何劍鋒 徐志波 吳琪宇

（上海威克鮑爾通信科技有限公司，貴陽(yáng) 550009）

為避免表面生銹，金屬零件通常需要噴漆處理。在噴漆之前需要先除銹，常見的除銹方法包括打磨、噴除銹劑、浸泡電解等。噴漆工藝分為噴底漆、面漆等多道工序。零件噴完底漆后，表面一般會(huì)有氣泡、多余物等影響產(chǎn)品表面質(zhì)量的缺陷。為了除去零件表面雜質(zhì)并增加表面附著力，以便后續(xù)噴面漆工藝順利進(jìn)行，需要進(jìn)行打磨處理。

設(shè)計(jì)了一臺(tái)應(yīng)用于電機(jī)外殼、不銹鋼水杯、轉(zhuǎn)軸等圓柱形金屬零件的自動(dòng)打磨設(shè)備[1-2]。針對(duì)中小型圓柱形金屬零件圓周方向的打磨，實(shí)現(xiàn)人工一次裝夾后設(shè)備自動(dòng)打磨，打磨轉(zhuǎn)速、打磨粗糙度和打磨位置均可調(diào)。該設(shè)備配置空氣凈化系統(tǒng)、自動(dòng)開閉安全門，采用容易更換、價(jià)格實(shí)惠的氣動(dòng)手持砂帶機(jī)作為打磨機(jī)構(gòu)，具備極好的通用性、柔性化和自動(dòng)化等特點(diǎn)[3]。

1 設(shè)備總體布局

該系統(tǒng)主要由打磨機(jī)構(gòu)、壓緊機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制系統(tǒng)、自動(dòng)門、安全光柵、吸塵器及機(jī)架組成[4-6]。設(shè)備總體布局如圖1 所示。

圖1 自動(dòng)打磨設(shè)備總體布局

設(shè)備適用于直徑為25 ～120 mm、長(zhǎng)度為40 ～200 mm 圓柱形金屬零件的打磨。配置自動(dòng)門系統(tǒng)，由無桿氣缸驅(qū)動(dòng)，配合安全光柵，可實(shí)現(xiàn)門自動(dòng)開閉。配空氣凈化系統(tǒng)，打磨時(shí)吸塵器啟動(dòng)，凈化設(shè)備內(nèi)部粉塵，防止粉塵引發(fā)的職業(yè)病。配置PLC 控制系統(tǒng)，通過PLC 驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)及模組實(shí)現(xiàn)不同零件打磨位置可調(diào)，生成配方組態(tài)，打磨時(shí)可直接調(diào)用。采用手持砂帶機(jī)作為打磨機(jī)構(gòu)，手持砂帶機(jī)價(jià)格便宜，砂帶易于更換、粗糙度可選、打磨松緊度可調(diào)，適合各類金屬零件的打磨、拋光。設(shè)備臺(tái)面安裝有可拆卸的防塵罩，便于人工清理掉落在臺(tái)面上的灰塵。

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

打磨時(shí)，零件姿態(tài)為軸向豎直朝上，打磨圓周方向表面。通過砂帶機(jī)上下移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)零件勻速旋轉(zhuǎn)、壓緊機(jī)構(gòu)壓緊零件，實(shí)現(xiàn)零件圓周方向的打磨。配置自動(dòng)安全門系統(tǒng)，在設(shè)備未停機(jī)時(shí)鎖住安全門防止機(jī)械傷害。設(shè)備停機(jī)后，觸碰安全光柵工作區(qū)域可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開門。配置空氣凈化系統(tǒng)，預(yù)防粉塵引發(fā)的職業(yè)病。

2.1 自動(dòng)安全門設(shè)計(jì)

常規(guī)自動(dòng)門所需的安裝空間較大，寬高為2 m×2 m 以上，不適合設(shè)備使用，需要非標(biāo)定制。門板采用無色透明有機(jī)玻璃，動(dòng)力采用無桿氣缸，導(dǎo)向采用線性滑軌，左右兩端安裝安全光柵，通過接觸光柵區(qū)域傳遞門開閉信號(hào)，實(shí)現(xiàn)寬高為0.95 m×0.69 m 空間內(nèi)自動(dòng)安全門的設(shè)計(jì)。

由于打磨設(shè)備灰塵較大且含有金屬粉末，自動(dòng)門導(dǎo)軌采用普通線性滑軌或者帶滾珠滑軌均可能造成導(dǎo)軌堵塞和嚴(yán)重磨損，在門上下各安裝一條滾輪式滑軌[8]，專用于粉塵環(huán)境下的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。

安全門質(zhì)量為5 kg，與導(dǎo)軌間力臂為0.034 m，理論上導(dǎo)軌滾動(dòng)摩擦系數(shù)為0.10 ～0.02。由于灰塵、力臂等影響，按滾動(dòng)摩擦系數(shù)的2 倍計(jì)算，選取摩擦系數(shù)為0.2。門開閉行程為435 mm，可計(jì)算出導(dǎo)軌所受摩擦力f為9.8 N，則自動(dòng)門氣缸輸出力應(yīng)不小于2f。為了實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)門，驅(qū)動(dòng)力應(yīng)明顯大于f。

根據(jù)SMC 無桿氣缸推薦，選擇缸徑為25 mm、行程為450 mm、帶磁感應(yīng)開關(guān)的CY 系列無桿氣缸。該氣缸使用氣壓為0.2 ～0.7 MPa，推動(dòng)力為82 ～288 N，而且本身具有一定的導(dǎo)向能力，配合滾輪導(dǎo)軌可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)門的自動(dòng)開閉。

2.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖如圖2 所示。通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)夾具旋轉(zhuǎn)，采用限位止口實(shí)現(xiàn)零件軸向定位[9]，以滾動(dòng)軸承作為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，配合壓緊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)圓柱形零件勻速旋轉(zhuǎn)。限位夾具采用卡槽快換機(jī)構(gòu)[7]，可快速更換夾具，滿足不同規(guī)格零件的打磨需求。

圖2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

根據(jù)打磨時(shí)施加的最大壓力為10 N、摩擦系數(shù)為0.6、產(chǎn)品直徑最大為120 mm、產(chǎn)生力矩為0.72 N·m，選用松下400 W 伺服電機(jī)，可產(chǎn)生扭矩約為1.4 N·m。

2.3 壓緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓緊機(jī)構(gòu)配合旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)圓柱形零件旋轉(zhuǎn)。如圖3 所示，以無桿氣缸作為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和動(dòng)力源、圓形平面作為壓緊接觸面、滾動(dòng)軸承作為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)零件壓緊。壓緊夾具采用卡槽快換機(jī)構(gòu)，可快速更換夾具，滿足不同規(guī)格零件的打磨需求。

圖3 壓緊機(jī)構(gòu)

產(chǎn)品長(zhǎng)度為40 ～200 mm，氣缸行程應(yīng)不小于160 mm。由于上端面靠摩擦固定，鋁與鋼表面比較光滑的情況下，摩擦系數(shù)為0.2 ～0.3，橫向受力為10 N，壓緊力大于50 N，選擇SMC 品牌磁耦合CY1S 系列無桿氣缸[10]。該氣缸缸徑為20 mm，施加壓力為50 ～220 N，且自帶直線軸承導(dǎo)向，磁耦合保持力為231 N，定位精度為±0.05 mm，允許負(fù)載為300 ～600 N。根據(jù)最小產(chǎn)品直徑選取軸承，最小產(chǎn)品直徑為25 mm，因此采用內(nèi)徑為25 mm 雙列深溝球軸承，基本額定負(fù)載不小于4 000 N。

2.4 打磨機(jī)構(gòu)及空氣凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

打磨機(jī)構(gòu)示意圖如圖4 所示。使用手持氣動(dòng)砂帶機(jī)作為打磨工具[11]，砂帶粗糙度、寬度可定制，價(jià)格便宜，易更換，體積小。為了滿足不同規(guī)格零件的打磨需求，將砂帶機(jī)固定在一個(gè)水平橫移模組和一個(gè)上下橫移模組上，可調(diào)節(jié)打磨起點(diǎn)和終點(diǎn)以及打磨持續(xù)時(shí)間。設(shè)計(jì)吸塵器吸管固定支架，將吸塵器吸管對(duì)準(zhǔn)打磨位置，隨著砂帶機(jī)一起移動(dòng)，達(dá)到空氣凈化的效果。采用彈簧緩沖打磨接觸面壓力，保證零件表面打磨的均勻性。

圖4 打磨機(jī)構(gòu)示意圖

手持砂帶機(jī)質(zhì)量約為1 kg，相應(yīng)固定零件質(zhì)量約為0.9 kg，打磨時(shí)受到上下摩擦力約為10 N，力臂為0.15 m，則所受上下方向阻力為28.62 N，所受力矩為4.3 N·m。由于工作時(shí)灰塵較大，上下橫移模組選擇TOYO 品牌的GTH5 系列模組。該系列模組具有防塵鋼帶，豎直最大可搬運(yùn)10 kg 產(chǎn)品，定位精度為±0.01 mm，靜態(tài)允許負(fù)載力矩不大于100 N·m。左右橫移模組選用GTH8 系列模組，該模組同樣具有防塵鋼帶，水平最大可搬運(yùn)50 kg 產(chǎn)品，靜態(tài)允許負(fù)載力矩不大于300 N·m。GTH5 模組配套松下100 W伺服電機(jī)，GTH8 模組配套松下400 W 伺服電機(jī)，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為3 000 r·min-1，模組導(dǎo)程為10 mm，則模組最大運(yùn)行速度為500 mm·s-1。

產(chǎn)品長(zhǎng)度為40 ～200 mm，可打磨的長(zhǎng)度為20 ～180 mm。根據(jù)對(duì)打磨粗糙度的要求，選用寬度為10 mm，目數(shù)為100、200、400 這3 種規(guī)格的砂帶。選用氣動(dòng)手持砂帶機(jī)，使用氣壓為0.5 ～0.7 MPa，空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速最高約為18 000 r·min-1。設(shè)計(jì)仿手柄夾持零件夾持固定砂帶機(jī)，實(shí)現(xiàn)砂帶機(jī)與模組之間的綁定。為了自動(dòng)兼容不同規(guī)格直徑產(chǎn)品，砂帶機(jī)夾持部分設(shè)計(jì)緩沖彈簧，根據(jù)最大壓力10 N 選擇怡合達(dá)品牌的不銹鋼彈簧YWT-D10-L35，彈簧外徑為10 mm，內(nèi)孔可以套M8 螺釘導(dǎo)向固定，壓縮行程為14 mm，壓緊力為1 ～27.5 N 可調(diào)，具體施加力可通過左右橫移模組位置和限位螺絲來調(diào)節(jié)。軸承選用內(nèi)徑為25 mm 的深溝球軸承，帶雙面防塵蓋，基本額定負(fù)載不大于4 000 N。

2.5 吸塵器選型

配置獨(dú)立吸塵凈化系統(tǒng)，通過機(jī)罩使打磨附近形成密閉空間，再通過吸塵器將打磨產(chǎn)生的灰塵吸走，防止操作人員吸入導(dǎo)致粉塵職業(yè)病。

由于打磨顆粒比較細(xì)、干燥且存在鐵屑，要求吸塵器過濾器能夠過濾0.001 mm 以上的灰塵。選擇博世品牌的GAS12-25PL 單通道工業(yè)級(jí)吸塵器，配合直徑為40 mm 的軟管，真空吸力為20 kPa，功率為1 250 W，風(fēng)量為65 L·s-1，能夠過濾直徑不小于0.000 3 mm的顆粒，可濾除99.95%的粉塵。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)圓柱形金屬零件噴漆前的打磨工序，設(shè)計(jì)了一臺(tái)圓柱形金屬零件自動(dòng)打磨設(shè)備。該設(shè)備采用手持氣動(dòng)砂帶機(jī)作為打磨工具，由自動(dòng)安全門、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、壓緊機(jī)構(gòu)、打磨機(jī)構(gòu)及空氣凈化系統(tǒng)構(gòu)成。設(shè)計(jì)的自動(dòng)打磨設(shè)備可通用于中小型圓柱形金屬零件圓周方向的打磨，通用性強(qiáng)，夾具更換簡(jiǎn)單，尤其適合電機(jī)外殼打磨，具有較大的推廣意義。