基于工业机器人的齿轮轴磨削自动化系统设计与研究

基于工业机器人的齿轮轴磨削自动化系统设计与研究

0引言

轴齿加工一般采用精车齿坯→滚齿→倒棱倒角→剃齿→热处理→磨削等工艺流程。轴齿的磨削加工通常由多台数控磨床分别完成，其中上下料工作多由人工完成。随着工业机器人技术的发展，简单的人工上下料操作完全可由机器人替代完成。因此，对齿轮轴热后磨削机床配备基于工业机器人的自动化上下料系统，将在很大程度上提高工厂的自动化水平，并能大幅提高工厂的生产效率。设备加工自动化水平的提高对于提高产品质量及稳定性，减少加工环节中的磕碰损伤，完成生产任务的准时性等也均有显著的效果。

1自动上下料系统方案的提出

目前，齿轮轴热后磨削生产所用的机床大部分都已经数控化，而数控磨床的操作和上下料工作普遍采用人工来完成。人工操作时，一般每个工人需要同时管理操作多台机床，工人的劳动强度较大。由于人工工作时具有一定的随意性，工件转运过程中常常会有磕碰，产品的质量得不到严格保证，增加了产品的废品率。且随着用工荒现象日趋严重，企业招工正变得越来越难，用工成本也在持续增加。随着企业之间竞争愈加激烈，用工成本的增加和生产效率的低下，导致企业在市场竞争中处于劣势地位。因此提高设备的自动化水平已迫在眉睫。

由于工业机器人具有高度的准确性、可靠性和一致性，因此，工业上利用机器人作业不但产品质量高而且生产稳定性好，且能有效地降低库存(甚至零库存)从而降低成本；机器人能通宵达旦地工作，生产率很高，再加上机器人具有可编程功能和工作多样性的特点，因而能适应需求多变的市场。基于工业机器人的上述优点，提出了一个使用一台机器人为两台数控磨床进行上下料服务的自动上下料系统方案。

2系统总体设计

工业机器人自动上下料系统是指用一台或多台工业机器人，配合周边设备，完成特定工序的上下料和搬运工作。该齿轮轴自动磨削系统主要由工业机器人、可编程控制器(PLC)、人机界面(HMI)、数控磨床、料机和其他周边设备组成。以PLC为控制核心，通过PLC连接、通讯并集中管理，实现机器人在大磨床、小磨床和料机三台设备间的上下料和转运。

2.1系统布置

系统主要由磨床A、磨床B、工业机器人、料机及防护栏等组成。大磨床、小磨床和料台呈品字形布置，两台数控磨床面对面摆放，分别负责三个工位的磨削加工，工业机器人摆放在中间位置负责上下料，另外设计专用的料机负责坯料和成品的运进运出。工业机器人末端设有可抓取加工工件的可拆卸式气动手爪。机器人和三台设备的空间布局如1所示。

1机器人上下料系统空间布局

2.2电气控制系统

整个系统一共有两台数控磨床，一台机器人和一台料机共四台执行设备，各台设备的循环动作及监控由控制系统来完成，控制系统根据执行设备的状态来安排协调系统下一步的动作，控制系统的启动停止，非正常停机后的复位，系统更换产品规格的内部调整等等。

该系统中PLC作为中央控制系统，接收并处理机床、料机和工业机器人发送来的讯息，控制机床起停和告知机器人执行相应的程序，控制整个系统的工作及循环。PLC接有人机交互面板触摸屏，子锐机器人维修，工人可以通过触摸屏观察系统的工作状态，控制系统的启停等。PLC通过I／O与机床进行通讯，通过ModbusTCP与机器人通讯。2为控制系统结构关系示意。

2控制系统结构关系示意

2.3系统工作流程

齿轮轴坯料摆放在料盒里，由料机运送到指定的位置，料机通过接近开关、气缸、气动手爪等检测料盒位置和定位。料盒定位好以后，工业机器人从料盒中取料。此时磨床上并没有待加工坯料，因此工业机器人要先取一个齿轮轴放到磨床A上加工，然后再从料盒里取一个齿轮轴。等待磨床A加工完成以后，卸下磨床A上加工完成的齿轮轴，并将从料盒中取的齿轮轴放到磨床A上加工，然后将磨床A上卸下的齿轮轴放到磨床B上加工。这个过程中，通过机器人末端执行器的两个机械手爪同时工作，完成磨床A的上下料。这两次取料的过程与接下来的重复循环取放料是不同的，要单独执行动作指令。机器人再次从料盒取料，放到磨床A上加工，然后等待加工完成后，取下工件放到磨床B上加工，磨床B加工完以后，取下工件放到料盒里，同时取出待加工件，如此循环动作。待加工完一整盒坯料以后，料机动作，把已完成的料盒通过下层输送带运送出来，同时把下一个料盒定位在指定位置，然后循环进行。

整个系统输入为热处理后的精车齿轮轴，输出为磨削完成的齿轮轴，系统正常工作过程中完全自动化，可实现整个系统的长时间无人化操作。

3为齿轮轴自动磨削系统的工作流程，机器人、两台数控磨床、料机按生产线的生产节拍相互配合完成工作。

3自动磨削系统工作流程

3工业机器人末端执行器设计

末端执行器即机器人的手，是工业机器人用于抓取和握紧(吸附)喷枪、焊具、扳手、喷头等专用工具并进行操作的部件。它安装于机器人的手臂的前端具有模仿人手动作的功能。

3.1末端执行器形式选择

由于被抓取工件的形状、尺寸、材质、重量、表面状态等各不相同，工业机器人的末端执行器是多种多样的，大致可以分为夹钳式取料手、吸附式取料手、专用操作器及转换器和仿生多指灵巧手等几种。

夹钳式取料手即抓手，与人手相似，是工业机器人上应用较广泛的一种形式。它一般由手指(手爪)和驱动机构、传动机构及连接与支承元件组成，并能通过手爪的开闭动作实现对物体的夹持。抓手有很多种，工业机器人维修，常用的抓手有二指抓手和三指抓手，抓手手指的运动方式又可分为平动和张角两类。

本系统针对的工件是齿轮轴，属于轴类零件，因此只需二指或三指平动抓手即可实现抓取动作。

3.2机械手爪的设计

手爪包括手爪基座和手爪基座上设置的两副两指平动机械手、一副三指平动机械手，手爪部分详如4所示。两指平动机械手一个抓取装夹工件，另一个可卸下已加工工件，使机器人单次动作即可完成上料和下料两道工序。

4机器人手爪部分详

由于齿轮轴(如6)竖直摆放在料盒(如5)中，直接夹取上端上下料会阻碍机床的顶尖，无法正常上下料。因此在料机上设置一料台(如6)，安装在料机侧面。由三指平动机械手(4中的3号手爪)完成坯料从料盒到料台的转移。

5料盒

6齿轮轴在料台上的安放

手爪可实现夹紧、松开两种状态的自由切换。手指安装在两指或三指平动的气爪上，气爪动作由一个双作用气缸带动楔型机构来实现。气缸活塞运行到下部，手指夹紧，气缸活塞运行到上部，手指张开到最大，松开工件。每个气缸的外壳插入两个磁性开关，用来反馈手爪的夹紧或松开状态。