采用关节机器人的齿轮机床自动上料对齿方法的研究.pdf

第 3 期 2 0 1 3年 3月 机 械 设 计与 制造 Ma c hi n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 63 采用关节机器人的齿轮机床 自动上料对齿方法的研究 曹斌 ， 秦磊 ， 汪军 1 ． 合肥工业大学 工业培训中心， 安徽 合肥2 3 0 6 0 1 ； 2 ． △肥工业大学 机械与汽车工程学院， 安徽 合肥2 3 0 0 0 9 ； 3 ． 杭州英纳福 自动化工程有限公 司， 浙江 杭州3 1 0 0 1 8 摘要 通过 分析 目前齿轮加 工过程 中的剃齿 、 珩齿等工序 的上料对齿方法， 提 出了一种采 用关节机器人实现齿轮机床 自动上料对齿的方法。由上料手爪夹持着待加工齿轮 ， 通过上料手爪相对加工刀具折线型来回摆动接近， 使待加工齿轮 与加工刀具触碰， 在触碰中获得法向分力产生自转， 从而将待加工齿轮和加工刀具逐步调整为可啮合状态。在加工过程 中， 系统将根据产品参数 自动生成合适的动作路径， 满足对齿要求。 关键词 关节机器人； 齿轮机床 ； 上料对齿； 触碰 、 中图分类号 T H1 6 ； T P 2 4 2 ； T G 6 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 3 0 3 0 0 6 3 0 3 Re s e a r c h o f Au t o ma t i c F e e d i n g a n d To o t h i n g Me t h o d o n Ge a r Ma c h i n e wi t h a J o i n t Ro b o t C A 0 B i n ， Q I N L e i ， WA N G J u n 1 ．I n d u s t r i a l T r a i n i n g C e n t e r ，He f e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，A n h u i H e f e i 2 3 0 6 0 1 ，C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d Au t o mo t i v e En g i n e e r i n g ， He f e i Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y， An h u i He f e i 2 3 0 0 0 9 ， C h i n a ； 3 ． Ha n g z h o u I NF A u t o ma t i o n E n g i n e e r i n g C o ． ， L t d ， Z h i a n g H a n g z h o u 3 1 0 0 1 8 ， C h i n a A b s t r a c t B y a n a l y z i n g t h e p r e s e n t f e e d i n g a n d t o o t h i n g m e t h o d o f g e a r s h a v i n g a n d gear h o n i n g o p e r a t i o n s i n t h e gear p r o c e s s i n g ． i t p u t s f o r w a r d帆 a u t o m a t i c f e e d i n g a n d t o o t h i n g me t h o d o n g e ar m a c h i n e ． w h i c h i s ach ie v e d b y a j o i n t r o b o t ． T h e f e e d i n g g r ip p e r c l a m p s t h e g e art o b e p r o c e s s e d a n d s w i n g s b ack a n d for t h d ang t h e b r o k e n l i n e ． T h e gear t o b e p r o c e s s e d i s g e t t i n g c l o s e r t o t h e c u t t i n g t o o l u n t i l t h e y c o l l i d e a n d get a n o r m a l f o r c e f r o m t h e c o l l i s i o n t o r o t a t e ． G r a d u a l l y ， t h e y adj t t h e ms e l v e s t o a me s h i n g s t ate ． I n t h e p r o c e s s i n g，t h e s y s t e m wi l l a u t o ma t i c all y ge ne r ate t h e a p pr o p r i a t e a c t ion p ath b a s e d o n p r o d u c t p ara me t e r s t o me e t t h e t o o t h i n g r e q u i r e me n t s ． Ke y Wo r d s J o i n t Ro b o t ；Ge a r Ma c h i n e ；F e e d i n g a n d To o t h i n g ； Co l l i s i o n 1引言 用展成法加工齿轮时，一般需要滚齿一剃齿一珩齿等加工 工序 。 齿轮工件在滚齿后， 齿形已经加工出来， 在后续工序上料 时， 工件的齿形需要与加工刀具的齿形相啮合， 即齿顶对齿槽。 只 有这样， 刀具才能切入到工件齿形上， 对工件进行正确加工。 在后 续的加工中， 上料对齿工作多由人工完成 ， 对工人操作水平有较 高的要求， 对齿时需要安装辅助工装， 工作效率较低 ， 且因人工工 作的随意陛， 产品的质量得不到保证。 随着机器人技术的发展，上料对齿工作完全可由机器人替 代完成， 且对齿快速、 稳定。 因此设计了采用关节机器人的自动上 料对齿方法， 此方法的关键技术是齿轮对齿路径的设计和齿轮位 置的自动调整， 以使工件快速、 稳定的进入到正确的啮合状态。 2常用的上料对齿方法 2 ． 1人工上料对齿 齿形加工过程中，齿轮机床的上料对齿工作普遍采用人工 来完成。上料的对齿工作对工人操作水平有较高的要求， 对齿时 需要安装辅助工装， 工作效率较低。 人工操作时， 由于劳动强度较 高 、 生产环境较恶劣和人工工作的随意性， 导致产品产量和质量 得不到保证 。 2 ． 2单机自动化上料对齿 目前，部分进口设备和国产的新机床配备了简单直线结构 可实现单机的短时间自动化生产 ， 直线机构完成工件从料盘到夹 具的上下料工作， 后两道工序的对齿工作需要由机床完成 ， 机床 刀具主轴需为伺服主轴， 对机床要求较高， 增加了机床成本 ， 另外 系统柔性不好， 在工件品种更换时耗时耗力。该种方案适用于新 购机床， 若是对已有机床做设备改造 ， 难度较大， 成本较高。 3自动上料对齿 3 ． 1对齿原理 自动上料对齿采用关节机器人实现上料对齿。上料装置安 装在关节机器人上， 其可预先调整好运行轨迹目 。 上料装置将待加 来稿 日期 2 0 1 2 - 0 5 1 5 作者简介 曹斌， 1 9 7 4 一 ， 男， 安徽安庆， 工程师， 硕士， 主要研究方向 数控技术、 系统集成设计 No ． 3 Ma r ． 2 0 1 3 机械 设 计 与制造 6 5 4上料对齿过程设计 4 ． 1上料对齿总体过程 上料装置夹持待加工齿轮向刀具移动， 进入对齿区域后， 待 加工齿轮齿形与刀具齿形平行， 待加工齿轮在上料装置中可沿齿 轮轴心转动， 上料装置相对刀具来回摆动地向刀具靠近， 直至待 加工齿轮进入加工位置。 4 ． 2对齿路径设计 为提高对正的效率，上料装置相对刀具来回摆动的轨迹为 折线型轨迹 ， 折线型轨迹由若干段“ 之” 字轨迹连接而成； 相邻段 的“ 之” 字轨迹依次连接， 或者由直线段过渡连接， 该直线段大体 处于待加工齿轮与刀具的中心连线上。这种运行轨迹， 在保证较 快的运行速度的同时， 还可取得较好的对正效果。齿数4 6 、 法向 模数 1 ． 5 5 、 压力角 1 7 ． 5 。 、 螺旋角 3 4 ． 5 。 的齿轮的对齿路径 ， 如图4 所示。 f 图 4对齿路径示意图 F i g ．4 S c h e ma t i c Di a g r a m o f T o o t h i n g P a t h 由于待加工齿轮的规格的差异性较大 。 每段“ 之” 字轨迹由 若干个分段构成， 每个分段的线型为直线或曲线。可根据具体的 齿轮规格以及不同的上料装置的执行机构，选择直线或曲线轨 迹， 以求最大的运行效率。 在具体实现过程中， 按照工件参数的不同， 系统根据产品参 数自动生成合适的动作路径， 可满足对齿要求。 4 ． 3对齿区域的选择 为提高上料的动作速度， 需要控制适当的对正操作时间。 对 齿区域是以刀具 回转 中心为圆点 、 刀具的最大半径加上一个齿高 的距离为半径的扇形区域， 如图5所示。区域既保留了对正运动 的空间 ， 又可减少因空间过大而产生的无效对正动作 ， 从而提高 整个上料操作 的速度 。 刀具齿顶 圆半径 图 5对齿区域 F i g ．5 To o t h i n g A r e a 5齿轮位置的调整方法 待加工齿轮的调整是通过其 自转得到的。在自转中， 齿轮重 心易在切向分力的作用下产生移动而偏离在上料装置上的原始 位置。 上料装置相对于刀具摆动时， 待加工齿轮处于刀具的下方， 这种情况下， 可较好地利用齿轮的重力 ， 使齿轮自转时， 其重心易 于保持在上料装置上的原始位置， 便于在达到加工位置时实施装 夹。 待加工齿轮的自转动力， 来自于齿轮与刀具齿的触碰。 随着 齿轮与刀具的接近， 两者相对可摆动空间逐渐缩小， 为避免两者 发生过多的齿问碰撞， 上料装置向刀具靠近过程中， 相对刀具摆 动的摆幅逐步缩小， 其中最大的摆幅不小于齿顶的厚度之半。这 样可保证齿轮和刀具的齿顶面相对时， 也可通过齿轮的自转将两 者齿顶错开。 6结束语 通过分析目前齿轮加工中剃齿、珩齿等工序的上料对齿方 法， 并结合工业机器人在工业生产中的应用， 提出了适用于剃齿 机、 珩齿机等齿轮加工机床的 自动上料对齿方法， 通过上料手爪 相对加工刀具折线型来回摆动接近， 使待加工齿轮在触碰中获 得法向分力产生 自转，从而将待加工件和刀具逐步调整为可啮 合状态。 开发的适用于齿轮机床的自动上料对齿方法， 已在某齿轮 加工企业中得到应用， 大大提高了企业的自动化生产程度与生产 效率。今后， 还准备将此方法应用于其他齿轮加工机床， 如磨齿 机、 倒棱倒角机等。 参考文献 [ 1 ] 李春玮．齿轮加工工艺分析[ J ] ．机械管理开发 ， 2 0 1 1 2 3 6 4 1 ． L i C h u n - 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l a n ． T h e d e s i g n o f t h e c o n t r o l c i r c u i t r y f o r a n u n i v e r s a l p n e u m a t i c ma n i p u l a t o r l J j ． Ma c h i n e T o o l Hy d r a u l i c s ， 2 0 0 6 9 1 6 6 1 6 7 ． [ 6 ] 吴振彪． 工业机器人[ M] ． 武汉 华中科技大学出版社， 1 9 9 7 ． Wu Z h e n b i a o ． I n d u s t r i a l R o b o t[ M] ． Wu h a n Hu a z h o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y P r e s s ， 1 9 9 7 ． [ 7 ] 刘文波 ， 陈白宁， 段智敏． 工业机器人[ M] ． 沈阳 东北大学出版社 ， 2 0 0 7 ． L i u We n b o ，C h e n B a i n i n g ， Du a n Z h i m i n ． I n d u s t r i a l R o b o t [ M] ． S h e n y a n g N o r t h e a s t e r n U n i v e r s i t y P r e s s ， 2 0 0 7 ． [ 8 ] 史陶比尔 杭州 精密机械电子有限公司． 手臂 T X - 9 0 系列使用手册 [ z ] 航 州 史陶比尔 杭州 精密机械电子有限公司， 2 0 1 1 ． S t u b l i Ha n g z h o u P r e c i s i o nMa c h i n e ryE l e c t r o n i c s C o ． ， L t d ． Ar m T 一 9 0 S e r i e s U s e r ’ S Ma n u a l l Z J ． Ha n g z h o u S t u b l i H a n g z h o u P r e c i s i o n Ma c h i n e r yE l e c t r o n i c s C 0 ． ， L t d ． 2 0 1 1 ．