车用摇枕铸钢件浇冒口切割打磨自动化系统的设计

谭银元 徐自立

(1.武汉船舶职业技术学院，湖北武汉 430050，2.武汉纺织大学，湖北武汉 430074)

铸钢件浇冒口的切割和打磨是零件毛坯制造的必经环节，目前多为操作人员手工打磨，噪音大、弧光强烈、粉尘污染严重，劳动强度大，操作环境恶劣，并严重危害操作人员的身心健康[1-2]。如果能够设计出一套机械化或自动化的切割和打磨铸钢件浇冒口的方法，“以机代人”进行切割打磨清理铸钢件，把工人从恶劣的工作环境中解放出来，并能提高工作效率，降低劳动强度，具有重大的意义[3-4]。本文以铁路货车用的摇枕铸钢件为例，设计了一套机械化、自动化切割和打磨铸钢件浇冒口的方法。

1 铸件打磨部位分析

摇枕铸件毛坯如图1，三维模型如图2，从图2可见需要打磨的位置如下：

图1 摇枕铸件毛坯中的冒口

(1)摇枕底面四个直径为120的冒口(图2中的A处)。

(2)位于摇枕底面两侧长度为114的凸台上的直径为40mm的冒口(图2中的B处)。

图2 三维模型中标出的冒口

(3)如图3铸件摇枕毛坯两侧大约长40mm宽20mm的浇道，共有两个浇口，一共有两个需要打磨的地方，位于摇枕的同侧(即图4中C)。

图3 工厂中零件的浇道

图4 三维模型中浇道的位置

(4) 如图5所示，摇枕侧面型芯之间缝隙所形成的批缝，如图5中的D、E处，厚度和宽度大约为1mm。

图5 摇枕铸件毛坯侧面的批缝

2 打磨流程确定

2.1 确定打磨流程

打磨作业流程图如图6所示，当工件从铸造车间铸造完成，经过切割处理之后，需要传送到各个工位，对于大型铸件，一般是采用滚轮传送装置，从切割车间出来之后，将工件放置在滚轮上，传送到第一个打磨的加工工位，将工件在第一个打磨工位定位之后，砂轮片旋转，开始打磨，打磨结束之后，用滚轮将工件从第一个加工工位传送到第二个加工工位，打磨完成之后，因为第二个工位和第三个工位需要加工工件不同的表面，为了方便加工，需要将工件翻转，然后进入第三个工位开始打磨，打磨完成之后，依次进入第四个、第五个工位，直至加工完成，打磨加工结束之后，再通过滚轮传送将工件送到检验车间，进行打磨效果检验，打磨合格的工件统一安排到下一步工作流程；打磨不合格的工件，检测需要再打磨的具体部位，根据具体部位，将工件送到具体的打磨工位，再次打磨直至检验合格。

图6 打磨工作流程图

根据该打磨工作流程图，可以确定整个打磨工作一共涉及到滚轮传送、不同工位中工件的定位、不同工位中工件的打磨、翻转、翻转之后的定位传送、打磨效果检验等几个部分，本文主要设计出具体的自动化打磨装置，提高打磨的工作效率。

2.2 工位数量的确定

根据摇枕铸造工艺,铸件一共有四类需要打磨的地方，根据这四类待打磨部位的相对位置关系可以确定以下几个工位，并且确定出这几个工位的先后顺序。确定工位数量的原则为位于同一个表面上的待打磨部位在同一个工位上完成。

需要打磨的A和B两个位置都是位于摇枕底面，A、B在定位完成以后，所有待打磨部位均位于工件同一个方向(即A、B均位于工件的底面)。A处待打磨的四个冒口相对对称，并且集中在一起，为了方便加工，可以确定A处打磨为一个工位。

同样B处待打磨的四个位置左右对称，两两分散在摇枕底面的两侧，将工件固定之后，可以分别用两个砂轮打磨装置同时打磨左右两侧的冒口，从而节约时间，提高效率。

C处待打磨部位位于工件的侧表面，处于工件中心轴对称部位，将摇枕固定之后，用砂轮片分别打磨这两个浇口，因此确定C处打磨为一个工位。

第4个需要打磨的地方就是型芯之间的缝隙，即D、E两处 ，其中D处待打磨部位和C处位于同一个表面上，同样关于中心轴在两侧对称，所以可以在工位两侧分别均设置砂轮片，同时打磨。

第5处需要打磨的地方也是型芯之间的缝隙，即E处可以在一个工位上完成。

所以摇枕的打磨一共需要五个工位，这五个工位的先后顺序为A、B、C、D、E。

3 多自由度自动化装置的选择

3.1 砂轮片的运动轨迹分析

在不同的工位上面，因为要切割不同的部位，砂轮片的运动轨迹肯定是不一样的。在第一道工位上，首先工件侧立摆放在砂轮片的前方，工件定位完成之后，首先将砂轮片向上升起快速移动到待打磨冒口上方，大约比工件上表面高30mm，然后将砂轮片向前移动至待打磨的冒口的同一平面，降低移动速度，将砂轮片向下移动到待打磨冒口上方5mm处，打开砂轮开关，使砂轮旋转，继续向下移动，使砂轮进行打磨运动。

在各个工位处，砂轮运动到待加工表面的运动线路大致相同，只是移动的距离不同，各个不同工位的砂轮运动轨迹图如图7所示。

图7 砂轮片运动轨迹

为了提高效率，在砂轮向上移动时并向前移动，同时为了避免对工件造成伤害，在靠近工件之后将砂轮片改为缓慢移动，在砂轮外径距离被打磨冒口还有5mm时，控制砂轮旋转，开始打磨动作。

3.2 直角坐标机器人的设计

由砂轮运动轨迹可以知道，砂轮只需要完成前后、左右、以及上下三个方向上的平移就可以完成整个打磨动作。根据三个平移自由度可以设计一个三自由度直角坐标机器人[5]。如图8所示，根据在Z轴上需要的行程为500mm，可以确定Z轴的长度为600mm；根据在Y轴上的行程为500mm，可以确定Y轴的长度为600mm，在X轴上，机器人在不同的工位上会有不同的行程，其中最大的行程为350mm，所以可以确定X轴的长度为450mm。为了减轻各个轴的负担，以及为选择合适的末端执行装置，设计一个将X轴固定在工作台上，在X轴上方就是可以自由移动的Z轴，Z轴和Y轴相连，末端执行装置安装在Y轴的末端，和Y轴相连一起运动，如图8所示。

图8 直角坐标机器人

3.3 末端执行机构的选择及改进

对于铸件的打磨加工，市场上常见的加工方式有两种，一种是手持式砂轮打磨机,一种是工业用机器砂轮打磨机，这两种方案各有优缺点。 手持式砂轮打磨机更加灵活，结构更加简单，机器小重量轻，便于操作，能够适应很多复杂的工况，但是磨削速度相比于工业用机器砂轮打磨机要慢，磨削效率比工业用大型砂轮打磨机低。 工业用砂轮打磨机能够完成大型工件的打磨加工，但是因为体积较大，并且一般多为固定装置，使用范围较小，使用起来较为笨重。结合此铸钢件的具体要求，需要完成大型铸件的浇冒口的打磨，同时又需要此砂轮打磨机比较灵活，能够适应较为复杂的工况，因此需要对现有的手持式砂轮机进行改进。 将手持砂轮打磨机的手持部分进行改进，手持砂轮机为了方便手持，会有较大的横截面积和较长的手柄部分，在与机器连接之后，需要将手持部分长度减小，降低横截面积，所以将手持部分去掉。电机和砂轮片作为一个整体安装在直角坐标机器人上，并且在砂轮片固定处设计为螺钉连接，方便更换砂轮片，在磨削的过程中，会有火星以及残渣四处飞溅，可以设计一个挡板，控制火星飞溅的方向。

4 结 语

针对铸钢件浇冒口打磨时人工操作劳动强度高、工作环境恶劣等问题，本文以铁路货车用的摇枕为例，通过对摇枕铸件毛坯需打磨的部位分析，确定了工件打磨工位及打磨作业工作流程。通过对铸件在不同工位上打磨轨迹的分析，计算出了砂轮片的运动轨迹，并确定选择直角坐标机器人和手持式砂轮作为末端执行机构，从而实现了铸件浇冒口机械化、自动化打磨，实现“以机代人”，减轻工人劳动强度，提高生产效率。