汽車變速箱齒輪、輸入軸、輸出軸桁架機械手自動線應用開發

王　珺

(寧夏巨能機器人系統有限公司，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用開發

王珺

(寧夏巨能機器人系統有限公司，寧夏 銀川 750021)

圍繞汽車變速箱齒輪、輸入輸出軸制造行業車削加工需要解決的自動化問題，建立包括主機設備、機械手自動上下料系統、物流傳輸系統、信息化生產管理系統為一體的自動生產線。為了解決斜齒輪在整個工序加工過程中，需要旋轉一定角度上料，創新設計了特殊機構，實現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；自動生產線

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

結合目前汽車制造業的高速發展，隨著企業用工成本上升及產業轉型升級的要求，單純的設備性能的提高，為提高生產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發展的大趨勢。

本文介紹的自動生產線是由高精度數控車床、高精度雙主軸數控車床、精密滾齒機、桁架自動機械手上下料、工件姿態調整裝置、物流系統、檢測裝置等組成。整條線的齒輪、輸入輸出軸工序內容分為：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。生產線附加信息化生產管理系統與智能化監控系統，設立總控室，具有生產任務管理支持、質量信息采集與分析監控、生產線裝備運行狀態監控及快速處理等功能，實現了設備互聯與集中控制，為創建數字化工廠打下了堅實的基礎。

1　技術方案設計

1.1基本信息

該自動化生產線加工工件為汽車變速箱齒輪、輸入輸出軸(見圖1)，生產線要求兼容3種齒輪、兩種輸入軸、兩種輸出軸，設計生產能力為：年產汽車變速箱齒輪、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種齒輪最長加工節拍包括裝夾時間共計130 s，4種軸最長加工節拍包括裝夾時間共計150 s。

1.2工藝方案

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

根據大批量加工要求，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——半精車內孔、右端面——精車內孔、右端面——OP10車床2#主軸(后拉/漲套卡盤)夾持內孔——半精車外圓、左端面——精車外圓、左端面——OP20滾齒機夾持內孔——精密滾齒(完成后人工轉熱處理車間)。

熱處理后工序：OP30車床1#主軸(節圓卡盤)夾持外圓——精車內孔、右端面——OP30車床2#主軸(后拉/漲套卡盤)夾持內孔——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——半精車另一側外圓、端面、各檔槽——精車另一側外圓、端面、各檔槽——精密滾齒(完成后人工轉熱處理車間)。

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——精車內孔、右端面——OP30車床座頂緊工件、中心架松開并移動到最左側——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控車床連線使用自動化加工，滾齒機對軸類工件裝夾姿態有特殊要求，暫不適合自動線生產。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

設計時需結合單臺機床加工節拍及整條生產線產能的要求，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，齒輪生產線使用1臺桁架機械手、2臺高精度數控車床、1臺精密滾齒機組成。同時附加料倉，完成上、下料任務。OP10車床與OP20滾齒機之間配置抽檢臺，烘干、轉序為一體的料道，實現零件干燥及轉序的功能。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，保證每次上料時零件姿態一致。

此齒輪自動生產線(圖4)采用串、并聯相結合的方式，一套機械手服務兩個工序。

當產能飽滿時，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序料道(轉序料道將工件送入滾齒機，滾齒完成的工件由工人取走轉入熱處理工序)，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熱后工序料倉。

當產能不飽滿時，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)軸生產線使用兩臺桁架機械手和3臺高精度數控車床組成。同時附加上、下料道，形成整體化的自動化生產線。輸入(輸出)軸加工過程工件存在姿態轉換，OP10車床與OP20車床之間配置可使工件姿態180°翻轉的機構，保證OP20機床上料時工件姿態正確。另外，在一些生產節拍要求較高的場合，工件姿態翻轉機構可以整合到機械手上，從而進一步提高自動生產線的工作效率。

此輸入(輸出)軸自動生產線(圖5)同樣采用串、并聯相結合的方式，兩套機械手服務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翻轉機構，零件姿態翻轉完成再給OP20車床上料，并將OP20車床加工完成的工件送回熱前工序下料道。

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熱后工序下料道。

2　自動線組成

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

2.1桁架機械手

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

輸入(輸出)軸自動線采用常規形式的機械手上下料。斜齒輪由于采用節圓卡盤(圖7)定位，常規形式的機械手無法完成上料，必須增加導向及彈簧推片機構(圖8)，確保上料時齒輪能夠旋轉一定角度并與定位銷順暢嚙合。

GS050A桁架機械手相關參數如下：

(1)X/Y兩個直線軸聯動，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)重復定位精度：±0.1 mm 。

(5)導向及彈簧推片機構有效解決斜齒輪節圓卡盤上料難題。

2.2車床及滾齒機

車床采用小巨人機床有限公司生產的高精度數控車床，可根據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。該設備采用MAZAK數控系統，滿足組建數字化工廠的設備要求。

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自動化滾齒加工。

2.3物流系統

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。

轉序料道輸送速度1.5 m/min，應用傳感器技術，實現工件自動及高效清洗、烘干，提高產品過程質量控制能力，并實現整個生產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品。該料倉結構緊湊，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上、下料的功能，有效地降低了設備采購成本，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品。該料道結構簡單、易于維護，可兼容長度100～500 mm以內的軸類工件，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生產線管理系統

系統以計算機以太網通訊技術，數控系統為基礎，把機床工位與上層控制計算機集成連接在一起，實現制造企業現代化生產車間自動化網絡化管理。管理系統分為以下幾個模塊：程序傳輸管理系統、生產數據采集分析管理、車間實時可視化反饋系統。整個生產線管理系統通過對生產數據的采集和分析，從而改善生產設備的總體生產運行效率，降低生產成本，提高產品質量。

車間可視化管理模塊中，將車間的布局按比例模擬到系統中，建立一個強大的電子看板，向企業用戶決策者提供真實的車間任務、人員和設備狀態信息，是有效改善企業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，服務器自動向機床發送程序，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，服務器獲得數據后自動保存管理。

生產數據采集分析管理模塊中，分為機床視圖和工廠視圖兩個部分，通過數據長期采集記錄，進行系統數據的詳細分析，對管理者改善工廠管理提供數據支持。通過對產品過程質量數據統計記錄，對應各工序檢測數據對應工件序列號，直接進入系統后臺數據庫，輕松實現對每一件產品的質量追溯管理，實現產品全生命周期管理。

3　生產線實施現狀

本自動生產線集工藝、設備、物流傳輸及信息控制技術為一體，是實現生產高度自動化的基礎裝備，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。本項目已經經過驗收，達到相應設計要求。現正在客戶現場，進行安裝調試。

4　結語

融合工業機器人自動化生產線的數字化車間，提高了加工產品精度和可靠性，這也必將帶動各裝備制造業的同步發展。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、輸出軸制造行業對中國的汽車發展有著至關重要的作用。

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

智能技術和智能制造系統的示范應用，提高了生產效率，優化了要素配置，增強了企業的核心競爭力。

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

[1]列茲尼科夫，等.高強度鋼、高溫合金和鈦合金的切削加工[M].郭東仁，譯.北京：機械工業出版社，1982.

[2]史美堂. 金屬材料及熱處理[M].上海：上海科學技術出版社，1978.

[3]上海市機械制造工藝研究所.金相分析技術[M].上海：上海科學技術文獻出版社， 1987.

[4] 機械工業部標準化研究所.形狀和位置公差原理及應用[M].北京：機械工業出版社，1983.

[5] 陳日耀.金屬切削原理[M].北京：機械工業出版社，1992.

[6]服部敏男(日).工模夾具實例圖集[M].巫華光,譯.臺灣新太出版社，1980.

[7]斯克萊特(美).機械設計實用機構與裝置圖冊[M].鄒平,譯.北京：機械工業出版社，2007.

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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自動化。

(編輯汪藝)(2015-12-11)

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