基于工業(yè)機(jī)器人的汽車(chē)齒輪軸磨削自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡孔元，朱華炳，張希杰，曹 斌

(合肥工業(yè)大學(xué)a.工業(yè)培訓(xùn)中心;b.機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，合肥 230009)

0 引言

通常在汽車(chē)齒輪軸磨削加工中，搬運(yùn)、磨床的操作、上下料和對(duì)齒均由人工來(lái)完成。勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境惡劣、工作效率低，工人流失率高、生產(chǎn)管理復(fù)雜，產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量得不到保證。目前，部分國(guó)內(nèi)外新磨床配備了簡(jiǎn)單直線機(jī)構(gòu)，可完成上下料工作，其對(duì)齒由伺服主軸完成。成本高，柔性差，加工過(guò)程中仍需要人工干預(yù)［1-2］。本文研究的目的在于如何構(gòu)建一套汽車(chē)齒輪軸磨削自動(dòng)化系統(tǒng)，以滿足企業(yè)需求。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

當(dāng)前汽車(chē)齒輪軸磨削，主要是用兩臺(tái)數(shù)控磨床對(duì)齒輪軸上1、2、3 位置的外圓面進(jìn)行磨削加工。汽車(chē)齒輪軸如圖1 所示。首先在MKS1620 ×500 型數(shù)控磨床(磨床一)上磨削齒輪軸的2、3 位置外圓面，然后統(tǒng)一運(yùn)送到MK1612 ×350 型數(shù)控磨床(磨床二)上磨削1位置外圓面。

圖1 汽車(chē)齒輪軸

根據(jù)汽車(chē)齒輪軸磨削自動(dòng)化生產(chǎn)要求，選擇史陶比爾TX90 型工業(yè)機(jī)器人，設(shè)計(jì)基于工業(yè)機(jī)器人的汽車(chē)齒輪軸磨削自動(dòng)化系統(tǒng)［3-4］。兩臺(tái)數(shù)控磨床面對(duì)面擺放;機(jī)器人放置在兩磨床之間，負(fù)責(zé)上下料。另外，設(shè)計(jì)送料機(jī)負(fù)責(zé)汽車(chē)齒輪軸的運(yùn)送。汽車(chē)齒輪軸磨削自動(dòng)化系統(tǒng)平面布置圖如圖2 所示。

控制系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-1200 PLC (CPU 1214C DC/DC/DC)為主控制器。機(jī)器人CS8C 控制器和西門(mén)子HMI 觸摸屏(KTP1000 Basic color PN)上均有PROFINET接口，通過(guò)網(wǎng)線和以太網(wǎng)交換機(jī)與PLC 連接［5］。PLC 通過(guò)Modbus/TCP 協(xié)議與機(jī)器人通信，通過(guò)I/O 端口與磨床進(jìn)行通信［6］。

圖2 汽車(chē)齒輪軸磨削自動(dòng)化系統(tǒng)平面布置圖

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣設(shè)計(jì)

2.1 送料機(jī)設(shè)計(jì)

送料機(jī)需具備的功能:①料盒的自動(dòng)輸送;②料盒的位置檢測(cè)、精確定位和鎖緊;③人工側(cè)的急停和換料。

2.1.1 送料機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

送料機(jī)主要由人工側(cè)升降機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)和機(jī)器人側(cè)升降機(jī)構(gòu)三部分構(gòu)成［7］。兩升降機(jī)構(gòu)上設(shè)有輸送鏈，其升降由氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。輸送機(jī)構(gòu)分成上下兩層，采用輸送鏈的方式。輸送機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)的輸送鏈均由可調(diào)速直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。所設(shè)計(jì)的送料機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。齒輪軸豎直放置在料盒內(nèi)，并在料盒內(nèi)位置相對(duì)固定，每個(gè)料盒內(nèi)有50 個(gè)齒輪軸。料盒放在工裝板上，工裝板底部裝有一塊矩形鐵塊。

圖3 送料機(jī)結(jié)構(gòu)圖

送料機(jī)的運(yùn)動(dòng)分為手動(dòng)放料和自動(dòng)送料兩部分。手動(dòng)放料大致過(guò)程:人工把人工側(cè)升降機(jī)構(gòu)上已加工齒輪軸料盒卸下，并將待加工齒輪軸料盒放上，按下放料按鈕，料盒隨升降機(jī)構(gòu)上升，再通過(guò)人工側(cè)升降機(jī)構(gòu)輸送鏈和上層輸送鏈運(yùn)至加工或待加工位置。自動(dòng)送料大致過(guò)程:料盒由上層輸送鏈和機(jī)器人側(cè)升降機(jī)構(gòu)輸送鏈運(yùn)至機(jī)器人側(cè)升降機(jī)構(gòu)上，然后升降機(jī)構(gòu)下降，再由機(jī)器人側(cè)升降機(jī)構(gòu)輸送鏈、下層輸送鏈和人工側(cè)升降機(jī)構(gòu)輸送鏈運(yùn)至人工側(cè)的升降機(jī)構(gòu)上;同時(shí)上層輸送鏈把處于待加工位置的料盒運(yùn)至加工位置。料盒的精確定位和鎖緊:通過(guò)接近開(kāi)關(guān)(LJ12A3-2-Z/BY)檢測(cè)工裝板位置，阻擋氣缸(TWQ-S-20×20-B)擋住鐵塊，氣動(dòng)定位手爪夾緊鐵塊實(shí)現(xiàn)。定位手爪采用楔式結(jié)構(gòu)的二指平動(dòng)抓手。

2.1.2 升降氣缸選型

料盒(含料盤(pán)和50 個(gè)齒輪軸)的重量大約為30kg，加上附屬結(jié)構(gòu)以及摩擦損耗等，氣缸的實(shí)際負(fù)載F大約為40kg。氣缸升降的速度為100～500mm/s，選擇氣缸的負(fù)載率β=40%［8］。而

式(1)中氣缸的理論輸出力F0為

式中D——缸徑，m;

d——活塞桿的工作直徑，m，d=0.3D;

p——?dú)飧椎墓ぷ鲏毫Γ琍a，p=0.6MPa。

由式(1)～(2)計(jì)算得缸徑D=47.8mm。根據(jù)通用氣缸的標(biāo)準(zhǔn)，選擇SC-50 ×350-S-FA 型氣缸。

2.1.3 電機(jī)功率計(jì)算

輸送機(jī)構(gòu)輸送鏈電機(jī)經(jīng)過(guò)蝸輪蝸桿減速器減速，升降機(jī)構(gòu)輸送鏈電機(jī)經(jīng)過(guò)帶輪減速。輸送機(jī)構(gòu)輸送鏈上最多同時(shí)放置7 個(gè)料盒，而升降機(jī)構(gòu)輸送鏈上最多有1 個(gè)料盒。每個(gè)料盒的質(zhì)量m=30kg。輸送鏈的速度v=0.6m/s。輸送鏈滾子與軌道的滾動(dòng)摩擦系數(shù)μ=0.05，鏈輸送效率η1=0.95，渦輪蝸桿傳動(dòng)效率η2=0.7，帶傳動(dòng)效率η3=0.9，安全系數(shù)S=1.2。由式(3)和(4)分別計(jì)算出輸送機(jī)構(gòu)輸送鏈電機(jī)所需功率P1=111. 4W，升降機(jī)構(gòu)輸送鏈電機(jī)所需功率P2=12.4W?？蛇x擇輸送機(jī)構(gòu)輸送鏈電機(jī)功率為120W，升降機(jī)構(gòu)輸送鏈的功率為15W。

2.2 磨床加工齒輪軸裝夾方法改進(jìn)設(shè)計(jì)

兩磨床均采用雙頂尖裝夾，在撥盤(pán)上裝有撥爪，磨削時(shí)通過(guò)撥爪卡住齒輪軸使齒輪軸與撥盤(pán)一起轉(zhuǎn)動(dòng)。系統(tǒng)改造前，需人工將齒輪軸的斜齒與撥爪的齒相嚙合。

由于撥爪隨撥盤(pán)運(yùn)動(dòng)，改造成用機(jī)器人自動(dòng)上下料時(shí)，會(huì)影響自動(dòng)裝卸。所以，在機(jī)床上安裝一個(gè)接近開(kāi)關(guān)，在撥盤(pán)上安裝一個(gè)感應(yīng)物，當(dāng)感應(yīng)物轉(zhuǎn)動(dòng)到接近開(kāi)關(guān)位置時(shí)，控制機(jī)床主軸減速停止，使撥爪停在最下面。另外，把撥爪改造成活動(dòng)的，撥爪可以垂直于撥盤(pán)面轉(zhuǎn)動(dòng)，由彈簧拉緊靠在撥盤(pán)面上。齒輪軸由機(jī)器人裝到磨床上，可以依靠砂輪的摩擦力使撥爪與齒輪軸的斜齒相嚙合。改造后齒輪軸裝夾圖如圖4 所示。

圖4 改造后齒輪軸裝夾圖

2.3 機(jī)器人末端執(zhí)行器和轉(zhuǎn)料臺(tái)設(shè)計(jì)

齒輪軸屬于軸類零件，二指或三指手抓可實(shí)現(xiàn)抓取。所設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器包括手爪基座、兩副兩指平動(dòng)手爪(手爪一、手爪二)和一副三指定心手爪(手爪三)。手爪一和手爪二使機(jī)器人的單次動(dòng)作完成上料和下料兩道工序。由于齒輪軸豎直放置在料盒中，如果直接夾取齒輪軸的上端，上下料時(shí)會(huì)阻礙機(jī)床頂尖的動(dòng)作。因此在送料機(jī)側(cè)面設(shè)置一轉(zhuǎn)料臺(tái)，由手爪三完成齒輪軸從料盒到轉(zhuǎn)料臺(tái)的轉(zhuǎn)移。轉(zhuǎn)料臺(tái)如圖5 所示。

圖5 轉(zhuǎn)料臺(tái)

針對(duì)齒輪軸的重量為0.35kg，手爪一和手爪二抓取齒輪軸中部的圓柱面，直徑為20mm，手爪三抓取上端軸面，直徑為12mm。手爪一和手爪二選擇SCHUNK DPG-plus 64-1 型，手爪三選擇SCHUNK MPZ 38 型。在三副手爪上分別配有特殊的手指，機(jī)器人末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖如圖6 所示。

圖6 機(jī)器人末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖

夾持力F校核:

以手爪三為例，其單個(gè)手指裝配圖如圖7 所示。MPZ 氣缸外徑夾持力與夾持點(diǎn)距離L=27mm，外伸量H=7mm。

圖7 手爪三單個(gè)手指裝配圖

根據(jù)3 個(gè)手指的夾持力產(chǎn)生的摩擦力3μF必須大于齒輪軸的重力mg，再考慮到搬送時(shí)的加速度及沖擊力等，設(shè)定一個(gè)安全系數(shù)α，故應(yīng)滿足:

式中μ——摩擦系數(shù)，μ=0.1～0.2;

α——安全系數(shù)，α=4。

1.3.5 殼聚糖微球結(jié)構(gòu)表征 殼聚糖微球冷凍干燥后，噴金，然后用Hitachi S-4500型掃描電鏡(JAPAN)觀察殼聚糖微球的表面結(jié)構(gòu).

經(jīng)計(jì)算，夾持力F≥48N。由MPZ 38 氣缸在p=0.6MPa，L=27mm 時(shí)的夾持力為75N，故選用MPZ 38合適。

2.4 氣壓傳動(dòng)設(shè)計(jì)

氣源是通過(guò)壓縮機(jī)壓縮空氣提供。系統(tǒng)共有8 個(gè)氣缸:2 個(gè)升降氣缸，2 個(gè)阻擋氣缸，1 個(gè)定位氣缸，2 個(gè)兩指平動(dòng)氣缸和1 個(gè)三指定心氣缸。其中，3 個(gè)手指氣缸由三位五通電磁閥控制，其它的由兩位五通電磁閥控制［9］。每個(gè)氣缸上裝有兩個(gè)磁性開(kāi)關(guān)，對(duì)氣缸的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)［10］。

3 自動(dòng)控制設(shè)計(jì)

3.1 送料機(jī)控制設(shè)計(jì)

PLC 控制送料機(jī)的輸入/輸出信號(hào)如表1 所示。PLC 基本單元的I/O 端口數(shù)量有限，通過(guò)外接數(shù)字量擴(kuò)展模塊滿足信號(hào)連接要求。輸出信號(hào)通過(guò)繼電器或電磁閥實(shí)現(xiàn)目標(biāo)器件控制。根據(jù)送料機(jī)的工作流程及I/O 端口分配編寫(xiě)其梯形圖程序［11-12］。

表1 PLC 控制送料機(jī)的輸入/輸出信號(hào)

3.2 PLC 與機(jī)器人通信設(shè)計(jì)

利用西門(mén)子TIA 博途V11 平臺(tái)中內(nèi)嵌的S7-1200Modbus/TCP 庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信［13］。通信中，把PLC 配置成Modbus 客戶機(jī)，機(jī)器人為Modbus服務(wù)器。客戶機(jī)發(fā)送讀寫(xiě)請(qǐng)求，而服務(wù)器只負(fù)責(zé)響應(yīng)客戶端的請(qǐng)求。建立兩個(gè)獨(dú)立的連接，調(diào)用兩個(gè)“MB_CLIENT”功能塊，分別實(shí)現(xiàn)讀、寫(xiě)功能。

PLC 和機(jī)器人讀寫(xiě)寄存器地址與Modbus 地址相對(duì)應(yīng)。通信數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位在寄存器中存儲(chǔ)，以字為單位傳輸，以位為單位尋址。機(jī)器人讀取和寫(xiě)入PLC 的信號(hào)如表2 所示。

表2 機(jī)器人讀取和寫(xiě)入PLC 的信號(hào)

3.3 PLC 與磨床通信設(shè)計(jì)

機(jī)器人與磨床之間不能直接通信，需要通過(guò)PLC來(lái)協(xié)調(diào)控制兩者的運(yùn)動(dòng)，PLC 接收到磨床的信號(hào)以后，控制機(jī)器人動(dòng)作，反之亦然。PLC 與磨床之間通信信號(hào)的點(diǎn)位較少，直接通過(guò)I/O 端口進(jìn)行通信。PLC 與磨床通信信號(hào)如表3 所示。

表3 PLC 與磨床通信信號(hào)

3.4 機(jī)器人程序設(shè)計(jì)

通過(guò)機(jī)器人的3 個(gè)手爪實(shí)現(xiàn)齒輪軸在料盒、轉(zhuǎn)料臺(tái)、磨床之間的轉(zhuǎn)運(yùn)。每個(gè)料盒中裝有50 個(gè)齒輪軸，根據(jù)開(kāi)始2 個(gè)位置軸、中間位置軸和最后2 個(gè)位置軸機(jī)器人動(dòng)作的不同，整個(gè)循環(huán)程序分為三個(gè)部分。

使用VAL3 語(yǔ)言編寫(xiě)機(jī)器人程序。程序中通過(guò)call()指令調(diào)用子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的各種動(dòng)作，通過(guò)兩層for 循環(huán)實(shí)現(xiàn)程序的循環(huán)執(zhí)行，運(yùn)用compose()、appro()指令實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)點(diǎn)的偏置和料盒中齒輪軸50 個(gè)不同位置的偏移。

3.5 組態(tài)和系統(tǒng)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

利用TIA 博途V11 軟件完成PLC 與觸摸屏連網(wǎng)的組態(tài)和系統(tǒng)監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的監(jiān)控界面分為三部分:啟動(dòng)條件、信號(hào)查詢和點(diǎn)動(dòng)調(diào)試。在啟動(dòng)條件全部滿足后，系統(tǒng)才能正常啟動(dòng)。點(diǎn)動(dòng)調(diào)試可以強(qiáng)制磨床輸至PLC 的信號(hào)狀態(tài)和顯示報(bào)警信息，以進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。信號(hào)查詢用來(lái)監(jiān)控機(jī)器人和磨床的運(yùn)行狀態(tài)，可以方便的進(jìn)行系統(tǒng)的故障診斷和調(diào)試，信號(hào)查詢分為三個(gè)部分:硬件信號(hào)、機(jī)器人接收信號(hào)、機(jī)器人反饋信號(hào)。系統(tǒng)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)內(nèi)容如表4 所示。

表4 系統(tǒng)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)內(nèi)容

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)根據(jù)汽車(chē)齒輪軸磨削的工藝流程及自動(dòng)化控制要求，提出了基于工業(yè)機(jī)器人的汽車(chē)齒輪軸磨削自動(dòng)化系統(tǒng)方案。

(2)設(shè)計(jì)了送料機(jī)，實(shí)現(xiàn)了料盒的自動(dòng)運(yùn)輸、定位和鎖緊。

(3)設(shè)計(jì)了3 手爪組合式機(jī)器人末端執(zhí)行器和轉(zhuǎn)料臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人單次動(dòng)作完成數(shù)控磨床的下料和上料。

(4)對(duì)磨床加工齒輪軸的裝夾方法進(jìn)行了改進(jìn)，滿足了機(jī)器人自動(dòng)上下料要求，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)對(duì)齒。

(5)構(gòu)建了以S7-1200 PLC 為主控制器的汽車(chē)齒輪軸磨削自動(dòng)化控制系統(tǒng)。采用Modbus/TCP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)了PLC 與機(jī)器人的通信，通過(guò)I/O 端口實(shí)現(xiàn)了PLC與磨床的通信。使用VAL3 語(yǔ)言編寫(xiě)了機(jī)器人程序，利用TIA 博途V11 軟件設(shè)計(jì)了PLC 與觸摸屏的組態(tài)和系統(tǒng)監(jiān)控界面。

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