譚銀元 徐自立

(1.武漢船舶職業(yè)技術學院，湖北武漢 430050，2.武漢紡織大學，湖北武漢 430074)

鑄鋼件澆冒口的切割和打磨是零件毛坯制造的必經(jīng)環(huán)節(jié)，目前多為操作人員手工打磨，噪音大、弧光強烈、粉塵污染嚴重，勞動強度大，操作環(huán)境惡劣，并嚴重危害操作人員的身心健康[1-2]。如果能夠設計出一套機械化或自動化的切割和打磨鑄鋼件澆冒口的方法，“以機代人”進行切割打磨清理鑄鋼件，把工人從惡劣的工作環(huán)境中解放出來，并能提高工作效率，降低勞動強度，具有重大的意義[3-4]。本文以鐵路貨車用的搖枕鑄鋼件為例，設計了一套機械化、自動化切割和打磨鑄鋼件澆冒口的方法。

1 鑄件打磨部位分析

搖枕鑄件毛坯如圖1，三維模型如圖2，從圖2可見需要打磨的位置如下：

圖1 搖枕鑄件毛坯中的冒口

(1)搖枕底面四個直徑為120的冒口(圖2中的A處)。

(2)位于搖枕底面兩側長度為114的凸臺上的直徑為40mm的冒口(圖2中的B處)。

圖2 三維模型中標出的冒口

(3)如圖3鑄件搖枕毛坯兩側大約長40mm寬20mm的澆道，共有兩個澆口，一共有兩個需要打磨的地方，位于搖枕的同側(即圖4中C)。

圖3 工廠中零件的澆道

圖4 三維模型中澆道的位置

(4) 如圖5所示，搖枕側面型芯之間縫隙所形成的批縫，如圖5中的D、E處，厚度和寬度大約為1mm。

圖5 搖枕鑄件毛坯側面的批縫

2 打磨流程確定

2.1 確定打磨流程

打磨作業(yè)流程圖如圖6所示，當工件從鑄造車間鑄造完成，經(jīng)過切割處理之后，需要傳送到各個工位，對于大型鑄件，一般是采用滾輪傳送裝置，從切割車間出來之后，將工件放置在滾輪上，傳送到第一個打磨的加工工位，將工件在第一個打磨工位定位之后，砂輪片旋轉，開始打磨，打磨結束之后，用滾輪將工件從第一個加工工位傳送到第二個加工工位，打磨完成之后，因為第二個工位和第三個工位需要加工工件不同的表面，為了方便加工，需要將工件翻轉，然后進入第三個工位開始打磨，打磨完成之后，依次進入第四個、第五個工位，直至加工完成，打磨加工結束之后，再通過滾輪傳送將工件送到檢驗車間，進行打磨效果檢驗，打磨合格的工件統(tǒng)一安排到下一步工作流程；打磨不合格的工件，檢測需要再打磨的具體部位，根據(jù)具體部位，將工件送到具體的打磨工位，再次打磨直至檢驗合格。

圖6 打磨工作流程圖

根據(jù)該打磨工作流程圖，可以確定整個打磨工作一共涉及到滾輪傳送、不同工位中工件的定位、不同工位中工件的打磨、翻轉、翻轉之后的定位傳送、打磨效果檢驗等幾個部分，本文主要設計出具體的自動化打磨裝置，提高打磨的工作效率。

2.2 工位數(shù)量的確定

根據(jù)搖枕鑄造工藝,鑄件一共有四類需要打磨的地方，根據(jù)這四類待打磨部位的相對位置關系可以確定以下幾個工位，并且確定出這幾個工位的先后順序。確定工位數(shù)量的原則為位于同一個表面上的待打磨部位在同一個工位上完成。

需要打磨的A和B兩個位置都是位于搖枕底面，A、B在定位完成以后，所有待打磨部位均位于工件同一個方向(即A、B均位于工件的底面)。A處待打磨的四個冒口相對對稱，并且集中在一起，為了方便加工，可以確定A處打磨為一個工位。

同樣B處待打磨的四個位置左右對稱，兩兩分散在搖枕底面的兩側，將工件固定之后，可以分別用兩個砂輪打磨裝置同時打磨左右兩側的冒口，從而節(jié)約時間，提高效率。

C處待打磨部位位于工件的側表面，處于工件中心軸對稱部位，將搖枕固定之后，用砂輪片分別打磨這兩個澆口，因此確定C處打磨為一個工位。

第4個需要打磨的地方就是型芯之間的縫隙，即D、E兩處 ，其中D處待打磨部位和C處位于同一個表面上，同樣關于中心軸在兩側對稱，所以可以在工位兩側分別均設置砂輪片，同時打磨。

第5處需要打磨的地方也是型芯之間的縫隙，即E處可以在一個工位上完成。

所以搖枕的打磨一共需要五個工位，這五個工位的先后順序為A、B、C、D、E。

3 多自由度自動化裝置的選擇

3.1 砂輪片的運動軌跡分析

在不同的工位上面，因為要切割不同的部位，砂輪片的運動軌跡肯定是不一樣的。在第一道工位上，首先工件側立擺放在砂輪片的前方，工件定位完成之后，首先將砂輪片向上升起快速移動到待打磨冒口上方，大約比工件上表面高30mm，然后將砂輪片向前移動至待打磨的冒口的同一平面，降低移動速度，將砂輪片向下移動到待打磨冒口上方5mm處，打開砂輪開關，使砂輪旋轉，繼續(xù)向下移動，使砂輪進行打磨運動。

在各個工位處，砂輪運動到待加工表面的運動線路大致相同，只是移動的距離不同，各個不同工位的砂輪運動軌跡圖如圖7所示。

圖7 砂輪片運動軌跡

為了提高效率，在砂輪向上移動時并向前移動，同時為了避免對工件造成傷害，在靠近工件之后將砂輪片改為緩慢移動，在砂輪外徑距離被打磨冒口還有5mm時，控制砂輪旋轉，開始打磨動作。

3.2 直角坐標機器人的設計

由砂輪運動軌跡可以知道，砂輪只需要完成前后、左右、以及上下三個方向上的平移就可以完成整個打磨動作。根據(jù)三個平移自由度可以設計一個三自由度直角坐標機器人[5]。如圖8所示，根據(jù)在Z軸上需要的行程為500mm，可以確定Z軸的長度為600mm；根據(jù)在Y軸上的行程為500mm，可以確定Y軸的長度為600mm，在X軸上，機器人在不同的工位上會有不同的行程，其中最大的行程為350mm，所以可以確定X軸的長度為450mm。為了減輕各個軸的負擔，以及為選擇合適的末端執(zhí)行裝置，設計一個將X軸固定在工作臺上，在X軸上方就是可以自由移動的Z軸，Z軸和Y軸相連，末端執(zhí)行裝置安裝在Y軸的末端，和Y軸相連一起運動，如圖8所示。

圖8 直角坐標機器人

3.3 末端執(zhí)行機構的選擇及改進

對于鑄件的打磨加工，市場上常見的加工方式有兩種，一種是手持式砂輪打磨機,一種是工業(yè)用機器砂輪打磨機，這兩種方案各有優(yōu)缺點。 手持式砂輪打磨機更加靈活，結構更加簡單，機器小重量輕，便于操作，能夠適應很多復雜的工況，但是磨削速度相比于工業(yè)用機器砂輪打磨機要慢，磨削效率比工業(yè)用大型砂輪打磨機低。 工業(yè)用砂輪打磨機能夠完成大型工件的打磨加工，但是因為體積較大，并且一般多為固定裝置，使用范圍較小，使用起來較為笨重。結合此鑄鋼件的具體要求，需要完成大型鑄件的澆冒口的打磨，同時又需要此砂輪打磨機比較靈活，能夠適應較為復雜的工況，因此需要對現(xiàn)有的手持式砂輪機進行改進。 將手持砂輪打磨機的手持部分進行改進，手持砂輪機為了方便手持，會有較大的橫截面積和較長的手柄部分，在與機器連接之后，需要將手持部分長度減小，降低橫截面積，所以將手持部分去掉。電機和砂輪片作為一個整體安裝在直角坐標機器人上，并且在砂輪片固定處設計為螺釘連接，方便更換砂輪片，在磨削的過程中，會有火星以及殘渣四處飛濺，可以設計一個擋板，控制火星飛濺的方向。

4 結 語

針對鑄鋼件澆冒口打磨時人工操作勞動強度高、工作環(huán)境惡劣等問題，本文以鐵路貨車用的搖枕為例，通過對搖枕鑄件毛坯需打磨的部位分析，確定了工件打磨工位及打磨作業(yè)工作流程。通過對鑄件在不同工位上打磨軌跡的分析，計算出了砂輪片的運動軌跡，并確定選擇直角坐標機器人和手持式砂輪作為末端執(zhí)行機構，從而實現(xiàn)了鑄件澆冒口機械化、自動化打磨，實現(xiàn)“以機代人”，減輕工人勞動強度，提高生產(chǎn)效率。