俞志根 ， 李國(guó)強(qiáng)

(1.湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電與汽車工程學(xué)院， 浙江 湖州 313000; 2.湖州中云機(jī)械股份有限公司 技術(shù)部， 浙江 湖州 313000)

一、振動(dòng)研磨技術(shù)的研究現(xiàn)狀

研磨拋光是零件表面處理與加工的常用方法，歷史非常悠久。振動(dòng)研磨拋光從早期的單件人工操作到現(xiàn)代的大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)，種類繁多，性能各異。研磨拋光方法分干法和濕法兩大類：干法易產(chǎn)生細(xì)微粉塵且噪音大，適用于大型零件的單件加工；濕法主要指利用磨料磨液對(duì)零件進(jìn)行拋光加工的方法，會(huì)產(chǎn)生一定的廢液，適用于微小零件的研磨拋光加工。振動(dòng)研磨拋光機(jī)主要由研磨機(jī)構(gòu)、支撐機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和磨料磨具等組成。目前對(duì)其原理方面的研究基本成熟。近年來(lái)，對(duì)振動(dòng)研磨拋光機(jī)的研究主要集中在結(jié)構(gòu)改進(jìn)和自動(dòng)化改造方面。例如：秦立慶針對(duì)振動(dòng)研磨拋光機(jī)在工作時(shí)主體結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)存在的問(wèn)題，開發(fā)出一種行星式振動(dòng)研磨拋光機(jī)[1]106；王偉和劉偉等對(duì)傳統(tǒng)的雙面拋光機(jī)加載不均勻問(wèn)題進(jìn)行研究，并對(duì)傳統(tǒng)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了振動(dòng)研磨拋光機(jī)的加工效率和精度[2]51；陳文清研制了一種超鏡面研磨拋光工藝方法，較好地解決了研磨拋光加工中的潤(rùn)滑和散熱問(wèn)題，降低了研磨拋光加工中表面缺陷的產(chǎn)生機(jī)率，提高了鏡面加工質(zhì)量[3]46；嚴(yán)振和方從富等通過(guò)建立偏擺式平面研磨拋光機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)模型，對(duì)研磨拋光加工進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，得到了最佳運(yùn)動(dòng)參數(shù)，改善了研磨拋光效果[4]77；賈玉坤和沈姝君等開發(fā)了基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的振動(dòng)研磨拋光機(jī)群控系統(tǒng)，提高了研磨拋光的加工精度和自動(dòng)化程度[5]194；劉濤和劉漫丹等將PLC與Touch Win人機(jī)界面相結(jié)合，開發(fā)了一種振動(dòng)研磨拋光機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了研磨拋光參數(shù)的在線計(jì)算與修正，提高了研磨拋光加工的自動(dòng)化水平[6]155；劉侃和張洪等設(shè)計(jì)了一款專用于閥芯頭的自動(dòng)研磨拋光機(jī)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)上料、研磨拋光和下料的全程自動(dòng)化[7]127；張汝琦和樊智敏等針對(duì)離心式研磨拋光機(jī)研磨齒磨損嚴(yán)重、主軸集成度低等問(wèn)題進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，提高了研磨拋光性能[8]22。

由此可見，類似的結(jié)構(gòu)改進(jìn)大多為提高研磨拋光的加工精度和效率，對(duì)振動(dòng)研磨拋光機(jī)的加工環(huán)境友好性的研究不多。本文以提高振動(dòng)研磨拋光機(jī)的環(huán)境友好性為重點(diǎn)，以常見的振動(dòng)研磨拋光機(jī)為研究對(duì)象，針對(duì)其噪音較大、密封性差、自動(dòng)化程度低等不足，對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)了減振消音罩和出料振動(dòng)分選篩，并用PLC進(jìn)行自動(dòng)控制，以提高技術(shù)含量和產(chǎn)品檔次，滿足綠色生產(chǎn)要求。

二、振動(dòng)研磨拋光機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

(一)帶自動(dòng)啟閉機(jī)構(gòu)的減振消音罩

傳統(tǒng)的振動(dòng)研磨拋光機(jī)屬敞開式結(jié)構(gòu)，主要由偏心激振器、電氣操作面板、立式振動(dòng)電機(jī)、帶PU內(nèi)襯料槽、出料裝置、振動(dòng)機(jī)底板、減振彈簧和套筒底座等組成(參見圖1)。各部件的作用和功能為：偏心激振器由偏心輪和減速機(jī)構(gòu)組成，由立式振動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)，工作時(shí)產(chǎn)生定幅振動(dòng)；將立式振動(dòng)電機(jī)與帶PU襯料槽固定于振動(dòng)機(jī)底板，減振彈簧則安裝在振動(dòng)底板下，通過(guò)套筒底座與地面固定；出料裝置由料門和出料擋板等組成，研磨完成后自動(dòng)打開料門，將出料擋板擋在振動(dòng)槽內(nèi)，這樣就可以使磨粒磨料及工件在振動(dòng)中從出料口排出，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)卸料；減振彈簧的作用是減小振動(dòng)對(duì)地基的影響，實(shí)現(xiàn)動(dòng)與靜的過(guò)渡；底座做成套筒形狀，目的是保護(hù)彈簧和保障使用安全；電氣操作面板用于振動(dòng)研磨過(guò)程的控制操作，設(shè)有啟動(dòng)、停止按鈕，以及振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅度和研磨時(shí)間等調(diào)節(jié)旋鈕，可按不同研磨要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。

振動(dòng)研磨拋光機(jī)的工作原理是：利用振動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的上下左右振動(dòng)，使工件與磨料產(chǎn)生強(qiáng)烈磨削，以去除工件表面毛刺，降低工件表面粗糙度。傳統(tǒng)的振動(dòng)研磨拋光機(jī)料槽沒(méi)有蓋子，進(jìn)出料都靠手工。雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但研磨過(guò)程噪音較大，研磨效果基本取決于操作人員的工作經(jīng)驗(yàn)。另外，工人的工作環(huán)境較差，勞動(dòng)強(qiáng)度較大。

為降低振動(dòng)研磨產(chǎn)生的噪音，改善操作人員的工作環(huán)境，課題組設(shè)計(jì)一個(gè)減振消音罩(參見圖2)，將整個(gè)研磨機(jī)密封在消音罩內(nèi)，實(shí)現(xiàn)減振消音的目的。

圖1 傳統(tǒng)的振動(dòng)研磨拋光機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 圖2 減振消音罩結(jié)構(gòu)示意圖

由圖2可知：減振消音罩由罩蓋、罩蓋柄、罩體、出料罩、罩蓋啟閉機(jī)構(gòu)、支承架、步進(jìn)電機(jī)等組成。將振動(dòng)研磨拋光機(jī)放置在減振消音罩內(nèi)，可大大降低研磨過(guò)程的噪音，更符合環(huán)保要求。罩蓋和罩體用鋼板壓制成型，采用泡沫塑料、石棉或橡膠等吸音減振材料做內(nèi)襯。80L以下的小型機(jī)也可采用雙層薄鋼板夾消音減振材料的結(jié)構(gòu)形式。為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開關(guān)罩蓋，罩蓋上設(shè)有固定的罩蓋柄。罩蓋柄的一端開孔，孔內(nèi)固定連接一轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸的兩端通過(guò)軸孔與支承架相連。轉(zhuǎn)軸上有固定的齒輪，轉(zhuǎn)軸齒輪與固定在支承架上的步進(jìn)電機(jī)軸齒輪構(gòu)成罩蓋的自動(dòng)啟閉機(jī)構(gòu)。由于齒輪與軸固定，罩蓋與轉(zhuǎn)軸固定，所以罩蓋的自動(dòng)啟閉過(guò)程為：步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)90°，罩蓋逆轉(zhuǎn)90°，正好處于打開狀態(tài)；步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)90°，罩蓋關(guān)閉。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)罩蓋轉(zhuǎn)軸，實(shí)現(xiàn)了罩蓋的自動(dòng)開啟或關(guān)閉。考慮到安全因素，針對(duì)大型振動(dòng)研磨拋光機(jī)設(shè)計(jì)的罩蓋較重問(wèn)題，可采用在罩蓋柄轉(zhuǎn)軸兩側(cè)對(duì)稱布置兩對(duì)齒輪的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)罩蓋的自動(dòng)啟閉。同時(shí)，可以在罩蓋轉(zhuǎn)軸的支座上增設(shè)限位鎖止銷軸，以保證罩蓋在打開狀態(tài)的安全。支承架可用角鋼、扁鋼、圓鋼等型材焊接構(gòu)成，主要用于安裝電機(jī)、齒輪機(jī)構(gòu)、罩蓋軸及操作面板等。

(二)工件與磨料自動(dòng)分選裝置

為提高振動(dòng)研磨拋光機(jī)的自動(dòng)化程度，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)研磨完成后的自動(dòng)出料，課題組設(shè)計(jì)一個(gè)帶輸送機(jī)的工件與磨料振動(dòng)分選裝置(參見圖3)。

如圖3所示，該裝置主要由振動(dòng)篩、工件輸送機(jī)、磨料存放箱和廢液收集桶等組成，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)研磨物料的后續(xù)處理。振動(dòng)分選篩采用普通的兩層振動(dòng)篩，設(shè)計(jì)成卡扣式可更換篩面。篩面網(wǎng)格大小需要根據(jù)工件和磨粒磨料大小合理選擇。篩分出來(lái)的工件經(jīng)輸送機(jī)運(yùn)送至下一工序。磨料暫存在存儲(chǔ)箱里，待積累到一定量后可用叉車運(yùn)輸。廢液直接由振動(dòng)研磨拋光機(jī)的出水口排入收集桶。收集桶的容量根據(jù)振動(dòng)研磨拋光機(jī)的大小配備，一般不超過(guò)100升，可使用叉車運(yùn)送至沉淀池進(jìn)行環(huán)?；幚?。

三、PLC電氣控制系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)研磨加工過(guò)程的自動(dòng)化，課題組經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研與對(duì)比，選用價(jià)廉物美的信捷XC3-32RT-E型PLC作為控制系統(tǒng)的核心。它是一款國(guó)產(chǎn)的性價(jià)比較高的小型PLC，其輸入/輸出接點(diǎn)各16個(gè)，非常適合研磨機(jī)類較為簡(jiǎn)單的傳統(tǒng)設(shè)備的自動(dòng)控制。信捷在軟件編程方面具有較大的便捷性，比如：GROUP和GROUPE指令可方便定位到相應(yīng)的程序段，便于編程時(shí)對(duì)各程序段功能的檢查；信捷的一個(gè)順序功能塊可以直接用于順序控制編程，無(wú)需使用較復(fù)雜的STL指令[9]4；信捷的觸摸屏可以實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)操控性能。

(一)PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

帶消音罩和出料系統(tǒng)的振動(dòng)研磨拋光機(jī)主要有4臺(tái)電機(jī)，分別是振動(dòng)主機(jī)M1、消音罩啟閉電機(jī)M2、篩分電機(jī)M3和輸送電機(jī)M4。其工作流程是：先根據(jù)不同的研磨工件設(shè)置好研磨時(shí)間，然后進(jìn)行人工裝料。完成裝料后，M2正轉(zhuǎn)，關(guān)閉消音罩，啟動(dòng)M1開始研磨。到設(shè)定時(shí)間后，M2反轉(zhuǎn)，打開消音罩，放下卸料擋板開始卸料；同時(shí)，M3啟動(dòng)，進(jìn)行篩分。卸料完成后關(guān)閉M1，篩分完成后關(guān)閉M3；同時(shí)啟動(dòng)M4，把工件輸送到下一工位，然后關(guān)閉M4。這樣就完成了一個(gè)研磨拋光的加工周期。整個(gè)過(guò)程由PLC自動(dòng)控制4臺(tái)電機(jī)按設(shè)定的時(shí)間順序運(yùn)行，完成一個(gè)比較簡(jiǎn)單的時(shí)序控制。

課題組選用的XC3-32RT-E型信捷PLC，其硬件電路如圖4所示(參見圖4)。

如圖4所示，PLC接收輸入的時(shí)間信號(hào)和開關(guān)信號(hào)，經(jīng)控制程序運(yùn)算后輸出電機(jī)的運(yùn)行順序信號(hào)。輸入信號(hào)主要有計(jì)時(shí)、模式選擇等。計(jì)時(shí)信號(hào)根據(jù)不同工件設(shè)定不同的研磨時(shí)間。正常的研磨都采用自動(dòng)模式，手動(dòng)模式用于試驗(yàn)性研磨，急停用于研磨機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障時(shí)的緊急處理，手動(dòng)M1到M4用于手動(dòng)模式時(shí)的電機(jī)啟停。輸出信號(hào)主要有控制電機(jī)啟停、電源和電機(jī)狀態(tài)指示及故障報(bào)警三類。

(二)PLC控制系統(tǒng)的主程序流程

課題組設(shè)計(jì)的帶消音罩和出料系統(tǒng)的振動(dòng)研磨拋光機(jī)自動(dòng)控制主程序流程如下：手工裝載好需要研磨的工件和磨料磨液，設(shè)置研磨時(shí)間，然后選擇“自動(dòng)運(yùn)行”，按下啟動(dòng)按鈕。此時(shí)，消音罩自動(dòng)關(guān)閉，研磨機(jī)開始按設(shè)定的研磨時(shí)間進(jìn)行研磨。完成研磨后，電機(jī)M1停止，消音罩自動(dòng)打開，卸料擋板自動(dòng)落下開始卸料。完成卸料后，篩分電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)研磨料進(jìn)行篩分。此后，磨料流入磨料桶，磨液進(jìn)入廢液收集桶；同時(shí)，啟動(dòng)輸送機(jī)，工件進(jìn)入輸送機(jī)，被輸送至下一工序，做進(jìn)一步處理。

總之，本項(xiàng)目主要對(duì)傳統(tǒng)敞開式振動(dòng)研磨拋光機(jī)的結(jié)構(gòu)和電氣控制進(jìn)行了改進(jìn)：增設(shè)密封性良好且?guī)ё詣?dòng)啟閉機(jī)構(gòu)的消音罩，有效降低了研磨拋光時(shí)產(chǎn)生的噪音；用振動(dòng)分選篩分選研磨后的工件和磨料磨液，實(shí)現(xiàn)了對(duì)廢棄物的自動(dòng)收集，符合當(dāng)前的環(huán)保要求；采用PLC對(duì)研磨拋光過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制，可方便地調(diào)整研磨拋光各參數(shù)，適應(yīng)了不同工件的研磨拋光加工需要。對(duì)振動(dòng)研磨拋光機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，既提高了傳統(tǒng)振動(dòng)研磨拋光機(jī)的環(huán)境友好性，適應(yīng)了當(dāng)前機(jī)械產(chǎn)品綠色生產(chǎn)的大趨勢(shì)，又提高了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。