基于气动技术补偿双重磨损的抛光涂蜡装置研究

2020-03-26王忠伟黄溢明

机电工程技术 2020年2期

彭余，王忠伟，黄溢明

（广东博科数控机械有限公司，广东佛山 528306）

0 引言

抛光涂蜡装置是用于把固体蜡均匀涂抹在抛光设备抛光轮工作表面上的装置。目前，抛光设备使用的抛光涂蜡分为液体蜡和固体蜡[1-2]。液体涂蜡通过人工不断调整喷枪角度与磨损的抛光轮配合，避免使液体蜡喷射到抛光轮以外区域。使用液体蜡的缺点是蜡的浪费、成本高，而且污染设备部件难以清理[3]。现有抛光设备更多采用的是人工或自动固体蜡条进行涂蜡[4]。由于蜡条与抛光轮接触产生两者的磨损没有实现实时补偿，造成涂蜡不均匀。本文将介绍利用气压传动控制技术，实现同时补偿固体蜡条和抛光轮磨损的自动涂蜡装置，具有较高的经济价值，适应当前工业自动化发展趋势[5]。

图1 气动抛光涂蜡装置示意图

1 抛光涂蜡装置的设计

1.1 抛光涂蜡装置设计方案

图1为气动抛光涂蜡装置示意图。气动抛光涂蜡装置主要由气动固体蜡夹持和执行元件及气动控制元件组成。真空固体蜡夹持和执行元件由直线运动气缸，摆动运动气缸，中空活塞杆，真空吸盘，带密封螺纹的实心轴及其调节手轮等零部件组成。气动控制元件由单向节流阀，换向阀，真空发生器，感应开关和外部控制系统等组成。直线运动气缸和摆动气缸共用1条中空活塞杆，2个气缸分别由2个电磁阀单独控制，摆动气缸的轴销和接近开关实现摆动角度控制与调整。通过外部控制系统使共用中空活塞杆的直线运动气缸和摆动运动气缸合成为直线摆动运动，驱动固体蜡条向前与抛光轮接触涂蜡，实时补偿蜡条与抛光轮的磨损，使固体蜡条端面始终维持平整，抛光轮涂蜡保持均匀一致；或快速退回原位。2个气缸的单向节流阀分别用于调节蜡条摆动速度和驱动固体蜡条进给速度，以适应不同材质的抛光轮涂蜡接触力大小和蜡条的磨损。由于外部控制系统的时序控制和2个气缸内的空气压力保持稳定，因此抛光轮和固体蜡条的接触力也保持恒定。摆动运动消除接触涂蜡所产生的蜡条凹槽，从而保持固体蜡条端面始终维持平整，同时补偿了固体蜡条和抛光轮的磨损。圆形真空吸盘用于吸附固定固体蜡条，并通过高效真空发生器和电磁阀组件实现固体蜡条的夹紧与松开[6]。转动调节手轮调整新换固体蜡条和抛光轮边缘表面接触区域，使蜡条端面保持平整。

1.2 抛光涂蜡装置气动原理

本文采用的抛光涂蜡装置气动系统主要由气源、气动阀、气缸、真空发生器、电控开关和外部控制系统等组成，如图2所示。压缩空气经过滤减压阀后形成预设的恒定压力，通过换向控制阀同时进入真空发生器和气缸，吸盘内部形成真空。同时，外部控制系统的时序控制使2个气缸动作，分别调节2个单向节流阀，可以改变气缸的输出力和直线摆动运动速度，适应不同材质的抛光轮所需的涂蜡接触力。通过控制电磁阀，可以切换真空状态，吸住和松开固体蜡条。当直线运动气缸活塞上的磁环使接近开关发出信号时，直线运动气缸和摆动气缸快速退回原位，外部控制系统提示更换新的固体蜡条[6-8]。

图2 抛光涂蜡装置气动原理图

1.3 抛光涂蜡装置匹配计算

在使用不同材质的抛光轮对工件抛光时，需先确定气缸的输出力、活塞杆的运动速度、压力开关的设定压力值[7-8]。

1.3.1 气缸的输出力

气缸活塞杆伸出时克服抛光轮涂蜡阻力，根据静力平衡方程，气缸输出力为：

式中：F为气缸输出力，N；FR为抛光轮涂蜡阻力，N；G为固体蜡条的重力，N；θ为固体蜡条与水平面的夹角。

1.3.2 压力开关的设定压力

压力开关的设定压力值为气缸的涂蜡工作压力和单向阀的压力损失之和，则：

式中：p为压力开关的设定压力，kPa；ps为气缸涂蜡工作压力，kPa；Δp为压缩空气经过单向节流阀的压力损失，kPa；F为气缸的输出力，N；A1为活塞面积，m2。

1.3.3 气缸活塞杆的运动速度

气缸以最大速度工作时，根据经验公式，则：

式中：Q为气缸最大耗气量，L/min；D为气缸缸径，mm；v为气缸最大速度，mm/min。

由节流阀的流量特性可知，则：

式中：q为流过节流阀的流量，L/min；Cd为流量系数，一般取0.62～0.63；AT为节流口通流截面积，m2；ρ为空气密度，kg/L3。

通过调节单向节流阀，以气缸最大速度时的流量为基准流量，调节单向节流阀后，流量相对基准流量的变化率β为：

式中，β=[0 , 1]。0表示节流阀完全关闭；1表示节流阀完全打开，气缸达到最大速度。

根据上述计算公式所得，本涂蜡装置的相关设计计算参数如表1所示。

表1 涂蜡装置相关设计计算参数表

图3 固体蜡重量与工件编号的关系

2 抛光涂蜡装置的涂蜡性能实验

分别选取10个经过编号的三通阀零件作为斜风轮和百折布轮的抛光工件，选取1根紫色固体蜡条，重量均为2.5 kg，用于上述2种布轮的抛光实验。抛光轮直径为460 mm，线速度为26 m/s，在该线速度下的上述2种抛光轮涂蜡阻力均为30 N。1个工件涂蜡均为5次，每次0.5 s。在每个工件抛光之前，用电子秤对固体蜡进行称重。通过完成以上实验，得到固体蜡的重量与每个抛光工件的关系如图3所示。由图3可知，上述2种抛光轮抛光工件时，斜风轮的蜡损耗量小于百折布轮的蜡损耗量。并且固体蜡条重量与加工工件数量均呈近似线性关系，随着抛光工件数量的增加，固体蜡条的损耗成比例地递减。因此，抛光每个工件的涂蜡量近似一致，从而在涂蜡过程中同时补偿固体蜡和抛光轮的磨损。