基于工业机器人的汽车齿轮轴磨削自动化系统设计

胡孔元，朱华炳，张希杰，曹 斌

(合肥工业大学a.工业培训中心;b.机械与汽车工程学院，合肥 230009)

0 引言

通常在汽车齿轮轴磨削加工中，搬运、磨床的操作、上下料和对齿均由人工来完成。劳动强度大、工作环境恶劣、工作效率低，工人流失率高、生产管理复杂，产品产量和质量得不到保证。目前，部分国内外新磨床配备了简单直线机构，可完成上下料工作，其对齿由伺服主轴完成。成本高，柔性差，加工过程中仍需要人工干预［1-2］。本文研究的目的在于如何构建一套汽车齿轮轴磨削自动化系统，以满足企业需求。

1 系统方案设计

当前汽车齿轮轴磨削，主要是用两台数控磨床对齿轮轴上1、2、3 位置的外圆面进行磨削加工。汽车齿轮轴如图1 所示。首先在MKS1620 ×500 型数控磨床(磨床一)上磨削齿轮轴的2、3 位置外圆面，然后统一运送到MK1612 ×350 型数控磨床(磨床二)上磨削1位置外圆面。

图1 汽车齿轮轴

根据汽车齿轮轴磨削自动化生产要求，选择史陶比尔TX90 型工业机器人，设计基于工业机器人的汽车齿轮轴磨削自动化系统［3-4］。两台数控磨床面对面摆放;机器人放置在两磨床之间，负责上下料。另外，设计送料机负责汽车齿轮轴的运送。汽车齿轮轴磨削自动化系统平面布置图如图2 所示。

控制系统采用西门子S7-1200 PLC (CPU 1214C DC/DC/DC)为主控制器。机器人CS8C 控制器和西门子HMI 触摸屏(KTP1000 Basic color PN)上均有PROFINET接口，通过网线和以太网交换机与PLC 连接［5］。PLC 通过Modbus/TCP 协议与机器人通信，通过I/O 端口与磨床进行通信［6］。

图2 汽车齿轮轴磨削自动化系统平面布置图

2 机械结构和电气设计

2.1 送料机设计

送料机需具备的功能:①料盒的自动输送;②料盒的位置检测、精确定位和锁紧;③人工侧的急停和换料。

2.1.1 送料机的结构及工作原理

送料机主要由人工侧升降机构、输送机构和机器人侧升降机构三部分构成［7］。两升降机构上设有输送链，其升降由气缸来实现。输送机构分成上下两层，采用输送链的方式。输送机构和升降机构的输送链均由可调速直流电机驱动。所设计的送料机结构图如图3所示。齿轮轴竖直放置在料盒内，并在料盒内位置相对固定，每个料盒内有50 个齿轮轴。料盒放在工装板上，工装板底部装有一块矩形铁块。

图3 送料机结构图

送料机的运动分为手动放料和自动送料两部分。手动放料大致过程:人工把人工侧升降机构上已加工齿轮轴料盒卸下，并将待加工齿轮轴料盒放上，按下放料按钮，料盒随升降机构上升，再通过人工侧升降机构输送链和上层输送链运至加工或待加工位置。自动送料大致过程:料盒由上层输送链和机器人侧升降机构输送链运至机器人侧升降机构上，然后升降机构下降，再由机器人侧升降机构输送链、下层输送链和人工侧升降机构输送链运至人工侧的升降机构上;同时上层输送链把处于待加工位置的料盒运至加工位置。料盒的精确定位和锁紧:通过接近开关(LJ12A3-2-Z/BY)检测工装板位置，阻挡气缸(TWQ-S-20×20-B)挡住铁块，气动定位手爪夹紧铁块实现。定位手爪采用楔式结构的二指平动抓手。

2.1.2 升降气缸选型

料盒(含料盘和50 个齿轮轴)的重量大约为30kg，加上附属结构以及摩擦损耗等，气缸的实际负载F大约为40kg。气缸升降的速度为100～500mm/s，选择气缸的负载率β=40%［8］。而

式(1)中气缸的理论输出力F0为

式中D——缸径，m;

d——活塞杆的工作直径，m，d=0.3D;

p——气缸的工作压力，Pa，p=0.6MPa。

由式(1)～(2)计算得缸径D=47.8mm。根据通用气缸的标准，选择SC-50 ×350-S-FA 型气缸。

2.1.3 电机功率计算

输送机构输送链电机经过蜗轮蜗杆减速器减速，升降机构输送链电机经过带轮减速。输送机构输送链上最多同时放置7 个料盒，而升降机构输送链上最多有1 个料盒。每个料盒的质量m=30kg。输送链的速度v=0.6m/s。输送链滚子与轨道的滚动摩擦系数μ=0.05，链输送效率η1=0.95，涡轮蜗杆传动效率η2=0.7，带传动效率η3=0.9，安全系数S=1.2。由式(3)和(4)分别计算出输送机构输送链电机所需功率P1=111. 4W，升降机构输送链电机所需功率P2=12.4W。可选择输送机构输送链电机功率为120W，升降机构输送链的功率为15W。

2.2 磨床加工齿轮轴装夹方法改进设计

两磨床均采用双顶尖装夹，在拨盘上装有拨爪，磨削时通过拨爪卡住齿轮轴使齿轮轴与拨盘一起转动。系统改造前，需人工将齿轮轴的斜齿与拨爪的齿相啮合。

由于拨爪随拨盘运动，改造成用机器人自动上下料时，会影响自动装卸。所以，在机床上安装一个接近开关，在拨盘上安装一个感应物，当感应物转动到接近开关位置时，控制机床主轴减速停止，使拨爪停在最下面。另外，把拨爪改造成活动的，拨爪可以垂直于拨盘面转动，由弹簧拉紧靠在拨盘面上。齿轮轴由机器人装到磨床上，可以依靠砂轮的摩擦力使拨爪与齿轮轴的斜齿相啮合。改造后齿轮轴装夹图如图4 所示。

图4 改造后齿轮轴装夹图

2.3 机器人末端执行器和转料台设计

齿轮轴属于轴类零件，二指或三指手抓可实现抓取。所设计的末端执行器包括手爪基座、两副两指平动手爪(手爪一、手爪二)和一副三指定心手爪(手爪三)。手爪一和手爪二使机器人的单次动作完成上料和下料两道工序。由于齿轮轴竖直放置在料盒中，如果直接夹取齿轮轴的上端，上下料时会阻碍机床顶尖的动作。因此在送料机侧面设置一转料台，由手爪三完成齿轮轴从料盒到转料台的转移。转料台如图5 所示。

图5 转料台

针对齿轮轴的重量为0.35kg，手爪一和手爪二抓取齿轮轴中部的圆柱面，直径为20mm，手爪三抓取上端轴面，直径为12mm。手爪一和手爪二选择SCHUNK DPG-plus 64-1 型，手爪三选择SCHUNK MPZ 38 型。在三副手爪上分别配有特殊的手指，机器人末端执行器结构图如图6 所示。

图6 机器人末端执行器结构图

夹持力F校核:

以手爪三为例，其单个手指装配图如图7 所示。MPZ 气缸外径夹持力与夹持点距离L=27mm，外伸量H=7mm。

图7 手爪三单个手指装配图

根据3 个手指的夹持力产生的摩擦力3μF必须大于齿轮轴的重力mg，再考虑到搬送时的加速度及冲击力等，设定一个安全系数α，故应满足:

式中μ——摩擦系数，μ=0.1～0.2;

α——安全系数，α=4。

1.3.5 壳聚糖微球结构表征 壳聚糖微球冷冻干燥后，喷金，然后用Hitachi S-4500型扫描电镜(JAPAN)观察壳聚糖微球的表面结构.

经计算，夹持力F≥48N。由MPZ 38 气缸在p=0.6MPa，L=27mm 时的夹持力为75N，故选用MPZ 38合适。

2.4 气压传动设计

气源是通过压缩机压缩空气提供。系统共有8 个气缸:2 个升降气缸，2 个阻挡气缸，1 个定位气缸，2 个两指平动气缸和1 个三指定心气缸。其中，3 个手指气缸由三位五通电磁阀控制，其它的由两位五通电磁阀控制［9］。每个气缸上装有两个磁性开关，对气缸的工作状态进行检测［10］。

3 自动控制设计

3.1 送料机控制设计

PLC 控制送料机的输入/输出信号如表1 所示。PLC 基本单元的I/O 端口数量有限，通过外接数字量扩展模块满足信号连接要求。输出信号通过继电器或电磁阀实现目标器件控制。根据送料机的工作流程及I/O 端口分配编写其梯形图程序［11-12］。

表1 PLC 控制送料机的输入/输出信号

3.2 PLC 与机器人通信设计

利用西门子TIA 博途V11 平台中内嵌的S7-1200Modbus/TCP 库函数实现以太网通信［13］。通信中，把PLC 配置成Modbus 客户机，机器人为Modbus服务器。客户机发送读写请求，而服务器只负责响应客户端的请求。建立两个独立的连接，调用两个“MB_CLIENT”功能块，分别实现读、写功能。

PLC 和机器人读写寄存器地址与Modbus 地址相对应。通信数据以字节为单位在寄存器中存储，以字为单位传输，以位为单位寻址。机器人读取和写入PLC 的信号如表2 所示。

表2 机器人读取和写入PLC 的信号

3.3 PLC 与磨床通信设计

机器人与磨床之间不能直接通信，需要通过PLC来协调控制两者的运动，PLC 接收到磨床的信号以后，控制机器人动作，反之亦然。PLC 与磨床之间通信信号的点位较少，直接通过I/O 端口进行通信。PLC 与磨床通信信号如表3 所示。

表3 PLC 与磨床通信信号

3.4 机器人程序设计

通过机器人的3 个手爪实现齿轮轴在料盒、转料台、磨床之间的转运。每个料盒中装有50 个齿轮轴，根据开始2 个位置轴、中间位置轴和最后2 个位置轴机器人动作的不同，整个循环程序分为三个部分。

使用VAL3 语言编写机器人程序。程序中通过call()指令调用子程序来实现机器人的各种动作，通过两层for 循环实现程序的循环执行，运用compose()、appro()指令实现校准点的偏置和料盒中齿轮轴50 个不同位置的偏移。

3.5 组态和系统监控界面设计

利用TIA 博途V11 软件完成PLC 与触摸屏连网的组态和系统监控界面的设计。系统的监控界面分为三部分:启动条件、信号查询和点动调试。在启动条件全部满足后，系统才能正常启动。点动调试可以强制磨床输至PLC 的信号状态和显示报警信息，以进行系统调试。信号查询用来监控机器人和磨床的运行状态，可以方便的进行系统的故障诊断和调试，信号查询分为三个部分:硬件信号、机器人接收信号、机器人反馈信号。系统监控界面设计内容如表4 所示。

表4 系统监控界面设计内容

4 结束语

(1)根据汽车齿轮轴磨削的工艺流程及自动化控制要求，提出了基于工业机器人的汽车齿轮轴磨削自动化系统方案。

(2)设计了送料机，实现了料盒的自动运输、定位和锁紧。

(3)设计了3 手爪组合式机器人末端执行器和转料台，实现了机器人单次动作完成数控磨床的下料和上料。

(4)对磨床加工齿轮轴的装夹方法进行了改进，满足了机器人自动上下料要求，实现了自动对齿。

(5)构建了以S7-1200 PLC 为主控制器的汽车齿轮轴磨削自动化控制系统。采用Modbus/TCP 协议实现了PLC 与机器人的通信，通过I/O 端口实现了PLC与磨床的通信。使用VAL3 语言编写了机器人程序，利用TIA 博途V11 软件设计了PLC 与触摸屏的组态和系统监控界面。

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