10進行三維建模。NX10是UG軟件的最新版,具有較為強大的參數(shù)化建模功能,有利于實現(xiàn)從概念設計到產(chǎn)品設計的全過程,除了較為強大的CAD功能之外,NX10還具有滿足設計所需的CAE功能,能無縫實現(xiàn)CAD /CAE一體化優(yōu)化設計,已得到越來越多的應用。
自動打磨機如圖1所示。打磨機機座位于鋼板之上,通過四個小輪可在鋼板上自由移動?;习惭b有打磨砂輪支架,打磨砂輪支架為一懸臂結(jié)構。其上浮動安裝有砂輪驅(qū)動軸。砂輪驅(qū)動軸由彈簧預定位,無外力時砂輪驅(qū)動軸與砂輪支架之間無位移。打磨時在磨削力的作用下,砂輪驅(qū)動軸發(fā)生位移,通過位置傳感器檢測砂輪驅(qū)動軸的位置,可判斷打磨機機座的行走軌跡是否合適。所有建模均采用參數(shù)化設計,有利于實現(xiàn)CAE之后的快速優(yōu)化。
圖1 打磨機三維模型
2.3自動打磨機磨削抗力的實現(xiàn)
由自動打磨機的機械結(jié)構可知,打磨機工作時的磨削力經(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,當采用永久磁鐵來產(chǎn)生磁吸力時,其結(jié)構類似磁力表座,通過改變永久磁鐵的位置來加載或卸載磁吸力;當采用電磁線圈來產(chǎn)生磁吸力時,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自動打磨機的行走機構
自動打磨機的行走機構如圖2、圖3所示,由四個獨立行走小輪組成。四個小輪呈菱形布置,其中位于縱向軸線的兩個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)動輪。位于橫向軸線上的兩個小輪稱為左輪和右輪,為獨立驅(qū)動輪。左輪和右輪通過兩個獨立的電機進行驅(qū)動,由電機速度的變化來實現(xiàn)行進軌跡的控制。
圖2 行走機構主視圖
圖3 行走機構俯視圖
2.5自動打磨機的CAE分析
自動打磨機的砂輪支架是打磨機的關鍵受力部件,有必要對其進行結(jié)構強度分析。在NX 10中進行CAE結(jié)構強度分析主要包括部件材料設置,網(wǎng)格劃分,約束與載荷加載等前期工作,提交計算后,可以方便的在后處理中看到計算的結(jié)果。圖4、圖5是砂輪支架的受力應力云圖及位移云圖,從圖中可以知道,砂輪支架變形在合理范圍之內(nèi),不會影響打磨機的正常工作。
圖4 砂輪支架CAE應力云圖
圖5 砂輪支架CAE位移云圖
3.1自動打磨機的運動控制策略
自動打磨機的行走軌跡控制是實現(xiàn)自動打磨的關鍵所在。由于前后輪是非驅(qū)動輪,因此,打磨機的行走軌跡主要由左右輪來控制。不同的運動控制策略會導致不同的打磨效果。設基本打磨行進速度為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,打磨機按照行進速度v進行打磨;
(2)vz>vy>v打磨機向右轉(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)對砂輪驅(qū)動軸位置的檢測信號來控制。當左右位置檢測信號均無時,說明砂輪位置居中,打磨機保持直線行進,采用控制策略(1);當砂輪位置右信號輸出時,說明砂輪與鋼板之間正壓力偏小,打磨機應右轉(zhuǎn),采用控制策略(2);當砂輪位置左信號輸出時,說明砂輪與鋼板之間正壓力偏大,打磨機應左轉(zhuǎn);采用控制策略(3);在設定的t1時間內(nèi),控制策略(2)或控制策略(3)未改變砂輪位置信號,則啟用對應的控制策略(4)或控制策略(5);在設定的t2時間內(nèi),控制策略(4)或控制策略(5)未改變砂輪位置信號,則啟用對應的控制策略(6)或控制策略(7),直至砂輪位置信號均無輸出。在設定的t3時間內(nèi),控制策略(6)或控制策略(7)未改變砂輪位置信號,則啟動報警,需要人工干預自動尋邊狀態(tài)。
3.2自動打磨機的運動控制實現(xiàn)
左右輪由獨立電機驅(qū)動,控制器通過檢測砂輪位置信號,按照控制策略對左右電機進行速度和轉(zhuǎn)向的控制,應用Lab VIEW軟件可以方便的實現(xiàn)對左右輪的控制,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 打磨機運動控制框圖
通過對鋼板毛刺去除過程的分析,建立了自動打磨機概念模型,在這個基礎上運用CAD/CAE軟件建立了自動打磨機的機械模型并對關鍵部件進行了強度分析。運用LabVIEW軟件建立了自動打磨機的運動控制系統(tǒng),實現(xiàn)了自動打磨機的自動尋邊工作。該數(shù)字樣機的建立為下一步進行物理樣機的試制奠定了基礎。
[1]梁健,曹雁.毛刺打磨機方案說明[J].科技傳播,2003,(11上):172,176.
[2]張新眾.鋼軌軌墻自動打磨機的結(jié)構設計與優(yōu)化[D].沈陽:東北大學,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??蒲许椖浚ň幪朙X2014543);獲廣西高等學校優(yōu)秀中青年骨干教師培養(yǎng)工程項目資助。
韋林(1973-),女,廣西柳江人,碩士,副教授,研究方向為機械設計、設備管理;賀曉華(1972-),男,湖南衡南人,碩士,副教授,研究方向為機電技術。