于少龍

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

直升機(jī)減速器中的齒輪對減速器的性能有著至關(guān)重要的影響，它起到轉(zhuǎn)換直升機(jī)發(fā)動機(jī)所輸出功率的功能，并為中樞受力構(gòu)件直接承受旋翼與機(jī)體之間產(chǎn)生的全部作用力和力矩。因此要求減速器中的齒輪承載能力高、壽命長、可靠性好、干運(yùn)轉(zhuǎn)能力強(qiáng)，可以在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的工況下穩(wěn)定運(yùn)行。對齒輪進(jìn)行倒角處理可以解決齒輪沿齒長方向的尖角、改善齒輪換擋力、降低齒輪傳動產(chǎn)生的噪聲和沖擊力，由此可以避免換擋過程中齒輪間的沖擊打齒，實(shí)現(xiàn)平順地嚙合以及減少齒廓面應(yīng)力集中，從而有效提高齒輪的性能、使用壽命及可靠性。直升機(jī)減速器中的弧齒錐齒輪具有硬度高、齒廓形狀復(fù)雜的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的手工倒角對工人的技術(shù)要求很高且工作環(huán)境惡劣、勞動強(qiáng)度大、加工效率低、一致性差，使用倒角機(jī)倒角又面臨成本高、適應(yīng)性差的問題。對齒輪采用機(jī)器人倒角磨削加工，可以提高成品率、一致性以及加工效率，保證加工的質(zhì)量，降低成本，提高復(fù)雜曲線加工的精度。目前國內(nèi)外對齒輪、葉片、潔具等形狀復(fù)雜的工件均開展了機(jī)器人磨削加工的研究[1-4]。本機(jī)器人磨削系統(tǒng)將對某型弧齒錐齒輪進(jìn)行倒角加工，最終加工出C0.5～C0.75mm的倒角加工面。

1 機(jī)器人倒角磨削系統(tǒng)構(gòu)成

機(jī)器人倒角磨削系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)由機(jī)器人系統(tǒng)、浮動氣主軸、自動回轉(zhuǎn)臺、工件等構(gòu)成。機(jī)器人為ABB公司生產(chǎn)的IRB4600六自由度關(guān)節(jié)臂機(jī)器人，工作范圍為2.05m，最大負(fù)載為60kg。浮動氣主軸為瑞士Amtru公司生產(chǎn)的FB-CUT110，該氣主軸具有徑向浮動功能，可根據(jù)齒輪輪廓曲線曲率的變化情況自行進(jìn)行浮動補(bǔ)償，浮動力最高可達(dá)25N，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)19 000r/min。浮動氣主軸安裝在機(jī)器人末端，齒輪安裝在回轉(zhuǎn)臺上，機(jī)器人與回轉(zhuǎn)臺聯(lián)動，通過回轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)每個齒輪齒廓的倒角加工，從而完成自動化倒角。

圖1 倒角磨削系統(tǒng)

2 機(jī)器人磨削倒角工藝流程

2.1 倒角工藝流程

圖2為弧齒錐齒輪倒角的工藝流程。倒角系統(tǒng)的工具、工件標(biāo)定和加工路徑離線編程是倒角加工中的重要環(huán)節(jié)。

圖2 齒輪倒角流程

2.2 工具坐標(biāo)系的標(biāo)定與定義

TCP(tool center point)即機(jī)器人工具中心點(diǎn)，通過機(jī)器人內(nèi)置指令MToolTCPCalibp1,p2,p3,p4,tool1,max_err,mean_err;來計算TCP，其中p1、p2、p3、p4為機(jī)器人示教時4個點(diǎn)的jointtarget(6個軸坐標(biāo)值)，計算結(jié)果賦值到tool1的坐標(biāo)系。在完成四點(diǎn)示教后，四點(diǎn)構(gòu)成一個球面，球心即為當(dāng)前TCP所在wobj0下的坐標(biāo)值xyz，通過獲取球心坐標(biāo)來計算TCP。

B=AX

(1)

式中：A為機(jī)器人tool0表示的當(dāng)前位置pose(xyzq1-q4);X為工具tcp pose(xyz，q1-q4);B為機(jī)器人當(dāng)前工具表示的當(dāng)前位置pose(xyz，q1-q4)，所以得到X=A-1B。

由此得到在Robot Studio中的計算程序(圖3)。

圖3 TCP計算程序

在本次實(shí)驗中使用特種刀柄裝夾金剛石磨片為打磨工具。由于打磨工具形狀的特殊無法直接用四點(diǎn)法進(jìn)行標(biāo)定，因此使用相同長度的尖針來進(jìn)行替代，此時TCP點(diǎn)為打磨工具端面中心(圖4)。

圖4 端面TCP標(biāo)定點(diǎn)

2.3 加工軌跡離線編程

倒角加工路徑為機(jī)器人在倒角過程中所有姿態(tài)以及相應(yīng)目標(biāo)點(diǎn)的集合。機(jī)器人通過連續(xù)不斷地以特定的姿態(tài)到達(dá)每個目標(biāo)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)倒角加工的過程。倒角系統(tǒng)使用ABB公司的離線編程軟件Robot Studio生成倒角加工路徑。倒角加工路徑產(chǎn)生方法如下：1)在仿真軟件Robot Studio中直接導(dǎo)入齒輪的三維模型；2)通過四點(diǎn)法標(biāo)定出工具坐標(biāo)系，通過三點(diǎn)法標(biāo)定出工件坐標(biāo)系，平移齒輪的三維模型使其與實(shí)際的齒輪坐標(biāo)相重合；3)在工件坐標(biāo)系中生成倒角路徑；4)優(yōu)化路徑，進(jìn)行軌跡規(guī)劃和離線仿真避開機(jī)器人的奇異點(diǎn)以及倒角機(jī)構(gòu)與工件的干涉區(qū)域，刀具為順時針旋轉(zhuǎn)，在規(guī)劃路徑時刀具由齒根向外運(yùn)行。經(jīng)過實(shí)驗對比效果好于刀具由外向齒根運(yùn)行，如圖5所示。

圖5 離線編程軌跡

2.4 浮動補(bǔ)償接觸力

1)浮動補(bǔ)償力優(yōu)點(diǎn)

采用浮動補(bǔ)償加工的方法，能較好地適應(yīng)齒輪齒廓邊緣曲線形狀變化,滿足齒輪齒廓邊緣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，保證齒輪的相關(guān)尺寸精度和表面質(zhì)量，確保倒角過程中精確地控制切削量，能很好地跟蹤齒廓曲線以補(bǔ)償工件的自身變形，還能有效防止倒角過程對齒輪基體造成損傷。當(dāng)?shù)菇擒壽E不規(guī)則或者與理論型線有差異時，浮動阻尼可根據(jù)被加工齒輪齒廓的實(shí)際線型進(jìn)行自動補(bǔ)償或退讓以達(dá)到最佳的倒角效果，其最大補(bǔ)償與退讓量可達(dá)到±5mm。浮動倒角機(jī)構(gòu)設(shè)計有精密的切削力控制系統(tǒng)，能通過壓力控制使末端加工磨片緊密貼合被加工齒輪的齒廓曲線，隨加工曲線的形變產(chǎn)生相應(yīng)的彈性變形，實(shí)現(xiàn)倒角齒輪齒廓曲線的自動跟蹤。通過控制浮動阻尼的彈性變形以及相應(yīng)力矩的大小來調(diào)整相應(yīng)的接觸壓力進(jìn)而實(shí)現(xiàn)磨削力的調(diào)節(jié)。

2)補(bǔ)償力與磨削力性能分析

在倒角加工時，為保證倒角加工面的尺寸均勻一致，使用磨片的邊緣點(diǎn)與齒輪齒廓棱邊接觸，此時磨削方式近似于立式平面磨削。

式中：σ為比磨削力，垂直于切削方向上的單位切屑面積所受的力；am為平均切屑面積。

式中：lc為接觸弧長；b為接觸寬度；j為同時進(jìn)行磨削的磨粒刃數(shù)。由以上各式可以推導(dǎo)出：

式中：vs為磨片實(shí)際加工點(diǎn)的線速度；va為vs軸向分量；vw為工件速度；ap為磨片軸向進(jìn)給量。

當(dāng)控制浮動阻尼進(jìn)行壓緊，此時進(jìn)給量ap增大，單位時間內(nèi)工件的去除量增加，每個磨粒的切削厚度增加，磨削力增大。當(dāng)磨片實(shí)際加工點(diǎn)的線速度vs增大時，單位時間內(nèi)進(jìn)行磨削的磨粒個數(shù)減少，磨粒的切削厚度減小，磨削力減小。

3 直升機(jī)減速器齒輪倒角實(shí)驗

3.1 試驗?zāi)康?/h3>

使用本機(jī)器人倒角系統(tǒng)來對某公司所提供的某型直升機(jī)減速器齒輪進(jìn)行倒角，以驗證本系統(tǒng)的性能。該齒輪的材料為合金鋼，齒廓倒角處硬度為HRA82。

3.2 試驗步驟

按照圖2的加工流程圖進(jìn)行試驗，詳細(xì)步驟如下：

對工具(浮動打磨頭)和工件(齒輪)坐標(biāo)系進(jìn)行標(biāo)定。在Robot Studio中導(dǎo)入工件的三維模型以及TCP坐標(biāo)，對齒輪進(jìn)行離線編程生成齒輪倒角路徑。進(jìn)行軌跡規(guī)劃和離線仿真，以避開機(jī)器人的奇異點(diǎn)以及倒角機(jī)構(gòu)與工件的干涉區(qū)域，將離線編程軌跡導(dǎo)入到機(jī)器人中。在完成一個齒的加工后，裝夾齒輪的轉(zhuǎn)臺按照設(shè)定好的度數(shù)旋轉(zhuǎn)，按照相同的工藝步驟加工下一個齒。最后檢測倒角的尺寸以及表面質(zhì)量是否滿足要求。

3.3 試驗結(jié)果

本試驗使用了接觸式334006型輪廓儀來測量倒角尺寸，為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及齒輪中每個齒的加工一致性，在整個齒輪總計31個齒中隨機(jī)選擇8個齒進(jìn)行檢測，每個齒分別在上、中、下3個部位測量尺寸，測量數(shù)據(jù)見表1。

表1 測量數(shù)據(jù) 單位：mm

4 結(jié)語

1)機(jī)器人倒角磨削系統(tǒng)對直升機(jī)減速器齒輪的倒角加工具有很強(qiáng)的適用性，本磨削倒角系統(tǒng)包含了機(jī)器人與離線編程、自動工裝回轉(zhuǎn)臺、磨削力補(bǔ)償?shù)惹把胤椒?，自動化程度高，可以使工人擺脫繁瑣的倒角加工，提高工作效率，提升我國制造業(yè)的智能化水平。

2)通過對加工后的齒輪進(jìn)行測量，測量結(jié)果表明齒與齒之間的尺寸一致性較高，齒輪齒廓處精度得到顯著提高，該系統(tǒng)的加工精度完全符合直升機(jī)減速器齒輪的加工要求。