在傳統(tǒng)的齒輪軸磨削加工中，會使用多臺數(shù)控機床完成整套工序，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)機器人的汽車齒輪軸加工中，很多程序改由工業(yè)機器人操作，這不僅極大地提升了整個加工的自動化水平，還能使齒輪軸加工的效率得到大幅加強。在引入工業(yè)機器人后，由于工業(yè)機器人本身非常穩(wěn)定，其穩(wěn)定性能使得加工的質(zhì)量更為精良，也能夠通過高度的自動化水平減少中間環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的損失，能夠保證產(chǎn)品加工按時完成，提高效率和質(zhì)量，達到生產(chǎn)計劃的要求。
一、自動化的上下料系統(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)控機床完成，而在數(shù)控磨床加工工序過程中，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。一般來說，對于每個工人來說，他們需要在操作過程中同時完成幾臺機床的操作管理，而且工作時間長，這使得工人在復雜環(huán)境、壓力大的情況下操作機床進行生產(chǎn)會有一些隨意性并由此產(chǎn)生隱患，比如在齒輪件搬運過程中可能會發(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。伴隨社會的高速發(fā)展，企業(yè)用工難的問題逐步突出。對于工作強度大、回報率一般的齒輪軸加工企業(yè)來說，其在招工方面越來越困難，成本不斷增加。在外，企業(yè)外部存在競爭加劇等現(xiàn)象;在內(nèi)，企業(yè)內(nèi)部存在生產(chǎn)效率低、成本持續(xù)上升等問題。這些都使得企業(yè)在市場中越來越難以存活，因此為了企業(yè)能夠在市場中存活并發(fā)展壯大下來，通過實現(xiàn)磨削自動化以提高競爭力已變得迫切。
相對于人工而言，工業(yè)機器人優(yōu)點眾多，不僅操作精確穩(wěn)定，而且每次動作誤差均極小。工業(yè)機器人的這些優(yōu)勢能在生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品的同時還可以持續(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，機器人還能夠24h不間斷地工作，在相同時間內(nèi)生產(chǎn)出更多的產(chǎn)品，特別在加工多樣性產(chǎn)品時，工業(yè)機器人的可編程特性更是能很好地發(fā)揮其優(yōu)勢。為此，基于上述分析，提出了由機器人配合多臺數(shù)控機床來自動上下料的方案。
二、系統(tǒng)總體構(gòu)想
上下料系統(tǒng)需要借助工業(yè)機器人實現(xiàn)自動化，一般是在周邊設備配置好的情況下配置工業(yè)機器人進行輔助，高效完成固定的搬運、上下料等操作。此齒輪磨削系統(tǒng)自動化程度高，組成包括數(shù)控磨床、工業(yè)機器人、料機、可編程控制器和其他設備。其中，可編程控制器是整個系統(tǒng)的核心部分，其在整個系統(tǒng)中起到信號傳遞、設備連接、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等操作在三個設備的協(xié)同下實現(xiàn)?？傮w上看，該系統(tǒng)具備下列優(yōu)勢：
(1)全面梳理了汽車齒輪軸磨削中的加工流程，提高了自動化控制水平，更具針對性和效率性;
(2)該系統(tǒng)集成了送料各個功能，實現(xiàn)了自動化運輸、鎖緊和轉(zhuǎn)移;
(3)設計了機器人末端手爪，能24小時不間斷工作，可靠性高;
(4)改進了磨床，特別是對齒輪的抓緊方法進行了優(yōu)化，實現(xiàn)了自動化抓齒輪;
(5)采用 VAL3編程控制，易用且擴展性強，基于此的自動化控制系統(tǒng)全程管理科學合理，能實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測、預測和控制。
總的來看，這種系統(tǒng)協(xié)同性強，能將各種功能集成控制的系統(tǒng)具備巨大優(yōu)勢，其市場針對性強，能提高齒輪軸加工的進度和精度，助推企業(yè)向前發(fā)展。
工業(yè)機器人的設計
目前，隨著高精尖技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機器人發(fā)展成熟，各種機器人公司陸續(xù)出現(xiàn)，這些工業(yè)機器人公司以 ABB、FANUC等為代表。各家機器人公司生產(chǎn)的機器人針對的對象不同，這使得他們的型號不同，同時所具備的功能特點、使用方式和編程方式等也不同。所以，工業(yè)機器人的設計需要根據(jù)需要進行，在實現(xiàn)系統(tǒng)整體要求的條件下，同時參考現(xiàn)有成熟的機器人，可以在此基礎上完成相應的設計，實現(xiàn)技術(shù)的繼承和成本的節(jié)約。
在工業(yè)機器人的選型中，被選中的機器人需要柔性好，能夠多自由度運動，能在復雜條件下完成各種運動，而且機器人自身的抓取質(zhì)量須小于7kg，運動行程大于 950mm。為了達到這種要求，本方案選擇的工業(yè)機器人為比爾 TX90，其各項參數(shù)能滿足要求，該機器人一旦配置到系統(tǒng)，生產(chǎn)效率可提高。在實現(xiàn)功能要求的同時，該工業(yè)機器人還具有容易交互的人機界面，能夠使工作人員較快掌握編程控制。
比爾 TX90的編程語言是 VAL3。VAL3語言的編程方式與傳統(tǒng)C語言類似，都是基于模塊化方式，各種程序都可以通過 VAL3實現(xiàn)。工業(yè)機器人的各項參數(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)機器人、磨床、料機等。該系統(tǒng)的空間布局為磨床 A、料臺和磨床 B配置在一起，磨床 A 和磨床 B正對分布。在這種布局中實現(xiàn)三個工位磨削作業(yè)，工業(yè)機器人在中間位置，能夠很好地完成上下料作業(yè)。同時，加裝了專用的料機，以便及時轉(zhuǎn)移剩下的料、成品。工業(yè)機器人具備手動拆卸功能，能通過末端的手爪實現(xiàn)工件的抓取。
電氣控制系統(tǒng)
從系統(tǒng)空間配置來看，系統(tǒng)一共包括磨床 A、料機、磨床 B和機器人等設備，整個系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)和設備間的配合由控制系統(tǒng)串聯(lián)完成，在作業(yè)過程中，控制系統(tǒng)基于設備狀態(tài)進行后續(xù)動作安排，包括啟動、復位、停機、內(nèi)部調(diào)整等。在整個系統(tǒng)中，可編程控制器作為系統(tǒng)的大腦，能夠接受各設備發(fā)來的信息并及時處理，啟動機床執(zhí)行加工程序，控制系統(tǒng)完成生產(chǎn)任務。為了實現(xiàn)上述功能，可編程控制器配置有觸摸屏以供人機交互，操作人員可以很好地通過觸摸屏分析系統(tǒng)狀態(tài)，并基于具體狀態(tài)實現(xiàn)系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
系統(tǒng)工作流程
系統(tǒng)的工作流程較為復雜：在料盒中放置齒輪軸胚料，將胚料抓取到料機上，再將材料轉(zhuǎn)運到加工位置。料盒對位置進行定位后，工業(yè)機器人開始準確取料。此時，待加工的胚料還沒有到達磨床上，這時工業(yè)機器人會先在磨床 A 上放置一個齒輪軸以完成加工，完成這些后再取另一份料。詳細工作流程如圖2所示。
末端執(zhí)行器選擇與機械手爪設計
(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行設計?？偟膩碚f，工業(yè)機器人末端執(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。夾鉗式取料手相當于人類的手，其應用最為廣泛。它的組成也類似人類的手，一般由手指、傳動結(jié)構(gòu)、驅(qū)動手臂和其他元件組成，物料的抓取基于手臂的開閉操作完成。二指和三指抓手是常見的類型，其抓取方式分為張角和平動。由于汽車齒輪軸屬于軸類，其被抓取的實現(xiàn)通過二指和三指抓手即可完成。
(2)設計機械手爪時，將兩個兩指平動機械手設計在手爪基座上，手爪基于基座、平動機械手連接完成。平動機械手通常有兩個功能，一是抓取裝夾工件，二是卸下已加工工件，使得機器人操作的時候上料、下料一起完成。機器人手爪具備緊抓和松開兩個狀態(tài)，能夠在這兩個狀態(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現(xiàn)驅(qū)動。氣缸來回運動，當氣缸到達下部時，手指部分活動，其使用抓緊功能;當氣缸處于上部時，使用松開功能，將工件松開放下。操作磁性開關(guān)， 即將其插入氣缸的外殼，通過該裝置及時反饋手爪的活動狀態(tài)，即抓緊或松開狀態(tài)。
三、結(jié)語
企業(yè)使用實踐表明，該自動化上下料設計滿足實際需求，同時具備較高的可靠性，設備生產(chǎn)率和設備利用率得到極大提高，大大降低了生產(chǎn)壓力。同時，工件在轉(zhuǎn)運過程中能夠減少磕碰，在提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時，穩(wěn)定持續(xù)地大量加工齒輪軸，使得企業(yè)在市場上越來越有優(yōu)勢。
參考文獻略.