0 引言

　　轴齿加工一般采用精车齿坯→滚齿→倒棱倒角→剃齿→热处理→磨削等工艺流程。轴齿的磨削加工通常由多台数控磨床分别完成，其中上下料工作多由人工完成。随着工业机器人技术的发展，简单的人工上下料操作完全可由机器人替代完成。因此，对齿轮轴热后磨削机床配备基于工业机器人的自动化上下料系统，将在很大程度上提高工厂的自动化水平，并能大幅提高工厂的生产效率。设备加工自动化水平的提高对于提高产品质量及稳定性，减少加工环节中的磕碰损伤，完成生产任务的准时性等也均有显著的效果。

　　1 自动上下料系统方案的提出

　　目前，齿轮轴热后磨削生产所用的机床大部分都已经数控化，而数控磨床的操作和上下料工作普遍采用人工来完成。人工操作时，一般每个工人需要同时管理操作多台机床，工人的劳动强度较大。由于人工工作时具有一定的随意性，工件转运过程中常常会有磕碰，产品的质量得不到严格保证，增加了产品的废品率。且随着“用工荒”现象日趋严重，企业招工正变得越来越难，用工成本也在持续增加。随着企业之间竞争愈加激烈，用工成本的增加和生产效率的低下，导致企业在市场竞争中处于劣势地位。因此提高设备的自动化水平已迫在眉睫。

　　由于工业机器人具有高度的准确性、可靠性和一致性，因此，工业上利用机器人作业不但产品质量高而且生产稳定性好，且能有效地降低库存(甚至零库存)从而降低成本;机器人能通宵达旦地工作，生产率很高，再加上机器人具有可编程功能和工作多样性的特点，因而能适应需求多变的市场。基于工业机器人的上述优点，提出了一个使用一台机器人为两台数控磨床进行上下料服务的自动上下料系统方案。

　　2 系统总体设计

　　工业机器人自动上下料系统是指用一台或多台工业机器人，配合周边设备，完成特定工序的上下料和搬运工作。该齿轮轴自动磨削系统主要由工业机器人、可编程控制器(PLC)、人机界面(HMI)、数控磨床、料机和其他周边设备组成。以PLC为控制核心，通过PLC连接、通讯并集中管理，实现机器人在大磨床、小磨床和料机三台设备间的上下料和转运。

　　2.1 系统布置

　　系统主要由磨床A、磨床B、工业机器人、料机及防护栏等组成。大磨床、小磨床和料台呈品字形布置，两台数控磨床面对面摆放，分别负责三个工位的磨削加工，工业机器人摆放在中间位置负责上下料，另外设计专用的料机负责坯料和成品的运进运出。工业机器人末端设有可抓取加工工件的可拆卸式气动手爪。机器人和三台设备的空间布局如图1所示。

　　图1机器人上下料系统空间布局

　　2.2 电气控制系统

　　整个系统一共有两台数控磨床，一台机器人和一台料机共四台执行设备，各台设备的循环动作及监控由控制系统来完成，控制系统根据执行设备的状态来安排协调系统下一步的动作，控制系统的启动停止，非正常停机后的复位，系统更换产品规格的内部调整等等。

　　该系统中PLC作为中央控制系统，接收并处理机床、料机和工业机器人发送来的讯息，控制机床起停和告知机器人执行相应的程序，控制整个系统的工作及循环。PLC接有人机交互面板触摸屏，工人可以通过触摸屏观察系统的工作状态，控制系统的启停等。PLC通过I/O与机床进行通讯，通过Modbus TCP与机器人通讯。图2为控制系统结构关系示意图。

　　图2控制系统结构关系示意图

　　2.3 系统工作流程

　　齿轮轴坯料摆放在料盒里，由料机运送到指定的位置，料机通过接近开关、气缸、气动手爪等检测料盒位置和定位。料盒定位好以后，工业机器人从料盒中取料。此时磨床上并没有待加工坯料，因此工业机器人要先取一个齿轮轴放到磨床A上加工，然后再从料盒里取一个齿轮轴。等待磨床A加工完成以后，卸下磨床A上加工完成的齿轮轴，并将从料盒中取的齿轮轴放到磨床A上加工，然后将磨床A上卸下的齿轮轴放到磨床B上加工。这个过程中，通过机器人末端执行器的两个机械手爪同时工作，完成磨床A的上下料。这两次取料的过程与接下来的重复循环取放料是不同的，要单独执行动作指令。机器人再次从料盒取料，放到磨床A上加工，然后等待加工完成后，取下工件放到磨床B上加工，磨床B加工完以后，取下工件放到料盒里，同时取出待加工件，如此循环动作。待加工完一整盒坯料以后，料机动作，把已完成的料盒通过下层输送带运送出来，同时把下一个料盒定位在指定位置，然后循环进行。

　　整个系统输入为热处理后的精车齿轮轴，输出为磨削完成的齿轮轴，系统正常工作过程中完全自动化，可实现整个系统的长时间无人化操作。

　　图3为齿轮轴自动磨削系统的工作流程图，机器人、两台数控磨床、料机按生产线的生产节拍相互配合完成工作。

　　图3 自动磨削系统工作流程图

　　3 工业机器人末端执行器设计

　　末端执行器即机器人的手，是工业机器人用于抓取和握紧(吸附)喷枪、焊具、扳手、喷头等专用工具并进行操作的部件。它安装于机器人的手臂的前端具有模仿人手动作的功能。

　　3.1 末端执行器形式选择

　　由于被抓取工件的形状、尺寸、材质、重量、表面状态等各不相同，工业机器人的末端执行器是多种多样的，大致可以分为夹钳式取料手、吸附式取料手、专用操作器及转换器和仿生多指灵巧手等几种。

　　夹钳式取料手即抓手，与人手相似，是工业机器人上应用较广泛的一种形式。它一般由手指(手爪)和驱动机构、传动机构及连接与支承元件组成，并能通过手爪的开闭动作实现对物体的夹持。抓手有很多种，常用的抓手有二指抓手和三指抓手，抓手手指的运动方式又可分为平动和张角两类。

　　本系统针对的工件是齿轮轴，属于轴类零件，因此只需二指或三指平动抓手即可实现抓取动作。

　　3.2 机械手爪的设计

　　手爪包括手爪基座和手爪基座上设置的两副两指平动机械手、一副三指平动机械手，手爪部分详图如图4所示。两指平动机械手一个抓取装夹工件，另一个可卸下已加工工件，使机器人单次动作即可完成上料和下料两道工序。

　　图4机器人手爪部分详图

　　由于齿轮轴(如图6)竖直摆放在料盒(如图5)中，直接夹取上端上下料会阻碍机床的顶尖，无法正常上下料。因此在料机上设置一料台(如图6)，安装在料机侧面。由三指平动机械手(图4中的3号手爪)完成坯料从料盒到料台的转移。

　　图5料盒

　　图6齿轮轴在料台上的安放图

　　手爪可实现夹紧、松开两种状态的自由切换。手指安装在两指或三指平动的气爪上，气爪动作由一个双作用气缸带动楔型机构来实现。气缸活塞运行到下部，手指夹紧，气缸活塞运行到上部，手指张开到最大，松开工件。每个气缸的外壳插入两个磁性开关，用来反馈手爪的夹紧或松开状态。

　　为了便于描述，把三个手爪标号为l号手爪、2号手爪、3号手爪。三个手爪安装在过渡块上，过渡块固定在工业机器人的末端。当机器人服务于机床时，3号手爪用于从料盒到料台的取放料，1号和2号手爪中的一只带有毛坯、另一只为空。机器人到达机床的指定位置后，首先，空的手爪取出机床上已磨削完成的工件，然后，机器人稍微退出到安全空间，翻转，带有毛坯的手爪接近机床夹具，将毛坯摆放到机床夹具上，松开工件，退出。此时机器人的两只手爪上分别一只为空，另一只抓着该机床已经加工完成的工件，机器人再到另一台机床为其上下料。图7为机器人手爪工作流程图。

　　图7机器人手爪工作流程图

　　采用这种双手爪上下料的形式，可以最大程度地减少机床等待时间，缩短了机器人的工作路径，减少了机床辅助时间，提高了机床的利用率。为了满足对不同规格产品的加工需求，手爪与机器人连接部分经特殊设计，机械部分、气动部分、电气部分均可自如地断开、更换，满足使用过程中换产快速化的需求。

　　4 工业机器人的设计

　　目前，世界上工业机器人技术日趋成熟，相继形成了一批具有影响力的、著名的工业机器人公司，包括ABB、Staubli、FANUC、Yaskawa、KUKA等。每个公司所生产的机器人又有不同的型号，各个不同型号的机器人的特点、性能、使用场合和编程方式等也有所区别。因此，要根据所设计系统的总体要求来选用机器人，在满足系统要求的情况下，也要适当

　　考虑设计者对不同机器人的熟悉程度，以减少系统的开发难度和成本。

　　4.1 工业机器人的选型

　　本次设计中需要机器人具有柔性好、运动灵活、能完成较复杂的运动等特点，且要求机器人的抓取重量、<7kg、工作行程≥900mm。本设计中选择史陶比尔TX90工业机器人(如图8)，其基本参数如表1所示，由表1可以看出该机器人完全可以满足使用要求。并且该机器人生产率高(高速度、高精度)，具有良好的人机界面，易于编程。

　　4.2 工业机器人程序的设计

　　史陶比尔工业机器人使用专用的VAL3语言编程，VAL3编程语言与VB、C语言结构相似，采用模块化的方法。用户可以使用VAI_3语言创建和编辑各种程序，可以对工业机器人进行逻辑、运动、通信以及I/O控制等。

　　设计的料盒要求齿轮轴按5排10列的顺序摆放，两排之间间隔34mmm，两列之间间隔33mm。为了实现所要求的上下料过程，编制了工业机器人的运动程序。图9为主程序的流程图。

　　图9主程序流程图

　　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()指令实现料盒中50个齿轮轴不同位置的偏移。其中pHome为设置的机器人工作原点，pPickOrigin为示教的第一个取料点，pPick为50个齿轮轴偏置后的取料点。

　　5 结束语

　　本文以齿轮轴热后磨削生产现状为背景，在分析齿轮轴磨削的工艺流程及控制需求的基础上，提出了基于工业机器人的齿轮轴磨削自动化系统的具体方案和解决办法。开发的基于工业机器人的自动化系统，已经在某齿轮加工企业中得到应用。生产线改造之前，上下料需要人工来完成，每台机床的上下料由一个人负责，耗费了大量的人力。生产线改造以后，只需一个人即可看管多条生产线，大大减少了企业的用工成本，提高了工厂自动化程度和生产效率。现场调试运行表明，所设计的自动化上下料系统达到了预期的功能要求，具有较好的可靠性和实用性，满足了现场生产的要求，提高了设备生产率和设备利用率，避免了工件转运的磕碰，产品质量及稳定性得到大幅提高。