牛亭舒 劉顧泉 沈 義 呂亞男

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系 江蘇·蘇州 215100）

1 介紹

齒輪是現(xiàn)代工業(yè)中必不可缺的零件產(chǎn)品，尤其是汽車齒輪，在日益增長(zhǎng)的汽車市場(chǎng)中一般，通過(guò)專業(yè)化生產(chǎn)，根據(jù)汽車機(jī)構(gòu)需求以及制造精度要求，通過(guò)不同齒輪組合，實(shí)現(xiàn)機(jī)械功能。汽車齒輪加工過(guò)程中，在毛坯運(yùn)輸，毛坯上料和成品下料，成品轉(zhuǎn)運(yùn)工作等環(huán)節(jié)需要大量的人工，而且整體工作量大，工作強(qiáng)度高。自從工業(yè)機(jī)器人在全工業(yè)行業(yè)中普及以來(lái)，工業(yè)機(jī)器人大量應(yīng)用在搬運(yùn)、碼垛及裝配過(guò)程中，根據(jù)不同的加工過(guò)程，使用不同的末端執(zhí)行器。在工件加工過(guò)程中的上下料環(huán)節(jié)，不同研究人員設(shè)計(jì)了多種針對(duì)工件上下料的末端執(zhí)行器，如針對(duì)圓軸類零件，設(shè)計(jì)了上下料末端執(zhí)行器并能實(shí)現(xiàn)有效抓取。在此基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目以汽車斜齒輪為例，在斜齒輪毛坯件和成品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工藝要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)了齒輪加工上下料機(jī)器人抓取齒輪的末端執(zhí)行器，提高抓取效率并降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

2 汽車斜齒輪的結(jié)構(gòu)特征及上下料工藝要求

斜齒輪毛坯件和齒輪成品件如圖1所示。毛坯件的外形為圓柱體，高度為20mm，外徑為60mm。斜齒輪成品外徑為54mm，內(nèi)徑為44mm，孔洞直徑為22mm，高度為16mm。斜齒輪毛坯件通過(guò)從傳送帶運(yùn)輸?shù)綌?shù)控機(jī)床前，需要通過(guò)人工或者工業(yè)機(jī)器人將毛坯件放置于機(jī)床中，通過(guò)專屬夾具夾好，加工完畢后，需要人工或者工業(yè)機(jī)器人將成品齒輪取出，放置在成品傳送帶，上下料加工過(guò)程中存在重復(fù)性勞動(dòng)較多，強(qiáng)度大且效率低的問(wèn)題。

圖1：齒輪毛坯表面和齒輪表面

3 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 齒輪上下料機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

根據(jù)齒輪毛坯和成品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和上下料工藝要求，選取六自由度機(jī)器人作為上下料機(jī)器人。機(jī)器人采用固定工位，代替人工完成上下料，通過(guò)末端執(zhí)行器對(duì)傳送帶運(yùn)輸?shù)凝X輪毛坯，由機(jī)器人將齒輪毛坯放置在加工機(jī)床的夾具上，完成上料。加工完成后，再由本體機(jī)器人將成品取出，置于成品傳送帶上。

3.2 末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了避免齒輪毛坯和成品的表面損傷和污染，以及提高抓取效率，根據(jù)齒輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，首先決定了末端執(zhí)行器的類型。對(duì)比加工前后工件可知，毛坯件為圓柱狀，成品件為齒輪狀。若采用夾爪，那么兩個(gè)夾爪尺寸不同，會(huì)增加成本。由于毛坯和成品工件表面均為平面，只需要設(shè)計(jì)一個(gè)吸盤工具，就可以吸取兩種工件。因此，選擇了吸盤工具。

圖2：末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)

一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的吸盤工具主要包括法蘭部件，連接柱、吸盤和各種連接件。常見的吸盤有真空吸盤和磁力吸盤兩種。由于真空吸盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，優(yōu)點(diǎn)較多，在此選用真空吸盤。吸盤的材質(zhì)由工件材質(zhì)、工件結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境來(lái)決定。一般而言，丁腈橡膠吸盤具有良好的耐油耐熱性能，能夠滿足齒輪加工的要求。吸盤的數(shù)量必須能保證吸取的穩(wěn)定性。單個(gè)吸盤不適用于空心齒輪。兩個(gè)吸盤穩(wěn)定性差。由于三角定位穩(wěn)定性好，因此三個(gè)吸盤就可以滿足工作要求。吸盤的直徑取決于齒輪尺寸，根據(jù)計(jì)算，吸盤頭直徑要小于或等于11mm。吸盤定位。吸盤定位中心位置為半徑16.5mm處，呈等邊三角形分布。

吸盤架圓盤分別連接吸盤、連接柱和法蘭。需要兩個(gè)圓盤，其中大圓盤直徑依據(jù)于法蘭尺寸，小圓盤則需要滿足吸盤的安放需求。兩者均使用定位螺絲與其他部件連接。連接柱用來(lái)連接大小吸盤，以及為氣管提供通道。本項(xiàng)目中，連接柱直徑設(shè)置為20mm，高度為60mm。法蘭的選取與機(jī)器人型號(hào)密切相關(guān)。本次設(shè)計(jì)中使用是ABB機(jī)器人模型，法蘭基座和法蘭連接裝置參數(shù)直接使用標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)即可。

4 末端執(zhí)行器仿真分析

根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)成，應(yīng)用CATIA軟件自行建立若干模型（熱成形機(jī)、取料臺(tái)、放件臺(tái)及機(jī)械手底座）。模型按照實(shí)物尺寸進(jìn)行1:1建立，為方便模擬和分析，將模型進(jìn)行模塊化處理。

圖3：模型仿真

圖4：上下料仿真

在準(zhǔn)備好了各部件參數(shù)后，要建模并組裝出設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器。在指定軟件中，從模型庫(kù)中調(diào)用已有的部件模型，輸入?yún)?shù)，進(jìn)行組裝即可。本文選擇了型號(hào)為G-P3-T的丁腈橡膠吸盤。其次，按照前述參數(shù)分別進(jìn)行吸盤參數(shù)設(shè)置、小圓盤參數(shù)設(shè)置、連接柱參數(shù)設(shè)置、大圓盤參數(shù)設(shè)置、法蘭及其他部件參數(shù)設(shè)置。隨后，將各部件進(jìn)行組裝，將模型導(dǎo)出保存。

將前述組裝好的吸盤工具，導(dǎo)入并安裝到機(jī)器人本體。對(duì)吸盤工具吸取搬運(yùn)毛坯和吸取搬運(yùn)成品進(jìn)行分步調(diào)試。對(duì)齒輪加工過(guò)程進(jìn)行全局虛擬仿真運(yùn)行。觀察吸盤工具是否能夠順利得將毛坯件從傳送帶移動(dòng)到機(jī)床中進(jìn)行加工。毛坯加工完畢后，是否能夠?qū)X輪搬運(yùn)到成品區(qū)。通過(guò)虛擬仿真，驗(yàn)證工具功能。

5 結(jié)論

本文針對(duì)生產(chǎn)密集型為主的齒輪加工生產(chǎn)企業(yè)人工上下料效率低及強(qiáng)工作強(qiáng)度高等問(wèn)題，對(duì)齒輪毛坯和齒輪成品的結(jié)構(gòu)和上下料工藝進(jìn)行分析。采用SolidWorks軟件對(duì)齒輪上下料機(jī)器人的末端執(zhí)行器進(jìn)行模型建立與零件裝配。首先對(duì)齒輪原件和成品件進(jìn)行了分析，其次對(duì)關(guān)鍵部分元件選擇與裝配進(jìn)行分析，其中主要包括末端執(zhí)行器的類型選擇，吸盤工具的選擇和參數(shù)設(shè)計(jì)，吸盤工具的建模組裝和仿真驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)斜齒輪加工過(guò)程中工件的上下料問(wèn)題。