方 旺，董紅波，李偉龍

（廣東博科數(shù)控機械有限公司，廣東珠海 519175）

0 引言

我國是裝備制造大國，隨著制造技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)涉足大規(guī)模制造商用飛機、高速軌道交通列車、艦船、巨型油輪和海洋工程等大型裝備，產(chǎn)品種類繁多，外輪廓形狀復雜。這些大型裝備的制造和維修均需要表面打磨、拋光和涂裝，其中打磨、拋光工序傳統(tǒng)做法是依靠工人手握打磨機手工作業(yè)，這種做法不僅造成環(huán)境嚴重污染，而且容易導致操作工人的手指、手腕和手臂的肌肉與神經(jīng)永久性傷害，從而降低生產(chǎn)效率，也不利于標準化生產(chǎn)，尤其對裝備外輪廓復雜形狀部位的打磨表面質(zhì)量影響尤甚。雖然目前也有部分采用機器人拋光設備，但是這些設備普遍結(jié)構(gòu)比較復雜，價格昂貴，而且編程和操控仍然存在不便。

因此，為解決傳統(tǒng)的手工作業(yè)和機器人拋光設備存在的不足，本文提出一種自吸塵氣動擺臂打磨機，其結(jié)構(gòu)主要由末端打磨頭、氣動機械臂、浮動箱、操作箱、升降架、翻轉(zhuǎn)架、轉(zhuǎn)動架和氣動控制系統(tǒng)組合而成。整機主要支撐件采用高剛性航空鋁型材，重量輕、強度高。設備打磨頭采用自吸塵式氣動打磨頭，具有優(yōu)良的打磨效率及除塵功能，有效地減少了打磨粉塵對操作人員的危害；打磨頭支架配置密封式精密軸承，保證了打磨頭支架擺動平穩(wěn)、耐用。氣動機械臂由連桿機構(gòu)與精密氣缸構(gòu)成，可模擬人工手臂往復擺運動。浮動箱將機械臂與打磨頭支撐起來，支撐力由浮動氣缸提供，支撐力的大小根據(jù)不同工況，可由精密減壓閥進行調(diào)節(jié)。通過操作箱上的手動閥，可以控制打磨機的磨頭旋轉(zhuǎn)、機械臂擺動、浮動箱浮動、0°～90°偏擺等動作，可完成水平平面、水平頂面、垂直側(cè)面和曲面的表面打磨拋光工作。該設備可用于飛機機翼和機身外表面、船舶內(nèi)外表面、軌道交通車輛車體外表面等零部件的打磨拋光作業(yè)，是航空業(yè)和飛機維修、造船業(yè)和船舶維修業(yè)、軌道交通制造業(yè)和維修等行業(yè)不可缺失的設備［1-5］。

1 氣動擺臂打磨機總體結(jié)構(gòu)

設備總體結(jié)構(gòu)由末端打磨頭1、氣動機械臂2、操作箱3、浮動箱4、轉(zhuǎn)動支架5、翻轉(zhuǎn)架6、升降架7、帶輪底座8、集塵袋9和氣動控制系統(tǒng)部分組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，氣動打磨頭1通過磨頭支架固定在氣動機械臂2左側(cè)端面；氣動機械臂2通過連接板固定在浮動箱4上；浮動箱4由轉(zhuǎn)動支架5和浮動氣缸通過鉸鏈轉(zhuǎn)動連接；轉(zhuǎn)動支架5與翻轉(zhuǎn)架6通過軸套轉(zhuǎn)動連接；翻轉(zhuǎn)架6通過螺釘緊固在升降架7上，升降架7通過滑動導軌和升降氣缸固定在帶輪底座8上；打磨粉塵經(jīng)氣動系統(tǒng)收集在集塵袋內(nèi)；帶輪底座安裝了4個腳輪，包含2個剎車萬向腳輪和2個定向腳輪，便于打磨機移動與固定打磨；手動控制閥集成安裝在操作箱3上，通過操作箱3上的手動控制閥，可完成打磨工作的所有動作［6-12］。

圖1 總體結(jié)構(gòu)

1.1 末端打磨頭

末端打磨頭由自吸塵式氣動雙工位打磨頭、打磨頭支架、支撐板和連接板等構(gòu)成，采用真空自吸塵氣動打磨頭，能夠在打磨過程利用真空管（文丘里管）自吸塵功能吸取90%左右的粉塵，并將其通過內(nèi)部吸塵管儲存在過集塵袋中。打磨頭氣源壓力0.6 MPa，最高轉(zhuǎn)速12 000 r／min，砂盤直徑127 mm（5 in），偏心距離5 mm；每天可連續(xù)使用8～10 h；打磨頭可自適應調(diào)整打磨姿態(tài)；當打磨曲面時，可保證打磨頭盤面始終與曲面法向垂直。

1.2 氣動機械臂

氣動機械臂由一級臂、二級臂組成。一級臂采用氣缸鏈輪行星傳動，可使機械臂往復擺動；二級臂采用氣缸連桿結(jié)構(gòu)，可使機械臂抬升降低，氣動機械臂為打磨設備提供往復擺動與抬升動作，實現(xiàn)模擬人工打磨過程中的往復打磨動作。

1.3 操作箱

操作箱集成控制打磨機所有動作的手動閥，操作者通過操作手動閥手柄或旋鈕，可完成打磨機的打磨頭旋轉(zhuǎn)、機械臂往復擺動、機械臂抬升下降、機械臂90°翻轉(zhuǎn)、浮動打磨、設備升降和轉(zhuǎn)動支架剎車鎖緊等動作。

1.4 浮動箱

浮動箱由經(jīng)轉(zhuǎn)動支架和浮動氣缸通過鉸鏈轉(zhuǎn)動連接，浮動氣缸為浮動箱提供恒定浮動力。浮動箱的恒定浮動力通過機械臂傳遞給打磨頭，轉(zhuǎn)換為打磨頭的恒定接觸壓力。當打磨接觸力小于設定的氣缸浮動力時，浮動氣缸桿伸出，機械臂仰角增大，直到打磨接觸力與設定的氣缸浮動力相同。恒定的浮動力可保證在打磨曲面時打磨接觸力恒定，保證打磨表面質(zhì)量均勻一致。浮動氣缸通過精密減壓閥控制氣缸壓力，控制恒定浮動力。恒定浮動力大小可根據(jù)不同工況的打磨接觸力來進行調(diào)整，但不能大于0.6 MPa，否則將損壞自吸塵氣動打磨頭。

1.5 轉(zhuǎn)動支架

轉(zhuǎn)動支架通過旋轉(zhuǎn)法蘭固定在翻轉(zhuǎn)架上，根據(jù)工況需求，操作者可手動左、右旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動支架，從而調(diào)整設備的打磨范圍。

1.6 翻轉(zhuǎn)架

翻轉(zhuǎn)架通過翻轉(zhuǎn)氣缸固定在升降架上，翻轉(zhuǎn)架通過翻轉(zhuǎn)氣缸伸縮動作使轉(zhuǎn)盤支架以銷軸為中心翻轉(zhuǎn)0°～90°，切換打磨頭角度；旋轉(zhuǎn)法蘭通過交叉滾子軸承與剎車盤連接為一整體，當打磨工件時通過鎖緊剎車盤，限制旋轉(zhuǎn)法蘭的旋轉(zhuǎn)；限位軸用于限制旋轉(zhuǎn)法蘭的最大旋轉(zhuǎn)角度。

1.7 升降架

升降架通過升降架氣缸鎖緊固定在帶輪底座上，升降架氣缸桿伸縮，帶動升降架沿滾動直線導軌整體上下移動，用來調(diào)節(jié)打磨頭的打磨高度；剎車盤鎖緊氣缸使升降架緊固不動。當使用中央集中供氣時，遠距離設備可能產(chǎn)生氣壓波動，可以在帶輪底座上增加一個小型儲氣罐。

1.8 帶輪底座

帶輪底座通過滾輪支撐在水平地面，底座有4個腳輪，其中兩個為剎車萬向腳輪。鎖緊其手柄，可使底座固定在地面上；輔助腳輪架用于增強打磨機整體的穩(wěn)定性；打磨機可沿直線定向前后移動，打磨不同表面區(qū)域。

1.9 氣動控制系統(tǒng)

氣動控制系統(tǒng)主要由氣源處理單元、控制元件、執(zhí)行元件和輔助元件組成。其中控制元件主要安裝在操作箱和浮動箱內(nèi)，執(zhí)行元件氣缸安裝在氣動機械臂上。氣源分別通過減壓閥和氣源組合三聯(lián)體后進入氣動執(zhí)行件與打磨頭。打磨機所有打磨動作可通過操作氣動控制箱上的手動閥手柄或旋鈕完成，每一個打磨動作對應一個控制手柄或旋鈕，打磨頭轉(zhuǎn)速通過精密減壓閥控制（氣壓不大于0.6 MPa），氣缸的運行速度通過調(diào)速閥控制。

1.10 擺臂工作范圍

擺臂工作范圍如圖2所示。

圖2 擺臂工作范圍

2 氣動擺臂打磨機的使用流程

2.1 打磨機的移動操作

打磨機由操作者移動到合適的位置，操作者手握打磨機操作手把可按需求任意轉(zhuǎn)向、推拉、調(diào)整打磨機位置；確定好位置，鎖定旋轉(zhuǎn)臺后將腳輪剎車鎖緊，將打磨機固定在水平地面上，打磨機移動時速度必須控制在0.3 m／s以內(nèi)，工況環(huán)境復雜時操作人員不得少于2人，一人操作移動設備，一人輔助安全措施。當打磨件表面較大、超過機械臂工作范圍，可完成打磨部分表面后移動打磨機繼續(xù)打磨工作。當打磨較長頂面時，可選擇輔助腳輪架配置，可以使打磨機穩(wěn)定沿定向?qū)Ь€槽移動打磨表面。

2.2 操作箱手動控制閥操作

2.2.1 機械臂抬升和下降手動控制閥

手動閥的手柄順時鐘旋轉(zhuǎn)時，二級機械臂抬升；手動閥的手柄逆時針旋轉(zhuǎn)時，二級機械臂下降；手柄放置中間“0”位置，二級機械臂停止運動，并被鎖定在固定位置。通過控制此手動閥完成打磨時機械臂抬升和下降。通過旋轉(zhuǎn)手動閥的手柄，控制二級機械臂氣缸的伸縮使氣缸連桿機構(gòu)以固定軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)二級機械臂在0°～30°抬升和下降及其鎖緊。

2.2.2 機械臂擺動手動控制閥

通過手動閥手柄的左、右擺動實現(xiàn)二級機械臂的左、右擺動（當浮動箱翻轉(zhuǎn)90°時，垂直打磨時為上、下擺動）；當水平打磨時，手柄向左擺動時，二級機械臂向左擺動；手柄向右擺動時，二級機械臂向右擺動；手柄放置中間“0”位置，二級機械臂停止擺動，并被鎖定在其固定位置。通過控制此手動閥的手柄擺動，完成打磨作業(yè)時機械臂的擺動。通過擺動手動閥的手柄，控制一級機械臂氣缸的伸縮，使氣缸鏈輪行星機構(gòu)以固定軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)二級機械臂在0°～±30°范圍內(nèi)無級擺動與鎖緊。

2.2.3 浮動箱手動控制閥

旋轉(zhuǎn)浮動箱手動控制閥旋鈕可實現(xiàn)開啟與關(guān)閉打磨浮動力；當旋鈕順時針旋轉(zhuǎn)時，開啟浮動力，浮動氣缸桿向上頂出產(chǎn)生對浮動箱的向上浮動力，浮動力的大小通過精密減壓閥調(diào)節(jié)；當旋鈕逆時針旋轉(zhuǎn)時，關(guān)閉浮動力，浮動氣缸桿收回，浮動箱返回初始位置；作業(yè)結(jié)束時旋鈕放置在中間“0”位置，浮動氣缸被鎖死固定在支架上。通過控制浮動箱手動控制閥為打磨提供所需的浮動力。通過旋轉(zhuǎn)手動控制閥旋鈕，控制浮動箱以固定軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)浮動箱0°～5°浮動加工。

2.2.4 轉(zhuǎn)動支架剎車手動控制閥

轉(zhuǎn)動支架剎車手動控制閥可實現(xiàn)轉(zhuǎn)動支架的鎖緊與解鎖；旋鈕在鎖緊位置時，轉(zhuǎn)動支架被剎車彈簧漲緊鎖死，旋鈕在解鎖位置時剎通氣，氣缸桿帶動剎車鋼絲繩克服彈簧力，此時轉(zhuǎn)動架被解除鎖緊。通過旋轉(zhuǎn)旋鈕，控制轉(zhuǎn)動支架鎖緊與解鎖，解鎖狀態(tài)時，操作人員擺動把手可使其以固定軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)動支架±30°范圍內(nèi)手動旋轉(zhuǎn)。

2.2.5 升降架手動控制閥

升降架抬升手動控制閥可實現(xiàn)升降架的抬升與下降。旋鈕逆時針旋轉(zhuǎn)時氣缸推動升降臺沿滾動導軌上升；旋鈕順時針旋轉(zhuǎn)時氣缸推動升降臺沿滾動導軌下降；旋鈕在“0”時位置，升降臺被鎖死固定在打磨位置。通過旋轉(zhuǎn)手動控制閥旋鈕，控制升降架抬升與下降，調(diào)整打磨高度范圍。

2.2.6 翻轉(zhuǎn)臺翻轉(zhuǎn)手動控制閥

控制翻轉(zhuǎn)臺翻轉(zhuǎn)手動控制閥可實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)臺在0°～90°范圍內(nèi)翻轉(zhuǎn)。手動閥旋鈕順時針旋轉(zhuǎn)時，翻轉(zhuǎn)氣缸桿向上伸出，翻轉(zhuǎn)臺以翻轉(zhuǎn)軸為中心旋轉(zhuǎn)90°切換到水平打磨模式；旋鈕逆時針旋轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)氣缸桿向下收回，翻轉(zhuǎn)臺以翻轉(zhuǎn)軸90°反方向旋轉(zhuǎn)，切換到垂直側(cè)面打磨模式；旋鈕放置中間“0”時位置，翻轉(zhuǎn)氣缸被鎖死固定在打磨位置，可在0°～90°范圍內(nèi)任何一個位置鎖緊。通過旋轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)臺手動控制閥旋鈕，可實現(xiàn)水平頂面和任意角度垂直側(cè)面的打磨作業(yè)。

3 測試與結(jié)果分析

通過現(xiàn)場使用測試，氣動擺臂打磨機是一款多功能復合自吸塵打磨機，可完成水平平面、水平頂面、垂直側(cè)面和曲面的表面打磨拋光工作。

當打磨接觸面為曲面時，打磨頭組件機構(gòu)可根據(jù)工件曲面外形進行左右或上下方向的自適應靈活調(diào)整打磨姿態(tài)，如圖3所示。作簡單方便；具有較強的抗干擾能力，不會因環(huán)境變化影響傳動及控制性能；控制系統(tǒng)與其他控制系統(tǒng)相比，節(jié)省了大量電氣元件，減少了控制柜；不會污染環(huán)境，有利于改善工人的作業(yè)環(huán)境，并減少對工人身體傷害；同時機器成本較機器人拋光設備低廉，對實際生產(chǎn)具有十分重要的指導意義。隨著我國航空航天、艦船和海洋工程等大型設備制造、維修行業(yè)的飛速發(fā)展，自吸塵氣動擺臂打磨機將得到大規(guī)模的應用。

圖3 打磨頭自適應上下調(diào)整姿態(tài)

當打磨零件時，打磨頭砂碟旋轉(zhuǎn)速度和氣動機械臂擺動的快慢，均可通過手動調(diào)節(jié)速度控制閥實現(xiàn)。當打磨頭砂碟轉(zhuǎn)速太慢或接觸零件表面時堵轉(zhuǎn)，主要是因接觸壓力過大。當打磨效果或效率明顯下降時，應及時停機并更換新砂碟。

4 結(jié)束語

通過上述的分析，自吸塵氣動擺臂打磨機極大地提高了大型裝備外輪廓復雜形狀部位的打磨拋光表面質(zhì)量和效率。機器采用氣壓傳動，動作迅速，反應靈敏，操