在加工汽車齒輪軸磨削環(huán)節(jié)，一般由人工來(lái)搬運(yùn)、磨床、上下料、對(duì)齒等，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)條件差、效率不高，而且會(huì)造成工人大量流失、管理難度增大，最終也無(wú)法保障產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量?，F(xiàn)階段，雖然一些新磨床有裝備直線機(jī)構(gòu)，也能自動(dòng)上下料，并由主軸來(lái)為其對(duì)齒，但成本卻偏高，且柔性也不好，加工更是離不開(kāi)人工干預(yù)。為此，針對(duì)齒輪磨削自動(dòng)化應(yīng)用率較低問(wèn)題進(jìn)行研究，分析基于工業(yè)機(jī)器人的齒輪磨削的優(yōu)勢(shì)，旨在設(shè)計(jì)出基于工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化齒輪磨削系統(tǒng)。

　　在傳統(tǒng)的齒輪軸磨削加工中，會(huì)使用多臺(tái)數(shù)控機(jī)床完成整套工序，這些工序主要包括齒輪材料選材、齒輪倒角倒棱、切削、表面磨削等，很多工序主要由工人操作完成。而在加入工業(yè)機(jī)器人的汽車齒輪軸加工中，很多程序改由工業(yè)機(jī)器人操作，這不僅極大地提升了整個(gè)加工的自動(dòng)化水平，還能使齒輪軸加工的效率得到大幅加強(qiáng)。在引入工業(yè)機(jī)器人后，由于工業(yè)機(jī)器人本身非常穩(wěn)定，其穩(wěn)定性能使得加工的質(zhì)量更為精良，也能夠通過(guò)高度的自動(dòng)化水平減少中間環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的損失，能夠保證產(chǎn)品加工按時(shí)完成，提高效率和質(zhì)量，達(dá)到生產(chǎn)計(jì)劃的要求。

　　一、自動(dòng)化的上下料系統(tǒng)的需求

　　現(xiàn)在，在齒輪軸磨削加工行業(yè)中，大部分的工序都由引入的數(shù)控機(jī)床完成，而在數(shù)控磨床加工工序過(guò)程中，大量的程序都由人工完成。這使其存在一定的人工不確定因素。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于每個(gè)工人來(lái)說(shuō)，他們需要在操作過(guò)程中同時(shí)完成幾臺(tái)機(jī)床的操作管理，而且工作時(shí)間長(zhǎng)，這使得工人在復(fù)雜環(huán)境、壓力大的情況下操作機(jī)床進(jìn)行生產(chǎn)會(huì)有一些隨意性并由此產(chǎn)生隱患，比如在齒輪件搬運(yùn)過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生一些齒輪件損壞，產(chǎn)品的質(zhì)量由此下降，良品率難以得到保證。伴隨社會(huì)的高速發(fā)展，企業(yè)用工難的問(wèn)題逐步突出。對(duì)于工作強(qiáng)度大、回報(bào)率一般的齒輪軸加工企業(yè)來(lái)說(shuō)，其在招工方面越來(lái)越困難，成本不斷增加。在外，企業(yè)外部存在競(jìng)爭(zhēng)加劇等現(xiàn)象;在內(nèi)，企業(yè)內(nèi)部存在生產(chǎn)效率低、成本持續(xù)上升等問(wèn)題。這些都使得企業(yè)在市場(chǎng)中越來(lái)越難以存活，因此為了企業(yè)能夠在市場(chǎng)中存活并發(fā)展壯大下來(lái)，通過(guò)實(shí)現(xiàn)磨削自動(dòng)化以提高競(jìng)爭(zhēng)力已變得迫切。

　　相對(duì)于人工而言，工業(yè)機(jī)器人優(yōu)點(diǎn)眾多，不僅操作精確穩(wěn)定，而且每次動(dòng)作誤差均極小。工業(yè)機(jī)器人的這些優(yōu)勢(shì)能在生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品的同時(shí)還可以持續(xù)地穩(wěn)定產(chǎn)量，因此以這樣的可控式高效率生產(chǎn)模式能很好地降低成本。另外，機(jī)器人還能夠24h不間斷地工作，在相同時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出更多的產(chǎn)品，特別在加工多樣性產(chǎn)品時(shí)，工業(yè)機(jī)器人的可編程特性更是能很好地發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。為此，基于上述分析，提出了由機(jī)器人配合多臺(tái)數(shù)控機(jī)床來(lái)自動(dòng)上下料的方案。

　　二、系統(tǒng)總體構(gòu)想

　　上下料系統(tǒng)需要借助工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，一般是在周邊設(shè)備配置好的情況下配置工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行輔助，高效完成固定的搬運(yùn)、上下料等操作。此齒輪磨削系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，組成包括數(shù)控磨床、工業(yè)機(jī)器人、料機(jī)、可編程控制器和其他設(shè)備。其中，可編程控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，其在整個(gè)系統(tǒng)中起到信號(hào)傳遞、設(shè)備連接、通信管理等作用，在它的控制管理下，能夠使得上下料及搬運(yùn)等操作在三個(gè)設(shè)備的協(xié)同下實(shí)現(xiàn)。總體上看，該系統(tǒng)具備下列優(yōu)勢(shì)：

　　(1)全面梳理了汽車齒輪軸磨削中的加工流程，提高了自動(dòng)化控制水平，更具針對(duì)性和效率性;

　　(2)該系統(tǒng)集成了送料各個(gè)功能，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化運(yùn)輸、鎖緊和轉(zhuǎn)移;

　　(3)設(shè)計(jì)了機(jī)器人末端手爪，能24小時(shí)不間斷工作，可靠性高;

　　(4)改進(jìn)了磨床，特別是對(duì)齒輪的抓緊方法進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化抓齒輪;

　　(5)采用 VAL3編程控制，易用且擴(kuò)展性強(qiáng)，基于此的自動(dòng)化控制系統(tǒng)全程管理科學(xué)合理，能實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)和控制。

　　總的來(lái)看，這種系統(tǒng)協(xié)同性強(qiáng)，能將各種功能集成控制的系統(tǒng)具備巨大優(yōu)勢(shì)，其市場(chǎng)針對(duì)性強(qiáng)，能提高齒輪軸加工的進(jìn)度和精度，助推企業(yè)向前發(fā)展。

　　工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)

　　目前，隨著高精尖技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人發(fā)展成熟，各種機(jī)器人公司陸續(xù)出現(xiàn)，這些工業(yè)機(jī)器人公司以 ABB、FANUC等為代表。各家機(jī)器人公司生產(chǎn)的機(jī)器人針對(duì)的對(duì)象不同，這使得他們的型號(hào)不同，同時(shí)所具備的功能特點(diǎn)、使用方式和編程方式等也不同。所以，工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)需要根據(jù)需要進(jìn)行，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體要求的條件下，同時(shí)參考現(xiàn)有成熟的機(jī)器人，可以在此基礎(chǔ)上完成相應(yīng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)的繼承和成本的節(jié)約。

　　在工業(yè)機(jī)器人的選型中，被選中的機(jī)器人需要柔性好，能夠多自由度運(yùn)動(dòng)，能在復(fù)雜條件下完成各種運(yùn)動(dòng)，而且機(jī)器人自身的抓取質(zhì)量須小于7kg，運(yùn)動(dòng)行程大于 950mm。為了達(dá)到這種要求，本方案選擇的工業(yè)機(jī)器人為比爾 TX90，其各項(xiàng)參數(shù)能滿足要求，該機(jī)器人一旦配置到系統(tǒng)，生產(chǎn)效率可提高。在實(shí)現(xiàn)功能要求的同時(shí)，該工業(yè)機(jī)器人還具有容易交互的人機(jī)界面，能夠使工作人員較快掌握編程控制。

　　比爾 TX90的編程語(yǔ)言是 VAL3。VAL3語(yǔ)言的編程方式與傳統(tǒng)C語(yǔ)言類似，都是基于模塊化方式，各種程序都可以通過(guò) VAL3實(shí)現(xiàn)。工業(yè)機(jī)器人的各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。

　　系統(tǒng)配置

　　在該系統(tǒng)中，主要組成部分有工業(yè)機(jī)器人、磨床、料機(jī)等。該系統(tǒng)的空間布局為磨床 A、料臺(tái)和磨床 B配置在一起，磨床 A 和磨床 B正對(duì)分布。在這種布局中實(shí)現(xiàn)三個(gè)工位磨削作業(yè)，工業(yè)機(jī)器人在中間位置，能夠很好地完成上下料作業(yè)。同時(shí)，加裝了專用的料機(jī)，以便及時(shí)轉(zhuǎn)移剩下的料、成品。工業(yè)機(jī)器人具備手動(dòng)拆卸功能，能通過(guò)末端的手爪實(shí)現(xiàn)工件的抓取。

　　電氣控制系統(tǒng)

　　從系統(tǒng)空間配置來(lái)看，系統(tǒng)一共包括磨床 A、料機(jī)、磨床 B和機(jī)器人等設(shè)備，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)和設(shè)備間的配合由控制系統(tǒng)串聯(lián)完成，在作業(yè)過(guò)程中，控制系統(tǒng)基于設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行后續(xù)動(dòng)作安排，包括啟動(dòng)、復(fù)位、停機(jī)、內(nèi)部調(diào)整等。在整個(gè)系統(tǒng)中，可編程控制器作為系統(tǒng)的大腦，能夠接受各設(shè)備發(fā)來(lái)的信息并及時(shí)處理，啟動(dòng)機(jī)床執(zhí)行加工程序，控制系統(tǒng)完成生產(chǎn)任務(wù)。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，可編程控制器配置有觸摸屏以供人機(jī)交互，操作人員可以很好地通過(guò)觸摸屏分析系統(tǒng)狀態(tài)，并基于具體狀態(tài)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　系統(tǒng)工作流程

　　系統(tǒng)的工作流程較為復(fù)雜：在料盒中放置齒輪軸胚料，將胚料抓取到料機(jī)上，再將材料轉(zhuǎn)運(yùn)到加工位置。料盒對(duì)位置進(jìn)行定位后，工業(yè)機(jī)器人開(kāi)始準(zhǔn)確取料。此時(shí)，待加工的胚料還沒(méi)有到達(dá)磨床上，這時(shí)工業(yè)機(jī)器人會(huì)先在磨床 A 上放置一個(gè)齒輪軸以完成加工，完成這些后再取另一份料。詳細(xì)工作流程如圖2所示。

　　末端執(zhí)行器選擇與機(jī)械手爪設(shè)計(jì)

　　(1)末端執(zhí)行器需根據(jù)需求決定，要根據(jù)工件的形狀及重量等進(jìn)行設(shè)計(jì)?？偟膩?lái)說(shuō)，工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器非常豐富，一般包括吸附式、夾鉗式、轉(zhuǎn)換式和專用操作等多種。夾鉗式取料手相當(dāng)于人類的手，其應(yīng)用最為廣泛。它的組成也類似人類的手，一般由手指、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)手臂和其他元件組成，物料的抓取基于手臂的開(kāi)閉操作完成。二指和三指抓手是常見(jiàn)的類型，其抓取方式分為張角和平動(dòng)。由于汽車齒輪軸屬于軸類，其被抓取的實(shí)現(xiàn)通過(guò)二指和三指抓手即可完成。

　　(2)設(shè)計(jì)機(jī)械手爪時(shí)，將兩個(gè)兩指平動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)在手爪基座上，手爪基于基座、平動(dòng)機(jī)械手連接完成。平動(dòng)機(jī)械手通常有兩個(gè)功能，一是抓取裝夾工件，二是卸下已加工工件，使得機(jī)器人操作的時(shí)候上料、下料一起完成。機(jī)器人手爪具備緊抓和松開(kāi)兩個(gè)狀態(tài)，能夠在這兩個(gè)狀態(tài)間自由切換。在兩指或三指的氣爪上配備有手指，最終由雙作用氣缸實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。氣缸來(lái)回運(yùn)動(dòng)，當(dāng)氣缸到達(dá)下部時(shí)，手指部分活動(dòng)，其使用抓緊功能;當(dāng)氣缸處于上部時(shí)，使用松開(kāi)功能，將工件松開(kāi)放下。操作磁性開(kāi)關(guān)， 即將其插入氣缸的外殼，通過(guò)該裝置及時(shí)反饋手爪的活動(dòng)狀態(tài)，即抓緊或松開(kāi)狀態(tài)。

　　三、結(jié)語(yǔ)

　　企業(yè)使用實(shí)踐表明，該自動(dòng)化上下料設(shè)計(jì)滿足實(shí)際需求，同時(shí)具備較高的可靠性，設(shè)備生產(chǎn)率和設(shè)備利用率得到極大提高，大大降低了生產(chǎn)壓力。同時(shí)，工件在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中能夠減少磕碰，在提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，穩(wěn)定持續(xù)地大量加工齒輪軸，使得企業(yè)在市場(chǎng)上越來(lái)越有優(yōu)勢(shì)。

　　參考文獻(xiàn)略.