基于六轴机器人的柔性齿轮倒角系统的研制

闫建伟，侯 猛，史纪录，孙 星，李俊源

（宁夏天地奔牛实业集团有限公司，宁夏 石嘴山 750001）

引言

我国是齿轮产销大国，根据相关报道，齿轮制造企业约有5 000家，规模以上企业1 000多家，骨干企业300多家[1]。大型减速机齿轮箱的齿轮形式主要有齿轮轴、齿轮盘、圆锥齿轮轴、圆锥齿轮盘、内齿圈，其齿轮的齿廓线、齿顶线倒角依旧主要依靠人工完成。人工倒角存在劳动强度大、安全性低、防护性差、产品一致性较差等问题，难以保证倒角质量，尤其是较大的内齿圈轮廓打磨耗时长，严重制约着产能。

当前，各种类型的齿轮，尤其是大型齿轮在矿山开采、船舶制造等行业的应用已经十分广泛，发展迅速。在向着大型化发展的同时，齿轮产品也在逐渐向小批量定制化、多样化的方向发展，以适应通用大型工程机械装备需求，齿轮型号也越来越多样化。人工打磨齿轮倒角制约产能的问题变得更加突出，因此需要研究现有齿轮倒角技术，升级齿轮倒角工艺，提高自动化水平，有效解决齿轮倒角技术瓶颈，保证产品性能，促进行业发展。

1 齿轮倒角加工现状

齿轮倒角（见图1）指的是对齿轮的齿顶线、齿廓线进行倒角的加工工序，是齿轮加工过程的必要工序。倒角可改善齿轮啮合质量、降低传动噪声，减小转运过程划伤工人的可能性，并且可以有效消除工件在热处理时可能产生的裂纹，减小变形，对延长产品使用寿命起到积极作用。因此国内齿轮行业都将齿轮倒角加工作为一项必不可少的工序[2]。根据调研，绝大部分企业采用人工方式加工大型齿轮的齿轮齿廓和齿顶倒角，对于高精度齿轮采用齿轮倒角专机进行倒角加工，已有部分企业开始探索使用关节机器人进行齿轮倒角加工，其加工现场如图2所示。

图1 齿轮倒角位置示意图

图2 数控齿轮倒角机及人工倒角现场

我国多数大型齿轮工厂仍采用人工倒角方式，主要依靠工人使用锉刀、角磨机、气刨等工具进行手工磨削。该工艺技术落后、劳动强度大、产量低、质量差，难以保证加工精度且加工效率十分低下[3]，严重影响装配性能。

对于采用数控机床进行倒角加工的齿轮倒角专机，发达国家已经将齿轮倒角工序同其他的齿轮加工工序组合在一起，形成一体加工机床，实现多工位、多工序的工艺要求。目前，国内倒角加工专机的制造缺乏核心技术，基本依靠国外图纸或对国外产品进行测绘而后仿制。

齿轮倒角专机工艺显著优于人工方式，但受限于机床的尺寸及数控机床的有效行程，一般用于中小型齿轮零件的倒角加工。同时，为了避免频繁更换机床控制程序，提高加工效率，该工艺主要适用于单一品种大批量齿轮零件倒角，如轴类零件、盘类零件等。

2 齿轮倒角机器人方案

目前技术条件下的齿轮倒角机床，只能适应单一型号或是同类型的齿轮，无法涵盖不同类型的齿轮。据调研，高精度的齿轮倒角专机单台采购成本高昂，对多数企业压力较大。若要数控机床兼容多种型号的齿轮倒角，需要对机床进行定制开发，机床的复杂程度和采购成本必然大幅提升。

由此可见，采用基于关节机器人的齿轮倒角机器人（见图3），可使设备具有更好的灵活性、兼容不同型号的齿轮、综合适用成本降低，可满足市场需求，具有较为广阔的市场前景。

图3 齿轮倒角机器人示意图

本课题开发的大型齿轮倒角机器人系统，主体部分由关节机器人、变位机、对齿机构、打磨动力头、旋转锉刀或铣刀等部分构成，具有以下特点：

1）该系统可以有效发挥关节机器人敏捷、灵活、大臂展的优势，并可采用人工示教或离线的工作方式，编程工作量小、效率高，相比传统的基于机床的齿轮倒角专机，对齿轮类型具有更好的兼容性[4]，可实现齿轮倒角的柔性化生产。

2）采用浮动轴，可以降低设备的精度要求，提高了设备的兼容性和适应性，克服了因关节机器人结构刚性低导致精度不足的问题。

3）依靠变位机上的自定心三爪卡盘实现待加工齿轮的自动装夹定位，简化了齿轮定位校准工作，可避免因误操作引发的齿轮安全事故。

4）采用定制的卡爪，可以兼容不同类型和型号的齿轮。

5）变位机在固定齿轮的同时，通过旋转实现齿轮分齿的功能。

6）采用高精度定位传感器，可以准确定位齿形，保证加工的准确性。

使用关节机器人进行齿轮齿廓、齿顶线的倒角，在节省人力成本的同时提高了生产效率和产品质量，相比其他齿轮倒角工艺具有显著优势。另外，基于关节机器人的结构特点，此方案在较好地满足各种类型的齿轮倒角、去毛刺需求的同时，可以根据客户的实际需求，经过简单的编程和调整，适应不同的工作场景，具有很强的灵活性。

3 使用效果评价

齿轮倒角机器人的应用，实现了多品种、小批量的大型工程机械齿轮的自动倒角加工，使用效果良好，但也存在缺陷或不足。

3.1 优点

1）减轻了操作者劳动强度。倒角机器人取代了采用角磨机等手动工具的人工倒角方式，可大幅减轻操作者的劳动强度。

2）提高生产安全性。齿轮倒角机器人的应用，降低了操作者与加工设备和工件的直接接触，可有效减少安全事故，提高生产安全性。

3）提高产品加工质量。人工倒角加工精度很大程度上依赖操作工人的经验，其倒角的一致性无法得到有效的控制。倒角机器人自动化加工模式、加工过程实现了标准化，产品的一致性和倒角的加工精度可得到较好的保证，产品质量得以提升。

4）提高了齿轮轴加工的自动化程度。

3.2 缺陷或不足

1）三爪卡盘的兼容有限，不能实现对所有类型齿轮的定位，仍然需要改进或开发新型三爪长盘。

2）关节机器人的结构特点决定了其刚度相对于数控机床低[5]，该方案现阶段选择将其用于齿轮直线段的倒角，取得了较为理想的效果，但对于齿轮的曲面加工效果，仍需要进一步验证。

4 结语

随着中国智能制造以及2025战略的实施，国内劳动力成本的大幅提升，以及改善工人工作强度的迫切要求，劳动强度大而且占用人力多的齿轮倒角加工工艺亟待变革。同时，齿轮行业传统的批量生产模式正逐渐向小批量、多类型的方向发展，基于关节机器人的倒角机器人能够应对大型、多品种、小批量的齿轮倒角，解决现有工艺存在的安全性差、劳动强度大、加工精度差、工件适应能力差的问题，是齿轮加工行业的发展趋势和客观需求。未来齿轮加工将是机器适应工件的时代，是从现有的人工打磨、数控专机等模式向柔性化、智能化方向发展的时代。