王　珺

(寧夏巨能機器人系統(tǒng)有限公司，寧夏 銀川 750021)

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汽車變速箱齒輪、輸入軸、輸出軸桁架機械手自動線應(yīng)用開發(fā)

王珺

(寧夏巨能機器人系統(tǒng)有限公司，寧夏 銀川 750021)

圍繞汽車變速箱齒輪、輸入輸出軸制造行業(yè)車削加工需要解決的自動化問題，建立包括主機設(shè)備、機械手自動上下料系統(tǒng)、物流傳輸系統(tǒng)、信息化生產(chǎn)管理系統(tǒng)為一體的自動生產(chǎn)線。為了解決斜齒輪在整個工序加工過程中，需要旋轉(zhuǎn)一定角度上料，創(chuàng)新設(shè)計了特殊機構(gòu)，實現(xiàn)斜齒輪的自動上下料需求。

汽車；變速箱；齒輪；輸入軸；輸出軸；車削加工；桁架機械手；自動生產(chǎn)線

(Ningxia JuNeng Robot System Co., Ltd., Yinchuan 750021, CHN)

結(jié)合目前汽車制造業(yè)的高速發(fā)展，隨著企業(yè)用工成本上升及產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的要求，單純的設(shè)備性能的提高，為提高生產(chǎn)效率所帶來的貢獻是非常有限的。只有制造模式和管理模式的變革，才能讓生產(chǎn)效率得到飛躍式的提高。集自動化、柔性化和智能化于一身的制造模式將是今后制造業(yè)發(fā)展的大趨勢。

本文介紹的自動生產(chǎn)線是由高精度數(shù)控車床、高精度雙主軸數(shù)控車床、精密滾齒機、桁架自動機械手上下料、工件姿態(tài)調(diào)整裝置、物流系統(tǒng)、檢測裝置等組成。整條線的齒輪、輸入輸出軸工序內(nèi)容分為：熱處理前精車、滾齒、熱處理后精車三道工序，均采用桁架機械手進行自動上下料加工。生產(chǎn)線附加信息化生產(chǎn)管理系統(tǒng)與智能化監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)立總控室，具有生產(chǎn)任務(wù)管理支持、質(zhì)量信息采集與分析監(jiān)控、生產(chǎn)線裝備運行狀態(tài)監(jiān)控及快速處理等功能，實現(xiàn)了設(shè)備互聯(lián)與集中控制，為創(chuàng)建數(shù)字化工廠打下了堅實的基礎(chǔ)。

1　技術(shù)方案設(shè)計

1.1基本信息

該自動化生產(chǎn)線加工工件為汽車變速箱齒輪、輸入輸出軸(見圖1)，生產(chǎn)線要求兼容3種齒輪、兩種輸入軸、兩種輸出軸，設(shè)計生產(chǎn)能力為：年產(chǎn)汽車變速箱齒輪、輸入輸出軸12萬套(以每班次7 h、每天3班、每月22天計算)。自動生產(chǎn)線平均無故障運行時間(MTBF)1 000 h以上。

3種齒輪最長加工節(jié)拍包括裝夾時間共計130 s，4種軸最長加工節(jié)拍包括裝夾時間共計150 s。

1.2工藝方案

按照自動生產(chǎn)線要求：集成精車、滾齒各工序加工，兼容3種不同規(guī)格的變速箱齒輪，4種不同規(guī)格的輸入輸出軸，同時考慮實現(xiàn)長時間無人化運轉(zhuǎn)，整個生產(chǎn)線在配置車床、滾齒機的基礎(chǔ)上，增加集輸送、翻轉(zhuǎn)、抽檢于一體的自動物流系統(tǒng)，工件的轉(zhuǎn)序使用桁架機械手進行上下料。

根據(jù)大批量加工要求，制定如下加工工藝。

變速箱齒輪加工工藝流程(采用OP10、OP30高精度雙主軸數(shù)控車床、OP20滾齒機)：

熱處理前工序：OP10車床1#主軸(后拉卡盤)夾持外圓——半精車內(nèi)孔、右端面——精車內(nèi)孔、右端面——OP10車床2#主軸(后拉/漲套卡盤)夾持內(nèi)孔——半精車外圓、左端面——精車外圓、左端面——OP20滾齒機夾持內(nèi)孔——精密滾齒(完成后人工轉(zhuǎn)熱處理車間)。

熱處理后工序：OP30車床1#主軸(節(jié)圓卡盤)夾持外圓——精車內(nèi)孔、右端面——OP30車床2#主軸(后拉/漲套卡盤)夾持內(nèi)孔——精車左端面。

變速箱輸入軸加工工藝流程(采用帶伺服尾座的OP10、OP20、OP30高精度數(shù)控車床)：

熱處理前工序：OP10車床尾座頂緊工件、主軸(后拉卡盤)夾持外圓——半精車一側(cè)外圓、端面、各檔槽——精車外圓、右端面、各檔槽——OP20車床尾座頂緊工件、主軸(后拉卡盤)夾持外圓——半精車另一側(cè)外圓、端面、各檔槽——精車另一側(cè)外圓、端面、各檔槽——精密滾齒(完成后人工轉(zhuǎn)熱處理車間)。

熱處理后工序：OP30車床主軸(后拉卡盤)夾持外圓、中心架輔助支撐——精車內(nèi)孔、右端面——OP30車床座頂緊工件、中心架松開并移動到最左側(cè)——精車各檔槽。

變速箱輸出軸總體加工工藝流程與輸入軸相同。

根據(jù)以上工藝路線及工廠實際情況：將變速箱齒輪的熱前半精車、熱前精車、滾齒、熱后精車四道最重要工序共兩臺高精度雙主軸數(shù)控車床及一臺精密滾齒機連線使用自動化加工。將輸入、輸出軸的熱前半精車、熱前精車、熱后精車三道最重要工序共6臺帶伺服尾座的高精度數(shù)控車床連線使用自動化加工，滾齒機對軸類工件裝夾姿態(tài)有特殊要求，暫不適合自動線生產(chǎn)。在自動化方面，齒輪自動線(圖2)熱前、熱后工序采用一臺桁架機械手進行上下料。輸入軸自動線(圖3)熱前、熱后工序采用兩臺桁架機械手進行上下料，輸出軸自動線形式與輸入軸自動線相同。

1.3自動線布局

設(shè)計時需結(jié)合單臺機床加工節(jié)拍及整條生產(chǎn)線產(chǎn)能的要求，確保自動上下料時間不占用機床車削加工時間。因此，在布局上，齒輪生產(chǎn)線使用1臺桁架機械手、2臺高精度數(shù)控車床、1臺精密滾齒機組成。同時附加料倉，完成上、下料任務(wù)。OP10車床與OP20滾齒機之間配置抽檢臺，烘干、轉(zhuǎn)序為一體的料道，實現(xiàn)零件干燥及轉(zhuǎn)序的功能。斜齒輪熱后工序上料過程中卡盤有安裝角度的要求，故熱后工序料倉與OP30車床之間配置角向定位機構(gòu)，保證每次上料時零件姿態(tài)一致。

此齒輪自動生產(chǎn)線(圖4)采用串、并聯(lián)相結(jié)合的方式，一套機械手服務(wù)兩個工序。

當(dāng)產(chǎn)能飽滿時，工人在熱前、熱后工序料倉處放料，機械手從熱前工序料倉取料后先給OP10車床上料，然后將OP10車床加工完成的工件送至轉(zhuǎn)序料道(轉(zhuǎn)序料道將工件送入滾齒機，滾齒完成的工件由工人取走轉(zhuǎn)入熱處理工序)，之后從熱后工序料倉取料給OP30車床上料，再將OP30車床加工完成的工件送回?zé)岷蠊ば蛄蟼}。

當(dāng)產(chǎn)能不飽滿時，工人可只在熱前或熱后工序料倉之一處放料，機械手可只為OP10、OP30車床之一換料。

輸入(輸出)軸生產(chǎn)線使用兩臺桁架機械手和3臺高精度數(shù)控車床組成。同時附加上、下料道，形成整體化的自動化生產(chǎn)線。輸入(輸出)軸加工過程工件存在姿態(tài)轉(zhuǎn)換，OP10車床與OP20車床之間配置可使工件姿態(tài)180°翻轉(zhuǎn)的機構(gòu)，保證OP20機床上料時工件姿態(tài)正確。另外，在一些生產(chǎn)節(jié)拍要求較高的場合，工件姿態(tài)翻轉(zhuǎn)機構(gòu)可以整合到機械手上，從而進一步提高自動生產(chǎn)線的工作效率。

此輸入(輸出)軸自動生產(chǎn)線(圖5)同樣采用串、并聯(lián)相結(jié)合的方式，兩套機械手服務(wù)3個工序。工人在熱前、熱后工序上料道處放料，并在下料道處取走加工完成品。

1#機械手從熱前工序上料道取料后先給OP10車床上料，然后將OP10車床加工完成的工件送至零件姿態(tài)翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，零件姿態(tài)翻轉(zhuǎn)完成再給OP20車床上料，并將OP20車床加工完成的工件送回?zé)崆肮ば蛳铝系馈?/p>

2#機械手從熱后工序上料道取料后給OP30車床上料，然后將OP30車床加工完成的工件送回?zé)岷蠊ば蛳铝系馈?/p>

2　自動線組成

利用寧夏巨能機器人系統(tǒng)有限公司的GS050A桁架機械手、CMP06A料倉、CMR500上下料道、轉(zhuǎn)序料道、角向定位及工件姿態(tài)翻轉(zhuǎn)機構(gòu)等系統(tǒng)，小巨人機床有限公司的QTN200/500、QTN200/1000、QTN200MS高精度數(shù)控車床，德國普瑞威瑪精密滾齒機組成車削-滾齒自動生產(chǎn)線。完全實現(xiàn)汽車變速箱齒輪、輸入軸、輸出軸柔性生產(chǎn)制造，自動化上下料，自動沖洗以及信息化生產(chǎn)管理。

2.1桁架機械手

GS050A機械手(圖6)，采用模塊化設(shè)計，屬于巨能公司非常成熟的系列化產(chǎn)品。根據(jù)送料要求，可附加第三個直線軸Z軸、W旋轉(zhuǎn)軸，以及其他特殊機構(gòu)，相對傳統(tǒng)采用人工上下料方式，提高了數(shù)控機床的利用率。

輸入(輸出)軸自動線采用常規(guī)形式的機械手上下料。斜齒輪由于采用節(jié)圓卡盤(圖7)定位，常規(guī)形式的機械手無法完成上料，必須增加導(dǎo)向及彈簧推片機構(gòu)(圖8)，確保上料時齒輪能夠旋轉(zhuǎn)一定角度并與定位銷順暢嚙合。

GS050A桁架機械手相關(guān)參數(shù)如下：

(1)X/Y兩個直線軸聯(lián)動，具備柔性送料功能，高速、高效、低成本。

(2)X/Y軸移動速度：140/140 m/min。

(3)手爪抓取單個工件重量：5 kg。

(4)重復(fù)定位精度：±0.1 mm 。

(5)導(dǎo)向及彈簧推片機構(gòu)有效解決斜齒輪節(jié)圓卡盤上料難題。

2.2車床及滾齒機

車床采用小巨人機床有限公司生產(chǎn)的高精度數(shù)控車床，可根據(jù)加工工藝配置第二主軸、伺服尾座、中心架等，滿足變速箱齒輪及輸入、輸出軸精加工的需要。該設(shè)備采用MAZAK數(shù)控系統(tǒng)，滿足組建數(shù)字化工廠的設(shè)備要求。

滾齒機采用德國普瑞威瑪原裝進口精密滾齒機，車床與滾齒機之間配置轉(zhuǎn)序料道。車床完成的工件只需按要求擺放至料道上即可實現(xiàn)自動化滾齒加工。

2.3物流系統(tǒng)

滾齒加工前車床完成的工件必須非常干燥，這樣才能保證滾齒的裝夾及加工精度。生產(chǎn)線研制了集中輸送、清洗、烘干于一體的自動物流料道(圖9)，在有效解決工件清洗干燥問題的前提下，最大程度實現(xiàn)了以盡可能小的占地面積，完成盡可能長時間的無人化自動加工。

轉(zhuǎn)序料道輸送速度1.5 m/min，應(yīng)用傳感器技術(shù)，實現(xiàn)工件自動及高效清洗、烘干，提高產(chǎn)品過程質(zhì)量控制能力，并實現(xiàn)整個生產(chǎn)過程智能化控制管理。

變速箱齒輪自動線采用的CMP06A料倉(圖10)屬于巨能公司非常成熟的系列化產(chǎn)品。該料倉結(jié)構(gòu)緊湊，可兼容直徑D20～190 mm的盤類工件，與機械手配合可在一臺料倉上同時實現(xiàn)上、下料的功能，有效地降低了設(shè)備采購成本，減小了占地面積。

輸入、輸出軸自動線采用的CMR500料道(圖11)屬于巨能公司非常成熟的系列化產(chǎn)品。該料道結(jié)構(gòu)簡單、易于維護，可兼容長度100～500 mm以內(nèi)的軸類工件，下料道還具備料滿報警功能，確保下料道工件儲存滿后及時通知工人取走。

2.4生產(chǎn)線管理系統(tǒng)

系統(tǒng)以計算機以太網(wǎng)通訊技術(shù)，數(shù)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，把機床工位與上層控制計算機集成連接在一起，實現(xiàn)制造企業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)車間自動化網(wǎng)絡(luò)化管理。管理系統(tǒng)分為以下幾個模塊：程序傳輸管理系統(tǒng)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集分析管理、車間實時可視化反饋系統(tǒng)。整個生產(chǎn)線管理系統(tǒng)通過對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集和分析，從而改善生產(chǎn)設(shè)備的總體生產(chǎn)運行效率，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

車間可視化管理模塊中，將車間的布局按比例模擬到系統(tǒng)中，建立一個強大的電子看板，向企業(yè)用戶決策者提供真實的車間任務(wù)、人員和設(shè)備狀態(tài)信息，是有效改善企業(yè)制造過程的管理方法。

程序傳輸管模塊中，通過掃描槍掃描工單上的條形碼或者通過宏程序呼叫，服務(wù)器自動向機床發(fā)送程序，完成程序下載功能。在程序上傳方面，所有程序直接從機床上傳，服務(wù)器獲得數(shù)據(jù)后自動保存管理。

生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集分析管理模塊中，分為機床視圖和工廠視圖兩個部分，通過數(shù)據(jù)長期采集記錄，進行系統(tǒng)數(shù)據(jù)的詳細分析，對管理者改善工廠管理提供數(shù)據(jù)支持。通過對產(chǎn)品過程質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計記錄，對應(yīng)各工序檢測數(shù)據(jù)對應(yīng)工件序列號，直接進入系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)庫，輕松實現(xiàn)對每一件產(chǎn)品的質(zhì)量追溯管理，實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期管理。

3　生產(chǎn)線實施現(xiàn)狀

本自動生產(chǎn)線集工藝、設(shè)備、物流傳輸及信息控制技術(shù)為一體，是實現(xiàn)生產(chǎn)高度自動化的基礎(chǔ)裝備，同時也是對汽車變速箱齒輪及輸入、輸出軸制造的全面解決方案。本項目已經(jīng)經(jīng)過驗收，達到相應(yīng)設(shè)計要求?，F(xiàn)正在客戶現(xiàn)場，進行安裝調(diào)試。

4　結(jié)語

融合工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線的數(shù)字化車間，提高了加工產(chǎn)品精度和可靠性，這也必將帶動各裝備制造業(yè)的同步發(fā)展。汽車變速箱齒輪及輸入、輸出軸是汽車的重要零部件之一，必須突出可靠性與經(jīng)濟性。從某種程度上說，汽車變速箱齒輪及輸入、輸出軸制造行業(yè)對中國的汽車發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。

由于生產(chǎn)線設(shè)備本身是高度的多功能柔性加工設(shè)備，通過對設(shè)備夾具和手爪的改變，即可以實現(xiàn)其他類型盤齒類工件、軸類工件的加工，物料輸送系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)仍然保持不變，適合于批量生產(chǎn)，但也可以在產(chǎn)品更換后，進行生產(chǎn)線改造和重組，模塊化的設(shè)計，方便和適應(yīng)了產(chǎn)品的變化。

智能技術(shù)和智能制造系統(tǒng)的示范應(yīng)用，提高了生產(chǎn)效率，優(yōu)化了要素配置，增強了企業(yè)的核心競爭力。

利用自動化帶來的優(yōu)勢，以組建智能化制造工廠為目標(biāo)，改變了傳統(tǒng)的制造生產(chǎn)模式。本項目可向其他加工制造行業(yè)推廣，對自動化生產(chǎn)模式的使用有著很強的借鑒意義。

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Application development on gantry robot production line of automotive gears, input shaft and output shaft

WANG Jun

To solve the automation of the automotive gears, input shaft, output shaft turning, set up automatic production line equipment, including machine hand automatic loading and unloading system, logistics transmission system, information production management system as a whole. In order to solve the gears in the whole processing process, must be rotated a certain angle, design special mechanical mechanism innovative, realize automatic material delivery function.

automotive; gearbox; gears; input shaft; output shaft; turning; gantry robot; auto production line

TP29

B

王珺，男，1981年生，主要研究方向為機械制造及工業(yè)自動化。

(編輯汪藝)(2015-12-11)

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