汽车齿轮轴磨削的工艺流程和自动化系统设计

常保利

(陕西交通职业技术学院 汽车工程学院， 西安 710018)

0 引言

传统汽车齿轮轴磨削加工，大都是利用人工实现磨床、上下料及搬运，劳动强度大，且工作的环境比较恶劣，工作效率比较低，导致工人流失严重，无法保证工程中产品的产量及质量。目前，我国及国外大部分的磨床都是具有简单直线机构，能够实现上料和下料的工作，并且也能够利用伺服主轴实现对齿工作。此种方式的成本较高，并且柔性较差，在进行加工的过程中还需要人工进行干预。基于此，本文就对汽车齿轮轴磨削工作流程进行了简单的分析，设计了汽车齿轮轴自动化系统，创建了完整的汽车齿轮磨削自动化工作流程，满足了现代企业数字化生成的需求。

1 汽车齿轮轴磨削工艺流程

一般齿轮轴受热之后，磨削加工过程中的数控磨床操作及毛坯上下料工作，都是由人工实现，一般需要多个工人同时操作大量机床并且对其管理，为了能够有效提高生产的效率，工作要跟上机器生产节拍，所以工人劳动强度较大，且机床的噪声比较大，工作环境较为恶劣。另外人工还需要实现对齿工作，对于人工操作的水平需求比较高，在进行对齿的加工过程要实现辅助工装的安装，降低了工作效率。在人工对机床进行操作实现齿轮轴上料和下料的过程中，操作人员的手会接触到产品和切削油，且还具有较高的强度，从而降低了产品的质量及产量。

现代，部分的国产机床及进口设备都配置了比较简单的直线机构，因此能够有效实现单机短时间的自动化生产，直线机构实现工件从料盘对夹具进行上下料的工作，对于齿的加工工作要求使用机床进行实现，机床刀具的主轴属于伺服主轴，对于机床具有较高的要求，提高了机床成本，并且降低了系统柔性，在工作更换过程中更是消耗时间和体力。因为机床之间缺乏相应的连接，所以在加工过程中还是需要人工的对其进行干预，在产品规格进行更换的过程中，要对单机上下料的机构进行全面调整，比较繁琐，每台机床要能够自身具备上料和下料的机构，所以就提高了生产线的投入成本，并且也导致了机床配料仓重复的浪费投资，此种方案能够在全新购买机床中使用，如果实现现有机床设备的改造，具有较大的难度，并且还具有较高的成本[1]。

2 汽车齿轮轴磨削的自动化系统设计

2.1 自动化系统的方案

现代齿轮轴磨削生产使用的机床都已经实现数控化，但是数控磨床操作及上下料的工作还是需要人工实现。在现代企业竞争越来越激烈的过程中，用工的成本也在不断的增加，企业在市场竞争过程中处于劣汰，所以就要提高设备自动化的水平。工作机器人的精准度、一致性和可靠性比较高，在工业中使用机器人作业不仅能够有效提高产品质量及合格产品的稳定性，还能够降低库存和成本。机器人能够长时间的工作，具有较高的生产效率，而且其工作多样化，所以能够有效满足不同生产需求。本文实现了以工业机器人为基础的汽车齿轮轴磨削自动化系统的有效设计。

目前使用的机器人都是TX90系列，非常坚固且具有较高的灵活性，维修较为简单方便，机器人的封闭式结构能够降低颗粒物释放[2]，从而降低污染。机器人的参数设置，如表1所示。

表1 机器人的参数设置

2.2 机械的结构

2.2.1 送料机

送料机主要目的是人工侧的换料和急停、检测料盒位置、锁紧及精准定位等。主要由机器人侧升降结构、输送结构和人工侧的升降结构三部分组成。两个升降结构有输送链，利用气缸进行升降。输送结构主要有上层和下层两部分，通过输送链方式实现。输送及升降结构主要是利用可调速的直流电机伺服驱动实现。送料机的结构设计，如图1所示。

1.人工侧升降气缸； 2.人工侧升降机构输送链； 3.人工侧升降机构； 4.料盒； 5.工装板； 6.上层输送链； 7.机器人侧升降机构； 8.机器人侧升降机构输送链； 9.机器人侧升降气缸； 10.输送机构； 11.下层输送链

图1 送料机的结构设计

送料机主要包括自动送料和手动放料两部分。在手动放料过程中，人工卸下人工侧已经加工后的齿轮轴料盒，之后放入需要加工的齿轮轴料盒，然后按下放料按钮，料盒就会在升降结构中上升，之后利用上层输送链将其送到加工位置中。料盒的重量一般为30 kg，其中包含了附属结构和摩擦的损耗，一般气缸负压都是在40 kg左右。

2.2.2 磨床加工齿轮轴装夹

两个磨床都使用双顶尖的方式，将拨爪安装到拨盘中，拨爪将齿轮轴卡住，在磨削过程中，拨爪和拨盘共同转动，系统改造之前，要人工实现齿轮轴斜齿和拨爪齿的相互吻合。拨爪跟着拨盘一起转动，使用机器人会对自动的装卸造成影响，在机床中安装接近开关，将感应物安装到拨盘中，在感应物和开关位置接近的时候，控制机床主轴就会减速停止。为此拨爪设计成活动的，通过弹簧将拨爪拉靠在拨盘面中。改造之后的加工齿轮轴装夹，如图2所示。

1.感应物； 2.接近开关； 3.拨盘； 4.前顶尖； 5.后顶尖； 6.齿轮轴； 7.拨爪； 8.弹簧

图2 改造之后的齿轮加工轮轴装夹

2.2.3 送料机程序设计

在实现送料机程序设计的过程中，使用PLC循环扫描方式实现工作，送料机程序的运行方式，如图3所示。PLC通电或者从停止开始运动的时候，CPU就会启动，将块堆栈和中断堆栈中的内容清除，并且还会将缺失功能的计数器、定时器及存储器进行清除，实现硬件中断的复位保存。而且还要对能够编写程序的模块进行执行，实现用户设置的初始化操作，之后实现周期性的循环。

在实现系统设置的过程中，使用西门子PLC，CPU的主要参数指标，其输入、输出和电源都是同个机壳中安装，如表2所示。

2.3 电气的控制系统

本文所研究系统一共有四个执行设备，分别为两个数控磨床、一台机器人和一台送料机，每台设备的动作循环和监控过程都是通过控制系统实现，控制系统利用执行设备的状态，进行下步动作的协调，控制系统启动暂停和非正常的停机之后复位等。此系统中央控制器为PLC，接收并且实现机床、工业机器人及送料机信息的处理，对机床启动和暂停进行全面的控制。PLC和人机交互面板通过触摸屏连接，工作人员能够利用触摸屏对系统工作状态进行全面的观察，从而实现系统启动暂停的控制等。PLC利用输入输出和机床相互通信。控制系统的结构关系，如图4所示。

图3 送料机程序的扫描运行流程

特点CPU1521存储器工作：75kb；负载：4mb；保持性：10kb本地板载12点、10点、2路的输入输出过程映像输入：1024b；输出：1024b位存储器8192b信号模块的扩展8个电源板、信号板和通信板1个通信模块3个高速计算器6个脉冲输入4个PROFINET1个

2.4 系统调试运行

本文所研究的系统包括多个设备，主要包括变压器、开关电源、继电器、传感器、控制单机、电磁换向阀、交流接触器等。每个设备控制柜都是独立的。机器人控制柜在PLC电器柜中，机床控制器实现PLC数字量信号的提供，信号利用接线板对PLC传输。送料机具备单独控制柜。为了降低干扰，不同设备和PLC信号传输通过继电器进行隔离。本系统运用工业机器人、PLC、送料机和数控磨床，通过对系统进行调试，实现了上下料的自动化，系统工作正常。降低了人力成本，提高工程质量及效率，从而有效提高工程成本[3]。

图4 控制系统的结构关系

3 总结

本文对汽车齿轮轴磨削工艺的流程和其对于自动化的控制需求进行了全面的分析，从而完成了汽车齿轮轴磨削工艺流程的机器人自动化系统设计，包括料盒的自动传输、锁紧和定位，改进了传统磨床加工齿轮轴装夹方式，从而实现机器人自动上下料需求的有效满足，还能够使其自动对齿。并且创建PLC为基础的自动化控制系统，使用VAL语言实现机器人程序的编写，系统能够有效满足工业需求。

参考文献

[1] 胡孔元,朱华炳,张希杰,等.基于工业机器人的汽车齿轮轴磨削自动化系统设计[J].组合机床与自动化加工技术,2014(9):41-44.

[2] 朱华炳,秦磊,张希杰,等.基于工业机器人的齿轮轴磨削自动化系统设计与研究[J].组合机床与自动化加工技术,2013(12):41-44.

[3] 陈中凯.基于工作流技术的企业工作流程自动化系统的实现与研究[J].微型电脑应用,2013, 29(12):19-22.