角磨机工况试验台设计与试验

戴欣平，汪中民，张建荣，丁肇

（ 1. 金华职业技术学院，浙江 金华 321000；
2. 金华尤创自动化科技有限公司， 浙江 金华 321000；
3. 浙江省农作物收获装备重点实验室， 浙江 金华 321000 ）

我国是电动工具的生产和出口大国，产量约占全球总产量的80 %。其中，85 %以上用于出口，是我国贸易顺差幅度较大的大宗机电产品之一[1-3]。电动工具的工况试验，也称性能试验或使用试验，是新产品开发、产品认证、抽检等过程中不可缺少的环节，目的是模拟电动工具的真实作业工况，综合检验电动工具的使用性能[4-6]。

电动工具在进行工况试验时需达到一定功率、进给速度、进给力或试验速度，并按照规定的试验循环与周期次数进行[7-8]。目前电动工具的工况试验大多采用人工作业，存在试验准确度低、试验过程无法自动记录、作业现场工作环境差及人工重复性作业劳动强度大等一系列问题[9-10]。因此，开发电动工具的通用工况试验台，以替代和模拟人工作业过程，在检验电动工具产品质量、提高产品品质及生产效率等方面具有重要意义。

本文基于所设计的电动工具通用工况试验台，针对角向磨光机（以下简称角磨机）的装夹与作业特点，设计了角磨机的专用装夹台，进行了角磨机的工况模拟试验。

1.1 结构设计

所设计的电动工具通用工况试验台如图1所示，由机座、龙门架、电动工具装夹台、电气控制系统及声光报警系统等部件组成。

图1 电动工具通用工况试验台

通过在龙门架X、Y、Z三个自由度方向上设置导轨并加装步进电机，可实现龙门架沿导轨在X、Y、Z三个方向上的移动。更换装夹台后，可满足不同类型电动工具产品的测试需求。

工况试验时，电动工具通过夹爪固定于装夹台上，工作台（X向、Y向）放置如铁板、水泥块、木板等被试材料，龙门架通过在X、Y、Z方向的进给运动实现电动工具的加载、进给和退刀等动作，模拟电动工具的人工测试过程。电气控制系统完成电动工具电机的自动开启、关闭、调速，冷却液及吸尘罩开关的开启、关闭等功能。报警系统可对系统的异常情况进行报警或停机处理。

1.2 控制与监测

试验台的控制系统由两套ARM嵌入式系统和外围线路组成，一套作为ARM控制系统完成总的控制，一套作为ARM保护系统实现参数的采样和保护，如图2a所示。平台通过编程对所需测试的电动工具进行周期性的进给加载、退刀卸载、停歇等过程控制，自动记录试验数据。采用触摸屏人机界面，对被试验电动工具功率、电流等参数与模拟加载的作用力、转矩、作业速度等参数进行实时采集与监控，通过存盘、统计、分析，生成检测数据报告，如图2b所示。

图2 试验平台控制与监测系统

针对角磨机的作业特点及实际工况，设计了角磨机专用装夹台，主要由机架、反向拉绳装置、半圆形夹爪及压力传感器组成，如图3所示。

图3 角磨机专用装夹台

为模拟角磨机打磨过程中对工件不同大小的施压过程，采用装夹台在Z方向移动进行施压，利用反向拉绳装置进行压力调节，拉绳的反向拉力大小由增减配重块调节。角磨机对工件的实际施加压力值通过安装在机架上的压力传感器进行测量，从而达到模拟人工施压过程的目的。此外，为模拟角磨机对工件不同部位及不同方向的打磨作业，采用半圆形夹爪机构，通过铰链与机架连接，使角磨机能够在±45 °自由旋转进行角度调节，如图4所示。

图4 角磨机不同角度打磨示意图

3.1 试验过程

将所设计的角磨机专用装夹台安装在电动工具工况试验台上，进行角磨机的工况模拟试验，如图5所示。

图5 工况试验现场

选用BOSCH公司生产的GWS 14-125 CI型角磨机，主要参数见表1。选用两种材质的角磨片进行试验，分别为棕刚玉及立方氮化硼，试验作业材料为铁板。按照角磨机工况试验的标准要求，将铁板固定在X、Y平面内，对装夹台在X、Y、Z三个方向进行编程联动，实现角磨机的自动进给及往复作业。角磨机的打磨工作时间为30 min，试验时利用反向拉绳装置调节施加压力值，使负载电流分别为3 A、5A和7 A。

表1 角磨机主要参数

对试验前后的角磨片及铁板进行称重，如图6所示，计算角磨片及铁板的磨损量，每种试验条件下进行3次重复测试。试验过程中，传感器实时监测功率、电流、堵转电流等并进行实时反馈，判断异常情况时报警或停机。

图6 试验前后称重

3.2 试验结果及讨论

不同测试工况下角磨机压力、角磨片磨损量及铁板磨损量平均测试值见表2.

表2 平均测试值

从表2中可以看到，测试压力值随负载电流的增大显著增加，表明工况试验台的检测系统可以在短时间内自动辨识工作负载的控制参数，自动加载到稳定状态，从而达到模拟人工作业过程的目的。然而在实际作业过程中，不同的人工个体在操作时的加载强度、速度及角度等方面均有波动偏差[11-12]，因此提高试验台对电动工具负载电流、机械进给动力参数等柔性控制的能力，以提高模拟人工作业的真实性，是今后需要研究的方向。

从表2中还可以看到，角磨片及铁板的磨损量均随负载电流的增大有增加的趋势，但并不显著，这表明增加角磨机对工件的施加压力值能够在一定程度上提升打磨效率，但角磨片的磨损量也相应增大。此外，角磨片的不同材质也显著的影响打磨效率及角磨片的磨损量，立方氮化硼材质角磨片的耐磨性高于棕刚玉，打磨效率更高，但立方氮化硼材质在成本上也要高于棕刚玉。需要说明的是，除了角磨片的材质，其它参数如结合剂材料及角磨片形状等，也会影响角磨片的打磨效率及耐磨特性，因此，研究不同参数角磨片对打磨效率及耐磨性的影响，寻找性价比高的角磨片制作参数，是今后需要研究的重点方向之一。

本文在电动工具通用工况试验台的应用基础上，结合角磨机的实际工作特点，设计了专用装夹台，安装在工况试验台上进行了角磨机的工况模拟试验。研究表明所设计的电动工具工况试验台能够在一定程度上模拟人工作业过程，满足工况试验所需的运行精度及准确度要求，但在模拟人工作业真实性方面仍需进一步提高。