擺動(dòng)式拋光磨頭動(dòng)力學(xué)特性正交試驗(yàn)研究

葉友東， 汪 凱， 周哲波

(安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

拋光磨頭作為拋光機(jī)重要部件之一，其動(dòng)態(tài)特性以及拋光參數(shù)直接影響拋光質(zhì)量、效率以及拋光環(huán)境，國(guó)、內(nèi)外眾多學(xué)者就這方面的研究做了大量的工作[1-10]。一臺(tái)陶瓷拋光機(jī)上往往都配置了多個(gè)拋光磨頭同時(shí)作業(yè)，拋光磨頭一般安裝于拋光機(jī)橫梁，并且位于同一直線上；每個(gè)拋光磨頭都與拋光機(jī)主軸同軸固定，而每個(gè)拋光機(jī)主軸都由單獨(dú)的電機(jī)通過(guò)帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)每個(gè)拋光機(jī)主軸都由兩個(gè)氣缸提供不工作時(shí)的支撐力和工作時(shí)的壓力。拋光機(jī)工作時(shí)，拋光機(jī)主軸自上部通入水實(shí)現(xiàn)沖走拋光碎屑、帶走熱量、抑制振動(dòng)等作用[11]。

擺動(dòng)式拋光磨頭虛擬樣機(jī)如圖1所示。其工作原理是：電機(jī)經(jīng)帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)拋光磨頭主軸旋轉(zhuǎn)，磨頭主軸經(jīng)差動(dòng)輪系帶動(dòng)圓柱凸輪回轉(zhuǎn)，磨頭座在公轉(zhuǎn)的同時(shí)，通過(guò)兩齒差外嚙合行星輪差動(dòng)輪系[12]，使得凸輪相對(duì)于磨頭座產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，圓柱凸輪的端面輪廓便驅(qū)動(dòng)主、從動(dòng)擺桿，使連接在擺桿上的磨塊座作往復(fù)擺動(dòng)，從而達(dá)到磨塊對(duì)磚坯的線接觸式磨削。同時(shí)，拋光機(jī)主軸內(nèi)部和磨頭主體可上下運(yùn)動(dòng)，上部?jī)蓚€(gè)氣缸對(duì)主軸施加壓力，并傳遞給磨頭以及磨塊，最終磨塊對(duì)瓷磚進(jìn)行壓力拋光[13]。拋光磨頭內(nèi)部的差動(dòng)輪系中，主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪相差兩個(gè)輪齒，錯(cuò)開(kāi)了主、從動(dòng)齒輪的嚙合頻率，進(jìn)而主軸和凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率也不相同，故擺桿的擺動(dòng)頻率和主軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率也各不相同。錯(cuò)開(kāi)各個(gè)運(yùn)動(dòng)件的工作頻率有助于抑制振動(dòng)[14]。

1-主軸組件；2-固定蓋；3-差動(dòng)輪系；4-凸輪；5-磨頭座；6-擺桿；7-磨塊座圖1 擺動(dòng)式拋光磨頭虛擬樣機(jī)Fig.1 Virtual prototype of swing polishing grinding head

1 拋光磨頭實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)要研究拋光磨頭在拋光過(guò)程中的振動(dòng)特性，所以必須保證實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有足夠的剛度以盡量減小實(shí)驗(yàn)平臺(tái)本身結(jié)構(gòu)對(duì)于拋光磨頭振動(dòng)的影響。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)由三塊鋼板、方鋼焊接而成，分別為機(jī)架、瓷磚托架、電機(jī)座。機(jī)架用于支撐整體的零部件，四腳通過(guò)地腳螺栓地面固定，防止實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生顫動(dòng)；電機(jī)座安裝于機(jī)架的上方，用于支撐電機(jī)和固定氣缸；瓷磚托架安裝于機(jī)架的下方，用于放置瓷磚、滿足蓄水要求，這些部件之間采用螺栓連接。拋光磨頭和拋光機(jī)主軸同軸固定，拋光機(jī)主軸由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，拋光磨頭同軸轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)和拋光機(jī)主軸上分別安裝主、從動(dòng)帶輪，通過(guò)帶傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)傳遞和減速；電機(jī)采用三相異步電動(dòng)機(jī)，額定功率11 kW，額定轉(zhuǎn)速1 440 r/min，拋光機(jī)主軸在拋光時(shí)的轉(zhuǎn)速約為475 r/min，故帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比為3。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖(mm)Fig.2 Structure diagram experimental platform (mm)

2 氣路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

拋光磨頭與拋光機(jī)主軸在拋光機(jī)上可以上下運(yùn)動(dòng)，拋光瓷磚時(shí)必須先克服拋光磨頭以及拋光機(jī)主軸重力，將瓷磚置于拋光磨頭下方，而拋光磨頭和拋光機(jī)主軸的重力估計(jì)達(dá)到3 000 N，并且拋光時(shí)還要對(duì)拋光機(jī)主軸垂直向下施加恒定壓力，采用空壓機(jī)提供高壓氣體用于作業(yè)是個(gè)合適的選擇。為保持受力的平衡，使用兩個(gè)相同的氣缸來(lái)提供支撐力以及向下的壓力，兩個(gè)氣缸提供的支撐力大小應(yīng)大于3 000 N，而且氣缸行程要滿足圖2中拋光磨頭上升、下降的行程，初步選擇氣缸型號(hào)為ESC-63X150-S-FB/ES-21/ESH。氣缸工作必須由空氣壓縮機(jī)提供高壓氣體，最大壓強(qiáng)1.25 MPa，通過(guò)計(jì)算滿足使用要求。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)始工作時(shí)，拋光磨頭被氣缸頂起，放置瓷磚，為防止拋光磨頭下落過(guò)快砸壞瓷磚，要求氣缸由頂起狀態(tài)緩慢放下，該功能可通過(guò)在排氣口安裝單向節(jié)流閥實(shí)現(xiàn)；實(shí)驗(yàn)臺(tái)停止工作時(shí)，拋光磨頭被氣缸快速頂起，缸內(nèi)氣體需要被快速排出，該功能可通過(guò)在排氣口安裝快速排氣閥實(shí)現(xiàn)。兩個(gè)氣缸的壓強(qiáng)必須保持一致才能使主軸受力平衡，運(yùn)動(dòng)自如，所以兩個(gè)氣缸由一個(gè)主氣管通入高壓氣體，并分別用一個(gè)減壓閥和氣壓表控制、監(jiān)測(cè)壓強(qiáng)大小。氣缸內(nèi)氣體的方向由電磁閥控制，拋光磨頭被氣缸頂起時(shí)，高壓氣體從單向節(jié)流閥方向進(jìn)入，拋光磨頭被氣缸施加垂直向下的壓力時(shí)，高壓氣體從快速排氣閥方向進(jìn)入。系統(tǒng)氣路圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)氣路圖Fig.3 Pneumatic chart of system

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)安裝與調(diào)試

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)裝配好要進(jìn)行各項(xiàng)功能調(diào)試，確保拋光磨頭和拋光機(jī)的主軸能夠被氣缸頂起、拋光機(jī)的主軸能夠被電機(jī)帶動(dòng)才能進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)。首先調(diào)試氣動(dòng)系統(tǒng)，頂起拋光機(jī)主軸和拋光磨頭，在檢查各氣路閥門(mén)無(wú)問(wèn)題后，打開(kāi)氣泵和各開(kāi)關(guān)，逐漸增大氣壓，拋光磨頭和拋光機(jī)主軸漸漸被頂起，滿足升降需求。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整機(jī)如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)樣機(jī)Fig.4 Experimental platform of prototype

在檢查氣路系統(tǒng)無(wú)問(wèn)題后，操作氣缸持續(xù)頂起拋光磨頭，使其不隨重力作用而落下，然后檢查電路接線是否安全，在確保無(wú)問(wèn)題后打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)變頻器，使電機(jī)工作。經(jīng)實(shí)際操作與觀察，電機(jī)能夠安全工作，轉(zhuǎn)速可以隨變頻器調(diào)整。

4 振動(dòng)信號(hào)采集

在確定實(shí)驗(yàn)平臺(tái)無(wú)問(wèn)題后，進(jìn)行拋光磨頭的單頭定點(diǎn)拋光實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹饕菧y(cè)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程中拋光磨頭在X，Y，Z三個(gè)方向上的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，以此來(lái)評(píng)估拋光狀態(tài)的優(yōu)劣。振動(dòng)加速度的測(cè)量可以采用振動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)，這里采用壓電式微型三軸加速度傳感器以方便安裝，并通過(guò)XY5100四通道信號(hào)采集器采集加速度數(shù)據(jù)。傳感器在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的安裝位置如圖5所示。

圖5 傳感器安裝位置Fig.5 Sensor installation position

根據(jù)建立的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所能實(shí)現(xiàn)的功能結(jié)合拋光過(guò)程中需要改變的參數(shù)，該試驗(yàn)臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)改變拋光磨頭的主軸轉(zhuǎn)速、磨頭壓力和磨塊粒度號(hào)這三個(gè)拋光參數(shù)，所以就以這三個(gè)拋光參數(shù)為三個(gè)實(shí)驗(yàn)因素進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

從表1可知，針對(duì)三個(gè)實(shí)驗(yàn)因素分別設(shè)定了三個(gè)不同值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，由此可知共需要完成27組實(shí)驗(yàn)。對(duì)于每組實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，取相同時(shí)間段內(nèi)三個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)的垂直方向(Z軸)加速度有效值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

表2中1、2、3組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別為相同時(shí)間內(nèi)三個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)的垂直方向(Z軸)加速度有效值，平均值是這三個(gè)值的均值。由表2中的數(shù)據(jù)可知：

磨塊粒度號(hào)為150#，磨頭壓力在0.2 MPa時(shí)，磨頭轉(zhuǎn)速在424 r/min時(shí)測(cè)得的Z軸振動(dòng)加速度有效值數(shù)據(jù)明顯小于377 r/min和471 r/min時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)，若以較小的Z軸振動(dòng)加速度有效值作為較好的動(dòng)態(tài)特性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，那么磨頭轉(zhuǎn)速在377 r/min和471 r/min之間能夠獲得較好的動(dòng)態(tài)特性；相同的磨塊粒度號(hào)條件下，磨頭壓力為0.3 MPa和0.4 MPa時(shí)，測(cè)得的Z軸振動(dòng)加速度有效值都隨著轉(zhuǎn)速增大而增大。比較數(shù)據(jù)可知：磨粒號(hào)為150#時(shí)的磨頭壓力選擇為0.2 MPa、磨頭轉(zhuǎn)速選擇為424 r/min或者磨頭壓力選擇為0.3 MPa、磨頭轉(zhuǎn)速選擇為377 r/min都較為合適。

磨塊粒度號(hào)為400#，磨頭壓力在0.2 MPa時(shí)，磨頭轉(zhuǎn)速在377 r/min和424 r/min時(shí)測(cè)得的Z軸振動(dòng)加速度有效值較小，具有較好的動(dòng)態(tài)特性，轉(zhuǎn)速在471 r/min時(shí)測(cè)得的Z軸振動(dòng)加速度有效值相比較大；同樣的磨塊粒度號(hào)條件下，磨頭壓力在0.3 MPa和0.4 MPa時(shí)，測(cè)得的Z軸振動(dòng)加速度有效值都隨著轉(zhuǎn)速增大而增大。比較數(shù)據(jù)可知：磨粒號(hào)為400#時(shí)的磨頭壓力選擇為0.2 MPa、磨頭轉(zhuǎn)速選擇為377 r/min，424 r/min或者磨頭壓力選擇為0.3 MPa、磨頭轉(zhuǎn)速選擇為377 r/min都較為合適。

磨塊粒度號(hào)為1200#，磨頭壓力為0.2 MPa時(shí)，磨頭Z軸振動(dòng)加速度有效值都隨著磨頭轉(zhuǎn)速的增大而增大；磨頭壓力為0.3 MPa時(shí)，磨頭Z軸振動(dòng)加速度有效值隨轉(zhuǎn)速變化不明顯，在轉(zhuǎn)速為471 r/min時(shí)有所增大；磨頭壓力為0.4 MPa時(shí)，磨頭Z軸振動(dòng)加速度有效值在轉(zhuǎn)速為424 r/min時(shí)測(cè)得值小于在377 r/min和471 r/min時(shí)的測(cè)得值；磨塊粒度號(hào)為1200#的實(shí)驗(yàn)結(jié)果整體數(shù)據(jù)都偏大，說(shuō)明加速度波動(dòng)嚴(yán)重，所以采用1200#磨粒進(jìn)行精拋時(shí)要匹配較小的磨頭壓力和較低轉(zhuǎn)速進(jìn)行生產(chǎn)。

對(duì)比三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用磨粒號(hào)為1200#實(shí)驗(yàn)時(shí)的采集數(shù)據(jù)相較于采用其他磨粒號(hào)實(shí)驗(yàn)時(shí)的采集數(shù)據(jù)都普遍較高，這說(shuō)明磨粒號(hào)是影響采集數(shù)據(jù)的主要因素之一，即磨粒號(hào)是影響Z軸振動(dòng)加速度有效值的主要因素之一。并且由上述分析可知：磨頭壓力和磨頭轉(zhuǎn)速都是影響Z軸振動(dòng)加速度有效值的因素。對(duì)比前9組實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，高轉(zhuǎn)速(471 r/min)和高壓力(0.3 MPa，0.4 MPa)的參數(shù)搭配組合導(dǎo)致Z軸振動(dòng)加劇，同時(shí)對(duì)比第6、15、24組數(shù)據(jù)可知150#磨粒和471 r/min轉(zhuǎn)速、0.3 MPa或者0.4 MPa的參數(shù)組合更易造成Z軸的劇烈振動(dòng)，在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)該避免以上參數(shù)組合。對(duì)比4、5、6組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、13、14、15組數(shù)據(jù)和22、23、24組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得知磨頭轉(zhuǎn)速對(duì)采用150#磨粒號(hào)的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響較大，而其他組實(shí)驗(yàn)中磨塊粒度號(hào)的改變對(duì)于振動(dòng)加速度的影響比速度改變對(duì)振動(dòng)加速度的影響大。

選取三組實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，三組實(shí)驗(yàn)參數(shù)分別為：150#(磨塊粒度號(hào))、0.2 MPa(磨頭壓力)、424 r/min(磨頭轉(zhuǎn)速)，400#，0.2 MPa，424 r/min，1200#，0.2 MPa，424 r/min。由這三組拋光參數(shù)實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)分析出Z軸振動(dòng)加速度時(shí)域和瀑布彩圖分別如圖6、圖7、圖8所示。

圖6 第1組分析圖Fig.6 First analysis diagram

圖7 第2組分析圖Fig.7 Second analysis diagram

圖8 第3組分析圖Fig.8 Third analysis diagram

觀察圖6、圖7和圖8中的時(shí)域圖可知，由簡(jiǎn)單的振動(dòng)加速度時(shí)域圖并不能看出三組參數(shù)實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的影響，故選取各組實(shí)驗(yàn)過(guò)程中接近相同時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)的加速度瀑布圖以方便觀察加速度在頻域里隨時(shí)間變化的趨勢(shì)[15]。

由圖6的瀑布圖可知，拋光參數(shù)為150#(磨塊粒度號(hào))、0.2 MPa(磨頭壓力)、424 r/min(磨頭轉(zhuǎn)速)時(shí)，拋光磨頭在頻率約為300 Hz，2 400 Hz，5 000 Hz時(shí)都產(chǎn)生明顯振動(dòng)，幅值接近3 m/s2(受實(shí)驗(yàn)設(shè)備限制，數(shù)據(jù)只能采集到5 000 Hz),在450 Hz，600 Hz，1 000 Hz，1 100 Hz，1 300～2 000 Hz，2 100 Hz都會(huì)產(chǎn)生明顯振動(dòng)。

由圖7的瀑布圖可知，拋光參數(shù)為400#，0.2 MPa，424 r/min時(shí)，拋光磨頭在頻率約為200～600 Hz，1 050 Hz，1 200 Hz，1 600～1 800 Hz，2 400 Hz，4 700～5 000 Hz時(shí)都產(chǎn)生明顯的振動(dòng)，幅值接近3 m/s2，在頻率為2 000 Hz，2 200 Hz，2 800 Hz，3 550 Hz，4 050 Hz時(shí)都會(huì)產(chǎn)生輕微振動(dòng)。

由圖8的瀑布圖可知，拋光參數(shù)為1200#，0.2 MPa，424 r/min時(shí)，拋光磨頭在頻率約為200～600 Hz，800～1 000 Hz，1 150 Hz，1 950 Hz，2 200～2 400 Hz，4 700～5 000 Hz時(shí)都產(chǎn)生明顯振動(dòng)，其他頻率的振動(dòng)狀態(tài)(振動(dòng)加速度小于1 m/s2)并不明顯。

由以上分析可知，采用150#磨粒和400#磨粒實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)差別主要是低頻率的振動(dòng)狀態(tài)不同，具體表現(xiàn)為200～600 Hz的振動(dòng)差異，前者表現(xiàn)在300 Hz時(shí)的明顯振動(dòng)，而后者在該頻率區(qū)間都持續(xù)產(chǎn)生明顯振動(dòng)。1200#磨粒實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)與前面兩組數(shù)據(jù)相比較，表現(xiàn)為振動(dòng)更加明顯，而其他頻率區(qū)段振動(dòng)不明顯(顏色較深)，而且低頻振動(dòng)更加強(qiáng)烈(表現(xiàn)為亮度更高)。由此可見(jiàn)，更換磨塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)主要改變了拋光磨頭的低頻振動(dòng)特性，并且磨塊粒度號(hào)越大，低頻振動(dòng)越強(qiáng)烈[16]。

為進(jìn)一步研究轉(zhuǎn)速和壓力對(duì)于振動(dòng)加速度的影響，以下給出第4、5、6、7組分析圖如圖9、圖10、圖11、圖12所示。圖9中的數(shù)據(jù)由參數(shù)為150#，0.2 MPa，377 r/min實(shí)驗(yàn)時(shí)得到，圖10中的數(shù)據(jù)由參數(shù)為150#，0.2 MPa，471 r/min試驗(yàn)時(shí)得到，圖11中的數(shù)據(jù)由參數(shù)為150#，0.3 MPa，424 r/min實(shí)驗(yàn)時(shí)得到，圖12中的數(shù)據(jù)由參數(shù)為150#，0.4 MPa，424 r/min實(shí)驗(yàn)時(shí)得到。由圖9、圖10和圖6對(duì)比可知：磨粒號(hào)和磨頭壓力一定時(shí)，轉(zhuǎn)速越高，磨頭的振動(dòng)加速度越大(圖6中色彩亮度普遍高于圖9中色彩亮度，而圖10中的色彩亮度普遍高于圖6中的色彩亮度)。由圖11、圖12和圖6對(duì)比可知：磨粒號(hào)和磨頭轉(zhuǎn)速一定時(shí)，磨頭壓力越大，磨頭的高頻振動(dòng)加速度反而減小，低頻區(qū)間幾乎沒(méi)有發(fā)生變化(在高頻區(qū)間，圖11中色彩亮度普遍低于圖6中色彩亮度，圖12中的色彩亮度普遍低于圖11中的色彩亮度)，說(shuō)明增大壓力具有能夠有效抑制振動(dòng)的作用[17]。

圖9 第4組分析圖Fig.9 Fourth analysis diagram

圖10 第5組分析圖Fig.10 Fifth analysis diagram

圖11 第6組分析圖Fig.11 Sixth analysis diagram

圖12 第7組分析圖Fig.12 Seventh analysis diagram

6 結(jié) 論

以擺動(dòng)式拋光磨頭為研究對(duì)象，搭建了小型單頭定點(diǎn)拋光試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)預(yù)先設(shè)定好實(shí)驗(yàn)參數(shù)并進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)、記錄數(shù)據(jù)。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析得出：磨頭壓力和磨頭轉(zhuǎn)速一定時(shí)，磨塊粒度號(hào)越大，拋光磨頭低頻振動(dòng)越強(qiáng)烈；磨粒號(hào)和磨頭壓力一定時(shí)，轉(zhuǎn)速越高，磨頭的振動(dòng)加速度越大；磨粒號(hào)和磨頭轉(zhuǎn)速一定時(shí)，磨頭壓力越大，磨頭的高頻振動(dòng)加速度反而減小，低頻區(qū)間幾乎沒(méi)有變化，說(shuō)明壓力對(duì)磨頭的振動(dòng)有一定抑制作用。在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該避免150#磨粒號(hào)和471 r/min轉(zhuǎn)速、0.3 MPa或者0.4 MPa壓力的拋光參數(shù)組合；以150#磨粒號(hào)的磨塊進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，采用0.2 MPa壓力、424 r/min轉(zhuǎn)速或者0.3 MPa壓力、377 r/min轉(zhuǎn)速為宜，以400#磨粒號(hào)的磨塊進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，采用0.2 MPa壓力、377 r/min轉(zhuǎn)速或者424 r/min轉(zhuǎn)速為宜；選擇大粒度號(hào)(1200#)磨塊進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)盡量匹配較小的磨頭壓力和磨頭轉(zhuǎn)速。