同步器齒套梅角棱邊倒鈍的機器人輔助旋流式滾磨光整加工裝備研發

段東明，王良晨，高云松，楊勝強

（1.太原理工大學 機械工程學院，太原 030024；2.廊坊市北方天宇機電技術有限公司，廊坊 065000）

0 引言

同步器齒套是變速箱中復雜而關鍵的零件之一，我國從上世紀60年代開始使用帶有同步器的變速箱，80年代中期開始從國外相繼引進各種帶同步器的變速器，目前已廣泛采用同步器。近年來，隨著中國汽車產量越來越大，作為變速箱中重要零件的同步器齒套的需求量也越來越大。

同步器齒套有四個關鍵的部位：滑塊槽、倒錐、撥叉槽、梅角。在汽車換擋的時候，當順利取得同步時，齒套的梅角面與結合齒的梅角面接觸，然后順利滑入，利用倒錐防止跳檔[1]。所以齒套上梅角和倒錐的任何一點形狀和結構的改變，都會使換擋時的手感及換擋的穩定性產生變化，可見齒套的生產工藝較復雜，并且對其質量的要求也比較高[2]。

同步器的生產方式多是采用通用機床配專用夾具、組合機床配專用工裝及簡易數控機床而構成的生產線進行機械加工[3]，其中加工梅角工序使用專用的數控倒角機進行，平面倒角用端面銑刀加工，曲面倒角用成形刀具加工，刀刃采用易于修磨的圓弧形[4]。機械加工后的梅角處會產生棱邊及毛刺[5]，經過大量的裝機測試，發現梅角處的棱邊及毛刺會影響變速器換擋時的手感及換擋的穩定性。

為了提升變速器換擋時的手感及換擋的穩定性，不同生產廠家都把目光聚焦在同步器齒套上，特別是齒套梅角棱邊倒鈍的工藝研究上。按某齒套加工企業加工要求，我們采用旋流式滾磨光整加工技術進行了大量工藝實驗，不但整體去除了加工后產生的毛刺，而且實現了梅角棱邊的均勻倒鈍。經裝機實驗驗證，達到提升變速器換擋時的手感及換擋的穩定性要求。研發滿足批量化生產需求的基于旋流式滾磨光整加工設備的成套裝備顯得十分迫切。

1 總體方案設計

典型的旋流式滾磨光整加工設備結構如圖1所示，主要由底座組件、立柱組件、升降組件、橫梁體、主軸箱、旋轉料箱、料箱驅動組件等組成。底座組件起到支撐整個光整加工設備的作用；立柱組件位于底座組件上，用于連接升降組件、橫梁體組件；料箱驅動組件是為旋轉料箱提供動力源的裝置；旋轉料箱主要是用于盛放磨塊和磨液；橫梁體組件起到連接主軸箱組件及為主軸箱提供動力源；主軸箱起到將同一動力源分解到多根主軸的作用；升降組件是帶動橫梁體組件及主軸箱在垂直方向上下運動的驅動單元。

圖1 典型的旋流式滾磨光整加工設備結構圖

典型的旋流式滾磨光整加工設備是一種半自動設備，需要人工輔助上下工件才能完成加工過程。這種設備生產效率較低、勞動強度較大，不能滿足變速器齒套大批量生產加工的需求[6]。立足于研發一種效率高、勞動強度低、自動化程度高且操作簡單的裝備，擬采用已趨成熟的工業機器人替代人工上下工件，并配合自動控制系統實現設備自動運行。按操作可行性擬定了三種基本方案：1）1臺機器人配1臺旋流式滾磨光整加工設備及1臺旋轉工作臺；2）1臺機器人配2臺旋流式滾磨光整加工設備及1臺旋轉工作臺；3）1臺機器人配3臺旋流式滾磨光整加工設備及1臺旋轉工作臺。綜合考慮裝備的整體使用效率、生產節拍及整套裝備成本投入等問題，若采用第一種方案，一對一的操作方式會造成機器人空閑等待時間較多，資源浪費較大；若采用第三種方案，一對三的操作方式會造成加工設備空閑等待時間較多，資源浪費較大且成本投入較高；若采用第二種方案，機器人工作時間與加工設備工作時間基本匹配。因此，裝備總體方案確定為1臺機器人對應2臺旋流式滾磨光整加工設備及1臺旋轉工作臺的布局方式，如圖2所示。

圖2 新型旋流式滾磨光整加工裝備俯視布局圖

新型旋流式滾磨光整加工裝備與典型的旋流式滾磨光整加工設備進行對比，考慮加工過程的整體有效性和可靠性，新型裝備研制必須充分考慮并解決：機器人選型、主軸自動夾具結構、工裝結構與機器人卡爪對接、旋轉工作臺工作區域劃分、自動控制系統控制流程等問題。

2 關鍵部件設計

新型旋流式滾磨光整加工裝備關鍵部件設計主要有：旋流式滾磨光整加工設備改進設計、主軸自動夾具設計、工裝結構設計、旋轉工作臺設計、機器人選型與動作設計、水循環系統設計及控制系統設計。

2.1 旋流式滾磨光整加工設備改進設計

為了使機器人能與旋流式滾磨光整加工設備集成到一起，并能充分發揮機器人的使用率，原有典型光整加工設備的定位精度無法與機器人兼容，需對其結構及定位精度進行優化和提升。主要針對底座組件、立柱組件、橫梁體組件、主軸箱及升降組件進行改進設計，首先通過對底座組件和立柱組件在加工工藝上的優化，保證設備框架結構的穩定性，為后期定位精度的提升提供了保障；橫梁體組件中配有主軸驅動，為了提高主軸傳動精度，配備了高精度的伺服傳動系統；主軸箱中齒輪傳動系統的精度也會對主軸的定位精度有影響，在齒輪傳動系統中減小齒隙是關乎主軸定位精度的關鍵；升降組件配有高精度絲杠傳動系統，可提高橫梁體組件和主軸箱重復定位精度。2臺主機屬于整套裝備中的2個子系統，分別配有從控系統，由主控系統進行協調控制。

2.2 主軸自動夾具設計

為了實現旋流式滾磨光整加工設備與機器人的對接，設備主軸的裝夾方式必須能實現自動化。主軸自動化裝夾目前常見的可行性方式主要有氣動卡盤方式、彈簧夾頭方式和多連桿夾頭等。由于氣動卡盤尺寸較大，對于多主軸的旋流式滾磨光整加工設備，占用其空間大，卡盤的旋轉供氣較為復雜，增加了設備成本投入，并且主軸間卡盤旋轉有干涉風險，影響設備可靠性，因此氣動卡盤方式不適用于本設備。彈簧夾頭方式由于動力執行單元過大，不適合布置在旋流式滾磨光整加工設備中。根據同步器齒套的結構狀態本裝備中卡具系統采用多連桿結構構成的卡爪較為適用，并配有氣缸與彈簧相結合的結構，可實現自動裝卡動作。該自動卡具系統主要由卡頭、軸套、氣缸、拉桿及彈簧等組成。卡頭主要由四連桿機構構成，卡頭的夾緊動作正是利用其死點特性實現夾緊功能；軸套起到固定卡頭的作用；氣缸是實現卡頭松開動作的唯一動力源；拉桿起到連接氣缸及卡頭的作用；彈簧起到復位卡頭及夾緊動作的唯一動力源[7]，如圖3所示。

圖3 自動夾具示意圖

2.3 工裝結構設計

旋流式滾磨光整加工設備加工齒套類零件時，齒套外圈加工質量較好，但對齒套內圈的加工較差，這主要是由于現有齒套工裝裝置的設計不良，使介質流對齒套內圈的相互作用有限導致。因此為了能夠實現齒套內、外圈的一次性梅角棱邊倒鈍的需求，以及適應新型旋流式滾磨光整加工裝備裝卡要求，需要設計一種適應同步器齒套的專用工裝[8]。該同步器齒套類零件旋流式滾磨光整加工工裝裝置包含工裝頭和工作體，所述工裝頭上端可快速裝拆至旋流式滾磨光整加工設備的主軸上，所述工作體包括第一檔桿、第二檔桿、第三檔桿，被加工工件在加工過程沿主軸軸線方向上下強制擺動，進而使得磨塊周期性通過被加工零件的內孔；其中第一檔桿和第二檔桿分別限制加工過程中被加工零件在磨塊作用下的向上提升，第二檔桿和第三檔桿又分別限制被加工零件的自然下落，該同步器齒套類零件旋流式滾磨光整加工工裝裝置及方法與現有技術相比較，齒套非完全固定的裝夾方式及傾斜可調角度的檔桿，可保證磨料流對齒套內圈的相互作用強烈，能夠實現齒套內外圈或其他對內外圈有光整要求的環形零件的一次性整體表面處理且加工效果優良，如圖4所示。

圖4 工裝示意圖

2.4 旋轉工作臺設計

為了實現人機對接，需要在裝備中配備1個旋轉工作臺。根據設備使用需求，旋轉工作臺能將上下工件過程協調布置，設置有機器人裝卸區和人工裝卸區。擬定3種旋轉工作臺可行性方案:方案一，旋轉工作臺配有兩個裝卸區；方案二，旋轉工作臺配有三個裝卸區；方案三，旋轉工作臺配有四個裝卸區。方案一中配有兩個裝卸區，設有一個機器人裝卸區和一個人工裝卸區，可實現操作者與機器人的協調對接，結構緊湊，換產時間短；方案二中配有三個裝卸區，設有一個機器人裝卸區、一個人工裝卸區和一個中轉區，雖然也可實現操作者與機器人的協調對接，但是占用空間較大、停機換產占用時間較多，不利于工藝方案的轉換；方案三中配有四個裝卸區，設有一個機器人裝卸區、一個人工裝卸區、一個上料中轉區和一個下料中轉區，雖然也可實現操作者與機器人的協調對接，但是占用空間較大、停機換產占用時間較多，不利于工藝方案的轉換。考慮整體匹配性，擇優選定方案一。旋轉工作臺分為A工作面和B工作面，每個工作面上都對應分布著6個工裝軸安裝座，并且每個工作面上工裝軸安裝座序號按著從左到右由1依次遞增到6。每次旋轉工作臺旋轉結束后，都會進行機械定位調整，保證旋轉工作臺重復定位精度，配合機器人進行上下工件，圖5為旋轉工作臺結構示意圖。

圖5 旋轉工作臺結構示意圖

2.5 機器人選型與動作設計

為了減輕人工勞動強度，提高上下料效率，采用目前成熟的搬運機器人技術，將上下料搬運機器人應用到整套裝備中是較優的方案。根據設備使用條件的限制，通過對機器人臂展范圍、負載狀態、動作復雜程度及經濟性上考慮，采用六軸搬運型機器人。根據汽車行業中機器人應用的情況，選取汽車行業較為常用的最大負載在100～160kg之間的機器人，可降低成本和方便后期維護，由于加持負載在30～40kg左右，采用氣動方式的卡爪較為經濟實用，機器人第六軸前端卡爪采用氣動重型平行卡爪，機器人通過對重型平行卡爪開合的控制，實現自動裝卸工裝的工作。

旋轉工作臺A/B面完成裝料后，主機一給機器人上下料請求信號，機器人開始工作。機器人從待工位運動到旋轉工作臺，手爪夾持指定工裝，將工裝從旋轉工作臺A面上拔出后進行翻轉，并裝入主機一的主軸上；到位后，機器人給主機發鎖緊請求信號。主軸氣動夾緊機構對工裝進行鎖緊，并在鎖緊后對機器人反饋信號，機器人根據選定的程序進行后續循環動作，依次將指定的工裝安裝到設定的主軸上。主機一裝件完成后開始工作；PLC收到信號后，旋轉工作臺B面進入工作位置，主機二給機器人上料請求信號，機器人開始工作，機器人將指定工裝按照順序為主機二安裝到位，同時人工為旋轉工作臺A面上料；上料完成后，主機一、二工作，旋轉工作臺保持原狀；主機一工作完成后，給機器人下料請求信號，機器人從主機一的主軸上去下工裝后，夾持工裝到清洗箱中進行涮洗，刷洗完成后在半空停留幾秒空水，然后再將工裝放到旋轉臺上，其他軸工裝按上面程序依次卸料，然后再從旋轉工作臺上取料向主機一中上料，主機一上完料后開始工作；主機二工作完成后，按主機二的程序先取件，再涮洗，然后放工裝，最后向機床中上工裝，依次循環。

2.6 水循環系統設計

為了處理在光整加工過程中摩擦磨損產生的磨料和金屬混合污泥，提高磨液的使用效率，有效地排除各類雜質，保證加工效果，裝備系統中應該設置滿足一定要求的水循環系統。該水循環系統主要是采用一個氣動隔膜泵將副水箱中的磨液打入單一袋式過濾器中，對光整用磨液進行固液分離，然后把過濾后的磨液送回主水箱中，以達有效地排除各類雜質。為了適用兩臺主機的使用及獨立控制水量，增設了獨立的水泵控制，可分別與對應主機相連，方便程序控制及設備維護。

2.7 控制系統設計

由于新型旋流式滾磨光整加工裝備各部分是分散式布置，并且要實現其自動控制，保證整體設備運行的穩定性，采用總線控制方式，將整套控制系統分為主控系統、1號旋流式滾磨光整加工設備子系統、2號旋流式滾磨光整加工設備子系統、機器人子系統、水循環系統、旋轉臺子系統等6大部分。主控系統可協調控制各個子系統，將原單一控制主機的方式更改成通過主控系統獲取整套系統的狀態信號，然后按照約定的限制條件，由主控系統向各子系統發送執行命令。通過總線控制方式，可在操作中協調統一控制裝備各部分，確保裝備工作的穩定性及可靠性，圖6為控制系統流程圖。

圖6 控制系統流程圖

3 研發裝備的實際應用

根據某變速器公司提供的同步器齒套梅角棱邊倒鈍要求，要求加工處尺寸精度控制在-0.02～-0.1mm之間，常見的加工手段都滿足不了要求。同步器齒套外形圖及同步器齒套梅角棱邊放大圖如圖7和圖8所示。

圖7 同步器齒套外形圖

圖8 同步器齒套梅角棱邊放大圖

通過典型的旋流式滾磨光整加工設備對同步器齒套梅角棱邊進行倒鈍的工藝驗證結果為：設備主軸速度在40～60rpm之間，滾筒速度在40～50rpm之間，并且利用設備主軸及滾筒的正反轉相向運動對齒套進行加工時加工效果較佳，加工時間在10～20min之間。依據工藝試驗參數研發的成套裝備已在某汽車同步器廠投產使用，在批量化生產過程中對其產品隨機抽檢，加工合格率達到100%。圖9和圖10為某件齒套梅角加工前后檢測情況。

裝備投產使用過程中，依據現場實際情況及進一步完善需求，將在工件輸送方面配備高效的物流輸送系統，解決各工序間工件的傳遞功能，進而提高物料輸送效率；加工后的工件隨輸送系統進入在線檢測系統，對加工后的工件進行質量管控；對整套裝備配備遠程控制系統，可實時了解現場設備運行狀態，以便更好的維護運行。

圖9 滾磨光整加工前齒套梅角棱邊測量數據

圖10 滾磨光整加工后齒套梅角棱邊測量數據