汽車主軸帶輪軸機(jī)器人打磨技術(shù)研究及應(yīng)用

余穩(wěn)勝，段海峰，黃凌森，柯世金

(廣州城市理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，廣東廣州 510800)

0 前言

目前國內(nèi)大部分工廠，包括一些大型的機(jī)加工制造公司，對一些機(jī)加工典型零件進(jìn)行去毛刺、打磨拋光加工作業(yè)時，采用的是手工或者使用手持氣動、電動工具進(jìn)行打磨、研磨、銼等方式。這些操作方法容易導(dǎo)致產(chǎn)品不良率上升、效率低、加工后的產(chǎn)品表面粗糙不均勻等問題，且隨著人工成本的增加，人工去毛刺的成本已經(jīng)不再低廉，所以一部分廠家開始嘗試使用機(jī)器人對零件進(jìn)行去毛刺處理，以達(dá)到降低成本、提高效率的目的。

1 CTF25主軸帶輪軸機(jī)器人打磨整體規(guī)劃

以汽車零部件CTF25主軸帶輪軸為例，經(jīng)過精加工后，CTF25主軸帶輪軸需要進(jìn)行去毛刺、打磨清理，以保證其裝配精度。其去毛刺、打磨工藝特性如圖1所示。毛刺清理、打磨需要完成主動輪的球道輪廓邊緣、36個齒側(cè)、 D6孔底的毛刺清理以及深孔內(nèi)的鐵屑去除，實現(xiàn)機(jī)加工位置表面粗糙度大于3.2 μm，達(dá)到目視無毛刺，用手撫摸無臺階、不扎手以及深孔內(nèi)無鐵屑?xì)埩舻娜ッ虡?biāo)準(zhǔn)。

圖1 CTF25主軸帶輪軸打磨工藝特性

1.1 CTF25主軸帶輪軸機(jī)器人打磨系統(tǒng)組成及工藝流程

根據(jù)汽車零部件CTF25主軸帶輪軸的去毛刺、打磨要求以及機(jī)器人打磨工藝需求，整個打磨過程有3個工藝流程，如圖2所示。具體分別為

圖2 CTF25主軸帶輪軸機(jī)器人打磨工藝流程

(1)采用底孔去毛刺刀進(jìn)行D6相貫孔孔底毛刺清理；

(2)采用主軸帶輪軸夾具孔定位銷釘對CTF25主軸帶輪軸的深孔吹氣，吹走深孔內(nèi)殘留的鐵屑；

(3)采用三刃球形錐度刀進(jìn)行球道輪廓邊緣和36個齒側(cè)的毛刺清理。

1.2 機(jī)器人打磨整體方案設(shè)計

汽車零部件CTF25主軸帶輪軸機(jī)器人打磨系統(tǒng)整體設(shè)計方案如圖3所示。打磨設(shè)備主要由六大部分組成：設(shè)備本體機(jī)架及機(jī)器人底座、斷刀檢測及吹屑裝置、六軸多關(guān)節(jié)機(jī)器人、浮動主軸、控制電箱、主軸帶輪軸夾具。

圖3 機(jī)器人打磨設(shè)備整體設(shè)計方案

設(shè)備本體機(jī)架及機(jī)器人底座為整套裝置的基體，控制電箱負(fù)責(zé)整套裝置的控制，這里不作分析。CTF25主軸帶輪軸打磨工藝需要2種不同的打磨方式，即需要同時安裝底孔去毛刺刀和三刃球形錐度刀，故此系統(tǒng)選用雙頭的浮動主軸，安裝在六軸多關(guān)節(jié)機(jī)器人手爪末端，并根據(jù)需要旋轉(zhuǎn)浮動主軸，選擇合適的刀具對CTF25主軸帶輪軸進(jìn)行不同工序的打磨清理。斷刀檢測及吹屑裝置負(fù)責(zé)對安裝在浮動主軸上的刀具進(jìn)行斷刀檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果判斷斷刀報警或吹去刀具上的切屑。主軸帶輪軸夾具負(fù)責(zé)配合打磨機(jī)器人對汽車零部件CTF25主軸帶輪軸進(jìn)行裝夾定位，并實現(xiàn)去毛刺過程中主軸帶輪軸的上下移，球道輪廓邊緣和D6相貫孔孔底毛刺清理時的位置定位，36個齒側(cè)毛刺清理時的旋轉(zhuǎn)分度和定位以及對CTF25主軸帶輪軸的深孔吹氣，以吹走深孔內(nèi)殘留的鐵屑。

2 主軸帶輪軸夾具結(jié)構(gòu)及工作原理

主軸帶輪軸機(jī)器人打磨工藝需要機(jī)器人完成3個流程，而這個過程需要對主軸帶輪軸進(jìn)行相應(yīng)的裝夾和位置定位，以便機(jī)器人帶動刀具對相應(yīng)位置進(jìn)行打磨。據(jù)此,設(shè)計主軸帶輪軸夾具如圖4所示。

圖4 CTF25主軸帶輪軸夾具設(shè)計方案

該夾具由定位銷、V形支撐定位塊、氣缸、導(dǎo)軌副、軸承座、同步輪、同步帶、伺服電機(jī)等組成。采用多個氣缸驅(qū)動，通過導(dǎo)軌副完成左頂緊銷和齒輪定位圈的滑動定位。初始裝夾時，采用V形定位塊放置主軸帶輪軸的細(xì)軸部分，再由左、右頂緊銷進(jìn)行兩端固定，當(dāng)V形定位塊在V形塊頂升氣缸作用下下移后，主軸帶輪軸可以在伺服電機(jī)和同步輪作用下旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)36個齒側(cè)毛刺清理時主軸帶輪軸的旋轉(zhuǎn)分度和定位。

工件齒輪定位方法：當(dāng)齒輪定位圈氣缸伸出，伺服電機(jī)帶動工件緩慢旋轉(zhuǎn)，直至齒輪定位塊與工件齒吻合；當(dāng)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)到兩個吻合的位置時，齒輪定位圈氣缸即可伸到底，氣缸磁感開關(guān)輸出齒輪定位完成信號，機(jī)器人即可開始打磨齒輪邊緣。

孔定位銷釘可以在孔定位氣缸作用下伸入和撤出D6相貫孔。因此，在安裝主軸帶輪軸時，可以先將孔定位銷釘部分伸入工件孔中，完成初始定位，工作時再撤回孔定位銷釘，并以該初始定位為標(biāo)準(zhǔn)，旋轉(zhuǎn)主軸帶輪軸，將主軸帶輪軸上球道輪廓邊緣旋轉(zhuǎn)到最上端，實現(xiàn)機(jī)器人打磨球道輪廓邊緣和D6相貫孔孔底。

另外，孔定位銷釘內(nèi)設(shè)計為中空，可以作為氣嘴進(jìn)行吹氣。完成D6相貫孔孔底的毛刺清理后，可將孔定位銷釘伸入主軸帶輪軸的D6相貫孔內(nèi)吹氣，以將主軸帶輪軸深孔里的鐵屑吹出。CTF25主軸帶輪軸夾具實物如圖5所示。

圖5 CTF25主軸帶輪軸夾具實物

3 機(jī)器人打磨工藝細(xì)節(jié)設(shè)計

3.1 機(jī)器人、浮動主軸選型及整套裝置實物

根據(jù)整套打磨系統(tǒng)的設(shè)計方案、打磨工藝以及CTF25主軸帶輪軸夾具設(shè)計方案，設(shè)計機(jī)器人打磨設(shè)備實物如圖6所示。機(jī)器人選用那智7 kg六軸機(jī)器人(型號為MZ07)，采用雙浮動主軸、雙刀具，分別用于去除工件球道輪廓邊緣、36個齒側(cè)及D6相貫孔孔底存在的毛刺。浮動主軸選擇日本太威的AF30，其速度高，可自適應(yīng)產(chǎn)品公差，主軸可在軸向360°內(nèi)任意偏擺，方便打磨刀具以任意角度打磨CTF25主軸帶輪軸，極大地降低機(jī)器人示教和編程難度，以提高工作效率。

圖6 CTF25主軸帶輪軸的機(jī)器人打磨設(shè)備

3.2 CTF25主軸帶輪軸的機(jī)器人打磨設(shè)備打磨工藝細(xì)節(jié)設(shè)計

分析CTF25主軸帶輪軸的機(jī)器人打磨工藝、主軸帶輪軸夾具和整套機(jī)器人打磨設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理，設(shè)計打磨工藝如圖7所示。整套方案需要主軸帶輪軸夾具和機(jī)器人相互配合完成，機(jī)器人去毛刺工藝可以分為調(diào)整定位、去除工件孔底毛刺 、吹出深孔內(nèi)鐵屑、去除球道輪廓邊緣毛刺、去除工件齒輪毛刺5個工序。

圖7 CTF25主軸帶輪軸的機(jī)器人打磨工藝流程

打磨前需要操作員將CTF25主軸帶輪軸放入主軸帶輪軸夾具的V形支撐塊上，將主軸帶輪軸一端靠緊伺服端頂緊銷釘(右頂緊銷)，轉(zhuǎn)動工件，手動將孔定位銷釘插入工件孔內(nèi)；操作員關(guān)上安全門，踩腳踏開關(guān)，感應(yīng)器感應(yīng)工件到位，設(shè)備啟動、夾具左頂銷釘氣缸伸出，將左銷釘伸入主軸帶輪軸左端孔內(nèi)，頂緊主軸帶輪軸(以右邊伺服端為基準(zhǔn))，孔定位銷釘氣缸縮回，孔定位銷釘離開工件，V形塊頂升氣缸縮回，V形塊離開工件，完成調(diào)整定位工序；與此同時，機(jī)器人移動至斷刀檢查及刀具切削清潔處，檢測刀具是否斷刀，如發(fā)現(xiàn)刀具有問題，及時報警，暫停所有動作，如刀具正常，則將刀具上的毛刺吹除，將底孔去毛刺刀轉(zhuǎn)入工作位，等待進(jìn)行下一個工序。

主軸帶輪軸完成調(diào)整定位且機(jī)器人刀具檢測合格后，打磨刀具開始旋轉(zhuǎn)(選用初始轉(zhuǎn)速為8 000 r/min，機(jī)器人移動到D6相貫孔處，按照機(jī)器人工作程序驅(qū)動去毛刺刀具去除工件孔底毛刺，完成去除工件孔底毛刺。

CTF25主軸帶輪軸加工深孔時容易產(chǎn)生銑削鐵屑?xì)埩?，去除工件孔底毛刺時，也會產(chǎn)生毛刺鐵屑，故還需吹出深孔內(nèi)鐵屑，即去除工件孔底毛刺后，孔定位銷釘伸入工件孔中，通過吹氣將工件內(nèi)鐵屑吹出，與此同時，機(jī)器人完成浮動主軸旋轉(zhuǎn)換刀，換為三刃球形錐度刀，等待進(jìn)行下一個工序。

孔定位銷釘氣缸縮回，三刃球形錐度刀按照規(guī)劃路徑開始銑削去除球道輪廓邊緣毛刺。完成后，齒輪定位圈氣缸伸出，伺服電機(jī)帶動工件緩慢旋轉(zhuǎn)直至工件齒輪與齒輪定位塊咬合，工件齒輪定位完成，齒輪定位圈氣缸縮回，機(jī)器人移動，打磨工件齒輪齒側(cè)毛刺。每當(dāng)機(jī)器人完成一個工件齒輪齒側(cè)的毛刺去除，機(jī)器人上移，伺服電機(jī)帶動工件旋轉(zhuǎn)10°，機(jī)器人繼續(xù)打磨，直至完成36個工件齒輪齒側(cè)的打磨工作。

打磨完成后， V形塊頂升氣缸升出，左頂銷釘，氣缸縮回，工件落至V形塊上。機(jī)器人移至初始位置，安全門氣缸縮回，安全門打開，操作員將加工好的工件取出后，再放入未加工工件，重復(fù)上述動作，直至完成生產(chǎn)任務(wù)。

3.3 機(jī)器人動作程序設(shè)計

整套機(jī)器人打磨系統(tǒng)需要機(jī)器人相繼完成移動、刀具檢測、浮動主軸換刀旋轉(zhuǎn)、刀具啟動和暫停以及高速打磨等工作，機(jī)器人需要按照一定的工作路徑工作，工作路徑規(guī)劃如圖8所示。打磨機(jī)器人主要在4個部位工作，其中點為機(jī)器人工作原點，在斷刀檢測完畢并吹去打磨刀具上的切屑后，機(jī)器人末端帶動雙浮動主軸旋轉(zhuǎn)定位，保證打磨刀具與主軸帶輪軸軸向垂直；然后，機(jī)器人末端移至點(D6相貫孔處上方)，在機(jī)器人帶動下，打磨刀具緩慢進(jìn)給，上下打磨，去除D6相貫孔內(nèi)的毛刺；接著，機(jī)器人末端上移至安全高度，旋轉(zhuǎn)換刀后，下移至點(球道輪廓邊緣處)，沿著軸向球道輪廓邊緣處進(jìn)行左右打磨；最后，再移動至主軸帶輪軸齒輪上方點，等待主軸帶輪軸分度旋轉(zhuǎn)，每旋轉(zhuǎn)一次，打磨齒側(cè)一次，直至完成36個齒側(cè)的打磨，機(jī)器人再回到工作原點，等待下一個主軸帶輪軸的打磨。

圖8 打磨機(jī)器人工作路徑規(guī)劃

結(jié)合CTF25主軸帶輪軸夾具的相關(guān)動作以及打磨機(jī)器人工作路徑規(guī)劃，編輯機(jī)器人工作的程序。主體程序如下：

NOP

CALL JOB:HOME

DOUT OT#(10) ON //OUT10加工中

CALL JOB:DAOJIAN //調(diào)用檢刀子程序，檢測刀具有沒斷刀

WAIT IN#(13)=ON //IN13-等待啟動允許

MOVJ C00000 VJ=60.00

DOUT OT#(12) ON //OUT12-啟動打磨頭2

′POS1 KONG1 //加工孔1

DOUT OGH#(4) 1 //給定伺服位置1

TIMER T=0.200

DOUT OT#(19) ON //OUT19-啟動伺服旋轉(zhuǎn)

MOVJ C00001 VJ=60.00

WAIT IN#(15)=ON //IN15-等待伺服旋轉(zhuǎn)到位

DOUT OT#(19) OFF //OUT19-關(guān)閉伺服旋轉(zhuǎn)

CALL JOB:TY1-KONG //調(diào)用加工孔程序

……

′POS5 HOME&GEAR1

DOUT OGH#(4) 5 //給定伺服位置5

TIMER T=0.200

DOUT OT#(19) ON //OUT19-啟動伺服旋轉(zhuǎn)

MOVJ C00011 VJ=60.00

MOVJ C00012 VJ=60.00

WAIT IN#(15)=ON //IN15-等待伺服旋轉(zhuǎn)到位

DOUT OT#(19) OFF //OUT19-關(guān)閉伺服旋轉(zhuǎn)

CALL JOB:TY1-KONG //調(diào)用加工孔程序

3.4 機(jī)器人打磨系統(tǒng)的浮動主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定及相應(yīng)參數(shù)化補償

機(jī)器人打磨系統(tǒng)選用的是雙浮動主軸，采用雙刀具打磨方法，其打磨工藝、夾具設(shè)計以及機(jī)器人動作已在前面進(jìn)行闡述。隨著不斷地進(jìn)行打磨，刀具會不斷地磨損，從而造成打磨精度的下降，故需要進(jìn)行相應(yīng)的打磨補償。

采用機(jī)器人動作直接補償較為麻煩，且由于浮動主軸的特殊性，浮動刀具和工件是柔性接觸，浮動主軸轉(zhuǎn)速的變化會影響刀具的伸長量，即在一定范圍內(nèi)浮動將會對軸向進(jìn)行一定量的補償。由此，可以通過調(diào)整浮動主軸轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)打磨工藝補償。具體方法：通過PLC與is485通信,實現(xiàn)浮動主軸轉(zhuǎn)速的監(jiān)控和調(diào)整，頻率的設(shè)定。

主軸轉(zhuǎn)速通過變頻器的頻率設(shè)定；根據(jù)實驗找到最優(yōu)起始頻率、最終頻率和遞增頻率。經(jīng)過多次實驗，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速為8 000～10 000 r/min時可以得到較好的打磨質(zhì)量，且每打磨一次，打磨刀具會產(chǎn)生約0.001 mm的磨損，而轉(zhuǎn)速每增加4 r/min，浮動主軸可以增加0.001 mm的伸長量。根據(jù)這些特性，設(shè)置浮動主軸軸向補償參數(shù)如表1所示。設(shè)置其初始轉(zhuǎn)速為8 000 r/min，每打磨一次，轉(zhuǎn)速加4 r/min，實現(xiàn)補償尺寸0.001 mm，滿足打磨刀具打磨一次的磨損量，當(dāng)其達(dá)到最大轉(zhuǎn)速10 000 r/min時，也就是打磨500個零件后，設(shè)備鈴聲提醒更換刀具，刀具更換完成后，再從8 000 r/min重新記錄。

表1 浮動主軸軸向補償參數(shù)(補償尺寸為0.001 mm)

4 結(jié)語

根據(jù)汽車零部件CTF25主軸帶輪軸打磨工藝特性，提出了機(jī)器人打磨方案，設(shè)計了一套機(jī)器人打磨設(shè)備。該設(shè)備采用雙浮動主軸及雙刀具，可實現(xiàn)打磨過程中自動換刀；配合專門設(shè)計的主軸帶輪軸夾具，相對應(yīng)地完成去除工件球道輪廓邊緣、36個齒側(cè)及D6相貫孔孔底存在的毛刺。編輯了機(jī)器人路徑及控制程序，保證機(jī)器人按順序完成移動、刀具檢測、浮動主軸換刀旋轉(zhuǎn)、刀具啟動和暫停以及吹氣等，以實現(xiàn)汽車零部件CTF25主軸帶輪軸的打磨任務(wù)，降低人工成本，保證加工品質(zhì)一致性，提高整體生產(chǎn)效率，改善工作環(huán)境。