汽车主轴带轮轴机器人打磨技术研究及应用

余稳胜，段海峰，黄凌森，柯世金

(广州城市理工学院机械工程学院，广东广州 510800)

0 前言

目前国内大部分工厂，包括一些大型的机加工制造公司，对一些机加工典型零件进行去毛刺、打磨抛光加工作业时，采用的是手工或者使用手持气动、电动工具进行打磨、研磨、锉等方式。这些操作方法容易导致产品不良率上升、效率低、加工后的产品表面粗糙不均匀等问题，且随着人工成本的增加，人工去毛刺的成本已经不再低廉，所以一部分厂家开始尝试使用机器人对零件进行去毛刺处理，以达到降低成本、提高效率的目的。

1 CTF25主轴带轮轴机器人打磨整体规划

以汽车零部件CTF25主轴带轮轴为例，经过精加工后，CTF25主轴带轮轴需要进行去毛刺、打磨清理，以保证其装配精度。其去毛刺、打磨工艺特性如图1所示。毛刺清理、打磨需要完成主动轮的球道轮廓边缘、36个齿侧、 D6孔底的毛刺清理以及深孔内的铁屑去除，实现机加工位置表面粗糙度大于3.2 μm，达到目视无毛刺，用手抚摸无台阶、不扎手以及深孔内无铁屑残留的去毛刺标准。

图1 CTF25主轴带轮轴打磨工艺特性

1.1 CTF25主轴带轮轴机器人打磨系统组成及工艺流程

根据汽车零部件CTF25主轴带轮轴的去毛刺、打磨要求以及机器人打磨工艺需求，整个打磨过程有3个工艺流程，如图2所示。具体分别为

图2 CTF25主轴带轮轴机器人打磨工艺流程

(1)采用底孔去毛刺刀进行D6相贯孔孔底毛刺清理；

(2)采用主轴带轮轴夹具孔定位销钉对CTF25主轴带轮轴的深孔吹气，吹走深孔内残留的铁屑；

(3)采用三刃球形锥度刀进行球道轮廓边缘和36个齿侧的毛刺清理。

1.2 机器人打磨整体方案设计

汽车零部件CTF25主轴带轮轴机器人打磨系统整体设计方案如图3所示。打磨设备主要由六大部分组成：设备本体机架及机器人底座、断刀检测及吹屑装置、六轴多关节机器人、浮动主轴、控制电箱、主轴带轮轴夹具。

图3 机器人打磨设备整体设计方案

设备本体机架及机器人底座为整套装置的基体，控制电箱负责整套装置的控制，这里不作分析。CTF25主轴带轮轴打磨工艺需要2种不同的打磨方式，即需要同时安装底孔去毛刺刀和三刃球形锥度刀，故此系统选用双头的浮动主轴，安装在六轴多关节机器人手爪末端，并根据需要旋转浮动主轴，选择合适的刀具对CTF25主轴带轮轴进行不同工序的打磨清理。断刀检测及吹屑装置负责对安装在浮动主轴上的刀具进行断刀检测，并根据检测结果判断断刀报警或吹去刀具上的切屑。主轴带轮轴夹具负责配合打磨机器人对汽车零部件CTF25主轴带轮轴进行装夹定位，并实现去毛刺过程中主轴带轮轴的上下移，球道轮廓边缘和D6相贯孔孔底毛刺清理时的位置定位，36个齿侧毛刺清理时的旋转分度和定位以及对CTF25主轴带轮轴的深孔吹气，以吹走深孔内残留的铁屑。

2 主轴带轮轴夹具结构及工作原理

主轴带轮轴机器人打磨工艺需要机器人完成3个流程，而这个过程需要对主轴带轮轴进行相应的装夹和位置定位，以便机器人带动刀具对相应位置进行打磨。据此,设计主轴带轮轴夹具如图4所示。

图4 CTF25主轴带轮轴夹具设计方案

该夹具由定位销、V形支撑定位块、气缸、导轨副、轴承座、同步轮、同步带、伺服电机等组成。采用多个气缸驱动，通过导轨副完成左顶紧销和齿轮定位圈的滑动定位。初始装夹时，采用V形定位块放置主轴带轮轴的细轴部分，再由左、右顶紧销进行两端固定，当V形定位块在V形块顶升气缸作用下下移后，主轴带轮轴可以在伺服电机和同步轮作用下旋转，从而实现36个齿侧毛刺清理时主轴带轮轴的旋转分度和定位。

工件齿轮定位方法：当齿轮定位圈气缸伸出，伺服电机带动工件缓慢旋转，直至齿轮定位块与工件齿吻合；当伺服电机旋转到两个吻合的位置时，齿轮定位圈气缸即可伸到底，气缸磁感开关输出齿轮定位完成信号，机器人即可开始打磨齿轮边缘。

孔定位销钉可以在孔定位气缸作用下伸入和撤出D6相贯孔。因此，在安装主轴带轮轴时，可以先将孔定位销钉部分伸入工件孔中，完成初始定位，工作时再撤回孔定位销钉，并以该初始定位为标准，旋转主轴带轮轴，将主轴带轮轴上球道轮廓边缘旋转到最上端，实现机器人打磨球道轮廓边缘和D6相贯孔孔底。

另外，孔定位销钉内设计为中空，可以作为气嘴进行吹气。完成D6相贯孔孔底的毛刺清理后，可将孔定位销钉伸入主轴带轮轴的D6相贯孔内吹气，以将主轴带轮轴深孔里的铁屑吹出。CTF25主轴带轮轴夹具实物如图5所示。

图5 CTF25主轴带轮轴夹具实物

3 机器人打磨工艺细节设计

3.1 机器人、浮动主轴选型及整套装置实物

根据整套打磨系统的设计方案、打磨工艺以及CTF25主轴带轮轴夹具设计方案，设计机器人打磨设备实物如图6所示。机器人选用那智7 kg六轴机器人(型号为MZ07)，采用双浮动主轴、双刀具，分别用于去除工件球道轮廓边缘、36个齿侧及D6相贯孔孔底存在的毛刺。浮动主轴选择日本太威的AF30，其速度高，可自适应产品公差，主轴可在轴向360°内任意偏摆，方便打磨刀具以任意角度打磨CTF25主轴带轮轴，极大地降低机器人示教和编程难度，以提高工作效率。

图6 CTF25主轴带轮轴的机器人打磨设备

3.2 CTF25主轴带轮轴的机器人打磨设备打磨工艺细节设计

分析CTF25主轴带轮轴的机器人打磨工艺、主轴带轮轴夹具和整套机器人打磨设备的结构原理，设计打磨工艺如图7所示。整套方案需要主轴带轮轴夹具和机器人相互配合完成，机器人去毛刺工艺可以分为调整定位、去除工件孔底毛刺 、吹出深孔内铁屑、去除球道轮廓边缘毛刺、去除工件齿轮毛刺5个工序。

图7 CTF25主轴带轮轴的机器人打磨工艺流程

打磨前需要操作员将CTF25主轴带轮轴放入主轴带轮轴夹具的V形支撑块上，将主轴带轮轴一端靠紧伺服端顶紧销钉(右顶紧销)，转动工件，手动将孔定位销钉插入工件孔内；操作员关上安全门，踩脚踏开关，感应器感应工件到位，设备启动、夹具左顶销钉气缸伸出，将左销钉伸入主轴带轮轴左端孔内，顶紧主轴带轮轴(以右边伺服端为基准)，孔定位销钉气缸缩回，孔定位销钉离开工件，V形块顶升气缸缩回，V形块离开工件，完成调整定位工序；与此同时，机器人移动至断刀检查及刀具切削清洁处，检测刀具是否断刀，如发现刀具有问题，及时报警，暂停所有动作，如刀具正常，则将刀具上的毛刺吹除，将底孔去毛刺刀转入工作位，等待进行下一个工序。

主轴带轮轴完成调整定位且机器人刀具检测合格后，打磨刀具开始旋转(选用初始转速为8 000 r/min，机器人移动到D6相贯孔处，按照机器人工作程序驱动去毛刺刀具去除工件孔底毛刺，完成去除工件孔底毛刺。

CTF25主轴带轮轴加工深孔时容易产生铣削铁屑残留，去除工件孔底毛刺时，也会产生毛刺铁屑，故还需吹出深孔内铁屑，即去除工件孔底毛刺后，孔定位销钉伸入工件孔中，通过吹气将工件内铁屑吹出，与此同时，机器人完成浮动主轴旋转换刀，换为三刃球形锥度刀，等待进行下一个工序。

孔定位销钉气缸缩回，三刃球形锥度刀按照规划路径开始铣削去除球道轮廓边缘毛刺。完成后，齿轮定位圈气缸伸出，伺服电机带动工件缓慢旋转直至工件齿轮与齿轮定位块咬合，工件齿轮定位完成，齿轮定位圈气缸缩回，机器人移动，打磨工件齿轮齿侧毛刺。每当机器人完成一个工件齿轮齿侧的毛刺去除，机器人上移，伺服电机带动工件旋转10°，机器人继续打磨，直至完成36个工件齿轮齿侧的打磨工作。

打磨完成后， V形块顶升气缸升出，左顶销钉，气缸缩回，工件落至V形块上。机器人移至初始位置，安全门气缸缩回，安全门打开，操作员将加工好的工件取出后，再放入未加工工件，重复上述动作，直至完成生产任务。

3.3 机器人动作程序设计

整套机器人打磨系统需要机器人相继完成移动、刀具检测、浮动主轴换刀旋转、刀具启动和暂停以及高速打磨等工作，机器人需要按照一定的工作路径工作，工作路径规划如图8所示。打磨机器人主要在4个部位工作，其中点为机器人工作原点，在断刀检测完毕并吹去打磨刀具上的切屑后，机器人末端带动双浮动主轴旋转定位，保证打磨刀具与主轴带轮轴轴向垂直；然后，机器人末端移至点(D6相贯孔处上方)，在机器人带动下，打磨刀具缓慢进给，上下打磨，去除D6相贯孔内的毛刺；接着，机器人末端上移至安全高度，旋转换刀后，下移至点(球道轮廓边缘处)，沿着轴向球道轮廓边缘处进行左右打磨；最后，再移动至主轴带轮轴齿轮上方点，等待主轴带轮轴分度旋转，每旋转一次，打磨齿侧一次，直至完成36个齿侧的打磨，机器人再回到工作原点，等待下一个主轴带轮轴的打磨。

图8 打磨机器人工作路径规划

结合CTF25主轴带轮轴夹具的相关动作以及打磨机器人工作路径规划，编辑机器人工作的程序。主体程序如下：

NOP

CALL JOB:HOME

DOUT OT#(10) ON //OUT10加工中

CALL JOB:DAOJIAN //调用检刀子程序，检测刀具有没断刀

WAIT IN#(13)=ON //IN13-等待启动允许

MOVJ C00000 VJ=60.00

DOUT OT#(12) ON //OUT12-启动打磨头2

′POS1 KONG1 //加工孔1

DOUT OGH#(4) 1 //给定伺服位置1

TIMER T=0.200

DOUT OT#(19) ON //OUT19-启动伺服旋转

MOVJ C00001 VJ=60.00

WAIT IN#(15)=ON //IN15-等待伺服旋转到位

DOUT OT#(19) OFF //OUT19-关闭伺服旋转

CALL JOB:TY1-KONG //调用加工孔程序

……

′POS5 HOME&GEAR1

DOUT OGH#(4) 5 //给定伺服位置5

TIMER T=0.200

DOUT OT#(19) ON //OUT19-启动伺服旋转

MOVJ C00011 VJ=60.00

MOVJ C00012 VJ=60.00

WAIT IN#(15)=ON //IN15-等待伺服旋转到位

DOUT OT#(19) OFF //OUT19-关闭伺服旋转

CALL JOB:TY1-KONG //调用加工孔程序

3.4 机器人打磨系统的浮动主轴转速设定及相应参数化补偿

机器人打磨系统选用的是双浮动主轴，采用双刀具打磨方法，其打磨工艺、夹具设计以及机器人动作已在前面进行阐述。随着不断地进行打磨，刀具会不断地磨损，从而造成打磨精度的下降，故需要进行相应的打磨补偿。

采用机器人动作直接补偿较为麻烦，且由于浮动主轴的特殊性，浮动刀具和工件是柔性接触，浮动主轴转速的变化会影响刀具的伸长量，即在一定范围内浮动将会对轴向进行一定量的补偿。由此，可以通过调整浮动主轴转速来实现打磨工艺补偿。具体方法：通过PLC与is485通信,实现浮动主轴转速的监控和调整，频率的设定。

主轴转速通过变频器的频率设定；根据实验找到最优起始频率、最终频率和递增频率。经过多次实验，发现转速为8 000～10 000 r/min时可以得到较好的打磨质量，且每打磨一次，打磨刀具会产生约0.001 mm的磨损，而转速每增加4 r/min，浮动主轴可以增加0.001 mm的伸长量。根据这些特性，设置浮动主轴轴向补偿参数如表1所示。设置其初始转速为8 000 r/min，每打磨一次，转速加4 r/min，实现补偿尺寸0.001 mm，满足打磨刀具打磨一次的磨损量，当其达到最大转速10 000 r/min时，也就是打磨500个零件后，设备铃声提醒更换刀具，刀具更换完成后，再从8 000 r/min重新记录。

表1 浮动主轴轴向补偿参数(补偿尺寸为0.001 mm)

4 结语

根据汽车零部件CTF25主轴带轮轴打磨工艺特性，提出了机器人打磨方案，设计了一套机器人打磨设备。该设备采用双浮动主轴及双刀具，可实现打磨过程中自动换刀；配合专门设计的主轴带轮轴夹具，相对应地完成去除工件球道轮廓边缘、36个齿侧及D6相贯孔孔底存在的毛刺。编辑了机器人路径及控制程序，保证机器人按顺序完成移动、刀具检测、浮动主轴换刀旋转、刀具启动和暂停以及吹气等，以实现汽车零部件CTF25主轴带轮轴的打磨任务，降低人工成本，保证加工品质一致性，提高整体生产效率，改善工作环境。