同步器齒套梅角棱邊倒鈍的機(jī)器人輔助旋流式滾磨光整加工裝備研發(fā)

段東明，王良晨，高云松，楊勝?gòu)?qiáng)

（1.太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，太原 030024；2.廊坊市北方天宇機(jī)電技術(shù)有限公司，廊坊 065000）

0 引言

同步器齒套是變速箱中復(fù)雜而關(guān)鍵的零件之一，我國(guó)從上世紀(jì)60年代開(kāi)始使用帶有同步器的變速箱，80年代中期開(kāi)始從國(guó)外相繼引進(jìn)各種帶同步器的變速器，目前已廣泛采用同步器。近年來(lái)，隨著中國(guó)汽車產(chǎn)量越來(lái)越大，作為變速箱中重要零件的同步器齒套的需求量也越來(lái)越大。

同步器齒套有四個(gè)關(guān)鍵的部位：滑塊槽、倒錐、撥叉槽、梅角。在汽車換擋的時(shí)候，當(dāng)順利取得同步時(shí)，齒套的梅角面與結(jié)合齒的梅角面接觸，然后順利滑入，利用倒錐防止跳檔[1]。所以齒套上梅角和倒錐的任何一點(diǎn)形狀和結(jié)構(gòu)的改變，都會(huì)使換擋時(shí)的手感及換擋的穩(wěn)定性產(chǎn)生變化，可見(jiàn)齒套的生產(chǎn)工藝較復(fù)雜，并且對(duì)其質(zhì)量的要求也比較高[2]。

同步器的生產(chǎn)方式多是采用通用機(jī)床配專用夾具、組合機(jī)床配專用工裝及簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床而構(gòu)成的生產(chǎn)線進(jìn)行機(jī)械加工[3]，其中加工梅角工序使用專用的數(shù)控倒角機(jī)進(jìn)行，平面倒角用端面銑刀加工，曲面倒角用成形刀具加工，刀刃采用易于修磨的圓弧形[4]。機(jī)械加工后的梅角處會(huì)產(chǎn)生棱邊及毛刺[5]，經(jīng)過(guò)大量的裝機(jī)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)梅角處的棱邊及毛刺會(huì)影響變速器換擋時(shí)的手感及換擋的穩(wěn)定性。

為了提升變速器換擋時(shí)的手感及換擋的穩(wěn)定性，不同生產(chǎn)廠家都把目光聚焦在同步器齒套上，特別是齒套梅角棱邊倒鈍的工藝研究上。按某齒套加工企業(yè)加工要求，我們采用旋流式滾磨光整加工技術(shù)進(jìn)行了大量工藝實(shí)驗(yàn)，不但整體去除了加工后產(chǎn)生的毛刺，而且實(shí)現(xiàn)了梅角棱邊的均勻倒鈍。經(jīng)裝機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到提升變速器換擋時(shí)的手感及換擋的穩(wěn)定性要求。研發(fā)滿足批量化生產(chǎn)需求的基于旋流式滾磨光整加工設(shè)備的成套裝備顯得十分迫切。

1 總體方案設(shè)計(jì)

典型的旋流式滾磨光整加工設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由底座組件、立柱組件、升降組件、橫梁體、主軸箱、旋轉(zhuǎn)料箱、料箱驅(qū)動(dòng)組件等組成。底座組件起到支撐整個(gè)光整加工設(shè)備的作用；立柱組件位于底座組件上，用于連接升降組件、橫梁體組件；料箱驅(qū)動(dòng)組件是為旋轉(zhuǎn)料箱提供動(dòng)力源的裝置；旋轉(zhuǎn)料箱主要是用于盛放磨塊和磨液；橫梁體組件起到連接主軸箱組件及為主軸箱提供動(dòng)力源；主軸箱起到將同一動(dòng)力源分解到多根主軸的作用；升降組件是帶動(dòng)橫梁體組件及主軸箱在垂直方向上下運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)單元。

圖1 典型的旋流式滾磨光整加工設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

典型的旋流式滾磨光整加工設(shè)備是一種半自動(dòng)設(shè)備，需要人工輔助上下工件才能完成加工過(guò)程。這種設(shè)備生產(chǎn)效率較低、勞動(dòng)強(qiáng)度較大，不能滿足變速器齒套大批量生產(chǎn)加工的需求[6]。立足于研發(fā)一種效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、自動(dòng)化程度高且操作簡(jiǎn)單的裝備，擬采用已趨成熟的工業(yè)機(jī)器人替代人工上下工件，并配合自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行。按操作可行性擬定了三種基本方案：1）1臺(tái)機(jī)器人配1臺(tái)旋流式滾磨光整加工設(shè)備及1臺(tái)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)；2）1臺(tái)機(jī)器人配2臺(tái)旋流式滾磨光整加工設(shè)備及1臺(tái)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)；3）1臺(tái)機(jī)器人配3臺(tái)旋流式滾磨光整加工設(shè)備及1臺(tái)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)。綜合考慮裝備的整體使用效率、生產(chǎn)節(jié)拍及整套裝備成本投入等問(wèn)題，若采用第一種方案，一對(duì)一的操作方式會(huì)造成機(jī)器人空閑等待時(shí)間較多，資源浪費(fèi)較大；若采用第三種方案，一對(duì)三的操作方式會(huì)造成加工設(shè)備空閑等待時(shí)間較多，資源浪費(fèi)較大且成本投入較高；若采用第二種方案，機(jī)器人工作時(shí)間與加工設(shè)備工作時(shí)間基本匹配。因此，裝備總體方案確定為1臺(tái)機(jī)器人對(duì)應(yīng)2臺(tái)旋流式滾磨光整加工設(shè)備及1臺(tái)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的布局方式，如圖2所示。

圖2 新型旋流式滾磨光整加工裝備俯視布局圖

新型旋流式滾磨光整加工裝備與典型的旋流式滾磨光整加工設(shè)備進(jìn)行對(duì)比，考慮加工過(guò)程的整體有效性和可靠性，新型裝備研制必須充分考慮并解決：機(jī)器人選型、主軸自動(dòng)夾具結(jié)構(gòu)、工裝結(jié)構(gòu)與機(jī)器人卡爪對(duì)接、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)工作區(qū)域劃分、自動(dòng)控制系統(tǒng)控制流程等問(wèn)題。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

新型旋流式滾磨光整加工裝備關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)主要有：旋流式滾磨光整加工設(shè)備改進(jìn)設(shè)計(jì)、主軸自動(dòng)夾具設(shè)計(jì)、工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)設(shè)計(jì)、機(jī)器人選型與動(dòng)作設(shè)計(jì)、水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 旋流式滾磨光整加工設(shè)備改進(jìn)設(shè)計(jì)

為了使機(jī)器人能與旋流式滾磨光整加工設(shè)備集成到一起，并能充分發(fā)揮機(jī)器人的使用率，原有典型光整加工設(shè)備的定位精度無(wú)法與機(jī)器人兼容，需對(duì)其結(jié)構(gòu)及定位精度進(jìn)行優(yōu)化和提升。主要針對(duì)底座組件、立柱組件、橫梁體組件、主軸箱及升降組件進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，首先通過(guò)對(duì)底座組件和立柱組件在加工工藝上的優(yōu)化，保證設(shè)備框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，為后期定位精度的提升提供了保障；橫梁體組件中配有主軸驅(qū)動(dòng)，為了提高主軸傳動(dòng)精度，配備了高精度的伺服傳動(dòng)系統(tǒng)；主軸箱中齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的精度也會(huì)對(duì)主軸的定位精度有影響，在齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中減小齒隙是關(guān)乎主軸定位精度的關(guān)鍵；升降組件配有高精度絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)，可提高橫梁體組件和主軸箱重復(fù)定位精度。2臺(tái)主機(jī)屬于整套裝備中的2個(gè)子系統(tǒng)，分別配有從控系統(tǒng)，由主控系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。

2.2 主軸自動(dòng)夾具設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)旋流式滾磨光整加工設(shè)備與機(jī)器人的對(duì)接，設(shè)備主軸的裝夾方式必須能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。主軸自動(dòng)化裝夾目前常見(jiàn)的可行性方式主要有氣動(dòng)卡盤(pán)方式、彈簧夾頭方式和多連桿夾頭等。由于氣動(dòng)卡盤(pán)尺寸較大，對(duì)于多主軸的旋流式滾磨光整加工設(shè)備，占用其空間大，卡盤(pán)的旋轉(zhuǎn)供氣較為復(fù)雜，增加了設(shè)備成本投入，并且主軸間卡盤(pán)旋轉(zhuǎn)有干涉風(fēng)險(xiǎn)，影響設(shè)備可靠性，因此氣動(dòng)卡盤(pán)方式不適用于本設(shè)備。彈簧夾頭方式由于動(dòng)力執(zhí)行單元過(guò)大，不適合布置在旋流式滾磨光整加工設(shè)備中。根據(jù)同步器齒套的結(jié)構(gòu)狀態(tài)本裝備中卡具系統(tǒng)采用多連桿結(jié)構(gòu)構(gòu)成的卡爪較為適用，并配有氣缸與彈簧相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝卡動(dòng)作。該自動(dòng)卡具系統(tǒng)主要由卡頭、軸套、氣缸、拉桿及彈簧等組成?？^主要由四連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成，卡頭的夾緊動(dòng)作正是利用其死點(diǎn)特性實(shí)現(xiàn)夾緊功能；軸套起到固定卡頭的作用；氣缸是實(shí)現(xiàn)卡頭松開(kāi)動(dòng)作的唯一動(dòng)力源；拉桿起到連接氣缸及卡頭的作用；彈簧起到復(fù)位卡頭及夾緊動(dòng)作的唯一動(dòng)力源[7]，如圖3所示。

圖3 自動(dòng)夾具示意圖

2.3 工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

旋流式滾磨光整加工設(shè)備加工齒套類零件時(shí)，齒套外圈加工質(zhì)量較好，但對(duì)齒套內(nèi)圈的加工較差，這主要是由于現(xiàn)有齒套工裝裝置的設(shè)計(jì)不良，使介質(zhì)流對(duì)齒套內(nèi)圈的相互作用有限導(dǎo)致。因此為了能夠?qū)崿F(xiàn)齒套內(nèi)、外圈的一次性梅角棱邊倒鈍的需求，以及適應(yīng)新型旋流式滾磨光整加工裝備裝卡要求，需要設(shè)計(jì)一種適應(yīng)同步器齒套的專用工裝[8]。該同步器齒套類零件旋流式滾磨光整加工工裝裝置包含工裝頭和工作體，所述工裝頭上端可快速裝拆至旋流式滾磨光整加工設(shè)備的主軸上，所述工作體包括第一檔桿、第二檔桿、第三檔桿，被加工工件在加工過(guò)程沿主軸軸線方向上下強(qiáng)制擺動(dòng)，進(jìn)而使得磨塊周期性通過(guò)被加工零件的內(nèi)孔；其中第一檔桿和第二檔桿分別限制加工過(guò)程中被加工零件在磨塊作用下的向上提升，第二檔桿和第三檔桿又分別限制被加工零件的自然下落，該同步器齒套類零件旋流式滾磨光整加工工裝裝置及方法與現(xiàn)有技術(shù)相比較，齒套非完全固定的裝夾方式及傾斜可調(diào)角度的檔桿，可保證磨料流對(duì)齒套內(nèi)圈的相互作用強(qiáng)烈，能夠?qū)崿F(xiàn)齒套內(nèi)外圈或其他對(duì)內(nèi)外圈有光整要求的環(huán)形零件的一次性整體表面處理且加工效果優(yōu)良，如圖4所示。

圖4 工裝示意圖

2.4 旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)接，需要在裝備中配備1個(gè)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)。根據(jù)設(shè)備使用需求，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)能將上下工件過(guò)程協(xié)調(diào)布置，設(shè)置有機(jī)器人裝卸區(qū)和人工裝卸區(qū)。擬定3種旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)可行性方案:方案一，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)配有兩個(gè)裝卸區(qū)；方案二，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)配有三個(gè)裝卸區(qū)；方案三，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)配有四個(gè)裝卸區(qū)。方案一中配有兩個(gè)裝卸區(qū)，設(shè)有一個(gè)機(jī)器人裝卸區(qū)和一個(gè)人工裝卸區(qū)，可實(shí)現(xiàn)操作者與機(jī)器人的協(xié)調(diào)對(duì)接，結(jié)構(gòu)緊湊，換產(chǎn)時(shí)間短；方案二中配有三個(gè)裝卸區(qū)，設(shè)有一個(gè)機(jī)器人裝卸區(qū)、一個(gè)人工裝卸區(qū)和一個(gè)中轉(zhuǎn)區(qū)，雖然也可實(shí)現(xiàn)操作者與機(jī)器人的協(xié)調(diào)對(duì)接，但是占用空間較大、停機(jī)換產(chǎn)占用時(shí)間較多，不利于工藝方案的轉(zhuǎn)換；方案三中配有四個(gè)裝卸區(qū)，設(shè)有一個(gè)機(jī)器人裝卸區(qū)、一個(gè)人工裝卸區(qū)、一個(gè)上料中轉(zhuǎn)區(qū)和一個(gè)下料中轉(zhuǎn)區(qū)，雖然也可實(shí)現(xiàn)操作者與機(jī)器人的協(xié)調(diào)對(duì)接，但是占用空間較大、停機(jī)換產(chǎn)占用時(shí)間較多，不利于工藝方案的轉(zhuǎn)換?？紤]整體匹配性，擇優(yōu)選定方案一。旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)分為A工作面和B工作面，每個(gè)工作面上都對(duì)應(yīng)分布著6個(gè)工裝軸安裝座，并且每個(gè)工作面上工裝軸安裝座序號(hào)按著從左到右由1依次遞增到6。每次旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)結(jié)束后，都會(huì)進(jìn)行機(jī)械定位調(diào)整，保證旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)重復(fù)定位精度，配合機(jī)器人進(jìn)行上下工件，圖5為旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5 旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

2.5 機(jī)器人選型與動(dòng)作設(shè)計(jì)

為了減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高上下料效率，采用目前成熟的搬運(yùn)機(jī)器人技術(shù)，將上下料搬運(yùn)機(jī)器人應(yīng)用到整套裝備中是較優(yōu)的方案。根據(jù)設(shè)備使用條件的限制，通過(guò)對(duì)機(jī)器人臂展范圍、負(fù)載狀態(tài)、動(dòng)作復(fù)雜程度及經(jīng)濟(jì)性上考慮，采用六軸搬運(yùn)型機(jī)器人。根據(jù)汽車行業(yè)中機(jī)器人應(yīng)用的情況，選取汽車行業(yè)較為常用的最大負(fù)載在100～160kg之間的機(jī)器人，可降低成本和方便后期維護(hù)，由于加持負(fù)載在30～40kg左右，采用氣動(dòng)方式的卡爪較為經(jīng)濟(jì)實(shí)用，機(jī)器人第六軸前端卡爪采用氣動(dòng)重型平行卡爪，機(jī)器人通過(guò)對(duì)重型平行卡爪開(kāi)合的控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝卸工裝的工作。

旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)A/B面完成裝料后，主機(jī)一給機(jī)器人上下料請(qǐng)求信號(hào)，機(jī)器人開(kāi)始工作。機(jī)器人從待工位運(yùn)動(dòng)到旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，手爪夾持指定工裝，將工裝從旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)A面上拔出后進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，并裝入主機(jī)一的主軸上；到位后，機(jī)器人給主機(jī)發(fā)鎖緊請(qǐng)求信號(hào)。主軸氣動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)對(duì)工裝進(jìn)行鎖緊，并在鎖緊后對(duì)機(jī)器人反饋信號(hào)，機(jī)器人根據(jù)選定的程序進(jìn)行后續(xù)循環(huán)動(dòng)作，依次將指定的工裝安裝到設(shè)定的主軸上。主機(jī)一裝件完成后開(kāi)始工作；PLC收到信號(hào)后，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)B面進(jìn)入工作位置，主機(jī)二給機(jī)器人上料請(qǐng)求信號(hào)，機(jī)器人開(kāi)始工作，機(jī)器人將指定工裝按照順序?yàn)橹鳈C(jī)二安裝到位，同時(shí)人工為旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)A面上料；上料完成后，主機(jī)一、二工作，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)保持原狀；主機(jī)一工作完成后，給機(jī)器人下料請(qǐng)求信號(hào)，機(jī)器人從主機(jī)一的主軸上去下工裝后，夾持工裝到清洗箱中進(jìn)行涮洗，刷洗完成后在半空停留幾秒空水，然后再將工裝放到旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，其他軸工裝按上面程序依次卸料，然后再?gòu)男D(zhuǎn)工作臺(tái)上取料向主機(jī)一中上料，主機(jī)一上完料后開(kāi)始工作；主機(jī)二工作完成后，按主機(jī)二的程序先取件，再涮洗，然后放工裝，最后向機(jī)床中上工裝，依次循環(huán)。

2.6 水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了處理在光整加工過(guò)程中摩擦磨損產(chǎn)生的磨料和金屬混合污泥，提高磨液的使用效率，有效地排除各類雜質(zhì)，保證加工效果，裝備系統(tǒng)中應(yīng)該設(shè)置滿足一定要求的水循環(huán)系統(tǒng)。該水循環(huán)系統(tǒng)主要是采用一個(gè)氣動(dòng)隔膜泵將副水箱中的磨液打入單一袋式過(guò)濾器中，對(duì)光整用磨液進(jìn)行固液分離，然后把過(guò)濾后的磨液送回主水箱中，以達(dá)有效地排除各類雜質(zhì)。為了適用兩臺(tái)主機(jī)的使用及獨(dú)立控制水量，增設(shè)了獨(dú)立的水泵控制，可分別與對(duì)應(yīng)主機(jī)相連，方便程序控制及設(shè)備維護(hù)。

2.7 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于新型旋流式滾磨光整加工裝備各部分是分散式布置，并且要實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)控制，保證整體設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，采用總線控制方式，將整套控制系統(tǒng)分為主控系統(tǒng)、1號(hào)旋流式滾磨光整加工設(shè)備子系統(tǒng)、2號(hào)旋流式滾磨光整加工設(shè)備子系統(tǒng)、機(jī)器人子系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)臺(tái)子系統(tǒng)等6大部分。主控系統(tǒng)可協(xié)調(diào)控制各個(gè)子系統(tǒng)，將原單一控制主機(jī)的方式更改成通過(guò)主控系統(tǒng)獲取整套系統(tǒng)的狀態(tài)信號(hào)，然后按照約定的限制條件，由主控系統(tǒng)向各子系統(tǒng)發(fā)送執(zhí)行命令。通過(guò)總線控制方式，可在操作中協(xié)調(diào)統(tǒng)一控制裝備各部分，確保裝備工作的穩(wěn)定性及可靠性，圖6為控制系統(tǒng)流程圖。

圖6 控制系統(tǒng)流程圖

3 研發(fā)裝備的實(shí)際應(yīng)用

根據(jù)某變速器公司提供的同步器齒套梅角棱邊倒鈍要求，要求加工處尺寸精度控制在-0.02～-0.1mm之間，常見(jiàn)的加工手段都滿足不了要求。同步器齒套外形圖及同步器齒套梅角棱邊放大圖如圖7和圖8所示。

圖7 同步器齒套外形圖

圖8 同步器齒套梅角棱邊放大圖

通過(guò)典型的旋流式滾磨光整加工設(shè)備對(duì)同步器齒套梅角棱邊進(jìn)行倒鈍的工藝驗(yàn)證結(jié)果為：設(shè)備主軸速度在40～60rpm之間，滾筒速度在40～50rpm之間，并且利用設(shè)備主軸及滾筒的正反轉(zhuǎn)相向運(yùn)動(dòng)對(duì)齒套進(jìn)行加工時(shí)加工效果較佳，加工時(shí)間在10～20min之間。依據(jù)工藝試驗(yàn)參數(shù)研發(fā)的成套裝備已在某汽車同步器廠投產(chǎn)使用，在批量化生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)其產(chǎn)品隨機(jī)抽檢，加工合格率達(dá)到100%。圖9和圖10為某件齒套梅角加工前后檢測(cè)情況。

裝備投產(chǎn)使用過(guò)程中，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及進(jìn)一步完善需求，將在工件輸送方面配備高效的物流輸送系統(tǒng)，解決各工序間工件的傳遞功能，進(jìn)而提高物料輸送效率；加工后的工件隨輸送系統(tǒng)進(jìn)入在線檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)加工后的工件進(jìn)行質(zhì)量管控；對(duì)整套裝備配備遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，以便更好的維護(hù)運(yùn)行。

圖9 滾磨光整加工前齒套梅角棱邊測(cè)量數(shù)據(jù)

圖10 滾磨光整加工后齒套梅角棱邊測(cè)量數(shù)據(jù)