葉友東， 汪 凱， 周哲波

(安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

拋光磨頭作為拋光機(jī)重要部件之一，其動態(tài)特性以及拋光參數(shù)直接影響拋光質(zhì)量、效率以及拋光環(huán)境，國、內(nèi)外眾多學(xué)者就這方面的研究做了大量的工作[1-10]。一臺陶瓷拋光機(jī)上往往都配置了多個拋光磨頭同時作業(yè)，拋光磨頭一般安裝于拋光機(jī)橫梁，并且位于同一直線上；每個拋光磨頭都與拋光機(jī)主軸同軸固定，而每個拋光機(jī)主軸都由單獨(dú)的電機(jī)通過帶傳動驅(qū)動，同時每個拋光機(jī)主軸都由兩個氣缸提供不工作時的支撐力和工作時的壓力。拋光機(jī)工作時，拋光機(jī)主軸自上部通入水實(shí)現(xiàn)沖走拋光碎屑、帶走熱量、抑制振動等作用[11]。

擺動式拋光磨頭虛擬樣機(jī)如圖1所示。其工作原理是：電機(jī)經(jīng)帶傳動驅(qū)動拋光磨頭主軸旋轉(zhuǎn)，磨頭主軸經(jīng)差動輪系帶動圓柱凸輪回轉(zhuǎn)，磨頭座在公轉(zhuǎn)的同時，通過兩齒差外嚙合行星輪差動輪系[12]，使得凸輪相對于磨頭座產(chǎn)生一個相對回轉(zhuǎn)運(yùn)動，圓柱凸輪的端面輪廓便驅(qū)動主、從動擺桿，使連接在擺桿上的磨塊座作往復(fù)擺動，從而達(dá)到磨塊對磚坯的線接觸式磨削。同時，拋光機(jī)主軸內(nèi)部和磨頭主體可上下運(yùn)動，上部兩個氣缸對主軸施加壓力，并傳遞給磨頭以及磨塊，最終磨塊對瓷磚進(jìn)行壓力拋光[13]。拋光磨頭內(nèi)部的差動輪系中，主動齒輪和從動齒輪相差兩個輪齒，錯開了主、從動齒輪的嚙合頻率，進(jìn)而主軸和凸輪的轉(zhuǎn)動頻率也不相同，故擺桿的擺動頻率和主軸轉(zhuǎn)動頻率也各不相同。錯開各個運(yùn)動件的工作頻率有助于抑制振動[14]。

1-主軸組件；2-固定蓋；3-差動輪系；4-凸輪；5-磨頭座；6-擺桿；7-磨塊座圖1 擺動式拋光磨頭虛擬樣機(jī)Fig.1 Virtual prototype of swing polishing grinding head

1 拋光磨頭實(shí)驗(yàn)平臺整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到動力學(xué)實(shí)驗(yàn)要研究拋光磨頭在拋光過程中的振動特性，所以必須保證實(shí)驗(yàn)平臺具有足夠的剛度以盡量減小實(shí)驗(yàn)平臺本身結(jié)構(gòu)對于拋光磨頭振動的影響。實(shí)驗(yàn)平臺整體結(jié)構(gòu)由三塊鋼板、方鋼焊接而成，分別為機(jī)架、瓷磚托架、電機(jī)座。機(jī)架用于支撐整體的零部件，四腳通過地腳螺栓地面固定，防止實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)生顫動；電機(jī)座安裝于機(jī)架的上方，用于支撐電機(jī)和固定氣缸；瓷磚托架安裝于機(jī)架的下方，用于放置瓷磚、滿足蓄水要求，這些部件之間采用螺栓連接。拋光磨頭和拋光機(jī)主軸同軸固定，拋光機(jī)主軸由電機(jī)驅(qū)動，拋光磨頭同軸轉(zhuǎn)動。電機(jī)和拋光機(jī)主軸上分別安裝主、從動帶輪，通過帶傳動實(shí)現(xiàn)運(yùn)動傳遞和減速；電機(jī)采用三相異步電動機(jī)，額定功率11 kW，額定轉(zhuǎn)速1 440 r/min，拋光機(jī)主軸在拋光時的轉(zhuǎn)速約為475 r/min，故帶傳動的傳動比為3。實(shí)驗(yàn)平臺整體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)圖(mm)Fig.2 Structure diagram experimental platform (mm)

2 氣路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

拋光磨頭與拋光機(jī)主軸在拋光機(jī)上可以上下運(yùn)動，拋光瓷磚時必須先克服拋光磨頭以及拋光機(jī)主軸重力，將瓷磚置于拋光磨頭下方，而拋光磨頭和拋光機(jī)主軸的重力估計(jì)達(dá)到3 000 N，并且拋光時還要對拋光機(jī)主軸垂直向下施加恒定壓力，采用空壓機(jī)提供高壓氣體用于作業(yè)是個合適的選擇。為保持受力的平衡，使用兩個相同的氣缸來提供支撐力以及向下的壓力，兩個氣缸提供的支撐力大小應(yīng)大于3 000 N，而且氣缸行程要滿足圖2中拋光磨頭上升、下降的行程，初步選擇氣缸型號為ESC-63X150-S-FB/ES-21/ESH。氣缸工作必須由空氣壓縮機(jī)提供高壓氣體，最大壓強(qiáng)1.25 MPa，通過計(jì)算滿足使用要求。

實(shí)驗(yàn)平臺開始工作時，拋光磨頭被氣缸頂起，放置瓷磚，為防止拋光磨頭下落過快砸壞瓷磚，要求氣缸由頂起狀態(tài)緩慢放下，該功能可通過在排氣口安裝單向節(jié)流閥實(shí)現(xiàn)；實(shí)驗(yàn)臺停止工作時，拋光磨頭被氣缸快速頂起，缸內(nèi)氣體需要被快速排出，該功能可通過在排氣口安裝快速排氣閥實(shí)現(xiàn)。兩個氣缸的壓強(qiáng)必須保持一致才能使主軸受力平衡，運(yùn)動自如，所以兩個氣缸由一個主氣管通入高壓氣體，并分別用一個減壓閥和氣壓表控制、監(jiān)測壓強(qiáng)大小。氣缸內(nèi)氣體的方向由電磁閥控制，拋光磨頭被氣缸頂起時，高壓氣體從單向節(jié)流閥方向進(jìn)入，拋光磨頭被氣缸施加垂直向下的壓力時，高壓氣體從快速排氣閥方向進(jìn)入。系統(tǒng)氣路圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)氣路圖Fig.3 Pneumatic chart of system

3 實(shí)驗(yàn)平臺安裝與調(diào)試

實(shí)驗(yàn)平臺裝配好要進(jìn)行各項(xiàng)功能調(diào)試，確保拋光磨頭和拋光機(jī)的主軸能夠被氣缸頂起、拋光機(jī)的主軸能夠被電機(jī)帶動才能進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)。首先調(diào)試氣動系統(tǒng)，頂起拋光機(jī)主軸和拋光磨頭，在檢查各氣路閥門無問題后，打開氣泵和各開關(guān)，逐漸增大氣壓，拋光磨頭和拋光機(jī)主軸漸漸被頂起，滿足升降需求。實(shí)驗(yàn)平臺整機(jī)如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺樣機(jī)Fig.4 Experimental platform of prototype

在檢查氣路系統(tǒng)無問題后，操作氣缸持續(xù)頂起拋光磨頭，使其不隨重力作用而落下，然后檢查電路接線是否安全，在確保無問題后打開電源開關(guān)，調(diào)節(jié)變頻器，使電機(jī)工作。經(jīng)實(shí)際操作與觀察，電機(jī)能夠安全工作，轉(zhuǎn)速可以隨變頻器調(diào)整。

4 振動信號采集

在確定實(shí)驗(yàn)平臺無問題后，進(jìn)行拋光磨頭的單頭定點(diǎn)拋光實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹饕菧y量實(shí)驗(yàn)過程中拋光磨頭在X，Y，Z三個方向上的振動加速度數(shù)據(jù)，以此來評估拋光狀態(tài)的優(yōu)劣。振動加速度的測量可以采用振動傳感器實(shí)現(xiàn)，這里采用壓電式微型三軸加速度傳感器以方便安裝，并通過XY5100四通道信號采集器采集加速度數(shù)據(jù)。傳感器在實(shí)驗(yàn)平臺上的安裝位置如圖5所示。

圖5 傳感器安裝位置Fig.5 Sensor installation position

根據(jù)建立的實(shí)驗(yàn)平臺所能實(shí)現(xiàn)的功能結(jié)合拋光過程中需要改變的參數(shù)，該試驗(yàn)臺能夠?qū)崿F(xiàn)改變拋光磨頭的主軸轉(zhuǎn)速、磨頭壓力和磨塊粒度號這三個拋光參數(shù)，所以就以這三個拋光參數(shù)為三個實(shí)驗(yàn)因素進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

從表1可知，針對三個實(shí)驗(yàn)因素分別設(shè)定了三個不同值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，由此可知共需要完成27組實(shí)驗(yàn)。對于每組實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，取相同時間段內(nèi)三個不同時間點(diǎn)的垂直方向(Z軸)加速度有效值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

表2中1、2、3組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別為相同時間內(nèi)三個不同時間點(diǎn)的垂直方向(Z軸)加速度有效值，平均值是這三個值的均值。由表2中的數(shù)據(jù)可知：

磨塊粒度號為150#，磨頭壓力在0.2 MPa時，磨頭轉(zhuǎn)速在424 r/min時測得的Z軸振動加速度有效值數(shù)據(jù)明顯小于377 r/min和471 r/min時測得的數(shù)據(jù)，若以較小的Z軸振動加速度有效值作為較好的動態(tài)特性評判標(biāo)準(zhǔn)，那么磨頭轉(zhuǎn)速在377 r/min和471 r/min之間能夠獲得較好的動態(tài)特性；相同的磨塊粒度號條件下，磨頭壓力為0.3 MPa和0.4 MPa時，測得的Z軸振動加速度有效值都隨著轉(zhuǎn)速增大而增大。比較數(shù)據(jù)可知：磨粒號為150#時的磨頭壓力選擇為0.2 MPa、磨頭轉(zhuǎn)速選擇為424 r/min或者磨頭壓力選擇為0.3 MPa、磨頭轉(zhuǎn)速選擇為377 r/min都較為合適。

磨塊粒度號為400#，磨頭壓力在0.2 MPa時，磨頭轉(zhuǎn)速在377 r/min和424 r/min時測得的Z軸振動加速度有效值較小，具有較好的動態(tài)特性，轉(zhuǎn)速在471 r/min時測得的Z軸振動加速度有效值相比較大；同樣的磨塊粒度號條件下，磨頭壓力在0.3 MPa和0.4 MPa時，測得的Z軸振動加速度有效值都隨著轉(zhuǎn)速增大而增大。比較數(shù)據(jù)可知：磨粒號為400#時的磨頭壓力選擇為0.2 MPa、磨頭轉(zhuǎn)速選擇為377 r/min，424 r/min或者磨頭壓力選擇為0.3 MPa、磨頭轉(zhuǎn)速選擇為377 r/min都較為合適。

磨塊粒度號為1200#，磨頭壓力為0.2 MPa時，磨頭Z軸振動加速度有效值都隨著磨頭轉(zhuǎn)速的增大而增大；磨頭壓力為0.3 MPa時，磨頭Z軸振動加速度有效值隨轉(zhuǎn)速變化不明顯，在轉(zhuǎn)速為471 r/min時有所增大；磨頭壓力為0.4 MPa時，磨頭Z軸振動加速度有效值在轉(zhuǎn)速為424 r/min時測得值小于在377 r/min和471 r/min時的測得值；磨塊粒度號為1200#的實(shí)驗(yàn)結(jié)果整體數(shù)據(jù)都偏大，說明加速度波動嚴(yán)重，所以采用1200#磨粒進(jìn)行精拋時要匹配較小的磨頭壓力和較低轉(zhuǎn)速進(jìn)行生產(chǎn)。

對比三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用磨粒號為1200#實(shí)驗(yàn)時的采集數(shù)據(jù)相較于采用其他磨粒號實(shí)驗(yàn)時的采集數(shù)據(jù)都普遍較高，這說明磨粒號是影響采集數(shù)據(jù)的主要因素之一，即磨粒號是影響Z軸振動加速度有效值的主要因素之一。并且由上述分析可知：磨頭壓力和磨頭轉(zhuǎn)速都是影響Z軸振動加速度有效值的因素。對比前9組實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，高轉(zhuǎn)速(471 r/min)和高壓力(0.3 MPa，0.4 MPa)的參數(shù)搭配組合導(dǎo)致Z軸振動加劇，同時對比第6、15、24組數(shù)據(jù)可知150#磨粒和471 r/min轉(zhuǎn)速、0.3 MPa或者0.4 MPa的參數(shù)組合更易造成Z軸的劇烈振動，在生產(chǎn)過程中應(yīng)該避免以上參數(shù)組合。對比4、5、6組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、13、14、15組數(shù)據(jù)和22、23、24組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得知磨頭轉(zhuǎn)速對采用150#磨粒號的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響較大，而其他組實(shí)驗(yàn)中磨塊粒度號的改變對于振動加速度的影響比速度改變對振動加速度的影響大。

選取三組實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行時域和頻域分析，三組實(shí)驗(yàn)參數(shù)分別為：150#(磨塊粒度號)、0.2 MPa(磨頭壓力)、424 r/min(磨頭轉(zhuǎn)速)，400#，0.2 MPa，424 r/min，1200#，0.2 MPa，424 r/min。由這三組拋光參數(shù)實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)分析出Z軸振動加速度時域和瀑布彩圖分別如圖6、圖7、圖8所示。

圖6 第1組分析圖Fig.6 First analysis diagram

圖7 第2組分析圖Fig.7 Second analysis diagram

圖8 第3組分析圖Fig.8 Third analysis diagram

觀察圖6、圖7和圖8中的時域圖可知，由簡單的振動加速度時域圖并不能看出三組參數(shù)實(shí)驗(yàn)時對于試驗(yàn)結(jié)果的影響，故選取各組實(shí)驗(yàn)過程中接近相同時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)的加速度瀑布圖以方便觀察加速度在頻域里隨時間變化的趨勢[15]。

由圖6的瀑布圖可知，拋光參數(shù)為150#(磨塊粒度號)、0.2 MPa(磨頭壓力)、424 r/min(磨頭轉(zhuǎn)速)時，拋光磨頭在頻率約為300 Hz，2 400 Hz，5 000 Hz時都產(chǎn)生明顯振動，幅值接近3 m/s2(受實(shí)驗(yàn)設(shè)備限制，數(shù)據(jù)只能采集到5 000 Hz),在450 Hz，600 Hz，1 000 Hz，1 100 Hz，1 300～2 000 Hz，2 100 Hz都會產(chǎn)生明顯振動。

由圖7的瀑布圖可知，拋光參數(shù)為400#，0.2 MPa，424 r/min時，拋光磨頭在頻率約為200～600 Hz，1 050 Hz，1 200 Hz，1 600～1 800 Hz，2 400 Hz，4 700～5 000 Hz時都產(chǎn)生明顯的振動，幅值接近3 m/s2，在頻率為2 000 Hz，2 200 Hz，2 800 Hz，3 550 Hz，4 050 Hz時都會產(chǎn)生輕微振動。

由圖8的瀑布圖可知，拋光參數(shù)為1200#，0.2 MPa，424 r/min時，拋光磨頭在頻率約為200～600 Hz，800～1 000 Hz，1 150 Hz，1 950 Hz，2 200～2 400 Hz，4 700～5 000 Hz時都產(chǎn)生明顯振動，其他頻率的振動狀態(tài)(振動加速度小于1 m/s2)并不明顯。

由以上分析可知，采用150#磨粒和400#磨粒實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)差別主要是低頻率的振動狀態(tài)不同，具體表現(xiàn)為200～600 Hz的振動差異，前者表現(xiàn)在300 Hz時的明顯振動，而后者在該頻率區(qū)間都持續(xù)產(chǎn)生明顯振動。1200#磨粒實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)與前面兩組數(shù)據(jù)相比較，表現(xiàn)為振動更加明顯，而其他頻率區(qū)段振動不明顯(顏色較深)，而且低頻振動更加強(qiáng)烈(表現(xiàn)為亮度更高)。由此可見，更換磨塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)主要改變了拋光磨頭的低頻振動特性，并且磨塊粒度號越大，低頻振動越強(qiáng)烈[16]。

為進(jìn)一步研究轉(zhuǎn)速和壓力對于振動加速度的影響，以下給出第4、5、6、7組分析圖如圖9、圖10、圖11、圖12所示。圖9中的數(shù)據(jù)由參數(shù)為150#，0.2 MPa，377 r/min實(shí)驗(yàn)時得到，圖10中的數(shù)據(jù)由參數(shù)為150#，0.2 MPa，471 r/min試驗(yàn)時得到，圖11中的數(shù)據(jù)由參數(shù)為150#，0.3 MPa，424 r/min實(shí)驗(yàn)時得到，圖12中的數(shù)據(jù)由參數(shù)為150#，0.4 MPa，424 r/min實(shí)驗(yàn)時得到。由圖9、圖10和圖6對比可知：磨粒號和磨頭壓力一定時，轉(zhuǎn)速越高，磨頭的振動加速度越大(圖6中色彩亮度普遍高于圖9中色彩亮度，而圖10中的色彩亮度普遍高于圖6中的色彩亮度)。由圖11、圖12和圖6對比可知：磨粒號和磨頭轉(zhuǎn)速一定時，磨頭壓力越大，磨頭的高頻振動加速度反而減小，低頻區(qū)間幾乎沒有發(fā)生變化(在高頻區(qū)間，圖11中色彩亮度普遍低于圖6中色彩亮度，圖12中的色彩亮度普遍低于圖11中的色彩亮度)，說明增大壓力具有能夠有效抑制振動的作用[17]。

圖9 第4組分析圖Fig.9 Fourth analysis diagram

圖10 第5組分析圖Fig.10 Fifth analysis diagram

圖11 第6組分析圖Fig.11 Sixth analysis diagram

圖12 第7組分析圖Fig.12 Seventh analysis diagram

6 結(jié) 論

以擺動式拋光磨頭為研究對象，搭建了小型單頭定點(diǎn)拋光試驗(yàn)平臺，通過預(yù)先設(shè)定好實(shí)驗(yàn)參數(shù)并進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)、記錄數(shù)據(jù)。對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析得出：磨頭壓力和磨頭轉(zhuǎn)速一定時，磨塊粒度號越大，拋光磨頭低頻振動越強(qiáng)烈；磨粒號和磨頭壓力一定時，轉(zhuǎn)速越高，磨頭的振動加速度越大；磨粒號和磨頭轉(zhuǎn)速一定時，磨頭壓力越大，磨頭的高頻振動加速度反而減小，低頻區(qū)間幾乎沒有變化，說明壓力對磨頭的振動有一定抑制作用。在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該避免150#磨粒號和471 r/min轉(zhuǎn)速、0.3 MPa或者0.4 MPa壓力的拋光參數(shù)組合；以150#磨粒號的磨塊進(jìn)行生產(chǎn)時，采用0.2 MPa壓力、424 r/min轉(zhuǎn)速或者0.3 MPa壓力、377 r/min轉(zhuǎn)速為宜，以400#磨粒號的磨塊進(jìn)行生產(chǎn)時，采用0.2 MPa壓力、377 r/min轉(zhuǎn)速或者424 r/min轉(zhuǎn)速為宜；選擇大粒度號(1200#)磨塊進(jìn)行生產(chǎn)時盡量匹配較小的磨頭壓力和磨頭轉(zhuǎn)速。