圆柱形金属零件自动打磨设备机构的设计研究

何剑锋 徐志波 吴琪宇

（上海威克鲍尔通信科技有限公司，贵阳 550009）

为避免表面生锈，金属零件通常需要喷漆处理。在喷漆之前需要先除锈，常见的除锈方法包括打磨、喷除锈剂、浸泡电解等。喷漆工艺分为喷底漆、面漆等多道工序。零件喷完底漆后，表面一般会有气泡、多余物等影响产品表面质量的缺陷。为了除去零件表面杂质并增加表面附着力，以便后续喷面漆工艺顺利进行，需要进行打磨处理。

设计了一台应用于电机外壳、不锈钢水杯、转轴等圆柱形金属零件的自动打磨设备[1-2]。针对中小型圆柱形金属零件圆周方向的打磨，实现人工一次装夹后设备自动打磨，打磨转速、打磨粗糙度和打磨位置均可调。该设备配置空气净化系统、自动开闭安全门，采用容易更换、价格实惠的气动手持砂带机作为打磨机构，具备极好的通用性、柔性化和自动化等特点[3]。

1 设备总体布局

该系统主要由打磨机构、压紧机构、旋转平台、可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制系统、自动门、安全光栅、吸尘器及机架组成[4-6]。设备总体布局如图1 所示。

图1 自动打磨设备总体布局

设备适用于直径为25 ～120 mm、长度为40 ～200 mm 圆柱形金属零件的打磨。配置自动门系统，由无杆气缸驱动，配合安全光栅，可实现门自动开闭。配空气净化系统，打磨时吸尘器启动，净化设备内部粉尘，防止粉尘引发的职业病。配置PLC 控制系统，通过PLC 驱动伺服电机及模组实现不同零件打磨位置可调，生成配方组态，打磨时可直接调用。采用手持砂带机作为打磨机构，手持砂带机价格便宜，砂带易于更换、粗糙度可选、打磨松紧度可调，适合各类金属零件的打磨、抛光。设备台面安装有可拆卸的防尘罩，便于人工清理掉落在台面上的灰尘。

2 关键机构设计

打磨时，零件姿态为轴向竖直朝上，打磨圆周方向表面。通过砂带机上下移动、旋转机构带动零件匀速旋转、压紧机构压紧零件，实现零件圆周方向的打磨。配置自动安全门系统，在设备未停机时锁住安全门防止机械伤害。设备停机后，触碰安全光栅工作区域可实现自动开门。配置空气净化系统，预防粉尘引发的职业病。

2.1 自动安全门设计

常规自动门所需的安装空间较大，宽高为2 m×2 m 以上，不适合设备使用，需要非标定制。门板采用无色透明有机玻璃，动力采用无杆气缸，导向采用线性滑轨，左右两端安装安全光栅，通过接触光栅区域传递门开闭信号，实现宽高为0.95 m×0.69 m 空间内自动安全门的设计。

由于打磨设备灰尘较大且含有金属粉末，自动门导轨采用普通线性滑轨或者带滚珠滑轨均可能造成导轨堵塞和严重磨损，在门上下各安装一条滚轮式滑轨[8]，专用于粉尘环境下的导向机构。

安全门质量为5 kg，与导轨间力臂为0.034 m，理论上导轨滚动摩擦系数为0.10 ～0.02。由于灰尘、力臂等影响，按滚动摩擦系数的2 倍计算，选取摩擦系数为0.2。门开闭行程为435 mm，可计算出导轨所受摩擦力f为9.8 N，则自动门气缸输出力应不小于2f。为了实现快速开关门，驱动力应明显大于f。

根据SMC 无杆气缸推荐，选择缸径为25 mm、行程为450 mm、带磁感应开关的CY 系列无杆气缸。该气缸使用气压为0.2 ～0.7 MPa，推动力为82 ～288 N，而且本身具有一定的导向能力，配合滚轮导轨可实现自动门的自动开闭。

2.2 旋转机构设计

旋转机构示意图如图2 所示。通过电机驱动夹具旋转，采用限位止口实现零件轴向定位[9]，以滚动轴承作为导向机构，配合压紧机构实现圆柱形零件匀速旋转。限位夹具采用卡槽快换机构[7]，可快速更换夹具，满足不同规格零件的打磨需求。

图2 旋转机构

根据打磨时施加的最大压力为10 N、摩擦系数为0.6、产品直径最大为120 mm、产生力矩为0.72 N·m，选用松下400 W 伺服电机，可产生扭矩约为1.4 N·m。

2.3 压紧机构设计

压紧机构配合旋转机构实现圆柱形零件旋转。如图3 所示，以无杆气缸作为导向机构和动力源、圆形平面作为压紧接触面、滚动轴承作为旋转导向机构，实现零件压紧。压紧夹具采用卡槽快换机构，可快速更换夹具，满足不同规格零件的打磨需求。

图3 压紧机构

产品长度为40 ～200 mm，气缸行程应不小于160 mm。由于上端面靠摩擦固定，铝与钢表面比较光滑的情况下，摩擦系数为0.2 ～0.3，横向受力为10 N，压紧力大于50 N，选择SMC 品牌磁耦合CY1S 系列无杆气缸[10]。该气缸缸径为20 mm，施加压力为50 ～220 N，且自带直线轴承导向，磁耦合保持力为231 N，定位精度为±0.05 mm，允许负载为300 ～600 N。根据最小产品直径选取轴承，最小产品直径为25 mm，因此采用内径为25 mm 双列深沟球轴承，基本额定负载不小于4 000 N。

2.4 打磨机构及空气净化系统设计

打磨机构示意图如图4 所示。使用手持气动砂带机作为打磨工具[11]，砂带粗糙度、宽度可定制，价格便宜，易更换，体积小。为了满足不同规格零件的打磨需求，将砂带机固定在一个水平横移模组和一个上下横移模组上，可调节打磨起点和终点以及打磨持续时间。设计吸尘器吸管固定支架，将吸尘器吸管对准打磨位置，随着砂带机一起移动，达到空气净化的效果。采用弹簧缓冲打磨接触面压力，保证零件表面打磨的均匀性。

图4 打磨机构示意图

手持砂带机质量约为1 kg，相应固定零件质量约为0.9 kg，打磨时受到上下摩擦力约为10 N，力臂为0.15 m，则所受上下方向阻力为28.62 N，所受力矩为4.3 N·m。由于工作时灰尘较大，上下横移模组选择TOYO 品牌的GTH5 系列模组。该系列模组具有防尘钢带，竖直最大可搬运10 kg 产品，定位精度为±0.01 mm，静态允许负载力矩不大于100 N·m。左右横移模组选用GTH8 系列模组，该模组同样具有防尘钢带，水平最大可搬运50 kg 产品，静态允许负载力矩不大于300 N·m。GTH5 模组配套松下100 W伺服电机，GTH8 模组配套松下400 W 伺服电机，电机最高转速为3 000 r·min-1，模组导程为10 mm，则模组最大运行速度为500 mm·s-1。

产品长度为40 ～200 mm，可打磨的长度为20 ～180 mm。根据对打磨粗糙度的要求，选用宽度为10 mm，目数为100、200、400 这3 种规格的砂带。选用气动手持砂带机，使用气压为0.5 ～0.7 MPa，空转转速最高约为18 000 r·min-1。设计仿手柄夹持零件夹持固定砂带机，实现砂带机与模组之间的绑定。为了自动兼容不同规格直径产品，砂带机夹持部分设计缓冲弹簧，根据最大压力10 N 选择怡合达品牌的不锈钢弹簧YWT-D10-L35，弹簧外径为10 mm，内孔可以套M8 螺钉导向固定，压缩行程为14 mm，压紧力为1 ～27.5 N 可调，具体施加力可通过左右横移模组位置和限位螺丝来调节。轴承选用内径为25 mm 的深沟球轴承，带双面防尘盖，基本额定负载不大于4 000 N。

2.5 吸尘器选型

配置独立吸尘净化系统，通过机罩使打磨附近形成密闭空间，再通过吸尘器将打磨产生的灰尘吸走，防止操作人员吸入导致粉尘职业病。

由于打磨颗粒比较细、干燥且存在铁屑，要求吸尘器过滤器能够过滤0.001 mm 以上的灰尘。选择博世品牌的GAS12-25PL 单通道工业级吸尘器，配合直径为40 mm 的软管，真空吸力为20 kPa，功率为1 250 W，风量为65 L·s-1，能够过滤直径不小于0.000 3 mm的颗粒，可滤除99.95%的粉尘。

3 结语

针对圆柱形金属零件喷漆前的打磨工序，设计了一台圆柱形金属零件自动打磨设备。该设备采用手持气动砂带机作为打磨工具，由自动安全门、旋转机构、压紧机构、打磨机构及空气净化系统构成。设计的自动打磨设备可通用于中小型圆柱形金属零件圆周方向的打磨，通用性强，夹具更换简单，尤其适合电机外壳打磨，具有较大的推广意义。