劉 慶

（陜西法士特傳動(dòng)集團(tuán)公司，陜西 寶雞722409）

0 前言

我們國家的汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車變速器中的很多片齒輪類零件，需要快速大量的生產(chǎn)。隨著公司片齒輪類零件機(jī)器人生產(chǎn)線的建立，使得生產(chǎn)效率得到了大幅提高。

車間生產(chǎn)線加工的一種片齒輪類零件其外圓300 mm厚度60 mm重15 kg，采用廣州數(shù)控七軸機(jī)器人和三臺(tái)數(shù)控車的布線方式生產(chǎn)，生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了機(jī)器人和機(jī)床加工節(jié)拍不匹配的現(xiàn)象，機(jī)器人行動(dòng)明顯慢于機(jī)床加工速度，造成生產(chǎn)能力的浪費(fèi)。生產(chǎn)過程中統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)機(jī)器人兩個(gè)機(jī)械手翻轉(zhuǎn)零件占用無效時(shí)間較多，減少機(jī)器人翻轉(zhuǎn)工件（圖1）的動(dòng)作就能明顯提高生產(chǎn)效率。

圖1 機(jī)械手在平臺(tái)上翻轉(zhuǎn)

1 機(jī)械手翻轉(zhuǎn)片齒輪動(dòng)作分析

片齒輪類零件機(jī)器人生產(chǎn)線加工的工藝是：機(jī)器人機(jī)械手從碼料器上抓取工件——機(jī)械手裝工件在機(jī)床卡盤上加工第一面——機(jī)械手抓起車光的面取下工件——機(jī)械手把工件放在平板上——機(jī)械換手抓取工件（未加工的面）——機(jī)械手裝工件于車第二面車床上——車床啟動(dòng)完成工件第二面加工——機(jī)械手卸工件并裝箱。

分析了各工序的動(dòng)作時(shí)間，機(jī)械手拿取工件給車床上下料是必須動(dòng)作，這些所占工序時(shí)間不能減少。車床夾工件外圓加工第一面后，在第二臺(tái)機(jī)床上夾緊車過的第一面加工第二面，完成工件加工[1]。機(jī)械手把工件放在平板上實(shí)際上是完成了工件的翻轉(zhuǎn)，這個(gè)是裝工件必須的動(dòng)作沒法省去的。分析機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)作，只有機(jī)械手翻料動(dòng)作是可以獨(dú)立出來的。現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)機(jī)器人機(jī)械手工件翻轉(zhuǎn)用時(shí)8s/件。其機(jī)械手翻轉(zhuǎn)工件的動(dòng)作分解（圖2）為：首先機(jī)械手爪a把零件放在托板上，然后機(jī)械手按照虛線A-B-C-D運(yùn)動(dòng)到D點(diǎn)后，機(jī)械手爪b再抓起工件，完成了零件的翻轉(zhuǎn)動(dòng)作。機(jī)械手翻轉(zhuǎn)零件開始動(dòng)作參考圖3。

圖2 機(jī)械手翻轉(zhuǎn)動(dòng)作分解

圖3 機(jī)械手翻轉(zhuǎn)零件開始動(dòng)作

2 片齒輪自動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)動(dòng)力的選擇

根據(jù)公司機(jī)器人動(dòng)作分析和產(chǎn)線布局，該零件的翻轉(zhuǎn)動(dòng)作設(shè)計(jì)（如圖4），零件的翻轉(zhuǎn)動(dòng)作分解為：機(jī)器手把零件放置在A處，然后機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)零件A-BC逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，零件完成翻轉(zhuǎn)且外圓能準(zhǔn)確定位在C處的位置。由于零件重15 kg，翻轉(zhuǎn)向下會(huì)有較大慣性，每次不能保證跌落在C處定位準(zhǔn)確，所以必要設(shè)計(jì)了一個(gè)專門的頂出動(dòng)作實(shí)現(xiàn)零件的準(zhǔn)確定位。

圖4 零件翻轉(zhuǎn)動(dòng)作設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)獨(dú)立于機(jī)械手工作的片齒輪翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，該翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)需要完成片齒輪零件的120°左右的翻轉(zhuǎn)，并能準(zhǔn)確定位。采用氣缸來實(shí)現(xiàn)零件的翻轉(zhuǎn)動(dòng)作和定位，主要原因有：

（1）片齒輪類零件15 kg比較重，其翻轉(zhuǎn)動(dòng)作需要可靠，翻轉(zhuǎn)過程對(duì)運(yùn)動(dòng)精度沒有較高的要求；

（2）工廠壓縮空氣使用廣泛，容易獲得，機(jī)床都接有壓縮空氣，接口取用方便；

（3）采用氣缸動(dòng)作實(shí)現(xiàn)，在機(jī)構(gòu)動(dòng)作要求簡單，設(shè)計(jì)時(shí)只需要考慮結(jié)果，不需要進(jìn)行大量運(yùn)動(dòng)軌跡模擬計(jì)算；

（4）各類氣缸、氣動(dòng)原件已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，生產(chǎn)廠家多比較容易采購。

根據(jù)圖3給出的零件運(yùn)動(dòng)軌跡和零件重量可以計(jì)算出氣缸的規(guī)格[2]：

根據(jù)零件重M=15 kg，外圓直徑R=300 mm，零件放置在A處和水平面夾角120°，零件旋轉(zhuǎn)時(shí)重心在零件中心，可計(jì)算旋轉(zhuǎn)零件的最小扭矩Nmin：

最小扭矩：Nmin=M·g·（R/2）·sin30°=15 × 10× 0.15× sin30°=11.25 N·m

零件翻轉(zhuǎn)完成后，需要?dú)飧淄苿?dòng)零件實(shí)現(xiàn)定位，零件在平板上移動(dòng)為滑動(dòng)摩擦，其摩擦系數(shù)查表為f=0.2，可以計(jì)算推動(dòng)氣缸的力最小為[2]：

零件受力F=M·g·f=15×10×0.2=30 N

一般工廠的使用的標(biāo)準(zhǔn)氣壓為0.8 MPa，考慮到實(shí)際使用漏氣等選擇0.6 MPa。參考以上計(jì)算的數(shù)據(jù)[3]，根據(jù)氣缸手冊(cè)選擇SMC公司的擺動(dòng)氣缸CRA63-180；定位推動(dòng)氣缸為SC32X100。

2.2 自動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理

根據(jù)以上分析片齒輪翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是翻轉(zhuǎn)和定位兩個(gè)氣缸共同動(dòng)作實(shí)現(xiàn)的機(jī)構(gòu)如（圖5）。

圖5 零件翻轉(zhuǎn)的最終方案

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的工作原理：使用時(shí)機(jī)器人將零件放在翻料板3上，旋轉(zhuǎn)氣缸4實(shí)現(xiàn)翻料板3旋轉(zhuǎn)至水平，這時(shí)推動(dòng)氣缸5推動(dòng)零件到達(dá)托料板2的定位處，這就完成了一次零件的翻轉(zhuǎn)。通過這個(gè)機(jī)構(gòu)就節(jié)省了機(jī)器人翻轉(zhuǎn)動(dòng)作。實(shí)際使用過程中，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)平臺(tái)上提前放置一個(gè)已經(jīng)翻轉(zhuǎn)好的工件，機(jī)器人將工件放置在翻轉(zhuǎn)板3上后，機(jī)械手馬上拿取已經(jīng)翻轉(zhuǎn)好的工件，這時(shí)機(jī)器人就可以完成其它動(dòng)作，同時(shí)再給翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)氣缸電磁閥信號(hào)，零件翻轉(zhuǎn)就由機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)了，這樣就完成了一次循環(huán)。

零件翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在工作中，翻轉(zhuǎn)一個(gè)零件的時(shí)間為1.5 s，該動(dòng)作獨(dú)立機(jī)器人單獨(dú)工作不占用機(jī)器人工作時(shí)間。改進(jìn)前機(jī)器人機(jī)械手單獨(dú)翻轉(zhuǎn)零件為6 s左右，在加上機(jī)器人七軸的走動(dòng)時(shí)間，造成機(jī)床等待機(jī)器人生產(chǎn)過程不匹配。改造后機(jī)械手只是拿取已經(jīng)翻轉(zhuǎn)好的工件，提高了機(jī)器人工作效率。實(shí)際工作中的零件翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（圖6）雖然優(yōu)化后單個(gè)零件僅節(jié)省時(shí)間為8 s左右，但在大批量生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生效益是非?？捎^的。

圖6 零件翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

3 結(jié)論

在用機(jī)器人上下料的數(shù)控車床自動(dòng)線上，使用片齒輪翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)省去了機(jī)器人翻轉(zhuǎn)工件動(dòng)作，節(jié)省機(jī)器人工作時(shí)間，優(yōu)化工序間生產(chǎn)節(jié)拍。以我公司零件為例統(tǒng)計(jì)，每件零件節(jié)省時(shí)間8 s，班產(chǎn)提高了12%左右。在這種用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)上下料的自動(dòng)化生產(chǎn)線改造中，設(shè)計(jì)一些簡單的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輔助動(dòng)作，能明顯的提高生產(chǎn)效率。片齒輪翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)適用于外圓φ80~φ300 mm，厚度20 mm~50 mm的零件，也能在其它機(jī)器人上下料自動(dòng)線上使用，具有一定的推廣價(jià)值。