戴欣平，汪中民，張建榮，丁肇

（ 1. 金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 金華 321000；2. 金華尤創(chuàng)自動化科技有限公司， 浙江 金華 321000；3. 浙江省農(nóng)作物收獲裝備重點實驗室， 浙江 金華 321000 ）

0 引言

我國是電動工具的生產(chǎn)和出口大國，產(chǎn)量約占全球總產(chǎn)量的80 %。其中，85 %以上用于出口，是我國貿(mào)易順差幅度較大的大宗機電產(chǎn)品之一[1-3]。電動工具的工況試驗，也稱性能試驗或使用試驗，是新產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品認證、抽檢等過程中不可缺少的環(huán)節(jié)，目的是模擬電動工具的真實作業(yè)工況，綜合檢驗電動工具的使用性能[4-6]。

電動工具在進行工況試驗時需達到一定功率、進給速度、進給力或試驗速度，并按照規(guī)定的試驗循環(huán)與周期次數(shù)進行[7-8]。目前電動工具的工況試驗大多采用人工作業(yè)，存在試驗準確度低、試驗過程無法自動記錄、作業(yè)現(xiàn)場工作環(huán)境差及人工重復(fù)性作業(yè)勞動強度大等一系列問題[9-10]。因此，開發(fā)電動工具的通用工況試驗臺，以替代和模擬人工作業(yè)過程，在檢驗電動工具產(chǎn)品質(zhì)量、提高產(chǎn)品品質(zhì)及生產(chǎn)效率等方面具有重要意義。

本文基于所設(shè)計的電動工具通用工況試驗臺，針對角向磨光機（以下簡稱角磨機）的裝夾與作業(yè)特點，設(shè)計了角磨機的專用裝夾臺，進行了角磨機的工況模擬試驗。

1 電動工具通用工況試驗臺

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

所設(shè)計的電動工具通用工況試驗臺如圖1所示，由機座、龍門架、電動工具裝夾臺、電氣控制系統(tǒng)及聲光報警系統(tǒng)等部件組成。

圖1 電動工具通用工況試驗臺

通過在龍門架X、Y、Z三個自由度方向上設(shè)置導(dǎo)軌并加裝步進電機，可實現(xiàn)龍門架沿導(dǎo)軌在X、Y、Z三個方向上的移動。更換裝夾臺后，可滿足不同類型電動工具產(chǎn)品的測試需求。

工況試驗時，電動工具通過夾爪固定于裝夾臺上，工作臺（X向、Y向）放置如鐵板、水泥塊、木板等被試材料，龍門架通過在X、Y、Z方向的進給運動實現(xiàn)電動工具的加載、進給和退刀等動作，模擬電動工具的人工測試過程。電氣控制系統(tǒng)完成電動工具電機的自動開啟、關(guān)閉、調(diào)速，冷卻液及吸塵罩開關(guān)的開啟、關(guān)閉等功能。報警系統(tǒng)可對系統(tǒng)的異常情況進行報警或停機處理。

1.2 控制與監(jiān)測

試驗臺的控制系統(tǒng)由兩套ARM嵌入式系統(tǒng)和外圍線路組成，一套作為ARM控制系統(tǒng)完成總的控制，一套作為ARM保護系統(tǒng)實現(xiàn)參數(shù)的采樣和保護，如圖2a所示。平臺通過編程對所需測試的電動工具進行周期性的進給加載、退刀卸載、停歇等過程控制，自動記錄試驗數(shù)據(jù)。采用觸摸屏人機界面，對被試驗電動工具功率、電流等參數(shù)與模擬加載的作用力、轉(zhuǎn)矩、作業(yè)速度等參數(shù)進行實時采集與監(jiān)控，通過存盤、統(tǒng)計、分析，生成檢測數(shù)據(jù)報告，如圖2b所示。

圖2 試驗平臺控制與監(jiān)測系統(tǒng)

2 角磨機專用裝夾臺設(shè)計

針對角磨機的作業(yè)特點及實際工況，設(shè)計了角磨機專用裝夾臺，主要由機架、反向拉繩裝置、半圓形夾爪及壓力傳感器組成，如圖3所示。

圖3 角磨機專用裝夾臺

為模擬角磨機打磨過程中對工件不同大小的施壓過程，采用裝夾臺在Z方向移動進行施壓，利用反向拉繩裝置進行壓力調(diào)節(jié)，拉繩的反向拉力大小由增減配重塊調(diào)節(jié)。角磨機對工件的實際施加壓力值通過安裝在機架上的壓力傳感器進行測量，從而達到模擬人工施壓過程的目的。此外，為模擬角磨機對工件不同部位及不同方向的打磨作業(yè)，采用半圓形夾爪機構(gòu)，通過鉸鏈與機架連接，使角磨機能夠在±45 °自由旋轉(zhuǎn)進行角度調(diào)節(jié)，如圖4所示。

圖4 角磨機不同角度打磨示意圖

3 角磨機工況試驗

3.1 試驗過程

將所設(shè)計的角磨機專用裝夾臺安裝在電動工具工況試驗臺上，進行角磨機的工況模擬試驗，如圖5所示。

圖5 工況試驗現(xiàn)場

選用BOSCH公司生產(chǎn)的GWS 14-125 CI型角磨機，主要參數(shù)見表1。選用兩種材質(zhì)的角磨片進行試驗，分別為棕剛玉及立方氮化硼，試驗作業(yè)材料為鐵板。按照角磨機工況試驗的標準要求，將鐵板固定在X、Y平面內(nèi)，對裝夾臺在X、Y、Z三個方向進行編程聯(lián)動，實現(xiàn)角磨機的自動進給及往復(fù)作業(yè)。角磨機的打磨工作時間為30 min，試驗時利用反向拉繩裝置調(diào)節(jié)施加壓力值，使負載電流分別為3 A、5A和7 A。

表1 角磨機主要參數(shù)

對試驗前后的角磨片及鐵板進行稱重，如圖6所示，計算角磨片及鐵板的磨損量，每種試驗條件下進行3次重復(fù)測試。試驗過程中，傳感器實時監(jiān)測功率、電流、堵轉(zhuǎn)電流等并進行實時反饋，判斷異常情況時報警或停機。

圖6 試驗前后稱重

3.2 試驗結(jié)果及討論

不同測試工況下角磨機壓力、角磨片磨損量及鐵板磨損量平均測試值見表2.

表2 平均測試值

從表2中可以看到，測試壓力值隨負載電流的增大顯著增加，表明工況試驗臺的檢測系統(tǒng)可以在短時間內(nèi)自動辨識工作負載的控制參數(shù)，自動加載到穩(wěn)定狀態(tài)，從而達到模擬人工作業(yè)過程的目的。然而在實際作業(yè)過程中，不同的人工個體在操作時的加載強度、速度及角度等方面均有波動偏差[11-12]，因此提高試驗臺對電動工具負載電流、機械進給動力參數(shù)等柔性控制的能力，以提高模擬人工作業(yè)的真實性，是今后需要研究的方向。

從表2中還可以看到，角磨片及鐵板的磨損量均隨負載電流的增大有增加的趨勢，但并不顯著，這表明增加角磨機對工件的施加壓力值能夠在一定程度上提升打磨效率，但角磨片的磨損量也相應(yīng)增大。此外，角磨片的不同材質(zhì)也顯著的影響打磨效率及角磨片的磨損量，立方氮化硼材質(zhì)角磨片的耐磨性高于棕剛玉，打磨效率更高，但立方氮化硼材質(zhì)在成本上也要高于棕剛玉。需要說明的是，除了角磨片的材質(zhì)，其它參數(shù)如結(jié)合劑材料及角磨片形狀等，也會影響角磨片的打磨效率及耐磨特性，因此，研究不同參數(shù)角磨片對打磨效率及耐磨性的影響，尋找性價比高的角磨片制作參數(shù)，是今后需要研究的重點方向之一。

4 結(jié)語

本文在電動工具通用工況試驗臺的應(yīng)用基礎(chǔ)上，結(jié)合角磨機的實際工作特點，設(shè)計了專用裝夾臺，安裝在工況試驗臺上進行了角磨機的工況模擬試驗。研究表明所設(shè)計的電動工具工況試驗臺能夠在一定程度上模擬人工作業(yè)過程，滿足工況試驗所需的運行精度及準確度要求，但在模擬人工作業(yè)真實性方面仍需進一步提高。