基于六軸機器人的柔性齒輪倒角系統(tǒng)的研制

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。