齒輪箱通用跑合平臺研制

馬小杰，仇志，柴艷紅，金嵐，孫瑞峰

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引言

在各類傳動機構(gòu)的生產(chǎn)中，均需對齒輪箱進行跑合，通過跑合來去除齒輪表面的硬點或高點，改善齒輪及軸承結(jié)合面接觸情況[1-2]。目前公司現(xiàn)有產(chǎn)品跑合均是利用各自產(chǎn)品電機，搭建簡易控制電路來實現(xiàn)本產(chǎn)品的跑合，主要存在以下問題：

1)均使用產(chǎn)品電機進行跑合，存在損壞產(chǎn)品電機的風(fēng)險；另外產(chǎn)品電機齊套有一定周期，會影響齒輪箱與方位轉(zhuǎn)臺的生產(chǎn)周期。

2)各產(chǎn)品齒輪箱采用伺服電機產(chǎn)品不同，控制電路也不同，實際操作復(fù)雜，對裝配工人的要求較高。

3)現(xiàn)有的跑合方式通用性、拓展性不強，只能滿足本產(chǎn)品的跑合要求，無法滿足后續(xù)產(chǎn)品科研生產(chǎn)的需要。

為此，決定自行研制齒輪箱通用跑合平臺。

1 研制方案

1.1 梳理各產(chǎn)品齒輪箱跑合要求

根據(jù)目前批產(chǎn)產(chǎn)品的設(shè)計文件，匯總、梳理分析各產(chǎn)品跑合的具體要求，從而確定齒輪箱通用跑合平臺的技術(shù)指標(biāo)：

1)轉(zhuǎn)速范圍為100～3 000r/min；

2)最大力矩為19 N·m；

3)可實現(xiàn)正、反向跑合；

4)可實時顯示力矩等數(shù)據(jù)變化，并記錄跑合過程中的各項數(shù)據(jù)；

5)可對電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)整；

6)跑合溫度范圍-40℃～60℃；

7)能夠靈活擴展，滿足未來新產(chǎn)品的齒輪箱跑合需求。

1.2 跑合平臺系統(tǒng)組成分析

根據(jù)齒輪箱跑合的技術(shù)要求，對齒輪箱通用跑合平臺的使用方法、工作過程等進行綜合分析，抽象構(gòu)建其總體結(jié)構(gòu)圖，如圖1 所示。

圖1 齒輪箱通用跑合平臺結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)整體結(jié)構(gòu)圖，分別對各類模塊深化設(shè)計，將所有軟件集成在跑合控制箱中，連接選用的通用跑合電機，并設(shè)計各類產(chǎn)品齒輪箱跑合的安裝支架和通用底架，最后總成為齒輪箱通用跑合平臺。

1.3 跑合控制箱設(shè)計

跑合控制箱主要功能：

1)進行轉(zhuǎn)向、速度、時間等參數(shù)設(shè)定；

2)實時顯示跑合過程中電機轉(zhuǎn)速、力矩的參數(shù)值變化情況；

3)記錄跑合時間。

跑合控制箱主要由觸摸屏、PLC控制器、伺服電機的驅(qū)動器(編碼器)、配套軟件模塊、控制箱箱體組成。跑合控制箱緊固于一輛防靜電小車上，如圖2所示，可適應(yīng)生產(chǎn)場地的變化。觸摸屏上配有USB接口，可將跑合試驗的所有參數(shù)導(dǎo)入計算機，以供留存、分析。

圖2 跑合控制箱示意圖

觸摸屏的參數(shù)寫入和讀取是先與PLC控制器通信，由PLC控制器程序處理后，再通過擴展模塊傳送控制信號給伺服驅(qū)動，從而控制電機帶動齒輪箱跑合[3-4]，工作流程如圖3所示。

圖3 跑合控制箱工作流程圖

跑合控制箱操作面板上設(shè)有啟動、急停按鈕、電位器、PLC觸摸屏。電位器作用是在試運轉(zhuǎn)時調(diào)整速度，防止電機急停、急開，避免損壞電機和齒輪箱。

跑合控制箱原理圖如圖4所示。

圖4 跑合控制箱原理圖

跑合控制箱的控制界面如圖5-圖9所示。圖5為主要操作控制界面，圖6為電機參數(shù)界面，可顯示跑合的速度、轉(zhuǎn)矩、時間，可直接讀出啟動力矩。齒輪箱安裝在轉(zhuǎn)臺上跑合時，在圖5界面上輸入的齒輪箱減速比，可顯示轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，即界面上“負(fù)載”行的參數(shù)。

圖5 主要操作控制界面

圖6 電機參數(shù)界面

圖7、圖8為轉(zhuǎn)矩、速度趨勢圖界面，圖9為報警界面，跑合出現(xiàn)異常時，控制器會自動報警。

圖7 轉(zhuǎn)矩趨勢圖

圖8 轉(zhuǎn)速趨勢圖

圖9 報警界面

1.4 跑合電機選擇

根據(jù)統(tǒng)計的各產(chǎn)品型號跑合參數(shù)并考慮經(jīng)濟成本，選擇松下MDME102GCG型電機，如圖10所示，電機參數(shù)如表1所示。

圖10 電機

表1 電機參數(shù)表

1.5 通用跑合支架設(shè)計

根據(jù)各批產(chǎn)品以及預(yù)研產(chǎn)品齒輪箱設(shè)計文件，匯總、梳理各產(chǎn)品齒輪箱的安裝接口及安裝方式以及各齒輪箱電機軸接口。

各類產(chǎn)品所用的齒輪箱總體可分為圓柱齒輪箱、行星齒輪箱，其在跑合時均需可靠固定，根據(jù)其安裝接口及齒輪箱的外形尺寸，兼顧可拓展性，設(shè)計、制造了齒輪箱跑合通用底架及齒輪箱安裝支架。通用底架上設(shè)置了系列安裝孔，可根據(jù)跑合試驗要求安裝不同產(chǎn)品的齒輪箱支架[5]，如圖11所示。

圖11 齒輪箱跑合通用底架及齒輪箱安裝支架示意圖

各產(chǎn)品齒輪箱與電機的安裝接口、齒輪箱的輸入軸也有所不同，在統(tǒng)計各產(chǎn)品齒輪箱跑合需求時，匯總了各產(chǎn)品齒輪箱的安裝方式、與電機的接口形式，從而設(shè)計相應(yīng)的聯(lián)軸器(圖12)、轉(zhuǎn)接襯套(圖13)。將來新產(chǎn)品采用不同規(guī)格的齒輪箱時，只需設(shè)計、制造相應(yīng)的聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)接襯套，即可與工裝電機相聯(lián)，進行跑合。

圖12 聯(lián)軸器

圖13 轉(zhuǎn)接襯套

2 通用跑合平臺應(yīng)用與驗證

本次跑合平臺研制共制造了2套跑合平臺，共8個工位，配置4套控制系統(tǒng)。跑合平臺如圖14所示。

圖14 齒輪箱通用跑合平臺

選擇某產(chǎn)品內(nèi)的方位齒輪箱進行通用跑合平臺的應(yīng)用與驗證，以驗證通用跑合平臺是否滿足預(yù)先設(shè)定的技術(shù)指標(biāo)及功能。該方位齒輪箱在跑合平臺上安裝方式如圖15所示，設(shè)置的跑合參數(shù)如圖16所示。

圖15 齒輪箱安裝圖

圖16 參數(shù)設(shè)置圖

該方位齒輪箱在通用跑合平臺上完整地進行了跑合試驗，整個過程運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，未出現(xiàn)異常現(xiàn)象。電機速度從0至跑合設(shè)定轉(zhuǎn)速逐步遞增，在不同速度下均運轉(zhuǎn)正常，最終將速度設(shè)置為跑合轉(zhuǎn)速進行跑合。跑合過程運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，未出現(xiàn)異常現(xiàn)象。跑合過程的數(shù)據(jù)趨勢如圖17、圖18所示。

圖17 轉(zhuǎn)速趨勢圖

圖18 轉(zhuǎn)矩趨勢圖

3 結(jié)語

本項目設(shè)計、制造2套齒輪箱通用跑合平臺，共8個跑合工位，可同時進行4個齒輪箱的跑合，同時還可進行4個齒輪箱的跑合準(zhǔn)備工作；跑合控制界面簡潔明了，操作簡單，可實時監(jiān)測齒輪箱的跑合狀態(tài)；跑合平臺不受齒輪箱產(chǎn)品的限制，現(xiàn)有的齒輪箱均有對應(yīng)的安裝轉(zhuǎn)接板，后續(xù)新產(chǎn)品齒輪箱的跑合也只需增加電機與齒輪箱驅(qū)動軸間的安裝接口即可。

齒輪箱跑合平均準(zhǔn)備及實驗時間從480 h減少至40 h，提高生產(chǎn)效率約92%，節(jié)約工時費用約數(shù)萬元。后續(xù)產(chǎn)品只需通過增加齒輪箱安裝支架及電機接口，就可滿足齒輪箱跑合需求；預(yù)估每個產(chǎn)品投產(chǎn)跑合工裝費用約需12萬～15萬左右，現(xiàn)投產(chǎn)齒輪箱安裝支架及電機接口費用約需2萬～3萬元，可直接節(jié)約10萬～12萬元。

該齒輪箱通用跑合平臺可滿足現(xiàn)有產(chǎn)品齒輪箱的跑合需要，解決了以往各產(chǎn)品齒輪箱跑合工裝復(fù)雜多樣，跑合效率較低，且存在損壞產(chǎn)品電機的風(fēng)險等問題。齒輪箱通用跑合平臺經(jīng)應(yīng)用驗證，具有跑合效率高、使用操作簡便，通用性、拓展性強等優(yōu)點，可滿足各類產(chǎn)品的齒輪箱跑合需求。