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      基于六軸機器人的柔性齒輪倒角系統(tǒng)的研制

      2021-07-28 05:44:08閆建偉史紀錄李俊源
      機械管理開發(fā) 2021年6期
      關(guān)鍵詞:專機倒角齒輪

      閆建偉,侯 猛,史紀錄,孫 星,李俊源

      (寧夏天地奔牛實業(yè)集團有限公司,寧夏 石嘴山 750001)

      引言

      我國是齒輪產(chǎn)銷大國,根據(jù)相關(guān)報道,齒輪制造企業(yè)約有5 000家,規(guī)模以上企業(yè)1 000多家,骨干企業(yè)300多家[1]。大型減速機齒輪箱的齒輪形式主要有齒輪軸、齒輪盤、圓錐齒輪軸、圓錐齒輪盤、內(nèi)齒圈,其齒輪的齒廓線、齒頂線倒角依舊主要依靠人工完成。人工倒角存在勞動強度大、安全性低、防護性差、產(chǎn)品一致性較差等問題,難以保證倒角質(zhì)量,尤其是較大的內(nèi)齒圈輪廓打磨耗時長,嚴重制約著產(chǎn)能。

      當前,各種類型的齒輪,尤其是大型齒輪在礦山開采、船舶制造等行業(yè)的應用已經(jīng)十分廣泛,發(fā)展迅速。在向著大型化發(fā)展的同時,齒輪產(chǎn)品也在逐漸向小批量定制化、多樣化的方向發(fā)展,以適應通用大型工程機械裝備需求,齒輪型號也越來越多樣化。人工打磨齒輪倒角制約產(chǎn)能的問題變得更加突出,因此需要研究現(xiàn)有齒輪倒角技術(shù),升級齒輪倒角工藝,提高自動化水平,有效解決齒輪倒角技術(shù)瓶頸,保證產(chǎn)品性能,促進行業(yè)發(fā)展。

      1 齒輪倒角加工現(xiàn)狀

      齒輪倒角(見圖1)指的是對齒輪的齒頂線、齒廓線進行倒角的加工工序,是齒輪加工過程的必要工序。倒角可改善齒輪嚙合質(zhì)量、降低傳動噪聲,減小轉(zhuǎn)運過程劃傷工人的可能性,并且可以有效消除工件在熱處理時可能產(chǎn)生的裂紋,減小變形,對延長產(chǎn)品使用壽命起到積極作用。因此國內(nèi)齒輪行業(yè)都將齒輪倒角加工作為一項必不可少的工序[2]。根據(jù)調(diào)研,絕大部分企業(yè)采用人工方式加工大型齒輪的齒輪齒廓和齒頂?shù)菇?,對于高精度齒輪采用齒輪倒角專機進行倒角加工,已有部分企業(yè)開始探索使用關(guān)節(jié)機器人進行齒輪倒角加工,其加工現(xiàn)場如圖2所示。

      圖1 齒輪倒角位置示意圖

      圖2 數(shù)控齒輪倒角機及人工倒角現(xiàn)場

      我國多數(shù)大型齒輪工廠仍采用人工倒角方式,主要依靠工人使用銼刀、角磨機、氣刨等工具進行手工磨削。該工藝技術(shù)落后、勞動強度大、產(chǎn)量低、質(zhì)量差,難以保證加工精度且加工效率十分低下[3],嚴重影響裝配性能。

      對于采用數(shù)控機床進行倒角加工的齒輪倒角專機,發(fā)達國家已經(jīng)將齒輪倒角工序同其他的齒輪加工工序組合在一起,形成一體加工機床,實現(xiàn)多工位、多工序的工藝要求。目前,國內(nèi)倒角加工專機的制造缺乏核心技術(shù),基本依靠國外圖紙或?qū)猱a(chǎn)品進行測繪而后仿制。

      齒輪倒角專機工藝顯著優(yōu)于人工方式,但受限于機床的尺寸及數(shù)控機床的有效行程,一般用于中小型齒輪零件的倒角加工。同時,為了避免頻繁更換機床控制程序,提高加工效率,該工藝主要適用于單一品種大批量齒輪零件倒角,如軸類零件、盤類零件等。

      2 齒輪倒角機器人方案

      目前技術(shù)條件下的齒輪倒角機床,只能適應單一型號或是同類型的齒輪,無法涵蓋不同類型的齒輪。據(jù)調(diào)研,高精度的齒輪倒角專機單臺采購成本高昂,對多數(shù)企業(yè)壓力較大。若要數(shù)控機床兼容多種型號的齒輪倒角,需要對機床進行定制開發(fā),機床的復雜程度和采購成本必然大幅提升。

      由此可見,采用基于關(guān)節(jié)機器人的齒輪倒角機器人(見圖3),可使設備具有更好的靈活性、兼容不同型號的齒輪、綜合適用成本降低,可滿足市場需求,具有較為廣闊的市場前景。

      圖3 齒輪倒角機器人示意圖

      本課題開發(fā)的大型齒輪倒角機器人系統(tǒng),主體部分由關(guān)節(jié)機器人、變位機、對齒機構(gòu)、打磨動力頭、旋轉(zhuǎn)銼刀或銑刀等部分構(gòu)成,具有以下特點:

      1)該系統(tǒng)可以有效發(fā)揮關(guān)節(jié)機器人敏捷、靈活、大臂展的優(yōu)勢,并可采用人工示教或離線的工作方式,編程工作量小、效率高,相比傳統(tǒng)的基于機床的齒輪倒角專機,對齒輪類型具有更好的兼容性[4],可實現(xiàn)齒輪倒角的柔性化生產(chǎn)。

      2)采用浮動軸,可以降低設備的精度要求,提高了設備的兼容性和適應性,克服了因關(guān)節(jié)機器人結(jié)構(gòu)剛性低導致精度不足的問題。

      3)依靠變位機上的自定心三爪卡盤實現(xiàn)待加工齒輪的自動裝夾定位,簡化了齒輪定位校準工作,可避免因誤操作引發(fā)的齒輪安全事故。

      4)采用定制的卡爪,可以兼容不同類型和型號的齒輪。

      5)變位機在固定齒輪的同時,通過旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)齒輪分齒的功能。

      6)采用高精度定位傳感器,可以準確定位齒形,保證加工的準確性。

      使用關(guān)節(jié)機器人進行齒輪齒廓、齒頂線的倒角,在節(jié)省人力成本的同時提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量,相比其他齒輪倒角工藝具有顯著優(yōu)勢。另外,基于關(guān)節(jié)機器人的結(jié)構(gòu)特點,此方案在較好地滿足各種類型的齒輪倒角、去毛刺需求的同時,可以根據(jù)客戶的實際需求,經(jīng)過簡單的編程和調(diào)整,適應不同的工作場景,具有很強的靈活性。

      3 使用效果評價

      齒輪倒角機器人的應用,實現(xiàn)了多品種、小批量的大型工程機械齒輪的自動倒角加工,使用效果良好,但也存在缺陷或不足。

      3.1 優(yōu)點

      1)減輕了操作者勞動強度。倒角機器人取代了采用角磨機等手動工具的人工倒角方式,可大幅減輕操作者的勞動強度。

      2)提高生產(chǎn)安全性。齒輪倒角機器人的應用,降低了操作者與加工設備和工件的直接接觸,可有效減少安全事故,提高生產(chǎn)安全性。

      3)提高產(chǎn)品加工質(zhì)量。人工倒角加工精度很大程度上依賴操作工人的經(jīng)驗,其倒角的一致性無法得到有效的控制。倒角機器人自動化加工模式、加工過程實現(xiàn)了標準化,產(chǎn)品的一致性和倒角的加工精度可得到較好的保證,產(chǎn)品質(zhì)量得以提升。

      4)提高了齒輪軸加工的自動化程度。

      3.2 缺陷或不足

      1)三爪卡盤的兼容有限,不能實現(xiàn)對所有類型齒輪的定位,仍然需要改進或開發(fā)新型三爪長盤。

      2)關(guān)節(jié)機器人的結(jié)構(gòu)特點決定了其剛度相對于數(shù)控機床低[5],該方案現(xiàn)階段選擇將其用于齒輪直線段的倒角,取得了較為理想的效果,但對于齒輪的曲面加工效果,仍需要進一步驗證。

      4 結(jié)語

      隨著中國智能制造以及2025戰(zhàn)略的實施,國內(nèi)勞動力成本的大幅提升,以及改善工人工作強度的迫切要求,勞動強度大而且占用人力多的齒輪倒角加工工藝亟待變革。同時,齒輪行業(yè)傳統(tǒng)的批量生產(chǎn)模式正逐漸向小批量、多類型的方向發(fā)展,基于關(guān)節(jié)機器人的倒角機器人能夠應對大型、多品種、小批量的齒輪倒角,解決現(xiàn)有工藝存在的安全性差、勞動強度大、加工精度差、工件適應能力差的問題,是齒輪加工行業(yè)的發(fā)展趨勢和客觀需求。未來齒輪加工將是機器適應工件的時代,是從現(xiàn)有的人工打磨、數(shù)控專機等模式向柔性化、智能化方向發(fā)展的時代。

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