汽車齒輪軸磨削的工藝流程和自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

常保利

(陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院， 西安 710018)

0 引言

傳統(tǒng)汽車齒輪軸磨削加工，大都是利用人工實(shí)現(xiàn)磨床、上下料及搬運(yùn)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且工作的環(huán)境比較惡劣，工作效率比較低，導(dǎo)致工人流失嚴(yán)重，無法保證工程中產(chǎn)品的產(chǎn)量及質(zhì)量。目前，我國及國外大部分的磨床都是具有簡單直線機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)上料和下料的工作，并且也能夠利用伺服主軸實(shí)現(xiàn)對齒工作。此種方式的成本較高，并且柔性較差，在進(jìn)行加工的過程中還需要人工進(jìn)行干預(yù)?；诖?，本文就對汽車齒輪軸磨削工作流程進(jìn)行了簡單的分析，設(shè)計(jì)了汽車齒輪軸自動(dòng)化系統(tǒng)，創(chuàng)建了完整的汽車齒輪磨削自動(dòng)化工作流程，滿足了現(xiàn)代企業(yè)數(shù)字化生成的需求。

1 汽車齒輪軸磨削工藝流程

一般齒輪軸受熱之后，磨削加工過程中的數(shù)控磨床操作及毛坯上下料工作，都是由人工實(shí)現(xiàn)，一般需要多個(gè)工人同時(shí)操作大量機(jī)床并且對其管理，為了能夠有效提高生產(chǎn)的效率，工作要跟上機(jī)器生產(chǎn)節(jié)拍，所以工人勞動(dòng)強(qiáng)度較大，且機(jī)床的噪聲比較大，工作環(huán)境較為惡劣。另外人工還需要實(shí)現(xiàn)對齒工作，對于人工操作的水平需求比較高，在進(jìn)行對齒的加工過程要實(shí)現(xiàn)輔助工裝的安裝，降低了工作效率。在人工對機(jī)床進(jìn)行操作實(shí)現(xiàn)齒輪軸上料和下料的過程中，操作人員的手會(huì)接觸到產(chǎn)品和切削油，且還具有較高的強(qiáng)度，從而降低了產(chǎn)品的質(zhì)量及產(chǎn)量。

現(xiàn)代，部分的國產(chǎn)機(jī)床及進(jìn)口設(shè)備都配置了比較簡單的直線機(jī)構(gòu)，因此能夠有效實(shí)現(xiàn)單機(jī)短時(shí)間的自動(dòng)化生產(chǎn)，直線機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工件從料盤對夾具進(jìn)行上下料的工作，對于齒的加工工作要求使用機(jī)床進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，機(jī)床刀具的主軸屬于伺服主軸，對于機(jī)床具有較高的要求，提高了機(jī)床成本，并且降低了系統(tǒng)柔性，在工作更換過程中更是消耗時(shí)間和體力。因?yàn)闄C(jī)床之間缺乏相應(yīng)的連接，所以在加工過程中還是需要人工的對其進(jìn)行干預(yù)，在產(chǎn)品規(guī)格進(jìn)行更換的過程中，要對單機(jī)上下料的機(jī)構(gòu)進(jìn)行全面調(diào)整，比較繁瑣，每臺(tái)機(jī)床要能夠自身具備上料和下料的機(jī)構(gòu)，所以就提高了生產(chǎn)線的投入成本，并且也導(dǎo)致了機(jī)床配料倉重復(fù)的浪費(fèi)投資，此種方案能夠在全新購買機(jī)床中使用，如果實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有機(jī)床設(shè)備的改造，具有較大的難度，并且還具有較高的成本[1]。

2 汽車齒輪軸磨削的自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)化系統(tǒng)的方案

現(xiàn)代齒輪軸磨削生產(chǎn)使用的機(jī)床都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)控化，但是數(shù)控磨床操作及上下料的工作還是需要人工實(shí)現(xiàn)。在現(xiàn)代企業(yè)競爭越來越激烈的過程中，用工的成本也在不斷的增加，企業(yè)在市場競爭過程中處于劣汰，所以就要提高設(shè)備自動(dòng)化的水平。工作機(jī)器人的精準(zhǔn)度、一致性和可靠性比較高，在工業(yè)中使用機(jī)器人作業(yè)不僅能夠有效提高產(chǎn)品質(zhì)量及合格產(chǎn)品的穩(wěn)定性，還能夠降低庫存和成本。機(jī)器人能夠長時(shí)間的工作，具有較高的生產(chǎn)效率，而且其工作多樣化，所以能夠有效滿足不同生產(chǎn)需求。本文實(shí)現(xiàn)了以工業(yè)機(jī)器人為基礎(chǔ)的汽車齒輪軸磨削自動(dòng)化系統(tǒng)的有效設(shè)計(jì)。

目前使用的機(jī)器人都是TX90系列，非常堅(jiān)固且具有較高的靈活性，維修較為簡單方便，機(jī)器人的封閉式結(jié)構(gòu)能夠降低顆粒物釋放[2]，從而降低污染。機(jī)器人的參數(shù)設(shè)置，如表1所示。

表1 機(jī)器人的參數(shù)設(shè)置

2.2 機(jī)械的結(jié)構(gòu)

2.2.1 送料機(jī)

送料機(jī)主要目的是人工側(cè)的換料和急停、檢測料盒位置、鎖緊及精準(zhǔn)定位等。主要由機(jī)器人側(cè)升降結(jié)構(gòu)、輸送結(jié)構(gòu)和人工側(cè)的升降結(jié)構(gòu)三部分組成。兩個(gè)升降結(jié)構(gòu)有輸送鏈，利用氣缸進(jìn)行升降。輸送結(jié)構(gòu)主要有上層和下層兩部分，通過輸送鏈方式實(shí)現(xiàn)。輸送及升降結(jié)構(gòu)主要是利用可調(diào)速的直流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。送料機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。

1.人工側(cè)升降氣缸； 2.人工側(cè)升降機(jī)構(gòu)輸送鏈； 3.人工側(cè)升降機(jī)構(gòu)； 4.料盒； 5.工裝板； 6.上層輸送鏈； 7.機(jī)器人側(cè)升降機(jī)構(gòu)； 8.機(jī)器人側(cè)升降機(jī)構(gòu)輸送鏈； 9.機(jī)器人側(cè)升降氣缸； 10.輸送機(jī)構(gòu)； 11.下層輸送鏈

圖1 送料機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

送料機(jī)主要包括自動(dòng)送料和手動(dòng)放料兩部分。在手動(dòng)放料過程中，人工卸下人工側(cè)已經(jīng)加工后的齒輪軸料盒，之后放入需要加工的齒輪軸料盒，然后按下放料按鈕，料盒就會(huì)在升降結(jié)構(gòu)中上升，之后利用上層輸送鏈將其送到加工位置中。料盒的重量一般為30 kg，其中包含了附屬結(jié)構(gòu)和摩擦的損耗，一般氣缸負(fù)壓都是在40 kg左右。

2.2.2 磨床加工齒輪軸裝夾

兩個(gè)磨床都使用雙頂尖的方式，將撥爪安裝到撥盤中，撥爪將齒輪軸卡住，在磨削過程中，撥爪和撥盤共同轉(zhuǎn)動(dòng)，系統(tǒng)改造之前，要人工實(shí)現(xiàn)齒輪軸斜齒和撥爪齒的相互吻合。撥爪跟著撥盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)，使用機(jī)器人會(huì)對自動(dòng)的裝卸造成影響，在機(jī)床中安裝接近開關(guān)，將感應(yīng)物安裝到撥盤中，在感應(yīng)物和開關(guān)位置接近的時(shí)候，控制機(jī)床主軸就會(huì)減速停止。為此撥爪設(shè)計(jì)成活動(dòng)的，通過彈簧將撥爪拉靠在撥盤面中。改造之后的加工齒輪軸裝夾，如圖2所示。

1.感應(yīng)物； 2.接近開關(guān)； 3.撥盤； 4.前頂尖； 5.后頂尖； 6.齒輪軸； 7.撥爪； 8.彈簧

圖2 改造之后的齒輪加工輪軸裝夾

2.2.3 送料機(jī)程序設(shè)計(jì)

在實(shí)現(xiàn)送料機(jī)程序設(shè)計(jì)的過程中，使用PLC循環(huán)掃描方式實(shí)現(xiàn)工作，送料機(jī)程序的運(yùn)行方式，如圖3所示。PLC通電或者從停止開始運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，CPU就會(huì)啟動(dòng)，將塊堆棧和中斷堆棧中的內(nèi)容清除，并且還會(huì)將缺失功能的計(jì)數(shù)器、定時(shí)器及存儲(chǔ)器進(jìn)行清除，實(shí)現(xiàn)硬件中斷的復(fù)位保存。而且還要對能夠編寫程序的模塊進(jìn)行執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)用戶設(shè)置的初始化操作，之后實(shí)現(xiàn)周期性的循環(huán)。

在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)置的過程中，使用西門子PLC，CPU的主要參數(shù)指標(biāo)，其輸入、輸出和電源都是同個(gè)機(jī)殼中安裝，如表2所示。

2.3 電氣的控制系統(tǒng)

本文所研究系統(tǒng)一共有四個(gè)執(zhí)行設(shè)備，分別為兩個(gè)數(shù)控磨床、一臺(tái)機(jī)器人和一臺(tái)送料機(jī)，每臺(tái)設(shè)備的動(dòng)作循環(huán)和監(jiān)控過程都是通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，控制系統(tǒng)利用執(zhí)行設(shè)備的狀態(tài)，進(jìn)行下步動(dòng)作的協(xié)調(diào)，控制系統(tǒng)啟動(dòng)暫停和非正常的停機(jī)之后復(fù)位等。此系統(tǒng)中央控制器為PLC，接收并且實(shí)現(xiàn)機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人及送料機(jī)信息的處理，對機(jī)床啟動(dòng)和暫停進(jìn)行全面的控制。PLC和人機(jī)交互面板通過觸摸屏連接，工作人員能夠利用觸摸屏對系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行全面的觀察，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)啟動(dòng)暫停的控制等。PLC利用輸入輸出和機(jī)床相互通信?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)關(guān)系，如圖4所示。

圖3 送料機(jī)程序的掃描運(yùn)行流程

特點(diǎn)CPU1521存儲(chǔ)器工作：75kb；負(fù)載：4mb；保持性：10kb本地板載12點(diǎn)、10點(diǎn)、2路的輸入輸出過程映像輸入：1024b；輸出：1024b位存儲(chǔ)器8192b信號(hào)模塊的擴(kuò)展8個(gè)電源板、信號(hào)板和通信板1個(gè)通信模塊3個(gè)高速計(jì)算器6個(gè)脈沖輸入4個(gè)PROFINET1個(gè)

2.4 系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行

本文所研究的系統(tǒng)包括多個(gè)設(shè)備，主要包括變壓器、開關(guān)電源、繼電器、傳感器、控制單機(jī)、電磁換向閥、交流接觸器等。每個(gè)設(shè)備控制柜都是獨(dú)立的。機(jī)器人控制柜在PLC電器柜中，機(jī)床控制器實(shí)現(xiàn)PLC數(shù)字量信號(hào)的提供，信號(hào)利用接線板對PLC傳輸。送料機(jī)具備單獨(dú)控制柜。為了降低干擾，不同設(shè)備和PLC信號(hào)傳輸通過繼電器進(jìn)行隔離。本系統(tǒng)運(yùn)用工業(yè)機(jī)器人、PLC、送料機(jī)和數(shù)控磨床，通過對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了上下料的自動(dòng)化，系統(tǒng)工作正常。降低了人力成本，提高工程質(zhì)量及效率，從而有效提高工程成本[3]。

圖4 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)關(guān)系

3 總結(jié)

本文對汽車齒輪軸磨削工藝的流程和其對于自動(dòng)化的控制需求進(jìn)行了全面的分析，從而完成了汽車齒輪軸磨削工藝流程的機(jī)器人自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括料盒的自動(dòng)傳輸、鎖緊和定位，改進(jìn)了傳統(tǒng)磨床加工齒輪軸裝夾方式，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)上下料需求的有效滿足，還能夠使其自動(dòng)對齒。并且創(chuàng)建PLC為基礎(chǔ)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，使用VAL語言實(shí)現(xiàn)機(jī)器人程序的編寫，系統(tǒng)能夠有效滿足工業(yè)需求。

參考文獻(xiàn)

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