齒輪打磨裝置控制系統方案設計

王曉晶 尚振東

工業生產中見到的齒輪，表面之所以平整，無毛刺，由于在使用之前，專門進行了修整。通過使用六軸機器人修整齒輪端面倒角，齒頂/齒根加工不完全位置，提高齒輪品質。因齒輪生產大部分為小批量生產，不同齒輪的齒槽寬/齒根圓會有差異，人工修整隨意性大，同一齒輪上的齒經過人工修整后會有偏差，影響后續使用壽命和品質。

為提高自動化和標準化，使用機器人和感應器結合，人工輸入齒輪直徑，齒數齒厚等參數，根據齒輪漸開線走向計算輪齒壓力角，對稱修整齒廓非工作段。內置打磨程序計算角度及位移偏量數據給機器人，實現機器人自動規劃路徑打磨修整齒輪。齒輪數據實時輸入工控機提供齒輪工藝資料。設計中考慮不同齒輪加工品質不一，可以自由選擇是否修整齒根和齒輪端面倒角。

1 機器人打磨齒輪優點

機器人打磨齒輪是以傳統的人工打磨為基礎，并結合伺服控制系統以及工業機器人技術逐步發展起來的，解決了打磨工人供需緊張、勞動強度大等問題。相比傳統的人工打磨方式，采用機器人打磨方式優勢明顯：（1）機器人關節多，運動靈活，能夠完成不同型號齒輪的打磨工作；（2）機器人自動運行，無需人員管理，直接提高了系統自動化程度、生產效率以及企業市場競爭力；（3）機器人重復運動精度高，同批次產品質量穩定；（4）機器人打磨時，工作人員無需長期處于已被打磨噪音污染的環境中，避免了對工人身體造成的傷害；（5）機器人替人，解放了勞動力，降低了勞動強度的同時，為企業解決約生產成本。

2 機器人打磨齒輪工作站的組成

打磨機器人工作站構成如圖1所示，主要由RB工業機器人、變位機、打磨主控制箱、RB20機器人控制箱、機器人夾具、待打磨齒輪以及防護欄等組成。其中機器人主要用于完成打磨路線軌跡的行走；機器人控制柜主要用于控制六軸機器人以及外部軸的協調動作，以完成齒輪的打磨工作；機器人夾具主要是用于裝夾打磨刀具，以保證打磨時，處于正常狀態；主控制箱上的觸摸屏，用于命令輸入、實時監測、記錄歷史數據表格等。

3 系統控制原理

由機器人自動打磨齒輪工作站組成簡圖1知，借助于示教器完成程序編寫后，控制器IPC將按照預先設置好的程序，通過伺服控制系統，分別完成對機器人本體以及外部軸的控制，完成齒輪的打磨。其中，為了保證整個系統的控制精度以及運動精度，伺服電機在執行完相關指令后，通過自身攜帶的編碼器反饋實際運行情況，形成閉環控制。其控制模型原理圖2如下：

4 功能要求

基于以上分析，為保證整個齒輪打磨控制系統的的完好運行，實現打磨最優化，控制系統必須要具備自動運行、急停、啟停、外部軸運行指示、外部軸故障報警、七軸協調性好及其他功能。具體情況如下：

（1）啟停。用于完成系統的啟動及停止，一個完整系統不可或缺的組成部分。

（2）急停。主要用于機械臂以及變位機在運動過程中，出現意外事故或者故障時，及時完成停機。

（3）自動運行。啟動后，自動完成對齒輪的打磨，提高系統的自動化程度。

（4）故障報警。變位機在回轉過程中出現故障，或者機器人在打磨過程中出現撞機的事件，能及時發出報警，提醒相關維護人員進行處理。

（5）運行指示。用于反應第七軸（外部軸）的運行狀態。

（6）成套性良好。為了節約時間，加強整個打磨裝置的成套性，兩個外部軸不僅采用伺服控制系統進行控制，同時要求與機器本體共用一個控制器IPC。

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