金相试样自动打磨抛光机械手设计

金相试样自动打磨抛光机械手设计

刘鹏1，李禹彤1（学），夏峥1（学）

1.营口理工学院 辽宁省营口市  115000

金相试样制备是金相研究非常重要的一部分，其中手工抛光技术仍然延续使用多年前建立的程序。早期的抛磨工作是由工人在抛磨机上通过手工操作来完成的，抛光的压力主要根据经验来决定，这种操作模式工艺水平达不到所需要求容易甚至造成安全事故和环境污染。抛磨压力、时间和抛磨速度是样品制备中的关键,手工操作时压力无法量化,很难保证样品制作的效率的精准性。但是利用机械自动化设备可以解决上述问题,实现金相试样高效、准确的制备。作为机械一个分支的金相试样制作设备,正逐步由手工向半自动向自动化发展,因此开发金相试样自动打磨抛光机械手是非常重要的。

关键词：金相试样，抛磨机，机械手

1、总体设计路线

了解和分析打磨抛光机械手工作原理和主要用途，主要分析打磨抛光机械手核心部件和内外结构分析出其工作特点。对 PLC 控制系统进行研究设计，画出外接电路图、程序梯形图、接线图。搜集相关资料，确定所采用的工作形式和加工方法，在此基础上提出可行性方案，并选取择最佳方案。设计打磨抛光机械手打磨方案、抛光方案等，建模并进行仿真分析。

图 1机械手初步设计模型                    图2机械机构简图

该金相试样自动打磨抛光机械手主要由机械系统、电路控制系统组成。机械系统机构主要由动力头加减压机构、抛磨盘 V 带传动机构、冷却水泵系统等组成，该机械手的初步设计模型见图1，机构简图见2。

1.1抛磨技术路线

该金相抛磨机械手设计了手动抛磨和自动抛磨两工作模式，并设计了动力头自动复位程序,提高了金相抛磨机械手的工作能力和实用性。该抛磨机械手通过采用高速计数单元与增量式编码器连接来对动力头位置和机械手的压力进行实时控制,这样不仅对金相试样抛磨压力的精确控制,还提高了系统的抗干扰性。为了降低控制成本和提高系统稳定性,该系统采用驱动器驱动步进电机带动抛磨盘进行变频调速和正反转控制。

该机械手的自动抛磨模式通过采用高速计数单元与增量式编码器连接来对动力头位置和机械手的压力进行实时控制,这样不仅对金相试样抛磨压力的精确控制,还提高了系统的抗干扰性。为了降低控制成本和提高系统稳定性,该系统采用驱动器驱动步进电机带动抛磨盘进行变频调速和正反转控制。该金相抛磨机械手设计了手动抛磨和自动抛磨两工作模式。并设计了动力头自动复位程序,提高了金相抛磨机械手的工作能力和实用性。下面叙述一下抛磨机械手完善方案：

（1）为了节省时间，一个机器上两个装有两个或多个抛磨盘同时进行加工。

（2）冷却液通过水泵喷射到抛磨盘进行冷却处有理后，由水箱循环到喷射管进行多次利用。

1.2动力头加减压机构技术路线

根据现有的打磨和抛光金相试样的基本工作要求,研究了国内外现存打磨抛光机械手的金相试样打磨抛光过程和机械运动过程原理,设计了加减压机构由同步电机带动动力头向下转动，通过电磁阀控制丝杠螺母对弹簧的压缩和释放来完成对压力的调节，并设计出了步进电机驱动V带抛磨盘传动系统,电控部分采用PLC 控制系统使金相试样的抛磨工作实现自动化。

1.3夹具技术路线

金相试样采用夹具夹持试样，夹具带动试样与磨盘相对摩擦，并在夹具上增加一定的压力，并可以灵活调整。

抛磨机械手的夹具机构的设计也对抛磨质量起着至关重要的作用，根据试样的尺寸和形状设计了夹具的试样安装槽，一般的金相试样为块状、柱体和扁片状。为此设计了根据试样装夹要求设计了3种夹具，三种金相试样所需夹具如图3所示。

图3 夹具设计方案图

图 a用于装夹尺寸大小约为长60mm，厚30mm的长方形试样。图b用于装夹尺寸大小为5-25的圆柱状试样，标准装夹数量可达2～10块。图c用于装夹薄片状样，薄片状试样被夹板所夹持。极个别不规则或者尺寸太小的试样夹具无法夹持镶嵌在夹具上来完成抛磨工作。为了实现抛磨初始时所有试样在同一水平线上，设计了一个可是试样高出夹具2mm的平台，为防止试样在抛磨时出现脱落和松弛的情况，对试样进行加紧，紧固螺钉使用内六角螺母。

1.4控制系统技术设计

本次设计的金相试样自动打抛磨控制系统以日本三菱 FX3U-80MR/ES 型PLC 为核心,以触摸屏作为输入和显示的设备,PLC 主要进行数据的处理和系统的控制,PLC 通过串口接收到触摸屏输入的信息之后根据设定的模式和参数来完成低速同步电机、电磁铁、电磁阀、步进电机驱动器和水泵电机的控制,来实现水泵电机、抛磨盘、机械手动力头的协调动作,精确地完成抛磨工作。为了确保抛磨过程安全,机械手采用了行程开关进行限位。该项目还设计了步进电机软停止和软启动的功能。

2、总结

就目前的市场状况而言，抛光打磨机械手在国外应用时间相对更长，近年来国内也开始逐渐重视并发展。目前在汽车零部件、陶瓷卫浴行业、工业零部件、医疗器械等行业已经有较为成熟的应用。但相对焊接、抛光打磨、搬运码垛等机器人应用来说，中国抛光打磨应用规模还比较小。机械手不仅可以提高工作效率和质量，避免了操作者的受伤，还可以完成很多手工无法完成的打磨和抛光工作。特别是对各种规格，各种复杂形状以及自重比较大的钢类铸件进行打磨。随着成本的下降，机械手投资成本回收期已经普遍缩短到 2 年左右。“机器换人”对我国中小制造企业的吸引力也越来越大，抛光打磨机械手仍有十分广阔的发展前景。本课题从普遍应用出发，设计一种用于金相试样抛光打磨的机械手。主要是对其机械结构和控制系统进行设计，使其达到以下目标：

(1)能够实现手动和自动抛磨两种功能，实现自动化，操作安全。

(2)能够人工设定抛光磨时间、抛磨压力和转速等参数。

(3)能够实现自动复位功能。

参考文献

[1]陆长明. 基于DSP的超精密抛光机模糊控制系统设计[J]．2005年机电一体化论坛，2005，22(12)：11-13

[2]史国生.电气控制与可编程控制器技术[M]．化学工业出版社2004，2(1)

[3] 高国伟．六自由度机器人自动上下料及打磨关键技术研究[D]．镇江：江苏大学，2017．

注：本文章依托项目来源营口理工学院2022年校级大创项目“金相试样自动打磨抛光机械手”